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080 - MÉCANIQUE ET PRINCIPE DU VOL AVION

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L'extension des volets Fowler va augmenter la portance mais aussi déplacer le centre d'application de la résultante de la portance à l'arrière, car la surface de l'aile va augmenter vers l'arrière.

II - les effets moteurs liĂ©s Ă  l'hĂ©lice :


f) les vitesses caractéristiques d'un avion :
En aviation générale, la plupart des avions disposent d'une hélice à calage fixe. Ces hélices peuvent être à 'petit pas' ou à 'grand pas'.
Equation de la traĂ®nĂ©e est : 1/2ρ S V² Cx

I - DĂ©finitions :


ρ = densitĂ© de l'air
n = 1 / 0,5 = 2.
Assiette : angle compris entre l'axe longitudinal de l'aéronef et l'horizontale (c'est la position de l'aéronef sur l'axe de tangage).
Si la limite est dépassée, la gouverne de profondeur ne sera plus efficace pour certaines vitesses et phases du vol. L'avion pourra être incontrôlable.
2- le lacet : l'hélice souffle de l'air sur l'empennage vertical, influant ainsi sur les mouvements de lacet de l'avion.
Le taux de virage est lié au rayon de virage et à la vitesse de l'avion par la relation suivante:
Le volet de courbure Ă  fente :
 
a) les ailerons : Les ailerons, situĂ©s en extrĂ©mitĂ© d'ailes, permettent en bougeant de changer la portance des ailes. Le manche Ă  droite va lever l'aileron droit et diminuer la portance de l'aile droite. L'aileron gauche va se baisser et augmenter la portance de l'aile gauche. Comme l'aile gauche a plus de portance que l'aile droite, l'avion va partir en roulis (autour de l'axe longitudinal) Ă  droite.
Angle d'incidence : angle compris entre la corde de référence d'un profil et la direction du vent relatif.
d) Le compensateur de profondeur : Le compensateur de profondeur est une petite gouverne 'ajoutĂ©e' Ă  la gouverne de profondeur qui permet de diminuer les efforts du pilote sur l'axe de tangage. En fonction de la vitesse de l'avion, la position de la gouverne de profondeur va sensiblement ĂŞtre diffĂ©rente (pour une configuration donnĂ©e).
Si le centre de gravité de votre avion se situe en avant de la limite avant de centrage le contrôle en tangage est insuffisant même avec un braquage maximal de la gouverne de profondeur.
Il est aussi important de signaler qu'un facteur de charge important va augmenter la valeur de votre vitesse de dĂ©crochage. Si votre avion  dĂ©croche habituellement Ă  60 km/h, sous un facteur de charge de 2g (2 fois la gravitĂ©), il dĂ©crochera Ă  60 x racine carrĂ©e de 2 = 85 km/h.
3- le tangage : l'hélice souffle sur l'empennage horizontal. Une augmentation de ce souffle entraînera une déportation plus importante de l'empennage horizontal et un effet à cabrer de l'avion. Le point d'application de la force de traction de l'hélice par rapport au centre de gravité est aussi un facteur d'influence du tangage lors des variations de régime moteur.
b) la gouverne de direction : A l'arrière de l'empennage vertical, ou dĂ©rive, se trouve la gouverne de direction :

II - AĂ©rodynamique du vol :


ρ = densitĂ© de l'air.
Poussée, traînée, portance et poids sont les forces agissantes sur tous les aéronefs en vol.Comprendre comment ses forces fonctionnent et savoir les contrôler à l'aide de la puissance moteur et des commandes de vol est essentiel pour le vol.
Vous devez donc tirer le manche vers vous pour cabrer légèrement l'avion.
DiffĂ©rents types de volets :
c) la profondeur : La gouverne de profondeur est la partie mobile de l'empennage horizontal :
En revanche, un centrage trop avant vous rendra moins maniable, mais votre avion sera plus stable.
- inclinaison 30° --> facteur de charge = 1,15
Un avion centré avant sera très stable et peu maniable.
L'effet de sol permet une diminution de la distance de décollage, par contre, comme l'avion pourra se retrouver en vol à une vitesse faible près du sol, dès qu'il s'en éloignera, il ne bénéficiera plus de l'effet de sol et cette vitesse faible sera insuffisante pour générer suffisamment de portance, l'avion risquera de décrocher.
 
Il est important de retenir que lorsque le facteur de charge augmente, la vitesse de décrochage augmente, mais l'incidence de décrochage ne change pas. L'incidence de décrochage est une valeur fixe pour un profil et une configuration donnée.
 
Le volet Fowler :
n = 1 / cos inclinaison
a) la poussĂ©e ou traction : Pour qu'un aĂ©ronef se dĂ©place, la poussĂ©e (ou traction pour un avion Ă  hĂ©lice) doit ĂŞtre plus forte que la traĂ®nĂ©e. L'aĂ©ronef continuera  se dĂ©placer et Ă  gagner de la vitesse jusqu'Ă  que poussĂ©e et traĂ®nĂ©e s'Ă©galisent.

1 - les gouvernes primaires :


Les palonniers commandent également la roulette de nez (train tricycle) permettant de contrôler l'avion au sol lors du roulage et lors de la course au décollage.
c) le vol en virage : Pour virer, il faut incliner la portance du cĂ´tĂ© du virage. Si en plus on veut maintenir le palier (c'est-Ă -dire ne pas descendre ou monter) il faut augmenter la portance car le facteur de charge augmente en virage (notre poids apparent augmente en virage).

L'allongement (de l'aile) : c'est le rapport de l'envergure de l'aile sur sa corde moyenne.
En descente en planer, une portion du poids est dirigé vers l'avant, et ainsi, agit comme de la poussée.

IV - Stabilité et maniabilité


- VNO (Velocity Normal Operating) : vitesse à ne pas dépasser en atmosphère turbulente.
Le facteur de charge en virage est Ă©gal Ă  l'inverse du cosinus de l'inclinaison :
d) le poids : Le poids se dĂ©finit comme la masse multipliĂ©e par l'accĂ©lĂ©ration de la pesanteur.
Ce sont quelques valeurs utiles à connaître :
- inclinaison 45° --> facteur de charge = 1,41
Retenez ceci :
 
La formule de la portance est : 1/2ρ S V² Cz
Les gouvernes primaires sont les commandes utilisées pendant toute la durée du vol, et permettant de contrôler un aéronef. Ce sont les commandes de profondeur (manche), d'inclinaison (manche) et de direction (palonniers) qui assurent le contrôle de l'appareil autour des trois axes (roulis, lacet, tangage).
Le volet de courbure ordinaire :
a) les volets : Les dispositifs hypersustentateurs (volets) sont utilisĂ©s pendant les phases de dĂ©collage et d'atterrissage.
Retenez qu'une hélice ayant un 'petit pas' permet de meilleures performances pour les phases de décollage ou de montée, lorsque l'avion a une vitesse faible et beaucoup de puissance.
- inclinaison 60° --> facteur de charge = 2
Lors de l'atterrissage l'aile va subir moins de traînée, et l'avion va perdre moins de vitesse, la distance d'atterrissage va s'allonger. Il faut tenir compte de l'effet de sol dans le cas où vous vous posez sur une piste courte.
 
Les becs sont des dispositifs d'hypersustentation qui sont situés sur le bord d'attaque de la voilure. Ils se déploient vers l'avant et permettent d'augmenter l'incidence (l'angle) de décrochage. La vitesse de décrochage sera ainsi plus faible.

La portance que va pouvoir générer votre avion varie également en fonction de l'incidence, si vous tirez sur le manche pour augmenter la portance (pour monter par exemple), vous allez également augmenter la traînée. Vous devrez alors augmenter la traction (mettre plus de gaz) pour contrer cet accroissement de traînée.
Comme l'aile sous le vent est aussi masquée par le fuselage, L'avion aura moins de portance, il faudra alors augmenter l'incidence de l'avion pour garder le palier, et la traînée augmentera d'autant plus.
Afin de limiter cet effet secondaire, la cinĂ©matique des tringleries de commandes d'ailerons est conçue de telle sorte que l'aileron qui se baisse, se baisse moins proportionnellement que ne se lève l'autre aileron, ceci afin de limiter la traĂ®nĂ©e diffĂ©rentielle :
La traînée engendrée par l'aile dépend donc de la masse volumique de l'air, de la vitesse du vent relatif, de la surface alaire, de l'incidence de l'aile et de la forme du profil d'aile.
On note aussi que si, en vol rectiligne horizontal, on appuie sur le palonnier droit, cela entraĂ®ne une rotation autour de l'axe de lacet vers la droite (le nez part vers la droite). Comme l'avion est maintenant en vol dissymĂ©trique les 2 ailes ne vont pas subir le vent de la mĂŞme façon. L'aile en avant (gauche) va subir plus de portance que l'aile en arrière (droite). L'avion va partir en roulis Ă  droite. C'est ce que l'on nomme le roulis induit.
 
n = 1 / cos 60°
Un avion centré arrière sera peu stable, mais très maniable.
Notez que si vous passez rapidement d'une montĂ©e ou du vol en palier, Ă  une descente, le facteur de charge sera nĂ©gatif (vous dĂ©collez de votre siège !).
Cz = coefficient de portance, paramètre fonction de la forme du profil et de l'incidence.
Le virage engagé peut survenir au cours d'un vol touristique, notamment au cours d'un virage serré effectué à basse hauteur, où le pilote peut être surpris de se retrouver avec une importante assiette à piquer.
Dans les formules de portance et traînée du paragraphe précédent, on trouve l'élément V², ce qui signifie que la portance et la traînée varient, entre autre, en fonction du carré de la vitesse. Si la vitesse de l'avion est doublée, la portance et la traînée sont multipliées par 4.

S = surface alaire

Plus on va vite dans le virage, plus le rayon du virage va ĂŞtre grand.
Si ensuite vous repassez en vol en palier, vous allez pousser le manche pour diminuer l'incidence afin de diminuer la portance. La traînée va également diminuer, il sera nécessaire de diminuer la traction pour ne plus accélérer.
- Le poids : c'est la charge combinĂ©e de l'aĂ©ronef lui-mĂŞme, le pilote et ses passagers, le carburant, les bagages. Le poids tire l'avion vers le bas en raison de la gravitĂ©. Il s'oppose Ă  la portance, et agit vers le bas verticalement au travers du centre de gravitĂ© (CG).
La vrille est un dĂ©crochage dissymĂ©trique entretenu. Le virage engagĂ© ressemble un peu Ă  l'autorotation ou Ă  la vrille en ce sens que l'avion  dĂ©crit une spirale descendante très serrĂ©e, mais ces deux phĂ©nomènes sont pourtant radicalement diffĂ©rents.
Pour sortir du virage engagé, il faut réduire les gaz immédiatement, mettre les ailes à plat, puis opérer une ressource souple.

I - les hĂ©lices :


 
Le volet de courbure ordinaire est le plus couramment employé. Il accroît la portance en augmentant la courbure du profil d'aile. Plus son braquage est important, plus le coefficient de traînée (Cx) augmente. La portance est augmentée d'environ 30 %. Enfin le profil d'aile décroche vers 11° ou 12° au lieu d'environ 15°.
Le risque d'un dĂ©crochage dissymĂ©trique est d'entraĂ®ner une vrille (autorotation). Se trouver dans cette situation difficile est la consĂ©quence directe d'un mauvais contrĂ´le de la symĂ©trie du vol associĂ© Ă  une forte incidence :
Calage de l'aile : angle formé par la corde du profil de l'aile et l'axe longitudinal de l'avion. Le calage est une position fixe déterminée par les ingénieurs lors de la conception de l'avion, et indépendant de la position de l'aéronef par rapport à l'horizontale.
Retenez que les valeurs de la portance et de la traînée sont proportionnelles au carré de la vitesse.
En montée, une portion de la poussée est dirigée vers le haut, et agit comme si c'était de la portance supplémentaire, pendant qu'une portion du poids est dirigé en arrière, et agit comme si c'était de la traînée supplémentaire.

 
Le facteur de charge augmente aussi en virage, en fonction de notre inclinaison.

Sur les avions légers, ce phénomène est pratiquement inexistants vu leurs faibles envergures.
En effet, lors d'une vrille on observe un décrochage d'une aile et une dissymétrie, tandis que lors d'un virage engagé, l'avion vole parfaitement normalement à ceci près qu'il est en virage très serré avec une très forte attitude à piquer, et qu'il a de la vitesse (et celle-ci augmente rapidement).
b) la traĂ®nĂ©e : La traĂ®nĂ©e est la force qui rĂ©sulte de la rĂ©sistance du mouvement de l'aĂ©ronef dans l'air. Il y a deux types de traĂ®nĂ©e : la traĂ®nĂ©e parasite et la traĂ®nĂ©e induite. La première est appelĂ©e parasite car elle n'est pas due Ă  la gĂ©nĂ©ration de portance pour aider au vol. La seconde est la traĂ®nĂ©e induite car elle rĂ©sulte de la gĂ©nĂ©ration de portance nĂ©cessaire au vol (elle est induite par la portance, d'oĂą son nom).
V = vitesse.

b) les becs :
 
 
Par exemple, si vous devez en permanence pousser sur le manche pour ne pas monter, alors vous agirez sur le compensateur dans le mĂŞme sens, vous le pousserez pour annuler l'effort aux commandes.
Le taux de virage : Le taux de virage est le nombre de degrĂ© parcouru par seconde. Quand vous effectuez un virage au taux 1, vous effectuez un tour complet en 2 minutes (3°/seconde).
V² = carré de la vitesse
En s'abaissant, il augmente la courbure de l'aile, et en reculant il en augmente la surface. Notez que les volets Fowler sont aussi équipés de fente pour redonner de l'énergie aux filets d'air de l'extrados.

- VNE (Velocity Never Exceed) : vitesse à ne jamais dépasser.

VI – Hélice et effets moteurs


IV - Etude du vol


Donc attention : si vous volez à 70 km/h et que vous faites une ressource de 2g, votre avion va décrocher.
Lors d'une ressource (passage d'une descente à une montée, comme dans le cas de la descente en vue d'un atterrissage, suivi d'une remise de gaz) le facteur de charge augmente (notre poids apparent va augmenter, c'est ce qu'on appelle le facteur de charge).
- La portance : elle s'oppose au poids, elle est produite par l'effet dynamique de l'air sur un profil (l'aile en l'occurrence), et agit perpendiculairement Ă  la direction de l'Ă©coulement (la direction du vol) au travers du centre de poussĂ©e/pression du profil.
Le dièdre est généralement positif, améliorant ainsi la stabilité en roulis.
Il s'agit des commandes qui ne sont utilisées que pendant certaines phases du vol. Elles comprennent les dispositifs hypersustentateurs (volets et becs de bord d'attaque) ainsi que les aérofreins.
En déplaçant le manche d'avant en arrière, on abaisse ou on fait monter la gouverne de profondeur, ce qui permet de faire bouger l'avion sur l'axe de tangage (à piquer ou à cabrer).
 
Cet ensemble (aile+volet) aura plus de courbure, ce qui produira plus de portance, mais en même temps génèrera plus de traînée, ce qui permet de réduite la vitesse de décrochage mais diminue également la la distance de plané maximum.
Les volets sortis changent le profil de l'ensemble aile+volet, ce qui permet de voler plus lentement. La vitesse de décrochage est diminuée.
La bille part Ă  gauche --> on met du pied Ă  gauche
 
a) le facteur de charge : Le facteur de charge est le rapport de la portance sur le poids.
Les quatre forces sont dĂ©finies comme suit :

'Le pied chasse la bille'.
Dièdre de l'aile : angle des ailes avec l'horizontale (plus précisément, pour l'examen, c'est l'angle que forme le plan horizontal avec l'axe longitudinal de l'aile).
Les 3 axes d'un avion :

2 - Évolutions de la portance et de la traĂ®nĂ©e :


 
Puissance absorbée : puissance absorbée par l'hélice, ou puissance fournit par le moteur à l'arbre de l'hélice.


Taux = vitesse / rayon
 
S'il est centré arrière, cela rendra l'avion extrêmement sensible au moindre de vos mouvements sur la commande de la gouverne de profondeur. L'avion est dit instable.

2 - les gouvernes secondaires :




Les variations de la puissance du moteur provoquent des effets secondaires qui imposent des manoeuvres correctives. Les effets moteur vont agir sur :

b) la vitesse de dĂ©crochage : Le dĂ©crochage se caractĂ©rise par une perte de la portance. La vitesse de dĂ©crochage est influencĂ©e par le facteur de charge, la masse, la configuration de l'avion. Si vous ajoutez une charge dans votre aĂ©ronef (passagers, bagages, essence), la vitesse de dĂ©crochage augmente.
Le rayon de virage : Le rayon mesure la taille du cercle dĂ©crit par un avion pour une inclinaison et une vitesse donnĂ©es. En palier, Ă  inclinaison constante, vous augmentez votre vitesse en virage, le rayon de virage va augmenter.
 
Il en résulte un moment de tangage à piquer, qu'il faudra corriger par une action à cabrer si on veut maintenir le palier.
La surface alaire : c'est la surface totale de la voilure y compris celle qui traverse le fuselage.
Les palonniers actionnent la gouverne de direction, permettant de faire tourner l'avion autour de son axe de lacet. En appuyant sur le palonnier droit, la gouverne de direction se braque vers la droite, et inversement. La gouverne de direction permet à l'avion de voler symétriquement.
en bleu clair, la surface 'alaire'
Une partie de la puissance du moteur est principalement absorbée par la traînée de l'hélice et l'inertie de l'hélice en mouvement.
L'angle de calage de l'hélice est l'angle entre la corde de référence de la pale et le plan de rotation.

 
d) le vol dissymĂ©trique/dĂ©rapĂ© et la vrille (autorotation) : Le vol est dit dissymĂ©trique lorsque le fuselage n'est plus dans l'axe de la trajectoire du vol et offre une plus grande surface au vent relatif. Il augmente donc la traĂ®nĂ©e.

On retiendra que plus l'hélice a de pales, plus la puissance absorbée augmente.
Puissance utile : puissance fournit par l'hélice
Plus vous allez vite, plus le taux de virage est diminué, pour une même inclinaison.
g) l'effet de sol : Près du sol, l'avion subit l'effet de sol : les tourbillons marginaux sont bloquĂ©s par le sol, il se crĂ©Ă© une sorte de coussin d'air qui porte l'avion.

1 - Les forces qui agissent sur l'avion :


Une hélice avec un 'grand pas' permet de meilleures performances en croisière.
Un vol dissymĂ©trique peut se dĂ©tecter Ă  l'aide de la bille. L'action Ă  apporter lors d'un vol dissymĂ©trique est une action sur le palonnier :
Pour éviter des efforts importants, le compensateur va créer une force aérodynamique directement au niveau de la gouverne de profondeur. En réglant correctement ce compensateur, les efforts au manche seront nuls.

En vol en palier stabilisé, la somme de ses forces est toujours de zéro. Cela ne signifie pas que les quatre forces sont toutes égales, mais que les forces qui s'opposent sont égales, et ainsi s'annulent entre elles.
Le volet de courbure à fente combine la rotation due au braquage avec un certain recul qui ménage une fente entre l'aile et l'avant du volet. En plus de l'effet du volet de courbure ordinaire, le volet de courbure à fente consiste à canaliser les filets d'air. L'effet de Venturi présent sur ce volet, permet l'accélération de l'écoulement sur l'extrados du volet de courbure où une turbulence importante se produit. La portance est augmentée en moyenne de 50 %. Cependant, ce type de volet doit avoir un braquage important. A 45°, l'augmentation est seulement de 20 %.
La maniabilité d'un avion autour de l'axe de tangage dépend du chargement. En effet, en fonction de son chargement, un avion sera plus ou moins maniable.

III – Les gouvernes, volets et le compensateur

 
La traînée est la composante de la résultante aérodynamique parallèle au vent relatif.
- La poussĂ©e ou traction : c'est la force propulsive produite par l'hĂ©lice. Elle s'oppose Ă  la traĂ®nĂ©e. En règle gĂ©nĂ©rale, elle agit parallèlement Ă  l'axe longitudinal.
Cx = coefficient de traînée, paramètre fonction de la forme du profil et de l'incidence.
- VFE (Velocity Flaps Extended) : vitesse maximale volets sortis.
 
1- le roulis : l'hélice tournant dans un sens, l'avion aura tendance à tourner dans le sens opposé. Une modification du régime, entraînera un roulis
La limite de centrage correspond à la limite d'efficacité de la gouverne de profondeur.
La pente : angle entre le vent relatif et l'horizontale.
Revenons maintenant plus en dĂ©tails Ă  nos quatre forces :
Le rendement d'une hĂ©lice est dĂ©fini par le rapport : Puissance utile / puissance absorbĂ©e.
e) le virage engagĂ© :
Une mise en virage classique exige donc une action conjuguée des ailerons (pour incliner l'avion), de la gouverne de direction (pour conserver la symétrie du vol) et de la gouverne de profondeur (pour augmenter la portance).
Une caractéristique essentielle qui distingue la vrille du virage engagé est la vitesse.
S = surface alaire.
On parle de 'pas' pour une hélice, pour faire référence à son angle d'incidence.
c) les spoilers/aĂ©rofreins : Les aĂ©rofreins ne sont pas des dispositifs hypersustentateurs. Ils permettent de gĂ©nĂ©rer de la traĂ®nĂ©e pour rapidement perdre de l'altitude et/ou freiner l'avion. Au sol, ils permettent de dĂ©truire la portance pour arrĂŞter l'avion sur une plus courte distance.
Si vous volez sur un avion doté d'une hélice à pas variable, vous disposez d'une manette spécifique située à côté de la manette des gaz, cette manette est dotée d'une poignée bleue (pour rappel, la commande des gaz est noire et celle de la mixture est rouge), vous permettant de modifier le pas de l'hélice pendant le vol. Vous décollerez en plein petit pas (en poussant la manette bleue à fond vers l'avant), puis en croisière vous mettrez en grand pas (en tirant progressivement la manette bleue vers vous), enfin lors de l'approche, vous reviendrez en petit pas (manette bleue vers l'avant).

c) la portance : La portance est la composante de la rĂ©sultante aĂ©rodynamique perpendiculaire au vent relatif. Lorsque l'avion avance, la vitesse d'Ă©coulement de l'air est plus importante sur l'extrados que sur l'intrados de l'aile (le dessus et le dessous de l'aile), l'aile subit ainsi une dĂ©pression (elle est aspirĂ© vers le haut) et une pression (elle est poussĂ©e par le bas).
- La traĂ®nĂ©e : elle s'oppose au mouvement des frottements aĂ©rodynamiques (la portance). C'est une composante perpendiculaire Ă  la portance. Elle agit donc pour s'opposer au mouvement de l'objet. Dans le cas de propulsion de l'avion, elle s'oppose Ă  la poussĂ©e. Elle s'exerce parallèlement Ă  la direction de l'Ă©coulement de l'air.
Par contre, on notera que braquer les ailerons pour s'incliner, provoque un effet secondaire appelĂ© lacet inverse. En effet, en inclinant l'avion Ă  droite, l'aile gauche aura plus de traĂ®nĂ©e que l'aile droite, et l'avion va partir en lacet Ă  gauche (direction opposĂ©e au virage) :