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Mécanique du vol

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Jacques Menézo

VOLET I SE SOUSTRAIRE A LA TYRANNIE DE LA GRAVITE

Introduction

1- Comment voyager en l ’air ?2- Architecture d ’un avion3- Axes de pilotage4- Les repères

Sustentation par portance

1- Géométrie des ailes2- Notions de mécanique des fluides3- D ’où vient la portance

VOLET IICONTROLER LE VOL

Pilotage longitudinal

1- Equilibre longitudinal2- Empennage horizontal et gouverne de profondeur3- Compensation des gouvernes4- Centrage

Pilotage latéral

1- Equilibre latéral2- Les différentes gouvernes3- Effets secondaires4- Les petits mouvements

VOLET IIIMECANIQUE DU VOL

ATTERRISSAGE ET DECOLLAGE

Mécanique du vol

1- Facteur de charge et différentes phases de vol2- Domaine de vol

Atterrissage et décollage

1- Vol à basse vitesse : les dispositifs hypersustentateurs2- Le problème du freinage3- Circuits d ’atterrissage et décollage

Conclusion

VOLET IVPROPULSION

Les deux grandes classes de propulsion

Propulsion anaérobie

1- Propergols solides

2- Propergols liquides

Propulsion aérobie

1- Réacteurs

2- Moteurs à hélice

COMMENT VOYAGER EN L ’AIR ?

3 caractéristiques du vol :

• Rester en l ’air SUSTENTATION

ø VEHICULES BALISTIQUES

par Poussée d ’Archimède AEROSTATS

par Force Aérodynamique AERODYNES

par Réaction FUSEES

• Avancer par rapport à l ’air MODE DE PROPULSION

ø DERIVE, VOL PLANE

par utilisation des muscles VOL DES OISEAUX ET INSECTES

VOL HUMAIN PROPULSE

par utilisation d’un moteur HELICE, REACTEUR ET FUSEE

COMMENT VOYAGER EN L ’AIR ?

• Contrôler l ’attitude COMMANDES DE VOL

ø Youri GAGARINE

1 axe de contrôle mongolfière (soupape + brûleur)

2 axes de contrôle parapente

3 axes de contrôle planeur

propulsion orientable ZEPPELIN

COMMENT VOYAGER EN L ’AIR SANS PROPULSEUR ?

Rester en l’air

Balistique Par réactionPlans aérodynamiques

fixesPlans aérodynamiques

mobilesPoussée

d’Archimède

0 Obus - Feuille morte Tilleul, boomerang Ballon sonde

1 - Cerf-volant Mongolfière

2

Carreaud’arbalète - Parapente, aile delta

Hélicoptère enautorotation ?

3 ? -Planeur

Navette spatiale ? ?Con

trôl

erl’

atti

tude

Prop.

Orient.

- - - - -

COMMENT PILOTER UNE MONGOLFIERE ?

L’air chaud est moins dense que l’air froid à pression constante.Ce gain de poids peut donc être utilisé pour soulever la nacelle équipée, les aérostiers et le ballon.

Pilotage :Pour augmenter l’altitude, il faut réchauffer l’air à l’aide du brûleur.

Pour descendre, attendre que le gaz se refroidisse ou actionner la soupape d ’évacuation au sommet du ballon.

Pour « naviguer », régler son altitude pour obtenir les vents les plus favorables.

Curiosités :Les ballons à hélium utilisent la faible densité de ce gaz

(~ 0.17 contre 1.225kg/m3 pour l ’air ambiant)

Les « bulles d’orage » utilisent de la vapeur d ’eau qui se refroidit plus lentement que l’air.

COMMENT VOYAGER EN L ’AIR AVEC PROPULSEUR ?

Rester en l’air

BalistiquePar

réactionPlans aérodynamiques

fixesPlans aérodynamiques

mobilesPoussée

d’Archimède

0Ballon debaudruche ? ? ?

1 ? ??

?

2

Roq

uette

s

?ULM pendulaire,

parapente motorisé Autogire Dirigeable

3 ? ? Avion, missile Convertible ?Con

trôl

erl’

atti

tude

Prop.

Orient.

Capsulespatiale

ADAV(Harrier)

Chasseur à pousséevectorielle Hélicoptère ?

UN CONVERTIBLE, COMMENT CA VOLE ?

Atterrissage / Décollage

TransitionCroisière

POURQUOI UN HELICOPTERE NE FAIT-IL PAS LA TOUPIE ?

Force rotor secondaire

Sens de rotation du rotor principal

QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION

QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION

winglets

becs de bord d’attaque

ailerons externes

plan horizontal réglable

gouverne de profondeur

gouverne de direction dérive

génératrice de secours (APU) pointe arrière

Karman

plans déporteurs

volets de courbure

mât moteur

moteur

fuselage emplanture

ailerons internes

LES TROIS AXES DE PILOTAGEI- Le ROULIS

LES TROIS AXES DE PILOTAGEII- Le TANGAGE

LES TROIS AXES DE PILOTAGEIII- Le LACET

LE TRIEDRE AVIONRepère (O x y z)

O : sur le plan de symétrie, en général on prend G, le centre de gravité.

x : selon l ’axe de l ’avion, dirigé vers l ’avant.

z : perpendiculaire à x, dans le plan de symétrie, vers le bas.

y : perpendiculaire aux deux autres, selon l ’envergure, vers la droite.

x

z

y

LE TRIEDRE AERODYNAMIQUERepère (O xA yA zA)

xA : de même direction et sens que la vitesse par rapport à l ’air.zA : perpendiculaire à xA, dans le plan de symétrie (Oxz), vers le bas.yA : perpendiculaire aux deux autres, vers la droite.

Position angulaire du vecteur vitesse-air par rapport au trièdre avion

: incidence (zAOz) : dérapage (yOyA)

LE TRIEDRE TERRESTRERepère (O xo yo zo)

xo : projection sur le plan horizontal de la vitesse sol.zo : verticale terrestre, dirigé vers le bas.yo : perpendiculaire aux deux autres,

vers la droite.

Position angulaire du vecteur vitesse-sol par rapport au trièdre avion

: azimut : assiette longitudinale : angle de gîte

LES TRIEDRES : CONVENTION DE SIGNE

L ’incidence > 0, si le vecteur vitesse-air est situé du même côté que Oz par rapport au plan Oxy.« Nez de l ’avion vers le haut. »

Le dérapage > 0, si le vecteur vitesse-air est à droite du pilote. « Aile droite vers l ’avant. »

L ’assiette longitudinale > 0, si Ox se trouve au-dessus du plan horizontal passant par O.«  Nez de l ’avion vers le haut.»

L ’angle de gîte > 0, si la rotation est faite dans le sens des aiguilles d ’une montre. « Aile droite basse. »

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEI-Le PROFIL

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIIa-Forme en PLAN

Env

ergu

re b

Surface alaire S

Corde géométrique moyenne : l = S / b

Allongement : = b² / S

Flèche

Corde aérodynamique moyenne

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIIb-Forme en PLAN

Aile rectangulaire :

Aile trapézoïdale :

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIIc-Forme en PLAN

Aile elliptique :

Aile à flèche moyenne :

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIId-Forme en PLAN

Aile à grande flèche :

Aile :

Aile en double :

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIIe-Forme en PLAN

Aile gothique:

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIIf-Forme en PLAN

Aile en fer de lance :

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIIg-Forme en PLAN

Aile avec apex :

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIIh-Forme en PLAN

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIII-Forme de FACE

Aile médiane

Aile haute (éventuellement contreventée)

Aile basse

Dièdre négatif

Dièdre positif

Dièdre marginal positif

Dièdre

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIV-Quelques compléments

POURQUOI METTRE PLUSIEURS AILES ? (I)

Poids

Portance / 2Portance / 2

Portance / 6Portance / 6

Portance / 6

Portance / 6Portance / 6Portance / 6

Poids

Dans le cas d ’un multiplan, le moment de flexion à l ’emplanture est très inférieur. Optimisation structure.En revanche, l ’aile a un rendement aérodynamique médiocre.

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILEIV-Quelques compléments

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES1) Pression dynamique et pression totale

La pression statique est la pression mesurée par les manomètres ou baromètres.Elle correspond aux chocs des molécules gazeuses, agitées par la température (agitation thermique à l ’échelle microscopique), sur une paroi.Pour un gaz, elle dépend de la température et de la masse volumique du gaz.Pour un liquide, elle dépend de la pression en surface et du poids de fluide au-dessus du point de mesure.

La pression dynamique est la pression induite par la vitesse d ’ensemble (à l ’échelle macroscopique) de l ’écoulement sur un obstacle.Elle est liée à la vitesse et à la masse volumique du gaz.C ’est contre cette pression que vous luttez lorsque vous sortez la main de la voiture au-delà de 50 km/h. Pdyn= 0.5 V²

La pression totale est la somme des deux. Elle correspond aux énergies cinétique, potentielle et thermique du fluide. On supposera dans un premier temps que cette pression totale est conservée dans un écoulement. Ainsi, tout fluide qui accélère localement est détendu (principe du VENTURI).

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES2) Modèle d ’atmosphère ISA

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES3) Effet Venturi

Infini aval P = P

V = 0

Hypothèses :

• Ecoulement incompressible = cste

• Il n ’y a pas de pertes liées au frottement (viscosité du fluide), la pression totale est conservée.

Point de pression miniP = Pmini

V = Vmaxi = (2 (P - Pmini) / )½

Infini amont P = P

V = 0

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES4) Couche limite

En fait, même à faible vitesse, on ne peut considérer la pression totale uniforme dans tout l ’écoulement. Il existe une zone où les phénomènes visqueux sont notables, la couche limite. Le gradient de vitesse y est très intense (passage de 0m/s à la vitesse du vent en quelques millimètres).

V VVV

V = 0 V = 0 V = 0

L ’épaisseur de couche limite augmente avec la longueur d ’obstacle parcourue.La pression statique au sein d ’une tranche de couche limite est constante.

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES5) Décollement de couche limite

V

VV

V = 0V = 0

Il peut arriver que l ’angle pris par l ’obstacle soit trop important pour l ’écoulement. On assiste alors à un décollement de couche limite, l ’écoulement « prend la tangente ».

V

V = 0

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?I- Ecoulement autour d ’un profil neutre

P = P

V = V

Point d ’arrêtP = P + 0.5 V ²V = 0

P = P

V = V

Sillage

Zone de succionP < P

V > V

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?II- Ecoulement autour d ’un plan incliné

P = P

V = V

Point d ’arrêtP = P + 0.5 V²

V = 0

P = P

V = V

Vitesse défléchie

Zone de fortes survitessesP < P

V > V

Zone d ’eau morteP > P

V faible

Angle d ’incidence

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?III- Ecoulement autour d ’un squelette cambré incliné

P = P

V = V

Point d ’arrêtP = P + 0.5 V²

V = 0

P = P

V = V

Vitesse défléchie

Zone de fortes survitessesP < P

V > V

Zone d ’eau morteP > P

V faible

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?IV- Ecoulement autour d ’un profil cambré en incidence

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?V- Evolution de l ’écoulement avec l ’incidence

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?VI- Pression sur un profil

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?VII- Répartition de la pression sur un profil et diagramme Kp

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?VIII- Polaire d ’un profil

On décompose les forces aérodynamiques selon l ’axe de vitesse (traînée) et l ’axe perpendiculaire (portance).

La portance s ’écrit sous la forme :½ V² Salaire Cz

La traînée comporte deux termes :

½ V² Salaire (Cx0+Cxi)

Cx0 la trainée visqueuse (frottementde l ’air sur l ’aéronef)

Cxi la trainée induite

Décrochage : décollement généralisé

2

zxi C~C

Cz

Cx

Décrochage

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?IX-Ecoulement tridimensionnel autour d ’une aile

+ + + + + + +

- - - - - - -

L ’air en surpression à l ’intrados est chassé vers l ’extrados, zone en forte dépression. Ce contournement de la

voilure résulte en un tourbillon marginal.

V

Tourbillon marginal

Vextrados

Vintrados

UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (I)

V

Tourbillon marginal

Au saumon de voilure, deux écoulements se superposent, la vitesse d ’avancement et le tourbillon marginal.

UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (II)

V

Vtourbillon marginalVsaumonPortance

Résultante aérodynamique

Traînée

Bilan du winglet :

propulsion par utilisation du tourbillon marginalaugmentation du moment de flexion

Une fois encore l’Homme n’a rien inventé, les oiseaux possèdent des plumes aux extrémités de leur aile, les rémiges.

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?X- Décrochage

Passé un certain angle d ’incidence, toute l ’aile décroche. Cette diminution rapide de la portance est due à un décollement généralisé de l ’écoulement sur le profil. Les filets d ’air « n ’adhèrent » plus du tout à l ’extrados de la voilure.

La violence du décrochage dépend des caractéristiques du profil (loi d ’épaisseur, cambrure, etc…) et de l ’écoulement (turbulence, sillage, etc…).

Il est en général annoncé par un phénomène vibratoire (buffeting).

Un décrochage dissymétrique donne lieu à un départ en autorotation ou vrille.

Ce phénomène peut être repoussé par l ’adjonction de certains équipements. (voir chapitre sur les becs de bord d ’attaque).

QUALITES DE VOLI- Généralités

Durant le vol, trois forces agissent :la résultante aérodynamique (portance et traînée, opposée à la vitesse air )le poidsla propulsion

Equilibre des forces en croisière :Portance

Résultante aérodynamique

Traînée

Poids

Vitesse

Poussée ou traction

Dans le plan de symétrie

Ces forces déterminent la trajectoire de l ’avion.

Le pilotage consiste à créer des moments de tangage, roulis et lacet, destinés à changer l ’attitude de l ’avion, afin de modifier l ’équilibre des forces et donc d ’incurver la trajectoire.

COMMENT PLANER ?

Equilibre des forces

PortanceRésultante

aérodynamique

Traînée

Poids

Vitesse

QUALITES DE VOL II- Notion d ’équilibre longitudinal

Portance

Poids

Centre de portance

Centre de gravité

Mom

ent p

ique

ur

Centre de gravité à l ’équilibre

COMMENT PILOTER UNE AILE DELTA ?

Barre vers l ’avantMoment à ...

Barre vers la droiteVirage à gauche

Barre vers la gaucheVirage à ...

Barre vers l ’arrièrePoids du pilote vers l ’avantMoment à piquer

Portance

Poids

Centre de portanceCentre de gravité

QUALITES DE VOL II- Notion d ’équilibre longitudinal

Déportance

Mom

ent p

ique

ur Mom

ent cabreur

QUALITES DE VOL III- Foyer

Foyer : La variation d ’incidence provoque un déplacement du centre de portance.En fait, c ’est au foyer que la portance supplémentaire est appliquée.

Le foyer se trouve, en général, à 25% de la corde aérodynamique moyenne.

Portance

Centre de portance

Incidence nulle : Incidence 20° :

PortancePortance

Portancetotale

Foyer

QUALITES DE VOL IV- Stabilité statique longitudinale

Stabilité : L ’aéronef est dit stable longitudinalement si toute augmentation d ’incidence induit un moment piqueur qui tend à ramener l ’incidence à une valeur d ’équilibre, sans intervention des gouvernes de vol.

Tous les aéronefs sont stables, à l ’exception de certains chasseurs récents qui doivent être exceptionnellement manœuvrables. Plus un avion est stable, moins il est maniable.

Foyer avion : Le foyer avion est le point où le moment de toutes les forces aérodynamiques induites par incidence est nul. « Point où s ’applique l ’ensemble des forces aérodynamiques d ’incidence ».Rôle important de toutes les surfaces horizontales pour la position de ce point.

Centrage : Position du centre de masse, exprimée en pourcentage de corde aérodynamique moyenne.

Critère de stabilité statique longitudinale : Un aéronef est stable s ’il est centré en avant de son foyer. Cet écart est appelé marge statique de stabilité.

QUALITES DE VOL IV- Stabilité statique longitudinale

Portance

Poids

Centre de portance avion

Centre de gravité

Portance

Foyer avion

L’avion est stable car une augmentation de portance (rafale ou autre) tend à faire piquer l’avion, réduisant ainsi l’incidence et donc la portance.

Moment piqueur

QUALITES DE VOL V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur

ROLES DE L ’EMPENNAGE

Stabilisateur

Assurer la stabilité dans une plage de centrage suffisante.

Support de la gouverne de profondeur

Equilibrage, moment de tangage nul dans tout le domaine de vol

Maniabilité, possibilité de modifier le moment de tangage pour développer des accélérations angulaires.

EFFICACITE DE L ’EMPENNAGE

L ’empennage est d ’autant plus efficace qu’il est éloigné du centre de gravité.

QUALITES DE VOL V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur

QUALITES DE VOL V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur

Empennage classique : stabilisant (repousse le foyer avion à l ’arrière du foyer voilure)déporteur (la portance de la voilure est augmentée par mise en incidence, due à « l ’enfoncement » de la queue)peut être masqué par l ’aile, risque de décrochage profond (décrochage simultané de l ’aile et du plan horizontal)

Sans empennage :neutre, nécessite une voilure auto-stable ou des commandes électriques rapidesdéporteur, pour la même raison que plus haut

Empennage canard : déstabilisant (repousse le foyer avion à l ’avant du foyer voilure)porteur (la portance de la voilure est augmentée par mise en incidence, due à la montée du nez avion)interaction sur la voilure par création de tourbillons favorables à la portance

QUALITES DE VOL V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur

Gouverne classique

Plan horizontal réglable

Gouverne monobloc

m

m

m

iH

QUALITES DE VOL V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur

Comment cabrer?

Tirer sur le manche, la timonerie pousse les ancrages de la gouverne vers l ’arrière, la gouverne tourne vers le haut.Cette configuration induit une déportance sur le plan horizontal,l ’arrière de l ’avion s ’enfonce.

QUALITES DE VOL VIa- Le problème des efforts aux commandes

Les efforts aux commandes peuvent être très importants.Plusieurs solutions peuvent être proposées à cette difficulté:

compensation aérodynamique (voir plus loin)

compensation mécanique (id.)

assistance hydraulique (la puissance hydraulique ne vient que démultiplier les efforts du pilote, la répartition des pressions au sein de la chambre s ’effectue grâce au moyen de tiroirs reliés à la timonerie)

servocommandes irréversibles (les commandes du pilotes atteignent uniquement les servocommandes qui actionnent les gouvernes de vol, l ’effort aux commandes est restitué artificiellement)

commandes de vol électriques (les commandes envoient des ordres électriques à des calculateurs qui prennent en compte de nombreuses variables afin d ’envoyer l ’ordre le plus adapté aux servocommandes).

Les trois derniers points devront être développés lors d ’un autre cours.

QUALITES DE VOL VIb- Compensation aérodynamique

Régime : efforts nuls à l ’équilibre

Tab : on ajuste le braquage du tab pour annuler le moment de charnière

Plan horizontal réglable : on ajuste le calage iH de l ’empennage pour annuler le moment de charnière.

m

iH

m

T

QUALITES DE VOL VIc- Compensation aérodynamique et mécanique

Régime : efforts nuls à l ’équilibre

Gouverne monobloc compensée : même principe que le PHR, mais avec inversion des organes de commande : le manche agit sur le calage et on règle un tab de bord de fuite pour compenser les moments de charnière.

Gouverne monobloc compensée mécaniquement : le point d ’effort nul au manche est réglé grâce à un index qui déplace un ressort solidaire de la timonerie.

m

QUALITES DE VOL VId- Compensation aérodynamique

Evolution : réduction des moments de charnière en manœuvre

Déport d ’axe :

Corne débordante :

Tab automatique : T = Ttrim - K.m

m

QUALITES DE VOL VIIa- Centrage

Trois contraintes portent sur le centrage :

stabilité (sauf pour certains chasseurs à commandes de vol électriques)

équilibre de l ’avion sachant que le débattement des gouvernes est limité par des butées (20 à 30° de part et d ’autre du neutre)

pilotabilité (limitation encore plus restrictive que la précédente )

Les limites courantes pour un avion de ligne sont de 10% à 45% de la corde aérodynamique moyenne.

Débattement butée à butée

QUALITES DE VOL VIIb- Centrage

STABLEINSTABLE

IMPILOTABLE (centrage avant)IMPILOTABLE (centrage arrière)

Foyer voilure

Foyer avion

Centre de portance croisière, GP au neutre

PAS EQUILIBRE (centrage avant)PAS EQUILIBRE (centrage arr.)

QUALITES DE VOL VIII- Equilibre latéral

Virage ailes horizontalesla force latérale est créée par

les surfaces verticales

Virage symétriquela force latérale est créée par

inclinaison et augmentation de la portance

La force latérale créée par les surfaces verticales est petite à moins d ’augmenter significativement leur taille. Il vaut mieux utiliser les surfaces portantes. De plus, le corps humain supporte mal les accélérations latérales.

QUALITES DE VOL IX- Notion de stabilité de route

Partie favorable à l ’instabilité

Partie favorable à la stabilité

Le planeur se comporte comme une girouette autour de son centre de gravité. Si la partie arrière est prépondérante par rapport à la partie avant, l ’avion s ’aligne dans le lit du vent (le moment de lacet tend à annuler le dérapage).Si ce n ’est le cas, sa route est instable.Plus la dérive est grande et à l ’arrière du centre de gravité, plus l ’avion est stable.

QUALITES DE VOL X- Palonnier et gouverne de direction

Comment orienter le nez vers la droite ?

1°- Pousser sur la pédale droite du palonnier2°- La gouverne de direction tourne vers la droite3°- Une force aérodynamique pousse la dérive (l ’arrière)

vers la gauche4°- Finalement, le nez s’oriente vers la droite

QUALITES DE VOL XIa- Manche, ailerons et spoilers

Manche à droite

L ’aileron gauche est braqué vers le bas, la portance de l ’aile gauche croît et inversement droite.

Finalement, un moment de tangage vers la droite est créé.L ’avion s ’incline sur la droite.

QUALITES DE VOL XIb- Manche, ailerons et spoilers

Manche à droite

Le spoiler droit est relevé, il provoque une déportance sur l ’aile droite, qui « s ’affaisse ». L ’avion s ’incline sur la droite.

QUALITES DE VOL XIc- Manche, ailerons et spoilers

Vol à basse vitesse : l ’efficacité des gouvernes aérodynamiques est faible.Les ailerons internes (2) et externes (1) sont utilisés. Si le taux de roulis demandé est important, les spoilers (3) sont mis en action, ils sont compatibles avec les volets de courbure (4).

1 2

3

4

Vol à haute vitesse : l’efficacité des gouvernes est si importante que

l’extrémité de l ’aile se tord sous le

moment de charnière. Les

ailerons externes (1) sont inefficaces

(phénomène d ’inversion de

gouvernes), seuls les ailerons internes

(2) sont braqués.

POURQUOI METTRE PLUSIEURS AILES ? (II)

Portance

Portance

Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 12Moment de roulis ~ Portance b / 2

Portance /2

Portance /2

Portance /2

Portance /2

Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 48Moment de roulis ~ Portance b/4

Inertie alaire en roulis fortement divisée par 4, alors que le moment de roulis est réduit de moitié.

QUALITES DE VOL XIIa- Effets secondaires du dérapage : Effet dièdre

Vent latéral

Vitesse latérale

Vitesse tangentielleVitesse normale

Vitesse latéraleVitesse tangentielle

Vitesse normale

Par effet d ’incidence, le dièdre positif provoque un moment de roulis qui soulève l ’aile au vent latéral.

Dièdre > 0

QUALITES DE VOL XIIb- Effets secondaires du dérapage : Effet de flèche

VentVt

V n

Vent

Vent traversier

Vn

Vt

Par effet de vitesse normale, la flèche provoque un moment de roulis qui soulève l ’aile au vent latéral, comme pour l ’effet dièdre.

QUALITES DE VOL XIII- Exemple de vol stabilisé en dérapage : la panne moteur

Un cas de vol fortement antisymétrique peut se produire : panne d ’un moteur sous voilure au décollage. Pour équilibrer la perte de poussée qui s ’ensuit, le moteur ou les moteurs restant doivent être mis à plein régime, aggravant encore la dissymétrie de propulsion.

Le moment de lacet créé est d’autant plus important que les moteurs sont sous voilure et non près de l ’axe de symétrie comme sur le CARAVELLE.

Premier objectif à atteindre : maintenir la poussée maximale afin de garantir un taux de montée minimum.

Second objectif : contrer le moment de lacet. Ceci est obtenu en contrant avec la gouverne de direction. Il est nécessaire de s ’aider de toutes les surfaces verticales, en volant en dérapage.

Troisième objectif : contrer les effets secondaires du vol en dérapage. Les effets de flèche et de dièdre sont équilibrés par braquage des ailerons, de façon à abaisser l’aile au vent.

QUALITES DE VOL XIV- Amortissement de roulis

Vent relatif, induit par la vitesse angulaire de roulis

Vitesse de roulis

Dissymétrie de portance se traduisant par un moment résistant au roulis

QUALITES DE VOL XVa- Effets secondaires du mouvement de lacet :

Lacet inverse

Vitesse de lacet

Vent relatif, induit sur le fuselage par la vitesse

angulaire de lacet

Force aérodynamique, générée principalementpar la dérive, opposée au mouvement de lacet.Lacet inverse

QUALITES DE VOL XVb- Effets secondaires du mouvement de lacet :

Roulis induit

Vitesse de lacet

Vent relatif, induit sur les ailes par la vitesse angulaire de lacet

Dissymétrie de portance, due au différentiel de vitesse induite

Roulis induit

QUALITES DE VOL XVc- Effets secondaires du mouvement de lacet :

Lacet induit

Vitesse de lacet

Vent relatif, induit sur les ailes par la vitesse angulaire de lacet

Dissymétrie de traînée, due au différentiel de vitesse induite

Lacet induit

MECANIQUE DU VOLLes petits mouvements

Modes propres longitudinaux

Phugoïde (ou phygoïde)

échange d ’énergie cinétique et potentielle à incidence sensiblement constante

période approchée:

peut être faiblement amortie (période longue)

Oscillation d ’incidence

oscillation de courte période (~ 1s)

doit être très amortie (critère de stabilité dynamique)

gV

2T

MECANIQUE DU VOLLes petits mouvements

Modes propres latéraux

Mode de roulis

mode voisin du roulis purmouvement apériodique fortement amorti

Mode spiral

mode voisin du viragemouvement apériodiquemode faiblement amorti ou faiblement divergent

Roulis hollandais

oscillation de dérapage associé à du roulis (trajectoire d ’une bille dans une gouttière)mouvement périodique qui doit être amortiamortissement naturel souvent faible : un stabilisateur de lacet (« yaw damper

») peut être nécessaire

MECANIQUE DU VOLI- Facteur de charge

Le facteur de charge représente ce que le corps humain ou une structure doit supporter comme efforts massiques. Afin d ’avoir une échelle physique, ce facteur de charge est exprimé en G, accélération de la gravité.

Vous êtes donc soumis actuellement à +1G sur l ’axe vertical. En haut des montagnes russes, vous êtes à près de 0G (près de l ’apesanteur). En revanche, à l ’amorce des remontées, vous semblez peser deux fois votre poids, vous êtes à près de 2G.

Mathématiquement, le facteur de charge est défini comme suit :

En projetant l ’équation de la dynamique sur chacun des axes du repère aérodynamique, nous obtenons :

L ’équation de propulsion:

L ’équation de sustentation:

L ’équation d ’équilibre latéral:

q est la pression dynamique q = ½ V²

yyy

zzz

xxx

CSqFmgn

CSqFmgn

CSqFmgn

n

sol.aéro.rop RFPdt

VdmPmgn

MECANIQUE DU VOLII- Croisière rectiligne symétrique en palier

Croisière : vitesse constante

Palier : altitude constante

Rectiligne : la trajectoire est droite, ce n ’est pas synonyme de symétrique, car le vol en dérapé peut être rectiligne (c.f. panne moteur)

Symétrique : les symétries de propulsion, de masse et aérodynamiques sont respectées.

D ’après les 3 conditions de symétrie, ny = 0.

La croisière en palier assure que nx = 0. Donc, nous avons égalité entre propulsion et traînée, Fx = q S Cx.

L ’hypothèse du palier implique que la trajectoire de l ’aéronef est portée par un plan horizontal. Soit les ailes sont à l ’horizontale et la trajectoire est rectiligne (vol ventre ou dos), soit les ailes font un angle avec le plan horizontal et la trajectoire est circulaire.

Dans le cas où la trajectoire est rectiligne, nz = 1.

MECANIQUE DU VOLIIIa- Autonomie, formule de BREGUET

Il s ’agit de déterminer l ’autonomie et la distance franchissable d ’un avion à hélice, en se plaçant dans les conditions de la croisière.

Hypothèses :Vol en palier (altitude constante)Consommation proportionnelle à la puissance motrice (Ch = Cs . Wm)Rendement hélice constant H (W = H . Wm)Polaire (lien entre portance et traînée) indépendante de la vitesse Cx(Cz)

Equation de la dynamique :F = 1/2 S V² Cxmg = 1/2 S V² Cz ou V² = 2mg /( S Cz )

Ch = (Cs/ H) V F = (Cs/ H) V mg (Cx/Cz)

D ’où la consommation horaire pour un avion à hélice:2/1

H SCzmg2

CzCx

mgCs

Ch

MECANIQUE DU VOLIIIb- Autonomie, formule de BREGUET

Comment abaisser la consommation horaire ?

Réduire la consommation spécifique (améliorer les perfos moteurs)Augmenter le rendement de l ’hélice (pas variable, vrillage des pales)Réduire la masseAméliorer la finesse (en soignant l ’aérodynamique de l ’avion)

Comment déduire l ’autonomie de la croisière en partant de cette formule ?

Pour finir, voici la formule de BREGUET :

0

0

0

0

0

0

m

Qm

2/3

2/1

Hm

Qm

m

Qmdmm

g2SCz

CxCz

gCsChtm

dmdm

mt

T

00

2/1

H

m1

Qm1

g2SCz

CxCz

gCs21

T

MECANIQUE DU VOLIV- Virage symétrique en palier à vitesse constante

Nous avons déjà vu dans la planche concernant la croisière symétrique en palier que nx = ny = 0.

Maintenant, il nous faut trouver la relation entre l’angle de gîte, la vitesse et le rayon de virage.

La force centrifuge a pour norme :Fcentrifuge = m V²/R, où R est le rayon de virage

En considérant le triangle rectangle reposant sur le poids et cette force centrifuge:

Poids

Portance

Force centripète équilibrant la force centrifuge

V²/(g R) = tan()

nz = (1+tan²())1/2

MECANIQUE DU VOLV- Montée symétrique rectiligne à vitesse constante

Portance

Traction

Poids

Traînée

, pente de montéeOn se place en montée symétrique à vitesse constante et trajectoire rectiligne (pente constante).

La portance n ’équilibre qu’une partie du poids (mg * cos()). La traînée aérodynamique s ’en trouve légèrement diminuée.En revanche, la traction doit équilibrer deux forces, la traînée et la composante « résistante » du poids (mg * sin()).

nx = - sin()

ny = 0

nz = cos()

Vitesse

MECANIQUE DU VOLVI- Domaine de vol

ME

CA

NIQ

UE

DU

VO

LV

II-

Rec

ords

MECANIQUE DU VOLVIIIa- Dispositifs hypersustentateurs : Effet cambrure

Augmentation de la cambrure arrière : les filets d ’air sont plus défléchis vers le bas, la portance augmente, mais l ’écoulement est plus propice au décollement.C ’est le principe des volets de courbure.

Augmentation de la cambrure avant : à haute incidence, le contournement du bord d ’attaque est facilité. Le décollement se produit pour des incidences plus élevées.C ’est le principe des becs de bord d ’attaque.

MECANIQUE DU VOL VIIIb- Dispositifs hypersustentateurs : Effet cambrure

Cz

lisse

becs

de b

ord

d ’a

ttaqu

e

vole

ts de

cour

bure

Volets de courbure :

• Conservation du gradient de portance (pente de la courbe) • Augmentation de la portance à iso-incidence • Décrochage à faible incidence

Becs de bord d ’attaque :

• Conservation du gradient de portance • Faible diminution de la portance • Le point de décrochage est repoussé, augmentant la portance au décrochage.

MECANIQUE DU VOL VIIIc- Dispositifs hypersustentateurs : becs de bord d ’attaque

Bec simpleSimple rotation du bec

Fente de bord d ’attaqueDispositif fixe qui permet de « réalimenter la couche limite »

Bec à fenteRotation et translation du bec, dégageant une fente.

KrugerDispositif marginal

MECANIQUE DU VOL VIIId- Dispositifs hypersustentateurs : volets de courbure

Volet simpleSimple rotation du volet

Volet d ’intradosRotation de l ’intrados seul Forte trainée

Volet FowlerRotation et translation du volet

Volets multiéléments(double, triple fente, …)Ici, volets double fente

ME

CA

NIQ

UE

DU

VO

LV

IIIe

- D

ispo

siti

fs h

yper

sust

enta

teur

s :

Cz

max

et d

omai

ne d

e vo

l

MECANIQUE DU VOLIX- Dispositifs déporteurs

Configuration d ’approche

Les plans déporteurs, ou spoilers sont rapides, contrairement aux becs de bord d ’attaque et volets de courbure. Ils peuventdonc être utilisés durant l ’approche pour le contrôle rapide de la portance.

A faible vitesse, ils peuvent assister les ailerons dans le contrôle en roulis.

Les plans déporteurs ou spoilers sont peu efficaces comme aérofreins. En revanche, ils permettent à l ’atterrissage de plaquer l’avion au sol, améliorant ainsi les performances des freins de roue.

MECANIQUE DU VOLXa- Dispositifs de freinage au sol :

freins de roue

Principal moyen de ralentir l ’avion au sol, les freins de roue sont dotés d ’un asservissement (type ABS sophistiqué) qui optimise la distance d ’atterrissage.Les performances de freinage sont très sensibles à l ’état de la piste, ainsi qu’au poids appliqué sur chaque roue. En effet, l ’air emprisonné entre le sol et l ’aile forme un coussin d ’air qui réduit l ’adhérence de l ’avion au sol (effet de sol). On emploie donc les spoilers pour plaquer l ’avion au sol.

La quantité de chaleur dégagée par freinage est considérable.

crosse d ’appontage et filin

Equipe les avions militaires embarqués et porte-avions. L ’engagement du filin dans la crosse d ’appontage nécessite une grande précision d ’atterrissage.

MECANIQUE DU VOLXb- Dispositifs de freinage au sol :

inverseurs

Tout ou partie de la poussée est déviée vers l ’avant.

parachute

Certains avions militaires sont équipés d ’un parachute de freinage.

barrière d ’arrêt d ’urgence

Flux interne

Flux externe froid

Configuration normale Inverseurs déployés

MECANIQUE DU VOLXI- Dispositifs de freinage en vol et au sol :

aérofreins

MECANIQUE DU VOLXIIa- Décollage et atterrissage

Distance de décollage FAR-25 (Masse Max. > 5,7t)

V=0

VEF panne d ’un moteur V1

VR

rotationVLOF envol

(Vz > 0)

V2

35 ft

rentrée du train

MECANIQUE DU VOLXIIb- Décollage et atterrissage

Petit lexique des vitesses

V1 : Vitesse maximale d ’interruption de décollage. Si à V1 l ’équipage n ’a pas commencé la décélération, il doit poursuivre le décollage.

VEF : Vitesse à laquelle intervient la panne moteur. L ’atterrissage ne peut être interrompu pour VEF > V1 - , correspond au délai de réaction du pilote.

V2 : Vitesse de sécurité au décollage. Elle doit être atteinte avant une altitude-sol de 35ft.

Distance d ’accélération-arrêt FAR-25 (Masse Max. > 5,7t)

V=0 V1 V1 + 2 secondesdébut de freinage

arrêt

MECANIQUE DU VOLXIIc- Décollage et atterrissage

Trajectoire de décollage en cas de panne moteur

VLOF

envol

VEF panne d ’un moteur

35 ft

rentrée du train

2ème segment

train rentrébecs/volets décollagevitesse V2

régime moteur décollage

Segment final

configuration lissevitesse minimale 1,25 Vsrégime moteur: maximum continu

Palier d ’accélération

rentrée des becs et volets

> 400 ft

> 1500 ft

C ’est le 2ème segment qui est le plus exigeant, la pente de montée y est importante, même en cas de panne moteur.

MECANIQUE DU VOLXIId- Décollage et atterrissage

Distance d ’atterrissage

50 ft

a -3°

approche stabiliséeVc Vs + 30%

configuration atterrissage

remise de gaz éventuellepentes minimales à respecter

seuil de pisteréduction possible du régime moteur

début d ’arrondi

impact

Arrêt Vk = 0

F R E I N A G E

MECANIQUE DU VOL XIIe- Décollage et atterrissage - Performances

PROPULSION Les grandes classes de propulsion par combustion

Anaérobie : propergols solides (boosters solides d ’Ariane V)

propergols liquides (moteur fusée)

Aérobie : statoréacteur

pulsoréacteur

turboréacteur simple ou double flux

simple, double ou triple corps

propulsion par hélice

moteur à piston

turbopropulseur

PROPULSION I- Propulsion anaérobie

Propergols solides Propergols liquides

Enveloppe de poudre avant combustion

Front de flamme

Propergol non brûlé

Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère

Rapport poussée / masse propergol moyen

Aucun contrôle de la combustion

On recherche à obtenir une surface de flamme constante (et donc une poussée constante), en adoptant une section en « marguerite » ou en étoile.

H2

O2

Chambre de combustion

Vaporisation des propergols liquides (pompage, réchauffage, détente et contrôle du débit)

Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère

Rapport poussée / masse propergol optimal

Combustion contrôlée par le débit des propergols arrivant à la chambre de combustion

Equipement assez lourd et très complexe.

PROPULSION IIa- Propulsion aérobie

Statoréacteur

René LEDUC, son inventeur, le décrivit comme un « tuyau de poêle ».

Dépourvu d ’organe mobile, il utilise la vitesse amont pour comprimer l ’air avant la chambre de combustion. Les gaz brûlés sont ensuite détendus dans la tuyère.

Plus efficace que les autres moteurs au-delà de Mach 2.5, il souffre cependant d ’une vitesse élevée d ’allumage (vers Mach 1.5). Il est donc généralement monté en combinaison avec un autre moteur (c.f. Griffon)

PulsoréacteurAdmission de l’air frais

Obturation de l ’entrée d ’airCombustion et éjection des gaz brûlés

PROPULSION IIb- Propulsion aérobie

Turboréacteur simple flux, simple corps

Plus le taux de compression (Pchambre de combustion /Patmosphérique) est élevé, meilleur est le rendement de la combustion. L ’air est donc comprimé dans l ’entrée d ’air de façon optimale (souris mobiles, pièges à chocs, etc…), puis plusieurs étages de compresseur augmentent encore la pression.

Cependant, les premiers réacteurs étaient équipés d ’un corps simple, i.e. tous les étages du compresseur tournent à la même vitesse, ce qui handicape les derniers étages, travaillant à haute pression.

Les étages de turbine sont solidaires en rotation au compresseur. En aval, on peut encore augmenter la poussée en brûlant du carburant dans le canal de post-combustion (faible rendement car faible pression). On adapte ensuite la pression de sortie avec une tuyère, éventuellement dotée d ’une section variable.

Les gaz sont éjectés sans dilution, à haute vitesse, le moteur est bruyant.

Tuyère d ’éjection

Compresseur axial

TurbineChambre de combustion

Canal de post-combustion

CompresseurRotor Stator

Vrot

Vair

Vair / aube

PROPULSION IIb- Propulsion aérobie

Turboréacteur en coupe

PROPULSION IIb- Propulsion aérobie

Turboréacteur double flux, double corps

Le flux interne,chaud et rapide est dilué dans le flux externe,frais et peu accéléré.Le rendement propulsif estamélioré (on accélère plus d’air mais moins vite) et le moteur est moins bruyant.

Le corps Haute Pression tourne bien plus vite que le BP, ce qui permet d ’augmenter le taux de compression et donc le rendement énergétique.

En revanche, les contraintes thermomécaniques sont sévères, en particulier sur les aubes de turbine haute pression (à la sortie de la chambre de combustion). Outre l ’utilisation de matériaux spéciaux, ces aubes sont maintenant protégées par l ’injection d ’un film d ’air frais.

Flux interne brûlé

Flux externe froid

Comp. BP

FAN

Comp. HP

Turb. HP

Turb. BP

PROPULSION IIc- Propulsion aérobie

Hélice - vrillage

L ’hélice est une voilure tournante, aspirée à son extrados et poussée à son intrados.

Chaque tranche de l ’hélice est attaqué par un vent différent, somme de la vitesse d ’ensemble et de la vitesse locale due à la rotation. On peut adapter l ’hélice (incidence constante sur l ’envergure) en la vrillant.

Vrot = R

V

Ce schéma est simpliste car la vitesse axiale n ’est pas constante, l ’air est accéléré par l ’hélice.

Une hélice vrillée n ’est adaptée que pour un rapport V / Vrot déterminé.

On doit ensuite « caler » différement l ’hélice selon que l ’on décolle plein gaz ou que l ’on est en croisière à régime économique.

PROPULSION IIc- Propulsion aérobie

Hélice - pas variable

Certains avions à hélice disposent d ’un pas variable. Le pas est la distance axiale parcourue en un « tour de vis ».

Calage petit pas adapté à une faible vitesse et une rapide rotation, idéal pour le décollage ou le remorquage.

Calage grand pas adapté à une grande vitesse et lente rotation, idéal pour la croisière économique.

PROPULSION IIc- Propulsion aérobie

Hélice - épaisseur et forme en plan

Les hélices sont soumises à deux principales forces :portanceforce centrifuge

C ’est pourquoi le pied de pale est particulièrement sollicité. Il est en général épais, alors que les extrémités sont beaucoup plus fines pour améliorer l ’efficacité aérodynamique. Afin de soulager le pied de pale et d ’améliorer le rendement aérodynamique, les pales ont souvent des extrémités elliptiques.

Hélice - limitation en vitesse

Généralement, les avions à hélice ne dépassent pas Mach 0.7, car les extrémités de pales deviennent soniques. Pour augmenter la vitesse avion, il faut donc diminuer la vitesse en extrémité de pale : diminution du produit rayon * vitesse de rotation.Exemple : Tupolev Tu-95 Bear (Mach 0.92) / 4 * 2 hélices contrarotatives.

PROPULSION IIc- Propulsion aérobie

Le renouveau de l ’hélice : le propfan

S ’affranchir des limites propres aux hélices afin de rendre le turbopropulseur aussi performant que le gourmand turboréacteur : tel est le but du propfan.

Il s ’agit de deux hélices contrarotatives en forme de cimeterre. Les pales en flèche supportent des vitesses élevées.

Compte tenu du diamètre balayé, les propfans ne peuvent être montés qu ’en nacelle à l ’arrière du fuselage ou sur voilure. Le niveau sonore est élevé, les extrémités étant soniques.

Pour le moment aucun propfan n ’est utilisé sur avion de ligne.

PROPULSION IId- Propulsion aérobie

Moteurs à explosion

Types similaires aux moteurs automobiles:

à plat

en V

Ou cylindres en nombre impair avec un grand encombrement:

en étoile

Limitations :

en maintenance (machines alternatives plus fragiles que les rotatives)

sensibilité aux chocs thermiques

en altitude (air devient trop ténu)

La dernière limitation fut compensée par l ’adoption des turbocompresseurs.

Ces moteurs à explosion entraînent une hélice, sorte de vis sans fin.

PROPULSION IIe- Propulsion aérobie

Turbopropulseur

Le turbopropulseur est constitué d ’une turbine à gaz (sorte de turbo- réacteur qui produit des gaz chauds à forte pression) et d ’un « second corps » entraîné par une turbine qui détend ces gaz et entraîne une

hélice démultipliée.

Le turbopropulseur permet d ’atteindre des altitudes et vitesses supérieures à celles accessibles à un moteur à piston, même turbo- compressé. Il est plus économique que le turboréacteur, en raison de son fort taux de dilution.

Compresseur Turbine

Réd

ucte

ur e

t hél

ice