I- Éléments d’aérodynamique

1)- Origine de la force portante

L’objectif de l’étude n’étant pas d’expliquer pourquoi l’avion vole, nous nous contenterons de rappeler brièvement le phénomène qui crée la force portante sur l’aile.

La sustentation de l’avion provient de l’interaction entre des surfaces portantes (ailes) et la masse d’air dans laquelle ces dernières se déplacent. Un avion se déplaçant à une vitesse donnée dans une masse d’air se comporte de la même façon qu’un avion immobile sur lequel souffle un vent de même vitesse. À ce propos, notons que c’est ce principe qui justifie l’utilisation d’une soufflerie pour l’étude des phénomènes liés à la sustentation. On emploie le terme d’écoulement pour désigner le déplacement de l’air.

Observons maintenant un profil d’aile dans un écoulement d’air.

Au niveau de l’extrados, l’air est soumis à un parcours plus long et donc sa vitesse est plus élevée. Au contraire, la vitesse d’écoulement de l’air est ralentie au niveau de l’intrados.

Or, comme le physicien Daniel Bernoulli l’a démontré, la vitesse et la pression varient en sens inverse dans un fluide en écoulement. Ainsi, la pression d’un fluide est d’autant plus faible que sa vitesse est élevée et inversement.

On en déduit que l’extrados est soumis à une pression plus faible tandis qu’il règne une pression plus élevée au niveau de l’intrados.

La répartition des pressions autour du profil peut être représentée à l’aide de vecteurs normaux à la surface. Ces vecteurs sont dirigés vers le profil s’il s’agit d’une surpression et vers l’extérieur du profil s’il s’agit d’une dépression. Leur norme est proportionnelle à la valeur de la surpression ou de la dépression.

Ces dépressions et surpressions engendrent une force portante sur l’aile, dirigée vers le haut. Cette force est appelée résultante aérodynamique. Elle s’applique en un point de la corde appelé centre de poussée. On décompose la résultante aérodynamique R en deux composantes : la portance Rz, perpendiculaire à l’écoulement, et la traînée Rx, parallèle à l’écoulement.

Ainsi la portance, comme son nom l'indique, a un effet porteur qui entraîne l'avion vers le haut et compense son poids, tandis que la traînée tend à s'opposer au déplacement de l'avion.

2)- Facteurs influençant la résultante aérodynamique

Les expressions de la portance et de la traînée sont respectivement : Rz = ½.ρ.V ².S.Cz et Rx = ½.ρ.V ².S.Cx

On constate ainsi que la portance et la traînée dépendent :

– de la densité de l’air ρ

– de la vitesse d’écoulement de l’air V

– de la surface alaire S

– de coefficients aérodynamiques Cx et Cz, qui varient avec l’incidence, la courbure de l'aile, son état de surface, etc...

Bien entendu, la résultante aérodynamique étant la somme des deux composantes, elle dépend de ces mêmes paramètres.

À priori, les seuls paramètres que le pilote peut faire varier afin de modifier la résultante aérodynamique sont la vitesse et l'incidence. Nous verrons plus tard que la présence de dispositifs hypersustentateurs permet de faire varier la courbure et éventuellement la surface de l'aile.

3)- Le décrochage

Définissons d'abord le décrochage d'un point de vue pratique. Lorsque l'avion vole à faible vitesse, le pilote doit augmenter l'incidence pour maintenir la portance constante. Lorsque l'incidence dépasse une certaine valeur, pour laquelle la portance est maximale, cette dernière ne compense plus le poids et l'avion " s'enfonce " : c'est le décrochage.

On peut expliquer ce phénomène à partir des expressions de la portance et de la traînée données précédemment. Nous avons évoqué l'existence d'un lien entre les coefficients aérodynamiques et l'incidence. Détaillons cette relation. Lorsque l'incidence augmente, les coefficients Cz et Cx augmentent également. Le coefficient de portance Cz passe par un maximum pour une certaine incidence (de l'ordre de 15° à 18° sur les avions légers) puis décroît brusquement. Contrairement à Cz, le coefficient de traînée Cx augmente constamment avec l'incidence. D'autre part, rappelons que la portance et la traînée sont respectivement proportionnelles à Cz et Cx.

On peut représenter sur un graphique les variations relatives de Cz et Cx à partir de valeurs obtenues en augmentant l'incidence : à chaque valeur de l'incidence correspond une valeur de Cz et une valeur de Cx. L'allure d'un tel graphique est donnée ci-dessous.

Le décrochage peut être mis en évidence sur ce graphique avec ce qui a été dit plus haut : à partir d’une certaine incidence, le coefficient de portance Cz admet un maximum. Au delà de ce point, la valeur de la portance chute et l’avion décroche.

D’autre part, la déviation des filet d’air au bord d’attaque devient si importante qu’ils ne peuvent plus suivre l’extrados. Ils décollent de la surface de l’air en créant une zone tourbillonnaire.

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