IV- Quel est le rôle des volets ?

1)- Les différents types de volets.

Les volets sont placés sur le bord de fuite de l’aile. Il en existe qui se contentent d’augmenter la courbure de l’aile en pivotant simplement vers le bas, mais d’autres plus complexes augmentent à la fois la courbure et la surface portante de l’aile.

Dans notre cas, bien que nous nous soyons basés sur l’aile d’un avion léger, les volets, dit à simple fente, pivotent vers le bas et reculent vers l’arrière. On peut donc comparer notre modèle au volet à double fente de l’aile de droite de l’image ci-dessus, mais en imaginant bien sûr qu’il n’y a qu’une seule fente. Ce dernier type de volet est appelé volet Fowler.

2)- Conséquences sur l’écoulement de l’air et la résultante aéronautique.

a)- rappel sur l’expression de quelques forces.

La résultante aéronautique est composée de deux forces, la portance et la traînée.

La portance Rz est une force verticale orientée vers le haut et s’opposant au poids de l’appareil. Le coefficient de portance Cz varie en fonction de l’incidence. Il augmente jusqu’à l’incidence de décrochage puis baisse brutalement. Le Cz tient également compte des différentes caractéristiques de l’aile : forme, épaisseur, envergure…

La portance s’exprime ainsi : Rz = ½ . ρ .V ² . S . Cz

La traînée Rx est une force horizontale s’opposant au mouvement de l’avion. Elle est due au frottement sur les ailes et les différentes parties de l’avion. Le coefficient de traînée Cx augmente avec l’incidence, et tient compte des différentes caractéristiques de l’aile.

La traînée peut s’exprimer ainsi : Rx = ½ . ρ . V ² . S . Cx

ρ : masse volumique de l’air en kg.m-3

V : vitesse de l’avion en m.s-1

S : superficie de l’aile en m²

Cx, Cz : coefficients sans unité

b)- la répartition des pressions sur une aile.

Au-dessus de l’aile, la vitesse augmente par conservation du flux, la pression diminue (d’après la loi de Bernoulli, voir c)-). L’aile est donc aspirée par le dessus. Une vision simple consiste donc à dire que l'air qui passe au-dessus de l'aile suit un chemin plus long que celui qui passe au-dessous. Deux volumes élémentaires d'air proches l'un de l'autre avant le passage de l'air vont donc se retrouver séparés, l'un passe au-dessus et va plus vite que l'autre qui passe au-dessous, car on suppose qu'au bord de fuite les deux volumes se retrouvent. L'air du dessus allant plus vite que celui du dessous, la dépression de l’extrados est donc plus importante que celle de l’extrados.

Un aéronef vole donc grâce aux dépressions situées sur l’extrados de son aile, et aux surpressions présentes sous l’intrados. La dépression de l’extrados, qui est environ deux fois plus élevées que la surpression, est donc celle qui contribue de la manière la plus significative au vol de l’aéroplane. De plus ces pressions sont à leur maximum sur le tiers avant de l’aile. On peut représenter ces pressions par des vecteurs dirigés vers l’aile dans le cas d’une surpression, et partant de l’aile dans le cas d’une dépression. La norme de ces vecteurs étant évidemment proportionnelle à la pression dans la zone considérée. En reliant l’extrémité des vecteurs, on peut obtenir une représentation encore plus simple de la répartition des pressions :

Or, lorsque l’aile décroche, ce sont les filets d’air de l’extrados qui se décollent de la surface de l’aile, et par conséquent la dépression de l’extrados chute, comme le montrent les schémas ci-dessous :

c)- conséquences de la hausse de courbure de l’aile.

La hausse de la courbure de l’aile a pour conséquence d’augmenter la vitesse d’écoulement de l’air sur l’extrados et de la ralentir sur l’intrados. Or le physicien Daniel BERNOULLI a démontré que dans l’écoulement d’un fluide la vitesse et la pression varient en sens inverse. Ainsi, augmenter la courbure de l’aile, grâce aux volets, permet donc d’augmenter la dépression de l’extrados et la surpression de l’intrados; en résumé, abaisser les volets augmente donc la portance.

Cependant, l’usage des volets augmente également le coefficient de traînée, la résistance à l’avancement est alors plus grande, c’est pour cette raison qu’ils sont rétractables. De plus, les volets sont uniquement utilisés aux basses vitesses, pour décoller ou atterrir à une vitesse plus faible, et donc sur une distance plus courte. Mais une fois en vol, l’appareil peut prendre suffisamment de vitesse pour compenser la perte de portance due à la rentrée des volets, puisque comme nous l’avons vu précédemment, la portance est proportionnelle au carré de la vitesse. D’autre part, la rentrée des volets, en réduisant le coefficient de traînée, permet un gain de vitesse et une baisse de consommation de carburant.

d)- conséquence de la hausse de la surface portante et de la présence d’une fente.

En plus d’augmenter la courbure de l’aile, les volets du Rallye reculent vers l’arrière, augmentant ainsi la surface portante de l’aile. Or, comme nous l’avons vu au début de cette partie, la portance est proportionnelle à la surface de l’aile. Reculer les volets permet donc de maintenir la portance constante en réduisant légèrement la vitesse, ce qui a les même avantages que ceux décrit dans le paragraphe c). Cependant, la traînée est elle aussi proportionnelle à la surface de l’aile, ce qui a les mêmes conséquences néfastes que celles déjà citées. C’est pourquoi il est donc nécessaire de pouvoir rétracter les volets.

D’autre part, le recul des volets fait apparaître une fente entre l’aile et le dispositif hypersustentateur, on pourrait penser que c’est un inconvénient qui pourrait être à l’origine de turbulence, ce n’est en fait nullement le cas. En effet, cette fente permet aux filets d’air de l’intrados de rejoindre l’extrados, redonnant ainsi de la vitesse à l’écoulement sur l’extrados.

e)- conclusion.

L’effet conjugué de la hausse de courbure et de l’augmentation de la surface portante augmente finalement de manière conséquente la portance. De plus la présence de la fente, en redonnant de la vitesse à l’écoulement de l’extrados, permet de retarder le décollement de la couche limite et donc de réduire la vitesse de décrochage. La sortie des volets permet donc à l’appareil de réduire fortement sa vitesse de décrochage, il peut voler à des vitesses plus faibles, ce qui se traduit par des vitesses de décollage et d’atterrissage plus faible, et donc la possibilité d’utiliser des pistes moins longues. Un appareil ainsi équipé peut donc accéder à un nombre plus grand d’aéroports.

3)- Etude expérimentale.

a)- Présentation de l’expérience.

Le modèle réduit de l’aile a été équipé d’une fine bandelette de papier fixée sur le bord d’attaque. Cette bandelette reste plaquée contre l’extrados lorsque l’écoulement autour de l’aile est laminaire. En augmentant progressivement l’incidence, on finit par atteindre l’angle de décrochage; à ce moment là, la couche limite se décolle de l’extrados et l’écoulement devient tourbillonnaire, ce qui se traduit concrètement par le fait que la bandelette de papier s’agite de manière désordonnée.

Nous avons donc mesuré l’incidence de décrochage en fonction des trois positions des volets.

b)- Mesures et observations.

Sur le graphe de la page suivante, nous visualisons parfaitement que la vitesse de décrochage est effectivement retardée par la sortie des volets.

D’autre part, bien que ce ne fût pas le but de l’expérience, nous pouvons noter que la portance augmentait également. En effet, il était nécessaire de tenir l’aile manuellement dans la soufflerie, et au fur et à mesure que nous augmentions la sortie des volets, il nous était plus difficile de la maintenir dans la soufflerie, celle-ci cherchant de plus en plus à s’envoler.

Avant le décrochage :

Aile après le décrochage
(notez la torsion de la tige, preuve d’une portance bien présente):


Photos Haju

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