Aéronefs militaires modernes et facteur humain
TPE Maxime Duparc, Thomas Brullé et Léa Fauh 1°S5
Forces appliquées
Il existe 4 Forces auxquelles doit faire face un avion lors d'un vol: La portance (Rz), la trainée (Rx), la traction (T) et le poids (mg).
-La portance:
aussi appelée sustentation, s'applique sur les ailes. Découverte par les frères Wright, elle permet à un avion de vaincre la pesanteur. Nous verrons que contrairement à l'idée reçue, un avion ne s'appuie pas sur l'air.
Elle est perpendiculaire aux ailes de l'avion et est dirigée de bas en haut. Elle résulte de la pénétration de l'aile dans l'air.
L’avion est en effet poussé vers le haut car l’écoulement de l’air sur la partie supérieure de l’aile appelée extrados est plus rapide que sur la partie inférieure de l’aile aussi appelée intrados. Ce phénomène est dû à la forme du profil de l’aile qui est bombé sur le dessus et entraine ainsi une dépression au niveau de l’extrados. L’avion est donc « aspiré » vers le haut.
La portance dépend également de l’angle d’incidence « i » ; en effet plus l’angle est élevé, plus la portance diminue. De plus, la portance est maximale quand l’angle est nul. Ainsi lorsque « i » est trop élevé, l’air qui s’écoule sur l’extrados de l’aile se décolle, on obtient alors un décrochage.
La portance verticale F en Newton (N) d'une aile vaut :
Rz = ½ . ρ . S . Cz . V2
ρ : masse volumique du fluide en kg/m3
V : vitesse en m/s
S: surface alaire en m2
-La traînée:
toujours parallèle au vent relatif, elle est opposée au mouvement de l’avion et est due aux frottements de ce dernier lorsqu’il pénètre dans l’air.
Cette force est en réalité la somme de trois traînées distinctes :
-la trainée parasitaire, qui dépend de la géométrie de l’avion et de ses ailes.
-la trainée induite, souvent confondue avec la trainée de condensation, est due aux tourbillons formés autour des ailes lorsqu'un avion vole (les vortex).
-la trainée d’onde, liée aux propriétés de l’air (compressible) et aux ondes de chocs causées par le vol supersonique (>mach 1)
L'équation de la force de traînée s'écrit sous la même forme que l'équation de la force de portance:
Rt = ½ . ρ . S . Cx . V2 avec Cx coefficient de trainée
-La traction:
force émise par le moteur et l’hélice, cette force est aussi appelée la poussée s’il s’agit de réacteurs. Cette force est représentée par un vecteur dirigé dans le sens du mouvement de l’avion. Son intensité varie en fonction de la puissance délivrée par le moteur.
-Le poids:
résulte de la gravité terrestre et entraine donc l’avion vers le bas. Cette force est toujours perpendiculaire au sol.
Il se calcule grâce à l’équation :
P = m.g
P : en Newton
m : la masse de l’avion en Kg
g : la constante de la gravité ~ 9.81 N/Kg
Exemple :
Nous allons calculer la valeur de ces forces pour le Rafale
Données :
- Surface alaire S = 47,5 m2
- Vitesse V = 2222 km/h = 617,2 m/s
- Coefficient de trainée Cx = 0,02
- Coefficient de portance Cz = 0,6
- Masse volumique de l’air ρ = 1,2 kg/m3
- Masse du Rafale = 21,5t = 2,15 x 10^5
Poids : P= m.g P= 2,15 x 10^5 x 9,81 P= 2,11 x 10^6 Newton
Portance : Rz= ½ . ρ . S . Cz . V2 Rz= ½ x 1,2 x 47,5 x 0,6 x (617,2)2 Rz= 6,5 x 10^6 Newton
Trainée : Rt= ½ . ρ . S . Cx . V2 Rt= ½ x 1,2 x 47,5 x 0,02 x (617,2)2 Rt= 2,17 x 10^5 Newton
Une aile est caractérisée par :
-l’envergure : distance séparant les deux extrémités des ailes
-la profondeur : longueur de la corde de profil (ligne passant par le bord d’attaque et le bord de fuite)
-l’épaisseur : distance séparant l’extrados et l’intrados
-le dièdre : angle entre l'horizon et l'inclinaison de l'aile.
Nous verrons que ces caractéristiques varient selon les attentes de l’avion. En effet, il existe plusieurs types d’ailes de formes différentes ayant chacune des propriétés particulières.
Des ailes qui varient par leur nombre et par leur position…
Monoplan parasol:
L’aile est positionnée sur des haubans qui maintiennent sa rigidité
et se trouvent au dessus du fuselage de l’avion.
Exemple : MS 315
Biplan:
Un biplan dispose de deux paires d’ailes placées l’une au dessus de l’autre.
Ces appareils ont fait partie des premiers avions
et étaient principalement utilisés lors de la Première Guerre Mondiale.
Exemple : Royal Factory SE-5A
Triplan:
Un triplan dispose de trois paires d’ailes toujours placées les unes au dessus des autres.
La portance augmente ainsi car l’avion possède six ailes, et l’avion est plus maniable.
Exemple : Fokker DR-1
Sesquiplan:
Il s’agit d’un biplan qui possède ainsi deux paires d’ailes,
mais les ailes inférieures sont plus petites que les ailes supérieures.
Exemple : Nieuport-Delage Nid-42
Ailes hautes:
Les avions ayant ce type d'aile sont principalement des avions à hélices,
qui généralement ont un diamètre d'hélice important.
Cette configuration permet une meilleure visibilité du sol.
Mais elle offre une visibilité du ciel restreinte.
Exemple : AC-130
Ailes basses:
Elles équipent actuellement presque tous les avions de transport à réaction
et sont placées en dessous du fuselage.
Cette configuration permet au pilote une meilleure visibilité du ciel.
Exemple : spitfire
Ailes médianes:
Les ailes se trouvent au milieu du fuselage.
Cette configuration est utilisée principalement pour les avions de chasses modernes.
Exemple : Dassault Rafale
Le dièdre
Il s’agit de l’angle formé entre l’axe transversal et l’axe de l’aile. Ce dièdre peut être positif ou négatif et sa valeur varie en fonction de l’inclinaison des ailes.
De plus, il participe à la stabilité de l’avion. En effet, si l’angle est positif, l’avion sera plus stable car en cas de virage, l’aile intérieure voit sa portance augmenter et comme nous l’avons vu dans la partie « les forces appliquées » , une augmentation de la portance est synonyme de dépression de l’extrados. Ainsi, l’aile intérieure remonte jusqu'à ce que la portance des deux ailes soient égales. On parle donc d’une augmentation de la stabilité car l’avion se remet à plat. Un dièdre positif assure ainsi la stabilité.
Dièdre positif : boeing 787
Caractéristiques des ailes:
Les Différents axes
Pour faire évoluer un avion dans l’espace, on utilise des efforts aérodynamiques créés sur des petites surfaces appelées gouvernes afin de provoquer des rotations sur les trois axes de l’avion. Ces trois axes sont concourants en un point considéré comme le centre de gravité de l’avion.
-L’axe de tangage : Il permet l’inclinaison de l’avion vers le bas ou vers le haut et s’effectue en déplaçant le manche longitudinalement (avant-arrière)
•Si l’on braque le manche vers l’avant, un mouvement de la gouverne de profondeur s’effectue entrainant l’avion vers le bas.
•Si l’on braque le manche vers l’arrière, la gouverne de profondeur réalise un mouvement qui entraine l’avion vers le haut.
-L’axe de roulis : Il permet l’inclinaison de l’avion vers la droite ou vers la gauche et s’effectue en déplaçant le manche latéralement (droite-gauche).
•Si l’on braque le manche vers la gauche, l’aileron gauche ira vers le haut tandis que l’aileron droit ira vers le bas.
Ainsi la portance de l’aile gauche diminue, l'aile gauche est donc entrainée vers le bas, tandis que la portance de l’aile droite augmente, l'aile droite est par conséquent entrainée vers le haut. C’est ainsi que l’avion s’incline vers la gauche.
•Si l’on braque le manche vers la droite, l’aileron gauche se positionnera vers le bas tandis que l’aileron droit se positionnera vers le haut.
Ainsi la portance de l’aile gauche augmente et la portance de l’aile droite diminue ce qui provoque une inclinaison vers la droite.
-L’axe de lacets : il permet à l’avion de s’orienter horizontalement à l’aide des palonniers (pédales).
•Si l’on appuie sur le palonnier de gauche, la gouverne de direction ira vers la gauche entrainant ainsi l’avion vers la gauche.
•Si l’on appuie sur le palonnier de droite, la gouverne de direction ira vers la droite entrainant ainsi l’avion vers la droite.
A l’inverse,
un avion ayant un dièdre négatif sera moins stable mais sera plus maniable car lors d’un virage, la portance de l’aile extérieure augmente favorisant ainsi l’augmentation du taux de roulis. C’est à dire que l’avion peut effectuer un virage plus rapidement et en s’inclinant plus. Ce type de dièdre est utilisé chez les avions de chasses car il favorise leur réactivité.
Dièdre négatif: Harrier
...Mais également par leur forme
Ailes droites :
Elles forment un angle droit avec le fuselage de l’avion
et sont utilisées pour les avions ayant une faible vitesse
car elles sont perpendiculaires au vent et par conséquent pénètrent moins dans l'air.
Exemple : Ls-60
Ailes elliptiques :
La forme arrondie de leurs extrémités permet un écoulement aérodynamique homogène sur toute leur longueur.
De plus, elles limitent aussi la trainée induite.
Exemple : Spitfire
Ailes trapézoïdales :
Comme l'aile elliptique, l'aile trapézoïdale a un écoulement aérodynamique homogène sur toute sa longueur.
Mais sa forme furtive favorise l'aérodynamisme de l'avion,
ce qui permet d'atteindre de plus grande vitesse encore.
Exemple : F-22 Raptor
Ailes Volantes:
Les appareils munis de ces ailes ne possèdent généralement pas de fuselage et pas d'empenage (queue de l'appareil).
Ces ailes présentent un inconvénient de stabilité en lacet ainsi qu'en tangage. Par contre, cette forme offre un avantage stratégique car les ailes volantes réfléchissent certaines ondes dans plusieurs directions.
Exemple: Northop B2
Ailes deltas(∆):
Elles sont en forme de triangle et sont propices à une bonne pénétration dans l'air.
Cette forme est donc parfaitement adaptée au vol supersonique.
C'est la raison pour laquelle la majorité des avions de chasse ont des ailes deltas.
Exemple: Dassault Mirage V
Ailes à géométrie variable:
Elles ont la particularité de pouvoir être modifiées en cours de vol.
En effet, l’angle de flèche peut être modifié par le pilote à tout moment pouvant aller de l’aile delta à l’aile droite.
Cela permet à l’avion de s’adapter aux conditions et à la vitesse et donc d’être le plus performant possible.
Mais ce système n’est pas très utilisé à cause de son poids et de sa complexibilité.
Exemple : General Dynamics F-111
Ailes en flèches inverses:
Très rares et peu exploitées de nos jours, elles favorisent une bonne manoeuvrabilité dans les domaines subsoniques et transsoniques.
Exemple: Su-47 Berkut
Cette vidéo de "alex bodait" met en avant les caractéristiques d'une aile asymétrique (bombée sur le dessus), et son efficacité par rapport à une aile symétrique.