Dans cette partie, on tâchera de décrire l'origine des forces qui permettent à une aile de se maintenir en l'air. Le vol de l'avion résulte des interactions entre ses surfaces portantes et l'air. Lorsqu'on veut étudier ces interactions en laboratoire, on considère qu'un avion en déplacement dans une masse d'air fixe est équivalent à un avion fixe dans une masse d'air en mouvement. c'est la raison pour laquelle on utilise des souffleries.

Il est facile de mettre en évidence la résistance de l'air, il nous suffit de prendre une plaque plane, de la tenir verticalement et de la déplacer horizontalement(cf:TP: La mise en évidence de la résistance de l'air). On ressent alors une force qui s'oppose au mouvement: C'est la résistance de l'air.

L'aire : si on double la surface de la plaque plane on double la résistance de l'air

La résistance de l'air est proportionnelle à la surface de l'objet.

La vitesse : plus la vitesse de l'air augmente, et plus la force de résistance augmente. On peut montrer qu'elle dépend du carré de la vitesse.

La résistance de l'air est proportionnelle à la vitesse au carré.

La masse volumique de l'air : plus la masse volumique de l'air est élevée, plus il y a de molécules par unité de volume, et plus les chocs entre ces molécules et la plaque seront importants. On en déduit que:

La résistance de l'air est proportionnelle à la masse volumique Kg par unité de volume.

La forme de l'objet :

Dans le cas de la plaque on pouvait constater que l'écoulement de l'air peinait à contourner l'obstacle et qu'il se formait une forte pression à l'avant ; ainsi qu'une dépression à l'arrière (avec une zone tourbillonnaire).

On peut essayer de modifier la forme de l'objet pour faciliter la déviation des filets d'air. En ajoutant une demi-sphère face à l'écoulement (ce qui équivaut au bec de l'avion)


On constate que l'air contourne mieux mais il subsiste toujours une zone tourbillonnaire. Si on complète cette demi-sphère pour former une sphère complète, la zone tourbillonnaire est très réduite.


Pour réussir à combler la zone tourbillonnaire, il faut aider les filets d'air à se recomposer. On obtient un objet fuselé.


On constate alors que la résistance de l'air est environ 8 fois plus faible que dans le cas de la plaque, alors que les deux objets présentent la même surface à l'écoulement. On dit qu'ils ont le même maître couple.

Si on incline la plaque précédente, on constate que les filets d'air la contournent plus facilement, mais que les zones de dépression et de surpression subsistent toujours. Mais cette fois la force qui s'exerce sur la plaque n'est plus horizontale; elle est inclinée vers l'arrière, on l'appelle la résultante aérodynamique.


On peut la décomposer en 2 forces:

-Une composante parallèle au sens de l'écoulement de l'air: traînée.
-Une composante perpendiculaire à l'écoulement de l'air: portante.

C'est cette dernière force qui va permettre de vaincre le poids de l'avion et qui va le maintenir en l'air.


En revanche la traînée constitue la résistance à l'avancement ; par conséquent on cherchera à la diminuer au maximum!

Il est très vite apparu que les surfaces courbes étaient plus efficaces que les surfaces planes pour assurer la portance d'un avion. En effet, les filets d'air s'incurvent alors facilement et "collent" mieux à la surface si bien que la zone tourbillonnaire disparaît presque complètement.



profil d'aile:

Pour des raisons de résistance structurale il a fallu construire des ailes ayant une certaine épaisseur. On appelle profil d'aile, la coupe verticale de l'aile par un plan parallèle au plan de symétrie de l'avion.


Écoulement de l'air autour du profil:

La courbure du profil a pour effet ralentir les particules d'air au niveau de l'intrados. Un mathématicien et physicien du XVIII ième siècle, Bernoulli avait démontré que dans un fluide en écoulement, si la vitesse du fluide est élevé, la pression est faible, et inversement.
Par conséquent l'accélération de l'air au niveau de l'extrados de l'aile créé une dépression.
Au niveau de l'intrados par contre, c'est le contraire:le profil constitue un obstacle à l'écoulement de l'air et celui-ci est freiné. Par la loi de Bernoulli on déduit que l'intrados est une zone de surpression.

Conclusion: La sustentation est générée essentiellement par l'extrados de l'aile.

C'est le produit de ces dépressions et surpression sur la surface totale de la voilure qui créé la résultante aérodynamique. Cette force va s'exercer en un point de la corde qu'on appelle le centre de poussée qui se trouve en général entre le tiers et le quart avant de la corde.


En vol, certains dispositifs permettent d'augmenter fortement la traînée sans modifier la portance, ce sont les aérofreins. Ceux-ci permettent notamment:
-En palier: de ralentir l'avion.
-En descente: d'augmenter la pente.
-A l'atterrissage: de diminuer la distance d'atterissage.

En vol, certains dispositifs permettent d'agmenter fortement la portance (mais ils augmentent aussi la traînée...), ce sont les volets hypersustentateur.


Ces dispositifs ne sont utilisés que dans les phases de décollage et d'atterrissage (c'est-à-dire à basse vitesse.)
Au contraire, certains systèmes permettent de diminuer la portance (tout en augmentant la traînée!), ce sont les hypersustentateurs (spoiler)

Le système propulsif permet à l'aéronef d'acquérir de la vitesse et de vaincre la traînée aérodynamique. On étudiera plus particulièrement l'ensemble {moteur à piston - hélice} et les turbomachines et turboréacteurs.

Elle est constituée d'un moyeu centré sur l'arbre de sortie du moteur et de pales. Le fonctionnement de l'hélice est tout à fait analogue à celui d'une aile d'avion. Le vent relatif est issu d'une part du déplacement de l'avion et d'autre part de la rotation de l'hélice qui crée sur chaque pale une résultante aérodynamique qui se décompose en:
-Une portance ou traction parallèle à l'axe de rotation de l'hélice
-Une traînée perpendiculaire à l'axe de rotation.


Utilisé dès l'origine des moteurs thermiques,(dont l'énergie est produite par l'inflammation d'un gaz),le moteur à piston doit son appelation au mouvement alternatif rectiligne d'une pièce essentielle: le piston qui se déplace dans le cylindre.
L'ensemble est composé:
- d'un cylindre doté parfois d'ailettes dont le rôle est d'assurer le refroidissement par l'air externe, et dont la partie supérieure est fermée par une pièce appelée culasse.
Cette dernière est dotée de dispositifs appelés soupapes, permettant l'admission des gaz frais et l'échappement des gaz des combustions, et d'un dispositif créant l'inflammation du mélange carburant/air: les bougies.
- d'un piston dont le déplacement est assuré par une bielle reliée à une pièce en mouvement de rotation appelée vilebrequin. Le vilebrequin est la pièce qui permet de transformer le mouvement rectiligne du piston en mouvement de rotation. L'axe du vilebrequin est l'axe de rotation du moteur.

Le principe de fonctionnement des moteurs utilisés en aéronautique ( ainsi qu'en automobile.) est dit cycle à 4 temps.

Ce terme regroupe les turboréacteurs,les turbopropulseurs et les turbomoteurs (équipés sur les hélicoptères). Les premiers moteurs de cette famille ont été conçus pendant la seconde guerre mondiale, les premières applications dans l'aviation civile remontent aux années fin 50 début 60 et ont très largement contribué à l'augmentation de la vitesse des aéronefs.

Turboréacteur:

Lorsque l'on gonfle un ballon,la pression P' de l'air à l'interieur du ballon est supérieure à la pression P de l'air à l'extérieur.
Si on libère l'embouchure du ballon,alors l'air à l'intérieur du ballon va être éjecté, et ce faisant,par réaction , il crée une force F dirigée dans le sens opposé à la vitesse d'éjection.


On a donc pensé à réaliser une machine capable de comprimer l'air pour ensuite l'éjecter à grande vitesse de façon contrôlée : c'est le turboréacteur. Dans un turboréacteur à simple flux on distingue notamment :

Les gaz sont donc éjectés à une vitesse supérieure à leur vitesse d'entrée et l'on obtient alors une force telle que :


F=force en Newton
D=débit massique d'air en Kg/s.
Vs=vitesse de sortie des gaz (m/s)
Ve=vitesse d'entrée des gaz (m/s)

Remarque : la vitesse d'éjection des gaz peut avoisiner les 500m/s ! Soit 1800Km/h !

On distingue alors différents types de turboréacteurs:
-Les turboréacteurs à simple flux et simple corps: cf.cas précédent.
-Les turboréacteurs à simple flux et double corps: Avec simplement plusieurs compresseurs à la suite pour augmenter le taux de compression (il y a alors un compresseur basse pression,et un compresseur haute pression).
-Les turboréacteurs à simple flux et double corps et post-combustion: où les gaz en sortie de turbine sont de nouveaux mélangés à du carburant et re-brûlés pour accroître la poussée. On peut atteindre des vitesses d'éjection de l'ordre de 500 m.s à 750 m.s !
-Les turboréacteurs à double flux et double corps: dans lesquels deux débits d'air traversent le réacteurs.Le flux secondaire ne traverse pas les chambres de combustions.


Turbopropulseur:


Ce type de moteur a un meilleur rapport Puissance/Poids que le moteur à piston sur des avions nécessitant une puissance supérieure à 400 CV.
Le turbopropulseur est particulièrement adapté aux avions dont la vitesse de croisière est comprise entre 300 et 800 km/h. Au-delà de cette vitesse, la baisse du rendement aérodynamique de l'hélice,lié à l'écoulement transsonique ou supersonique en bout de pale,conduit à préférer le turboréacteur.
C'est le mode de propulsion optimal pour les avions de transports commerciaux sur des distances courtes (une heure de vol,400 à 800 km), quand la durée de vol à haute altitude est trop courte pour qu'un avion à réaction fasse la différence.

L'ensemble composé du fuselage,des ailes et des empennages est appelé la cellule. Celle-ci est conçue afin de pouvoir résister aux efforts que peuvent générer les différentes forces appliquées à l'aéronef aussi bien en vol qu'au sol.

Les principales forces agissant sur l'aéronef sont :
-Le poids de l'appareil;
-La résultante aérodynamique sur chaque aile;
-Les efforts aérodynamiques sue les gouvernes;
-La poussée ou la traction des moteurs;
-Les effets inertiels (force centrifuge.).

On appelle contrainte le rapport d'une force sur une surface,une contrainte est donc physiquement homogène à une pression.
On distingue principalement les contraintes suivantes :
-La traction;
-La compression;
-Le cisaillement;
-La torsion;
-La flexion;
-Toute combinaison des efforts principaux cités ci-dessus.


On distingue principalement 3 types de construction :
-La construction bois/toile : La structure est alors réalisée avec des bois de toute première qualité (bois sans défaut de nouds, vermoulures, gerçures ou fibres torses, l'orientation des fibres est contrôlée !).
Les essences aéronautiques ( les essences couramment utilisées en aéronautique) sont principalement l'acajou,le frêne,l'épicéa et le sapin.
On peut utiliser le bois sous forme de bois plein ou de contreplaqué.
La toile étant composée de fibres végétales (coton ou lin) ou encore de fibre artificielle (polymère de type polyester).
Ce type de construction permet la réalisation d'aéronefs dont les vitesses maximales sont voisines de 300 km/h.
-La construction métallique : dont le matériau de base est un alliage d'aluminium et de cuivre appelé le duralumin.
-La construction composite : dont le matériau, développés à partir des années 60 sont plus légers et souvent plus résistant que le bois ou les alliages métalliques (ex: fibre de verre et surtout fibre de carbone).


On distingue principalement dans la réalisation du fuselage une construction soit treillis soit monocope.


La structure de l'aile s'appuie sur le même principe que celui du fuselage. On y trouve principalement un ou deux longerons (dirigés dans le sens de l'envergure).
Les ailes peuvent être réalisées en caissons ou en treillis.
Les longerons,fixés au fuselage sont soumis à un moment de flexion tendant à le faire fléchir vers le haut.
La semelle supérieure est donc soumise à un effort de compression.
La semelle inférieure est soumise à un effort de traction.

Remarque n°1 : Le bois étant deux fois moins résistant aux efforts de compression qu'aux efforts de traction,la semelle d'extrados de l'aile sera deux fois plus épaisse que la semelle d'intrados.

Remarque n°2 : L'extrémité opposée de l'aile s'appelle le saumon.
Sur les avions civils, l'aile assure également la fonction de réservoir de carburant. Dans ce cas le carburant contribue à la rigidité de l'aile. Il n'y a alors pas de longerons, mais la structure de l'aile est cloisonnée et certaines parties du revêtement peuvent être réalisées en matériau dit « sandwich » de type « nid d'abeille » ou « Nida ».

On peut remarquer qu'au niveau de l'emplanture de l'aile on trouve parfois un dispositif dont le rôle est d'améliorer l'écoulement de l'air : c'est le karman.

L'avion peut se mouvoir autour de trois axes:

Le gauchissement est assuré par les ailerons.
Elle permet de faire tourner l'avion autour de l'axe de roulis.

La profondeur est assuré par les gouvernes de profondeur.
Elle permet de faire évoluer l'avion autour de son axe de tangage.

La direction est assuré par la dérive.
Elle permet de faire évoluer l'avion autour de son axe de lacet.

L'empennage est un ensemble de plans fixes et mobiles qui assure la stabilité et la gouverne en tangage (profondeur) et en lacet (direction) d'un aérodyne.
Tous les aérodynes (avions, planeurs) stabilisés aérodynamiquement sont équipés d'un empennage séparé ou de surfaces stabilisantes placées à l'arrière de l'aile (aile volante).