MECANIQUE DU VOL

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120 diapositives constituant un support de cours.

Jacques Menézo

VOLET I SE SOUSTRAIRE A LA TYRANNIE DE LA GRAVITE

Introduction 1- Comment voyager en l ’air ?

2- Architecture d ’un avion 3- Axes de pilotage 4- Les repères Sustentation par portance 1- Géométrie des ailes 2- Notions de mécanique des fluides 3- D ’où vient la portance

VOLET II CONTROLER LE VOL

Pilotage longitudinal 1- Equilibre longitudinal 2- Empennage horizontal et gouverne de profondeur 3- Compensation des gouvernes 4- Centrage Pilotage latéral 1- Equilibre latéral 2- Les différentes gouvernes 3- Effets secondaires 4- Les petits mouvements

VOLET III MECANIQUE DU VOL ATTERRISSAGE ET DECOLLAGE

Mécanique du vol 1- Facteur de charge et différentes phases de vol 2- Domaine de vol Atterrissage et décollage 1- Vol à basse vitesse : les dispositifs hypersustentateurs 2- Le problème du freinage 3- Circuits d ’atterrissage et décollage Conclusion

VOLET IV PROPULSION

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 ?

•

Rester

ø en l ’air 3 caractéristiques du vol : 

SUSTENTATION

par Poussée d ’Archimède   VEHICULES BALISTIQUES AEROSTATS par Force Aérodynamique par Réaction   AERODYNES FUSEES •

Avancer

par rapport à l ’air ø par utilisation des muscles    par utilisation d’un moteur  MODE DE

PROPULSION

DERIVE, VOL PLANE VOL DES OISEAUX ET INSECTES VOL HUMAIN PROPULSE HELICE, REACTEUR ET FUSEE

COMMENT VOYAGER EN L ’AIR ?

•

Contrôler

l ’attitude ø 1 axe de contrôle 2 axes de contrôle 3 axes de contrôle propulsion orientable       COMMANDES DE VOL Youri GAGARINE montgolfière (soupape + brûleur) parapente planeur ZEPPELIN

COMMENT VOYAGER EN L ’AIR SANS PROPULSEUR ?

0 1 2 3 Prop.

Orient.

Balistique Par réaction Rester en l’air Plans aérodynamiques fixes Plans aérodynamiques mobiles Obus Feuille morte Tilleul, boomerang Cerf-volant Carreau d’arbalète Hélicoptère en autorotation ?

Parapente, aile delta Planeur Navette spatiale ?

Poussée d’Archimède Ballon sonde Mongolfière ?

?

-

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.

Curiosités : Les ballons à hélium utilisent la faible densité de ce gaz (~ 0.17 contre 1.225kg/m 3 pour l ’air ambiant) Les « bulles d’orage » utilisent de la vapeur d ’eau qui se refroidit plus lentement que l’air.

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.

COMMENT VOYAGER EN L ’AIR AVEC PROPULSEUR ?

0 1 2 3 Prop.

Orient.

Balistique Par réaction Ballon de baudruche ?

Rester en l’air Plans aérodynamiques fixes Plans aérodynamiques mobiles ?

?

?

Capsule spatiale ?

?

ADAV (Harrier) ?

ULM pendulaire, parapente motorisé Avion, missile Chasseur à poussée vectorielle ?

Autogire Convertible Hélicoptère Poussée d’Archimède ?

?

Dirigeable ?

?

UN CONVERTIBLE, COMMENT CA VOLE ?

Croisière Transition Atterrissage / Décollage

POURQUOI UN HELICOPTERE NE FAIT-IL PAS LA TOUPIE ?

Sens de rotation du rotor principal Force rotor secondaire

QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION

winglets QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION becs de bord d’attaque moteur mât moteur dérive gouverne de direction plans déporteurs volets de courbure Karman génératrice de secours (APU) pointe arrière gouverne de profondeur plan horizontal réglable ailerons internes ailerons externes fuselage emplanture

LES TROIS AXES DE PILOTAGE I- Le ROULIS

LES TROIS AXES DE PILOTAGE II- Le TANGAGE

LES TROIS AXES DE PILOTAGE III- Le LACET

LE TRIEDRE AVION Repère (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.

y x z

LE TRIEDRE AERODYNAMIQUE Repère (O x A y A z A ) x A z A : de même direction et sens que la vitesse par rapport à l ’air.

: perpendiculaire à x A , dans le plan de symétrie (Oxz), vers le bas.

y A : perpendiculaire aux deux autres, vers la droite.

Position angulaire du vecteur vitesse-air par rapport au trièdre avion   : incidence (z A Oz) : dérapage (yOy A )

LE TRIEDRE TERRESTRE Repère (O x o y o z o ) x o z o y o : projection sur le plan horizontal de la vitesse sol.

: verticale terrestre, dirigé vers le bas.

: 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 AILE I-Le PROFIL

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IIa-Forme en PLAN Corde aérodynamique moyenne Surface alaire S Flèche  Corde géométrique moyenne : l = S / b Allongement : l = b² / S

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IIb-Forme en PLAN Aile rectangulaire : Aile trapézoïdale :

Aile elliptique : CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IIc-Forme en PLAN Aile à flèche moyenne :

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IId-Forme en PLAN Aile à grande flèche : Aile  :

Aile en double  : CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IIe-Forme en PLAN

Aile gothique: CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IIf-Forme en PLAN

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IIg-Forme en PLAN Aile en fer de lance :

Aile avec apex : CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IIh-Forme en PLAN

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE III-Forme de FACE Dièdre  Aile haute (éventuellement contreventée) Dièdre négatif Aile médiane Dièdre positif Aile basse Dièdre marginal positif

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IV-Quelques compléments

POURQUOI METTRE PLUSIEURS AILES ? (I) Portance / 2 Portance / 2 Poids Portance / 6 Portance / 6 Portance / 6 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.

Poids Portance / 6 Portance / 6 Portance / 6

CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE IV-Quelques compléments

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES 1) 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. P dyn = 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 FLUIDES 2) Modèle d ’atmosphère ISA

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES 3) Effet Venturi Point de pression mini P = P mini V = V maxi = (2 (P  P mini ) /  ) ½ Infini amont 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.

Infini aval P = P  V = 0

QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES 4) 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  V  V  V  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 FLUIDES 5) Décollement de couche limite 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  V  V  V = 0 V = 0 V = 0

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?

I- Ecoulement autour d ’un profil neutre Point d ’arrêt P = P  + 0.5  V = 0 V  ² Sillage P = P  V = V  Zone de succion P < P  V > V  P = P  V = V 

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?

II- Ecoulement autour d ’un plan incliné Zone de fortes survitesses P < P  V > V  P = P  V = V  Zone d ’eau morte P > P  V faible Angle d ’incidence P = P  V = V  Vitesse défléchie P = P Point d ’arrêt  + 0.5  V  ² V = 0

D ’OU VIENT LA PORTANCE ?

III- Ecoulement autour d ’un squelette cambré incliné P = P Point d ’arrêt  + 0.5  V  ² V = 0 Zone d ’eau morte P > P  V faible P = P  V = V  Zone de fortes survitesses P < P V > V   P = P  V = V  Vitesse défléchie

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).

C z La

portance

½  s ’écrit sous la forme : V  ² S alaire C z La

traînée

comporte deux termes : ½  V  ² S alaire (C x0 +C xi ) C x0 la

trainée visqueuse

(frottementde l ’air sur l ’aéronef) C xi la

trainée induite

C xi ~ C z 2 Décrochage : décollement généralisé C x Décrochage  

V  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 extrados V intrados Tourbillon marginal

UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (I) Au saumon de voilure, deux écoulements se superposent, la vitesse d ’avancement et le tourbillon marginal.

V  Tourbillon marginal

UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (II) Portance Traînée V  V saumon Résultante aérodynamique V tourbillon marginal Bilan du winglet : propulsion par utilisation du tourbillon marginal augmentation 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 VOL I- Généralités Durant le vol, trois forces agissent : la résultante aérodynamique (portance et traînée, opposée à la vitesse air ) le poids la propulsion Equilibre des forces en croisière : Résultante aérodynamique Portance Poussée ou traction 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.

Traînée Poids Dans le plan de symétrie

COMMENT PLANER ?

Equilibre des forces Résultante aérodynamique Portance Traînée Poids

QUALITES DE VOL II- Notion d ’équilibre longitudinal Centre de gravité Poids Portance Centre de portance Centre de gravité à l ’équilibre

COMMENT PILOTER UNE AILE DELTA ?

Barre vers la gauche Virage à ...

Barre vers l ’avant Moment à ...

Barre vers l ’arrière Poids du pilote vers l ’avant Moment à piquer Barre vers la droite Virage à gauche

QUALITES DE VOL II- Notion d ’équilibre longitudinal Portance Centre de gravité Poids Centre de portance Déportance

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.

Incidence nulle : Incidence 20° : Portance totale Portance  Portance Foyer Portance Centre de portance

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 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. Centre de portance avion  Portance Foyer avion Centre de gravité Moment piqueur Poids

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 rapides

déporteur

, 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  m Gouverne monobloc  m iH  m Plan horizontal réglable

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  m  T Plan horizontal réglable : on ajuste le calage iH de l ’empennage pour annuler le moment de charnière.

iH  m

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 :  m Corne débordante : Tab automatique :  T =  Ttrim - K.

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

QUALITES DE VOL VIIb- Centrage IMPILOTABLE (centrage arrière) IMPILOTABLE (centrage avant) PAS EQUILIBRE (centrage arr.) PAS EQUILIBRE (centrage avant) Foyer avion INSTABLE Foyer voilure Centre de portance croisière, GP au neutre STABLE

QUALITES DE VOL VIII- Equilibre latéral Virage ailes horizontales la force latérale est créée par les surfaces verticales Virage symétrique la 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 palonnier 2°- La gouverne de direction tourne vers la droite 3°- Une force aérodynamique pousse la dérive (l ’arrière) vers la gauche 4°- 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) Inertie alaire en roulis fortement divisée par 4, alors que le moment de roulis est réduit de moitié.

 Portance  Portance Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 12 Moment de roulis ~  Portance b / 2  Portance /2  Portance /2  Portance /2  Portance /2 Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 48 Moment de roulis ~  Portance b/4

QUALITES DE VOL XIIa- Effets secondaires du dérapage : Effet dièdre Vent latéral Vitesse latérale Vitesse normale Dièdre  > 0 Vitesse latérale Vitesse normale Par effet d ’incidence, le dièdre positif provoque un moment de roulis qui soulève l ’aile au vent latéral.

QUALITES DE VOL XIIb- Effets secondaires du dérapage : Effet de flèche V t V t 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 Dissymétrie de portance se traduisant par un moment résistant au roulis Vitesse de roulis Vent relatif, induit par la vitesse angulaire de roulis

QUALITES DE VOL XVa- Effets secondaires du mouvement de lacet : Lacet inverse Lacet inverse Force aérodynamique, générée principalement par la dérive, opposée au mouvement de lacet.

Vent relatif, induit sur le fuselage par la vitesse angulaire de lacet Vitesse de lacet

QUALITES DE VOL XVb- Effets secondaires du mouvement de lacet : Roulis induit Roulis induit Vent relatif, induit sur les ailes par la vitesse angulaire de lacet Dissymétrie de portance, due au différentiel de vitesse induite Vitesse de lacet

QUALITES DE VOL XVc- Effets secondaires du mouvement de lacet : Lacet induit Vent relatif, induit sur les ailes par la vitesse angulaire de lacet Dissymétrie de traînée, due au différentiel de vitesse induite Lacet induit Vitesse de lacet

MECANIQUE DU VOL Les petits mouvements Modes propres longitudinaux Phugoïde (ou phygoïde)  échange d ’énergie cinétique et potentielle à incidence sensiblement constante période approchée: T   2 V g peut être faiblement amortie (période longue) Oscillation d ’incidence  oscillation de courte période (~ 1s) doit être très amortie (critère de stabilité dynamique)

MECANIQUE DU VOL Les petits mouvements Modes propres latéraux Mode de roulis  mode voisin du roulis pur mouvement apériodique fortement amorti Mode spiral  mode voisin du virage mouvement apériodique mode 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 amorti amortissement naturel souvent faible : un stabilisateur de lacet (« yaw damper ») peut être nécessaire

MECANIQUE DU VOL I- 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.

 n mg   P  m  d V dt    P rop .

  F aéro .

  R sol En projetant l ’équation de la dynamique sur chacun des axes du repère aérodynamique, nous obtenons : L ’équation de propulsion:  n x mg L ’équation de sustentation: L ’équation d ’équilibre latéral: n z  n y mg mg q est la pression dynamique q = ½  V  ²  F x  F z  F y  q S C x  q S C z  q S C y

MECANIQUE DU VOL II- 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, n y = 0.

La croisière en palier assure que n x propulsion et traînée, F x = q S C x .

= 0. Donc, nous avons égalité entre 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, n z = 1.

MECANIQUE DU VOL IIIa- 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 H (W = h H . Wm) Polaire (lien entre portance et traînée) indépendante de la vitesse Cx(Cz) Equation de la dynamique : F = 1/2  mg = 1/2 S V² Cx  S V² Cz ou V² = 2mg /(  S Cz ) Ch = (Cs/ h H ) V F = (Cs/ h H ) V mg (Cx/Cz) D ’où la consommation horaire pour un avion à hélice: Ch  Cs h H mg Cx Cz   2 mg  SCz   1 / 2

MECANIQUE DU VOL IIIb- 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 masse Améliorer la finesse (en soignant l ’aérodynamique de l ’avion) Comment déduire l ’autonomie de la croisière en partant de cette formule ? T  m 0 m  0  Q  t  m dm  m m 0   0 Q  m  t dm   Ch   h Cs H g Cz Cx   SCz 2 g   1 / 2 m 0 m  0  Q m  3 / 2 dm Pour finir, voici la formule de BREGUET : T  1 h H Cz 2 Cs g Cx   SCz 2 g   1 / 2   m 0 1  Q  1 m 0  

MECANIQUE DU VOL IV- Virage symétrique en palier à vitesse constante  Nous avons déjà vu dans la planche concernant la croisière symétrique en palier que n x = n y = 0.

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

Portance 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: V²/(g R) = tan(  ) n z = (1+tan²(  )) 1/2 Force centripète équilibrant la force centrifuge Poids

 Traction Vitesse MECANIQUE DU VOL V- Montée symétrique rectiligne à vitesse constante  , pente de montée Poids Portance Traînée On se place en montée symétrique à vitesse constante et trajectoire rectiligne (pente constante).

La portance n ’équilibre qu’une partie du poids (mg * cos(  légèrement diminuée.

)). La traînée aérodynamique s ’en trouve En revanche, la traction doit équilibrer deux forces, la traînée et la composante « résistante » du poids (mg * sin(  )).

n x = - sin(  ) n y = 0 n z = cos(  )

MECANIQUE DU VOL VI- Domaine de vol

MECANIQUE DU VOL VIIIa- Dispositifs hypersustentateurs : Effet cambrure 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

.

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

.

C z MECANIQUE DU VOL VIIIb- Dispositifs hypersustentateurs : Effet cambrure 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 simple Simple rotation du bec Fente de bord d ’attaque Dispositif fixe qui permet de « réalimenter la couche limite » Bec à fente Rotation et translation du bec, dégageant une fente.

Kruger Dispositif marginal

MECANIQUE DU VOL VIIId- Dispositifs hypersustentateurs : volets de courbure Volet simple Simple rotation du volet Volet d ’intrados Rotation de l ’intrados seul Forte trainée Volet Fowler Rotation et translation du volet Volets multiéléments (double, triple fente, …) Ici, volets double fente

MECANIQUE DU VOL IX- Dispositifs déporteurs Configuration d ’approche Les plans déporteurs, ou spoilers sont rapides, contrairement aux becs de bord d ’attaque et volets de courbure. Ils peuvent donc 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 VOL Xa- 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 VOL Xb- Dispositifs de freinage au sol : inverseurs Tout ou partie de la poussée est déviée vers l ’avant.

Flux externe froid Flux interne Configuration normale Inverseurs déployés parachute Certains avions militaires sont équipés d ’un parachute de freinage.

barrière d ’arrêt d ’urgence

MECANIQUE DU VOL XI- Dispositifs de freinage en vol et au sol : aérofreins

MECANIQUE DU VOL XIIa- Décollage et atterrissage Distance de décollage FAR-25 (Masse Max. > 5,7t) rentrée du train V=0 V EF panne d ’un moteur V 1 V R rotation V LOF envol (Vz > 0) V 2 35 ft

MECANIQUE DU VOL XIIb- Décollage et atterrissage Petit lexique des vitesses

V 1

: Vitesse maximale d ’interruption de décollage. Si à V 1 commencé la décélération, il doit poursuivre le décollage.

l ’équipage n ’a pas

V EF

: Vitesse à laquelle intervient la panne moteur. L ’atterrissage ne peut être interrompu pour V EF > V 1  ,  correspond au délai de réaction du pilote.

V 2

: 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 V 1 V 1 + 2 secondes début de freinage arrêt

MECANIQUE DU VOL XIIc- Décollage et atterrissage Trajectoire de décollage en cas de panne moteur 2 ème segment train rentré becs/volets décollage vitesse V 2 régime moteur décollage Palier d ’accélération rentrée des becs et volets > 1500 ft rentrée du train > 400 ft Segment final 35 ft V EF panne d ’un moteur V LOF envol configuration lisse vitesse minimale 1,25 Vs régime moteur: maximum continu C ’est le 2 ème segment qui est le plus exigeant, la pente de montée y est importante, même en cas de panne moteur.

approche stabilisée Vc  Vs + 30% configuration atterrissage MECANIQUE DU VOL XIId- Décollage et atterrissage Distance d ’atterrissage seuil de piste réduction possible du régime moteur remise de gaz éventuelle pentes minimales à respecter  a  -3° impact 50 ft F R E I N A G E début d ’arrondi Arrêt Vk = 0

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 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.

H 2 Propergols liquides Rapport poussée / masse propergol optimal Combustion contrôlée par le débit des propergols arrivant à la chambre de combustion Equipement assez lourd et très complexe. O 2 Vaporisation des propergols liquides (pompage, réchauffage, détente et contrôle du débit) Propergol non brûlé Front de flamme Enveloppe de poudre avant combustion Chambre de combustion Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère

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) Pulsoréacteur Admission de l’air frais Obturation de l ’entrée d ’air Combustion et éjection des gaz brûlés

PROPULSION IIb- Propulsion aérobie Turboréacteur simple flux, simple corps Compresseur Rotor Stator Compresseur axial Chambre de combustion Turbine Canal de post-combustion Tuyère d ’éjection V rot V air V air / aube Plus le taux de compression (P chambre de combustion /P atmosphérique ) 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.

Turboréacteur en coupe PROPULSION IIb- Propulsion aérobie

PROPULSION IIb- Propulsion aérobie Turboréacteur double flux, double corps FAN Comp. BP Comp. HP Flux externe froid Turb. HP Turb. BP Flux interne brûlé Le flux interne,chaud et rapide est dilué dans le flux externe, frais et peu accéléré.

Le rendement propulsif est amélioré (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.

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. V  V rot = R W W 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  / V rot 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 : portance force 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.

Compresseur Turbine 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.