Transcript portance - Jacques Menezo
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Mécanique du vol
• Cet ensemble de diapositives est un support de
cours.
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• Pour rendre le texte plus visible, la couleur des
pages est blanc et le texte en noir
• 120 diapositives
Jacques Menézo
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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
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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
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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
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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
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR ?
3 caractéristiques du vol :
SUSTENTATION
ø
VEHICULES BALISTIQUES
par Poussée d ’Archimède
AEROSTATS
par Force Aérodynamique
AERODYNES
par Réaction
FUSEES
MODE DE PROPULSION
ø
DERIVE, VOL PLANE
par utilisation des muscles
VOL DES OISEAUX ET INSECTES
• Rester en l ’air
• Avancer par rapport à l ’air
VOL HUMAIN PROPULSE
par utilisation d’un moteur
HELICE, REACTEUR ET FUSEE
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR ?
COMMANDES DE VOL
ø
Youri GAGARINE
1 axe de contrôle
mongolfière (soupape + brûleur)
2 axes de contrôle
parapente
3 axes de contrôle
planeur
propulsion orientable
ZEPPELIN
• Contrôler l ’attitude
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR
SANS PROPULSEUR ?
R ester en l’air
C on trô ler
l’attitud e
0
B alistique
P ar réaction
P lan s aérodyn am iques
fixes
P lan s aérodyn am iques
m obiles
P oussée
d’A rch im ède
O bus
-
F euille m orte
T illeul, boom eran g
B allon son de
-
C erf-volan t
1
2
C arreau
d’arbalète
-
P arapen te, aile delta
3
?
-
P rop.
-
-
O rient.
M on golfière
H élicoptère en
autorotation
?
P lan eur
N avette spatiale
?
?
-
-
-
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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.
Pilotage :
Pour augmenter l’altitude, il faut
réchauffer l’air à l’aide du brûleur.
Curiosités :
Les ballons à hélium utilisent la faible densité de ce gaz
(~ 0.17 contre 1.225kg/m3 pour l ’air ambiant)
Les « bulles d’orage » utilisent de la vapeur d ’eau qui
se refroidit plus lentement que l’air.
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.
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR
AVEC PROPULSEUR ?
R ester en l’air
B alistiq ue
1
R o q u ettes
C o n trô ler
l’attitu d e
0
2
P ar
réactio n
P lans aéro d yna m iq ue s
fixes
P lans aéro d yna m iq ue s
m o b ile s
P o ussée
d ’A rchim èd e
B allo n d e
b aud ruche
?
?
?
?
?
?
U L M p end ulaire,
p arap ente m o to risé
A uto g ire
D irigeab le
?
?
3
?
?
A vio n, m issile
C o n vertib le
?
P rop .
C ap su le
sp atiale
ADAV
(H arrier)
C ha sse ur à p o ussée
vecto rielle
H élico p tère
?
O rient.
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UN CONVERTIBLE, COMMENT CA VOLE ?
Croisière
Transition
Atterrissage / Décollage
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POURQUOI UN HELICOPTERE NE FAIT-IL PAS LA TOUPIE ?
Sens de rotation
du rotor principal
Force rotor secondaire
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QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION
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QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION
winglets
becs de bord d’attaque
moteur
gouverne de direction
dérive
plans déporteurs
génératrice de secours
(APU) pointe arrière
volets de courbure
gouverne de profondeur
plan horizontal réglable
mât moteur
Karman
ailerons internes
ailerons externes
fuselage
emplanture
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LES TROIS AXES DE PILOTAGE
I- Le ROULIS
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LES TROIS AXES DE PILOTAGE
II- Le TANGAGE
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LES TROIS AXES DE PILOTAGE
III- Le LACET
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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
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LE TRIEDRE AERODYNAMIQUE
Repère (O xA yA zA)
xA : de même direction et sens que la vitesse par rapport à l ’air.
zA : perpendiculaire à xA, dans le plan de symétrie (Oxz), vers le bas.
yA : perpendiculaire aux deux autres, vers la droite.
Position angulaire
du vecteur vitesse-air
par rapport au trièdre avion
: incidence (zAOz)
: dérapage (yOyA)
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LE TRIEDRE TERRESTRE
Repère (O xo yo zo)
xo : projection sur le plan horizontal de la vitesse sol.
zo : verticale terrestre, dirigé vers le bas.
yo : perpendiculaire aux deux autres,
vers la droite.
Position angulaire
du vecteur vitesse-sol
par rapport au trièdre avion
: azimut
: assiette longitudinale
: angle de gîte
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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. »
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
I-Le PROFIL
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIa-Forme en PLAN
Corde aérodynamique
moyenne
Envergure b
Surface
alaire S
Flèche
Corde géométrique moyenne : l = S / b
Allongement : l = b² / S
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIb-Forme en PLAN
Aile rectangulaire :
Aile trapézoïdale :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIc-Forme en PLAN
Aile elliptique :
Aile à flèche moyenne :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IId-Forme en PLAN
Aile à grande flèche :
Aile :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIe-Forme en PLAN
Aile en double :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIf-Forme en PLAN
Aile gothique:
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIg-Forme en PLAN
Aile en fer de lance :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIh-Forme en PLAN
Aile avec apex :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
III-Forme de FACE
Dièdre
Aile haute
(éventuellement contreventée)
Dièdre négatif
Aile médiane
Dièdre positif
Aile basse
Dièdre marginal positif
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IV-Quelques compléments
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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.
Portance / 6
Portance / 6
Portance / 6
Poids
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IV-Quelques compléments
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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.
Pdyn= 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).
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QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES
2) Modèle d ’atmosphère ISA
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QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES
3) Effet Venturi
Point de pression mini
P = Pmini
V = Vmaxi = (2 (P - Pmini) / )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
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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.
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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
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
I- Ecoulement autour d ’un profil neutre
Point d ’arrêt
P = P + 0.5 V ²
V=0
Sillage
P = P
V = V
Zone de succion
P < P
V > V
P = P
V = V
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
II- Ecoulement autour d ’un plan incliné
Zone de fortes survitesses
P < P
V > V
Zone d ’eau morte
P > P
V faible
P = P
V = V
Angle
d ’incidence
Point d ’arrêt
P = P + 0.5 V²
V=0
P = P
V = V
Vitesse défléchie
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
III- Ecoulement autour d ’un squelette cambré incliné
Point d ’arrêt
P = P + 0.5 V²
V=0
Zone d ’eau morte
P > P
V faible
P = P
V = V
Zone de fortes survitesses
P = P
P < P
V = V
V > V
Vitesse défléchie
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
IV- Ecoulement autour d ’un profil cambré en incidence
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
V- Evolution de l ’écoulement avec l ’incidence
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
VI- Pression sur un profil
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
VII- Répartition de la pression sur un profil et diagramme Kp
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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).
Cz
La portance s ’écrit sous la forme :
½ V² Salaire Cz
La traînée comporte deux termes :
½ V² Salaire (Cx0+Cxi)
Décrochage
Cx
Cx0 la trainée visqueuse
(frottementde l ’air sur l ’aéronef)
Cxi la trainée induite
C xi ~ C z
2
Décrochage : décollement généralisé
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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.
Vextrados
Vintrados
V
Tourbillon
marginal
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UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (I)
Au saumon de voilure, deux écoulements se superposent,
la vitesse d ’avancement et le tourbillon marginal.
Tourbillon
marginal
V
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UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (II)
V
Traînée
Vsaumon Vtourbillon marginal
Portance
Résultante
aérodynamique
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.
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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).
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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
Traînée
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.
Dans le plan
de symétrie
Poids
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COMMENT PLANER ?
Equilibre des forces
Résultante
aérodynamique
Portance
Traînée
Poids
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QUALITES DE VOL
II- Notion d ’équilibre longitudinal
Portance
Centre de portance
Centre de gravité
Centre de gravité à l ’équilibre
Poids
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COMMENT PILOTER UNE AILE DELTA ?
Barre vers la gauche
Virage à ...
Barre vers l ’avant
Moment à ...
Barre vers la droite
Virage à gauche
Barre vers l ’arrière
Poids du pilote vers
l ’avant
Moment à piquer
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QUALITES DE VOL
II- Notion d ’équilibre longitudinal
Portance
Centre de portance
Centre de gravité
Poids
Déportance
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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
Portance
Portance
Foyer
Centre de portance
Portance
totale
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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.
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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.
Portance
Centre de portance avion
Foyer avion
Centre de gravité
Moment piqueur
Poids
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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.
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QUALITES DE VOL
V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur
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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
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QUALITES DE VOL
V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur
m
Gouverne monobloc
Gouverne classique
m
iH
m
Plan horizontal réglable
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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.
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QUALITES DE VOL
VIIb- Centrage
IMPILOTABLE (centrage arrière)
PAS EQUILIBRE (centrage arr.)
IMPILOTABLE (centrage avant)
PAS EQUILIBRE (centrage avant)
Foyer voilure
Foyer avion
Centre de portance
croisière, GP au neutre
INSTABLE
STABLE
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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POURQUOI METTRE PLUSIEURS AILES ? (II)
Portance
Portance
Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 12
Moment de roulis ~ Portance b / 2
Portance /2
Portance /2
Inertie alaire en roulis fortement divisée
par 4, alors que le moment de roulis est
réduit de moitié.
Portance /2
Portance /2
Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 48
Moment de roulis ~ Portance b/4
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QUALITES DE VOL
XIIa- Effets secondaires du dérapage : Effet dièdre
Vent latéral
Vitesse
normale
Vitesse latérale
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.
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QUALITES DE VOL
XIIb- Effets secondaires du dérapage : Effet de flèche
Vt
Vt
Par effet de vitesse
normale, la flèche
provoque un moment
de roulis qui soulève
l ’aile au vent latéral,
comme pour l ’effet
dièdre.
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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.
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QUALITES DE VOL
XIV- Amortissement de roulis
Vitesse de roulis
Dissymétrie de portance se
traduisant par un moment
résistant au roulis
Vent relatif, induit par la
vitesse angulaire de
roulis
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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
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QUALITES DE VOL
XVb- Effets secondaires du mouvement de lacet :
Roulis induit
Vent relatif, induit sur
les ailes par la vitesse
angulaire de lacet
Vitesse de lacet
Dissymétrie
de portance,
due au
différentiel de
vitesse induite
Roulis induit
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QUALITES DE VOL
XVc- Effets secondaires du mouvement de lacet :
Lacet induit
Vent relatif, induit sur
les ailes par la vitesse
angulaire de lacet
Vitesse de lacet
Lacet induit
Dissymétrie de
traînée, due au
différentiel de
vitesse induite
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MECANIQUE DU VOL
Les petits mouvements
Modes propres longitudinaux
Phugoïde (ou phygoïde)
échange d ’énergie cinétique et potentielle à incidence sensiblement
constante
V
période approchée: T 2
g
peut être faiblement amortie (période longue)
Oscillation d ’incidence
oscillation de courte période (~ 1s)
doit être très amortie (critère de stabilité dynamique)
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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
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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.
Mathématiquement, le facteur de charge n est défini comme suit :
dV
n mg P m
Prop . Faéro . R sol
dt
En projetant l ’équation de la dynamique sur chacun des axes du repère aérodynamique,
nous obtenons :
L ’équation de propulsion:
L ’équation de sustentation:
n x mg Fx q S C x
n z mg Fz q S C z
L ’équation d ’équilibre latéral: n y mg Fy q S C y
q est la pression dynamique q = ½ V²
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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, ny = 0.
La croisière en palier assure que nx = 0. Donc, nous avons égalité entre
propulsion et traînée, Fx = q S Cx.
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, nz = 1.
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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 hH (W = hH . Wm)
Polaire (lien entre portance et traînée) indépendante de la vitesse Cx(Cz)
Equation de la dynamique :
F = 1/2 S V² Cx
mg = 1/2 S V² Cz ou V² = 2mg /( S Cz )
Ch = (Cs/ hH) V F = (Cs/ hH) V mg (Cx/Cz)
D ’où la consommation horaire pour un avion à hélice:
Cx 2 mg
Ch
mg
hH
Cz SCz
Cs
1/ 2
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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
m0
m 0 Q
t
m
dm
m0
m 0 Q
h Cz SCz
H
m
Cs g Cx 2 g
Ch
t
dm
Pour finir, voici la formule de BREGUET :
1 h H Cz SCz
T
2 Cs g Cx 2 g
1/ 2
1
m0 Q
m0
1
1/ 2
m0
m
m 0 Q
3 / 2
dm
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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 nx = ny = 0.
Maintenant, il nous faut trouver la relation entre l’angle de gîte, la vitesse et le
rayon de virage.
La force centrifuge a pour norme :
Fcentrifuge = m V²/R, où R est le rayon de virage
Portance
En considérant le triangle rectangle reposant sur le
poids et cette force centrifuge:
V²/(g R) = tan()
Force centripète
équilibrant la force
centrifuge
Poids
nz = (1+tan²())1/2
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MECANIQUE DU VOL
V- Montée symétrique rectiligne à vitesse constante
, pente de montée
Traction
Portance
Vitesse
Traînée
Poids
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()).
La traînée aérodynamique s ’en trouve
légèrement diminuée.
En revanche, la traction doit équilibrer
deux forces, la traînée et la composante
« résistante » du poids (mg * sin()).
nx = - sin()
ny = 0
nz = cos()
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MECANIQUE DU VOL
VI- Domaine de vol
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MECANIQUE DU VOL
VII- Records
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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.
Slide 96
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 isoincidence
• Décrochage à faible incidence
Cz
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.
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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
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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
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MECANIQUE DU VOL
VIIIe- Dispositifs hypersustentateurs :
Cz max et domaine de vol
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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.
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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.
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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
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MECANIQUE DU VOL
XI- Dispositifs de freinage en vol et au sol :
aérofreins
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MECANIQUE DU VOL
XIIa- Décollage et atterrissage
Distance de décollage FAR-25 (Masse Max. > 5,7t)
rentrée du train
35 ft
VEF panne d ’un moteur V1
V=0
VR
rotation
VLOF envol
(Vz > 0)
V2
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MECANIQUE DU VOL
XIIb- Décollage et atterrissage
Petit lexique des vitesses
V1 : Vitesse maximale d ’interruption de décollage. Si à V1 l ’équipage n ’a pas
commencé la décélération, il doit poursuivre le décollage.
VEF : Vitesse à laquelle intervient la panne moteur. L ’atterrissage ne peut être
interrompu pour VEF > V1 - , correspond au délai de réaction du pilote.
V2 : Vitesse de sécurité au décollage. Elle doit être atteinte avant une altitudesol de 35ft.
Distance d ’accélération-arrêt FAR-25 (Masse Max. > 5,7t)
V=0
V1
V1 + 2 secondes
début de freinage
arrêt
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MECANIQUE DU VOL
XIIc- Décollage et atterrissage
Trajectoire de décollage en cas de panne moteur
2ème segment
Palier d ’accélération
train rentré
becs/volets décollage
vitesse V2
régime moteur décollage
rentrée des becs et volets
> 1500 ft
rentrée du train
> 400 ft
35 ft
VLOF
envol
VEF panne
d ’un moteur
Segment final
configuration lisse
vitesse minimale 1,25 Vs
régime moteur: maximum continu
C ’est le 2ème segment qui est le plus exigeant, la
pente de montée y est importante, même en cas
de panne moteur.
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MECANIQUE DU VOL
XIId- Décollage et atterrissage
Distance d ’atterrissage
seuil de piste
réduction possible
du régime moteur
approche stabilisée
Vc Vs + 30%
configuration
atterrissage
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
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MECANIQUE DU VOL
XIIe- Décollage et atterrissage - Performances
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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
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PROPULSION
I- Propulsion anaérobie
Propergols solides
Propergols liquides
Rapport poussée / masse propergol moyen
Aucun contrôle de la combustion
Rapport poussée / masse propergol optimal
H2
On recherche à obtenir une surface de
flamme constante (et donc une poussée
constante), en adoptant une section en
« marguerite » ou en étoile.
Combustion contrôlée par le débit des
propergols arrivant à la chambre de
combustion
Equipement assez lourd et très complexe.
O2
Vaporisation des propergols liquides
(pompage, réchauffage, détente et
contrôle du débit)
Propergol non brûlé
Front de flamme
Chambre de combustion
Enveloppe de poudre avant combustion
Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère
Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère
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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
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PROPULSION
IIb- Propulsion aérobie
Turboréacteur simple flux, simple corps
Compresseur
Rotor Stator
Vair
Compresseur Chambre de Turbine
Canal de Tuyère d ’éjection V
rot
axial
combustion
post-combustion
Vair / aube
Plus le taux de compression (Pchambre de combustion /Patmosphérique) 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.
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PROPULSION
IIb- Propulsion aérobie
Turboréacteur en coupe
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PROPULSION
IIb- Propulsion aérobie
Turboréacteur double flux, double corps
Flux externe froid
FAN
Comp. Comp.
BP
HP
Turb. Turb.
HP
BP
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.
Flux interne brûlé
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.
Slide 115
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
Ce schéma est simpliste car la vitesse
axiale n ’est pas constante, l ’air est
accéléré par l ’hélice.
Vrot = R W
W
Une hélice vrillée n ’est adaptée que
pour un rapport V / Vrot 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.
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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.
Slide 117
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.
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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.
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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.
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PROPULSION
IIe- Propulsion aérobie
Turbopropulseur
Réducteur et hélice
Le turbopropulseur est constitué d ’une turbine à gaz (sorte de turboréacteur 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 turbocompressé. Il est plus économique que le turboréacteur, en raison de
son fort taux de dilution.
Mécanique du vol
• Cet ensemble de diapositives est un support de
cours.
• Utilisez les touches Page Up et Page Down
• Pour rendre le texte plus visible, la couleur des
pages est blanc et le texte en noir
• 120 diapositives
Jacques Menézo
Slide 2
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
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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
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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
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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
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR ?
3 caractéristiques du vol :
SUSTENTATION
ø
VEHICULES BALISTIQUES
par Poussée d ’Archimède
AEROSTATS
par Force Aérodynamique
AERODYNES
par Réaction
FUSEES
MODE DE PROPULSION
ø
DERIVE, VOL PLANE
par utilisation des muscles
VOL DES OISEAUX ET INSECTES
• Rester en l ’air
• Avancer par rapport à l ’air
VOL HUMAIN PROPULSE
par utilisation d’un moteur
HELICE, REACTEUR ET FUSEE
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR ?
COMMANDES DE VOL
ø
Youri GAGARINE
1 axe de contrôle
mongolfière (soupape + brûleur)
2 axes de contrôle
parapente
3 axes de contrôle
planeur
propulsion orientable
ZEPPELIN
• Contrôler l ’attitude
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR
SANS PROPULSEUR ?
R ester en l’air
C on trô ler
l’attitud e
0
B alistique
P ar réaction
P lan s aérodyn am iques
fixes
P lan s aérodyn am iques
m obiles
P oussée
d’A rch im ède
O bus
-
F euille m orte
T illeul, boom eran g
B allon son de
-
C erf-volan t
1
2
C arreau
d’arbalète
-
P arapen te, aile delta
3
?
-
P rop.
-
-
O rient.
M on golfière
H élicoptère en
autorotation
?
P lan eur
N avette spatiale
?
?
-
-
-
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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.
Pilotage :
Pour augmenter l’altitude, il faut
réchauffer l’air à l’aide du brûleur.
Curiosités :
Les ballons à hélium utilisent la faible densité de ce gaz
(~ 0.17 contre 1.225kg/m3 pour l ’air ambiant)
Les « bulles d’orage » utilisent de la vapeur d ’eau qui
se refroidit plus lentement que l’air.
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.
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COMMENT VOYAGER EN L ’AIR
AVEC PROPULSEUR ?
R ester en l’air
B alistiq ue
1
R o q u ettes
C o n trô ler
l’attitu d e
0
2
P ar
réactio n
P lans aéro d yna m iq ue s
fixes
P lans aéro d yna m iq ue s
m o b ile s
P o ussée
d ’A rchim èd e
B allo n d e
b aud ruche
?
?
?
?
?
?
U L M p end ulaire,
p arap ente m o to risé
A uto g ire
D irigeab le
?
?
3
?
?
A vio n, m issile
C o n vertib le
?
P rop .
C ap su le
sp atiale
ADAV
(H arrier)
C ha sse ur à p o ussée
vecto rielle
H élico p tère
?
O rient.
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UN CONVERTIBLE, COMMENT CA VOLE ?
Croisière
Transition
Atterrissage / Décollage
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POURQUOI UN HELICOPTERE NE FAIT-IL PAS LA TOUPIE ?
Sens de rotation
du rotor principal
Force rotor secondaire
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QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION
Slide 14
QUELQUES ELEMENTS D ’UN AVION
winglets
becs de bord d’attaque
moteur
gouverne de direction
dérive
plans déporteurs
génératrice de secours
(APU) pointe arrière
volets de courbure
gouverne de profondeur
plan horizontal réglable
mât moteur
Karman
ailerons internes
ailerons externes
fuselage
emplanture
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LES TROIS AXES DE PILOTAGE
I- Le ROULIS
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LES TROIS AXES DE PILOTAGE
II- Le TANGAGE
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LES TROIS AXES DE PILOTAGE
III- Le LACET
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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
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LE TRIEDRE AERODYNAMIQUE
Repère (O xA yA zA)
xA : de même direction et sens que la vitesse par rapport à l ’air.
zA : perpendiculaire à xA, dans le plan de symétrie (Oxz), vers le bas.
yA : perpendiculaire aux deux autres, vers la droite.
Position angulaire
du vecteur vitesse-air
par rapport au trièdre avion
: incidence (zAOz)
: dérapage (yOyA)
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LE TRIEDRE TERRESTRE
Repère (O xo yo zo)
xo : projection sur le plan horizontal de la vitesse sol.
zo : verticale terrestre, dirigé vers le bas.
yo : perpendiculaire aux deux autres,
vers la droite.
Position angulaire
du vecteur vitesse-sol
par rapport au trièdre avion
: azimut
: assiette longitudinale
: angle de gîte
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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. »
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
I-Le PROFIL
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIa-Forme en PLAN
Corde aérodynamique
moyenne
Envergure b
Surface
alaire S
Flèche
Corde géométrique moyenne : l = S / b
Allongement : l = b² / S
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIb-Forme en PLAN
Aile rectangulaire :
Aile trapézoïdale :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIc-Forme en PLAN
Aile elliptique :
Aile à flèche moyenne :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IId-Forme en PLAN
Aile à grande flèche :
Aile :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIe-Forme en PLAN
Aile en double :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIf-Forme en PLAN
Aile gothique:
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIg-Forme en PLAN
Aile en fer de lance :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IIh-Forme en PLAN
Aile avec apex :
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
III-Forme de FACE
Dièdre
Aile haute
(éventuellement contreventée)
Dièdre négatif
Aile médiane
Dièdre positif
Aile basse
Dièdre marginal positif
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IV-Quelques compléments
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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.
Portance / 6
Portance / 6
Portance / 6
Poids
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CARACTERISTIQUES D ’UNE AILE
IV-Quelques compléments
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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.
Pdyn= 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).
Slide 36
QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES
2) Modèle d ’atmosphère ISA
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QUELQUES NOTIONS DE MECANIQUE DES FLUIDES
3) Effet Venturi
Point de pression mini
P = Pmini
V = Vmaxi = (2 (P - Pmini) / )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
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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.
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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
Slide 40
D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
I- Ecoulement autour d ’un profil neutre
Point d ’arrêt
P = P + 0.5 V ²
V=0
Sillage
P = P
V = V
Zone de succion
P < P
V > V
P = P
V = V
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
II- Ecoulement autour d ’un plan incliné
Zone de fortes survitesses
P < P
V > V
Zone d ’eau morte
P > P
V faible
P = P
V = V
Angle
d ’incidence
Point d ’arrêt
P = P + 0.5 V²
V=0
P = P
V = V
Vitesse défléchie
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
III- Ecoulement autour d ’un squelette cambré incliné
Point d ’arrêt
P = P + 0.5 V²
V=0
Zone d ’eau morte
P > P
V faible
P = P
V = V
Zone de fortes survitesses
P = P
P < P
V = V
V > V
Vitesse défléchie
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
IV- Ecoulement autour d ’un profil cambré en incidence
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
V- Evolution de l ’écoulement avec l ’incidence
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
VI- Pression sur un profil
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D ’OU VIENT LA PORTANCE ?
VII- Répartition de la pression sur un profil et diagramme Kp
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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).
Cz
La portance s ’écrit sous la forme :
½ V² Salaire Cz
La traînée comporte deux termes :
½ V² Salaire (Cx0+Cxi)
Décrochage
Cx
Cx0 la trainée visqueuse
(frottementde l ’air sur l ’aéronef)
Cxi la trainée induite
C xi ~ C z
2
Décrochage : décollement généralisé
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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.
Vextrados
Vintrados
V
Tourbillon
marginal
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UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (I)
Au saumon de voilure, deux écoulements se superposent,
la vitesse d ’avancement et le tourbillon marginal.
Tourbillon
marginal
V
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UN WINGLET, COMMENT CA MARCHE ? (II)
V
Traînée
Vsaumon Vtourbillon marginal
Portance
Résultante
aérodynamique
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.
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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).
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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
Traînée
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.
Dans le plan
de symétrie
Poids
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COMMENT PLANER ?
Equilibre des forces
Résultante
aérodynamique
Portance
Traînée
Poids
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QUALITES DE VOL
II- Notion d ’équilibre longitudinal
Portance
Centre de portance
Centre de gravité
Centre de gravité à l ’équilibre
Poids
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COMMENT PILOTER UNE AILE DELTA ?
Barre vers la gauche
Virage à ...
Barre vers l ’avant
Moment à ...
Barre vers la droite
Virage à gauche
Barre vers l ’arrière
Poids du pilote vers
l ’avant
Moment à piquer
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QUALITES DE VOL
II- Notion d ’équilibre longitudinal
Portance
Centre de portance
Centre de gravité
Poids
Déportance
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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
Portance
Portance
Foyer
Centre de portance
Portance
totale
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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.
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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.
Portance
Centre de portance avion
Foyer avion
Centre de gravité
Moment piqueur
Poids
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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.
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QUALITES DE VOL
V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur
Slide 62
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
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QUALITES DE VOL
V- Empennage horizontal et gouverne de profondeur
m
Gouverne monobloc
Gouverne classique
m
iH
m
Plan horizontal réglable
Slide 64
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.
Slide 65
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.
Slide 66
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
Slide 67
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
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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
Slide 69
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.
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QUALITES DE VOL
VIIb- Centrage
IMPILOTABLE (centrage arrière)
PAS EQUILIBRE (centrage arr.)
IMPILOTABLE (centrage avant)
PAS EQUILIBRE (centrage avant)
Foyer voilure
Foyer avion
Centre de portance
croisière, GP au neutre
INSTABLE
STABLE
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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POURQUOI METTRE PLUSIEURS AILES ? (II)
Portance
Portance
Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 12
Moment de roulis ~ Portance b / 2
Portance /2
Portance /2
Inertie alaire en roulis fortement divisée
par 4, alors que le moment de roulis est
réduit de moitié.
Portance /2
Portance /2
Inertie en roulis de l ’aile ~ Sb² / 48
Moment de roulis ~ Portance b/4
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QUALITES DE VOL
XIIa- Effets secondaires du dérapage : Effet dièdre
Vent latéral
Vitesse
normale
Vitesse latérale
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.
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QUALITES DE VOL
XIIb- Effets secondaires du dérapage : Effet de flèche
Vt
Vt
Par effet de vitesse
normale, la flèche
provoque un moment
de roulis qui soulève
l ’aile au vent latéral,
comme pour l ’effet
dièdre.
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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.
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QUALITES DE VOL
XIV- Amortissement de roulis
Vitesse de roulis
Dissymétrie de portance se
traduisant par un moment
résistant au roulis
Vent relatif, induit par la
vitesse angulaire de
roulis
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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
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QUALITES DE VOL
XVb- Effets secondaires du mouvement de lacet :
Roulis induit
Vent relatif, induit sur
les ailes par la vitesse
angulaire de lacet
Vitesse de lacet
Dissymétrie
de portance,
due au
différentiel de
vitesse induite
Roulis induit
Slide 84
QUALITES DE VOL
XVc- Effets secondaires du mouvement de lacet :
Lacet induit
Vent relatif, induit sur
les ailes par la vitesse
angulaire de lacet
Vitesse de lacet
Lacet induit
Dissymétrie de
traînée, due au
différentiel de
vitesse induite
Slide 85
MECANIQUE DU VOL
Les petits mouvements
Modes propres longitudinaux
Phugoïde (ou phygoïde)
échange d ’énergie cinétique et potentielle à incidence sensiblement
constante
V
période approchée: T 2
g
peut être faiblement amortie (période longue)
Oscillation d ’incidence
oscillation de courte période (~ 1s)
doit être très amortie (critère de stabilité dynamique)
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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
Slide 87
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.
Mathématiquement, le facteur de charge n est défini comme suit :
dV
n mg P m
Prop . Faéro . R sol
dt
En projetant l ’équation de la dynamique sur chacun des axes du repère aérodynamique,
nous obtenons :
L ’équation de propulsion:
L ’équation de sustentation:
n x mg Fx q S C x
n z mg Fz q S C z
L ’équation d ’équilibre latéral: n y mg Fy q S C y
q est la pression dynamique q = ½ V²
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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, ny = 0.
La croisière en palier assure que nx = 0. Donc, nous avons égalité entre
propulsion et traînée, Fx = q S Cx.
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, nz = 1.
Slide 89
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 hH (W = hH . Wm)
Polaire (lien entre portance et traînée) indépendante de la vitesse Cx(Cz)
Equation de la dynamique :
F = 1/2 S V² Cx
mg = 1/2 S V² Cz ou V² = 2mg /( S Cz )
Ch = (Cs/ hH) V F = (Cs/ hH) V mg (Cx/Cz)
D ’où la consommation horaire pour un avion à hélice:
Cx 2 mg
Ch
mg
hH
Cz SCz
Cs
1/ 2
Slide 90
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
m0
m 0 Q
t
m
dm
m0
m 0 Q
h Cz SCz
H
m
Cs g Cx 2 g
Ch
t
dm
Pour finir, voici la formule de BREGUET :
1 h H Cz SCz
T
2 Cs g Cx 2 g
1/ 2
1
m0 Q
m0
1
1/ 2
m0
m
m 0 Q
3 / 2
dm
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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 nx = ny = 0.
Maintenant, il nous faut trouver la relation entre l’angle de gîte, la vitesse et le
rayon de virage.
La force centrifuge a pour norme :
Fcentrifuge = m V²/R, où R est le rayon de virage
Portance
En considérant le triangle rectangle reposant sur le
poids et cette force centrifuge:
V²/(g R) = tan()
Force centripète
équilibrant la force
centrifuge
Poids
nz = (1+tan²())1/2
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MECANIQUE DU VOL
V- Montée symétrique rectiligne à vitesse constante
, pente de montée
Traction
Portance
Vitesse
Traînée
Poids
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()).
La traînée aérodynamique s ’en trouve
légèrement diminuée.
En revanche, la traction doit équilibrer
deux forces, la traînée et la composante
« résistante » du poids (mg * sin()).
nx = - sin()
ny = 0
nz = cos()
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MECANIQUE DU VOL
VI- Domaine de vol
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MECANIQUE DU VOL
VII- Records
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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.
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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 isoincidence
• Décrochage à faible incidence
Cz
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.
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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
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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
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MECANIQUE DU VOL
VIIIe- Dispositifs hypersustentateurs :
Cz max et domaine de vol
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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.
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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.
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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
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MECANIQUE DU VOL
XI- Dispositifs de freinage en vol et au sol :
aérofreins
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MECANIQUE DU VOL
XIIa- Décollage et atterrissage
Distance de décollage FAR-25 (Masse Max. > 5,7t)
rentrée du train
35 ft
VEF panne d ’un moteur V1
V=0
VR
rotation
VLOF envol
(Vz > 0)
V2
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MECANIQUE DU VOL
XIIb- Décollage et atterrissage
Petit lexique des vitesses
V1 : Vitesse maximale d ’interruption de décollage. Si à V1 l ’équipage n ’a pas
commencé la décélération, il doit poursuivre le décollage.
VEF : Vitesse à laquelle intervient la panne moteur. L ’atterrissage ne peut être
interrompu pour VEF > V1 - , correspond au délai de réaction du pilote.
V2 : Vitesse de sécurité au décollage. Elle doit être atteinte avant une altitudesol de 35ft.
Distance d ’accélération-arrêt FAR-25 (Masse Max. > 5,7t)
V=0
V1
V1 + 2 secondes
début de freinage
arrêt
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MECANIQUE DU VOL
XIIc- Décollage et atterrissage
Trajectoire de décollage en cas de panne moteur
2ème segment
Palier d ’accélération
train rentré
becs/volets décollage
vitesse V2
régime moteur décollage
rentrée des becs et volets
> 1500 ft
rentrée du train
> 400 ft
35 ft
VLOF
envol
VEF panne
d ’un moteur
Segment final
configuration lisse
vitesse minimale 1,25 Vs
régime moteur: maximum continu
C ’est le 2ème segment qui est le plus exigeant, la
pente de montée y est importante, même en cas
de panne moteur.
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MECANIQUE DU VOL
XIId- Décollage et atterrissage
Distance d ’atterrissage
seuil de piste
réduction possible
du régime moteur
approche stabilisée
Vc Vs + 30%
configuration
atterrissage
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
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MECANIQUE DU VOL
XIIe- Décollage et atterrissage - Performances
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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
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PROPULSION
I- Propulsion anaérobie
Propergols solides
Propergols liquides
Rapport poussée / masse propergol moyen
Aucun contrôle de la combustion
Rapport poussée / masse propergol optimal
H2
On recherche à obtenir une surface de
flamme constante (et donc une poussée
constante), en adoptant une section en
« marguerite » ou en étoile.
Combustion contrôlée par le débit des
propergols arrivant à la chambre de
combustion
Equipement assez lourd et très complexe.
O2
Vaporisation des propergols liquides
(pompage, réchauffage, détente et
contrôle du débit)
Propergol non brûlé
Front de flamme
Chambre de combustion
Enveloppe de poudre avant combustion
Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère
Gaz brûlés éjectés , accélérés dans la tuyère
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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
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PROPULSION
IIb- Propulsion aérobie
Turboréacteur simple flux, simple corps
Compresseur
Rotor Stator
Vair
Compresseur Chambre de Turbine
Canal de Tuyère d ’éjection V
rot
axial
combustion
post-combustion
Vair / aube
Plus le taux de compression (Pchambre de combustion /Patmosphérique) 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.
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PROPULSION
IIb- Propulsion aérobie
Turboréacteur en coupe
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PROPULSION
IIb- Propulsion aérobie
Turboréacteur double flux, double corps
Flux externe froid
FAN
Comp. Comp.
BP
HP
Turb. Turb.
HP
BP
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.
Flux interne brûlé
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.
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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
Ce schéma est simpliste car la vitesse
axiale n ’est pas constante, l ’air est
accéléré par l ’hélice.
Vrot = R W
W
Une hélice vrillée n ’est adaptée que
pour un rapport V / Vrot 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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PROPULSION
IIe- Propulsion aérobie
Turbopropulseur
Réducteur et hélice
Le turbopropulseur est constitué d ’une turbine à gaz (sorte de turboréacteur 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 turbocompressé. Il est plus économique que le turboréacteur, en raison de
son fort taux de dilution.