Histoire de l’aviation: diaporama

5 02 2009

Histoire de l’aviation sous forme de diaporama

(réalisé par le Collège Emile Verhaeren de Bonsecours (76240))



Aérodynamique n°4 stabilité latérale et transversale de l’avion

23 01 2009

I-                    Stabilité latérale de l’avion

Cette stabilité a pour effet de conserver la voilure dans un plan horizontal parallèle à la ligne d’horizon. Les oscillations de l’avion autour de l’axe de roulis se traduisent par le balancement d’une aile sur l’autre. Pour les limiter, le pilote actionne les ailerons. Afin de doter les avions d’une stabilité latérale propre, il faut utiliser le dièdre de la voilure.

Selon le type de dièdre utilisé, les avions obtiennent des caractéristiques différentes.

II-                  Stabilité transversale de l’avion

Un appareil est stable autour de l’axe de lacet ou de giration lorsqu’à la suite d’une perturbation l’écartant de sa trajectoire, il revient de lui même à celle ci. La stabilité latérale est assurée par une bonne répartition des surfaces verticales situées en avant du centre de gravité et des surfaces verticales situées en arrière du centre de gravité.

Ces surfaces comprennent :

– La ou les surfaces de la ou des dérives

– La projection verticale du fuselage

– La projection verticale de la surface portante (cas de dièdre prononcé)

L’ensemble de ses surfaces soumises à un vent relatif possède un point (foyer latéral) CPL auquel on peut appliquer la résultante générale de toutes les forces de poussée latérale.

Le Centre de Poussée Latérale doit toujours être situé en arrière du centre de gravité, plus la distance est grande plus le moment de retour sera important.


Aérodynamique n°3 Centrage et stabilité

23 01 2009

Centrer un aéronef signifie placer son centre de gravité à une certaine distance du foyer.

La règle absolue de la stabilité est quand le centre de gravité se trouve en avant du foyer.

Pour que l’avion soit pilotable, il faut qu’il soit stable c’est à dire qu’à un changement d’incidence il réagisse par une action tendant à contrer cet écart.

Pour une incidence donnée, correspond une certaine portance. Une augmentation de l’incidence provoque une augmentation de la portance située en arrière du centre de gravité qui provoque un moment de tangage piqueur tendant à diminuer l’incidence : le couple piqueur.

Avec un centre de gravité en arrière du foyer, la même variation d’incidence provoque la même variation de portance avec cette fois un moment à cabrer qui augmente l’incidence (couple cabreur). L’avion n’est plus stable car il répond à une variation par une action tendant à augmenter cette variation.

Plus la distance entre le centre de gravité et le foyer est importante, plus le moment résultant est important et mieux l’écart en incidence sera amorti. La distance entre le centre de gravité et le foyer se nomme la marge statique.

Le centre de gravité d’un avion n’est pas fixe (consommation de carburant), il va donc falloir équilibrer se déplacement. La gouverne de profondeur permet de contrer les déplacements du centre de gravité , mais il existe une limite qui correspond aux butées de cette gouverne, et de ce fait une limite aux déplacements du centre de gravité. Ces limites sont impératives et se nomment le centrage.

Le centrage dépend du chargement de l’avion et est différent selon le type d’avion. Le pilote doit donc vérifier avant le vol le centrage de l’avion, en le calculant, en fonction du poids de l’équipage, des bagages, du carburant, et de leur emplacement dans l’avion. La position du centre de gravité est donnée en distance ou en pourcentage par rapport à une référence choisie par le constructeur de l’avion.


Zone avant de la plage Zone arrière de la plage
Stabilité Augmente diminue
Manœuvrabilité Diminue Augmente
Braquage gouverne de profondeur Plus important Moins important
Traînée Augmente Diminue
consommation Augmente diminue





Aérodynamique n°2 la polaire de l’aile, nombre de Reynolds et moments aérodynamiques

23 01 2009

Il s’agit de la représentation graphique du coefficient de portance Cz (x100) en fonction de coefficient de traînée Cx (x100).

Représentation graphique du coefficient de portance:

Plus l’incidence de l’aile est forte, plus la portance est importante. Mais jusqu’à un certain point !
On comprend que si l’aile devient verticale, notre avion sera tombé depuis longtemps : il aura décroché.

Représentation graphique du coefficient de traînée

Coefficient de traînée : De la même façon, plus l’incidence est importante, plus la traînée est importante. Faisons un autre graphique pour visualiser ceci :

La traînée est toujours positive

.

Polaire d’une aile :

Si la portance et la traînée dépendent toutes les deux de l’incidence, pour chaque valeur d’incidence donnée, on peut trouver la portance et la traînée. On peut visualiser cette relation sur un graphique qui montrera donc la portance en fonction de la traînée :

Cette courbe s’appelle la polaire et c’est donc la ‘carte d’identité’ de l’aile. Elle donne les valeurs des coefficients de portance et de traînée pour chaque valeur d’incidence.

La portance augmentant avec l’incidence, on peut prendre par exemple pour chaque point remarquable :

Cz nul, incidence = -4°

Fx mini , incidence = 5°

Finesse max, incidence = 10°

Cz max= incidence = 15°

La finesse est le rapport entre les coefficients Cz et Cx

finesse = portance/traînée = Cz/Cx = hauteur perdue/distance parcourue = vitesse horizontale /vitesse verticale

Nombre de Reynolds

Les tableaux des valeurs et polaires d’un profil ont été établis pour une vitesse donnée de l’écoulement de l’air. Cette vitesse de l’air, et sa viscosité (paramètre fondamental en aérodynamique) sont caractérisées par le nombre de Reynolds R

R= (vitesse de l’air x corde de profil) / (viscosité cinématique de l’air)

Ex : pour une viscosité de l’air de 0,0000144 au niveau du sol, une vitesse de 30m/s, une corde de profil de 1,3m, on a un nb de Reynolds de 2 700 000 (ordre de grandeur).

Moments aérodynamiques

Un effort F qui s’exerce au niveau de centre de gravité d’un corps solide quelconque ne fait pas tourner ce corps. Si le point d’application est écarté d’une distance d du centre de gravité, l’effort produit un effet qui aura tendance à mettre le corps en rotation : on dit qu’il s’applique un moment F x d sur le solide en question.

Pour évoluer dans les trois dimensions et pour se diriger, l’aéronef subit des moments de roulis, de tangage et de lacet qui le mettent en rotation autour des axes de roulis, lacet et tangage et qui passent par son centre de gravité. Les gouvernes d’un aéronefs génèrent des moments de roulis (ailerons d’un avion), de tangage (gouverne de profondeur) et de lacet (gouverne de direction).

Les essais en soufflerie permettent de quantifier les forces et les moments appliqués à un profil d’aile ou à un avion tout entier. Ces moments aérodynamiques sont également dotés de coefficients.

Le moment aérodynamique le plus intéressant est le moment de tangage car c’est lui qui conditionne l’équilibre longitudinal.

Le centre de poussée d’un profil d’aile est le point d’application de la portance. Sa position varie en fonction de l’incidence.

Le foyer aérodynamique, qu’il ne faut pas confondre avec le centre de poussée est le point où le moment longitudinal est constant. C’est aussi le point où s’appliquent les variations de portance (et non la portance elle-même).



Aérodynamique cours n°1 la force aérodynamique et ses composantes

23 01 2009

Aérodynamique : Partie de la physique qui étudie les effets de l’air et des gaz sur les déplacements des corps solides

Mécanique du vol : l’étude des forces s’exerçant lors du vol de l’aéronef.

I-                    LA FORCE AERODYNAMIQUE ET SES COMPOSANTES

La force (ou résultante) aérodynamique (Fa) : c’est la force générée par l’ensemble des surpressions de l’intrados et des dépressions de l’extrados. Elle augmente avec la vitesse et l’angle d’incidence. L’angle d’incidence : c’est l’angle formé entre la corde de l’aile et la trajectoire du vent relatif.

Le centre d’application de la force aérodynamique s’appelle le centre de poussée.

Formule Fa : ½ ? S V² Ca

La force aérodynamique se décompose en deux forces.

Composantes de la force aérodynamique

La portance (Fz) est la composante aérodynamique perpendiculaire aux filets d’air du vent relatif. C’est une force, aussi appelée sustentation, dirigée du bas vers le haut, et qui a son centre en un point de l’aile: le centre de poussée. Elle est opposée au poids de l’avion et doit lui être au moins égale pour que l’avion s’élève. Elle résulte de la pénétration dans l’air de l’aile.

Formule : Fz= ½ ? V² S Cz

le vent relatif passe sur l’extrados de l’aile et sur son intrados. Il en résulte une dépression sur l’extrados et une surpression sur l’intrados, en vertu du principe de Bernoulli, qui montre que la vitesse du fluide (l’air) augmente lorsque la pression exercée sur le fluide diminue.

L’addition de la surpression et de la dépression donne alors une force appelée portance qui aspire l’aile et donc l’avion vers le haut.

La traînée (Fx) est la composante aérodynamique parallèle aux filets d’air du vent relatif.

C’est la force opposée au déplacement de l’avion et qui résulte de sa résistance à l’air . C’est la résistance à l’avancement, on cherche donc à la réduire au maximum.

Formule : Fx= ½ ? V² S Cx

L’aile est en effet un obstacle pour l’air et elle le freine car elle s’oppose au déplacement de l’air. Cette force est représentée par un vecteur parallèle au vent relatif et partant de l’aile.

Si notre avion n’était soumis qu’à ces deux forces, il reculerait et monterait sans arrêt !!!
Il nous manque le poids de l’avion (qui s’oppose à la portance) et la force de traction créée par notre hélice et son moteur (qui s’oppose à la traînée). Voici le schéma complet des forces :

Le centre de poussée est le point d’application des forces aérodynamiques. Il se déplace suivant l’angle d’incidence, Il n’est donc pas fixe.

Le foyer est le point d’application des variations de portance. Il est fixe. Il correspond au centre de gravité aérodynamique d’un profil.

Les coefficients Cz et Cx sont respectivement les coefficients de portance et de trainée. Ils varient en fonction :

–          De la forme du profil

–          De l’angle d’incidence

Cz est le coefficient de portance. Il est en quelque sorte l’aptitude à transformer le courant d’air en portance.

Cx est la caractérisation d’un défaut qui est de fabriquer de la traînée avec le même courant d’air.

Les facteurs qui influent sur la résultante aérodynamique :

1- La surface alaire, c’est-à-dire la surface totale sur laquelle sont appliquées les forces. Plus la surface offerte au courant d’air est grande plus Fa est importante.

La surface alaire d’un avion est la surface totale de la voilure, y compris celle qui traverse le fuselage.

2-  La vitesse de déplacement : l’intensité de la Fa augmente avec le carré de la vitesse de l’avion.

3-      La masse volumique de l’air : l’air dans lequel évolue l’avion est pesant et possède une masse volumique ?. Plus l’air est dense, plus la résultante est grande. la masse volumique de l’air est de 1,225 gr/m3 au niveau de la mer et diminue avec l’altitude.

4-      La forme de l’aile (profil et allongement). La forme de l’aile selon son profil (en coupe) et son allongement (rapport entre sa longueur et sa largeur) influe sur Fa. Un profil fortement cambré possède un bon rendement aux vitesses faibles (60 à 100 km/h), alors qu’un profil peu cambré convient mieux aux vitesses élevées. Sur un grand nombre d’avions modernes, il est possible de modifier la courbure du profil en vol grâce à un système dénommé volets de courbure.

Un grand allongement est plus favorable aux faibles vitesses alors qu’un faible allongement convient aux vitesses élevées. Un des autres avantages d’un grand allongement est de diminuer les tourbillons en bout d’aile. En effet, au bout de l’aile, la depression de l’extrados et la surpression de l’intrados se rejoignent  créant des tourbillons dénommés vortex.

5-      La position de l’aile par rapport au vent relatif.

Le vent relatif est le vent ressenti à bord de l’avion du fait du déplacement de celui-ci, le vent relatif souffle donc toujours suivant la trajectoire de l’avion.

Pour repérer l’orientation de l’avion par rapport au vent relatif on définit un angle : l’angle d’incidence ? entre l’axe longitudinal de l’avion t la direction du vent relatif ou entre l’axe longitudinal de l’avion et sa trajectoire.

Lorsque l’incidence de l’aile augmente, l’intensité de la résultante aérodynamique (Fa) augmente, passe par un maximum pour un angle d’incidence compris entre 15° et 18°, puis décroit brusquement. On dit que l’aile décroche.

6-      L’état de surface des ailes : les salissures (insectes) et le givrage des ailes provoquent des décollements des filets d’air pouvant entrainer un angle d’incidence de décrochage plus faible



Les instruments de bord

7 01 2009

Les instruments de bord

I -Le poste de pilotage

–          Les instruments de conduite :

o   Anémomètre

o   Altimètre

o   Variomètre

o   Indicateur de virage

o   Horizon artificiel

–          Instruments de contrôle

o   Contrôle des pressions et/ou des dépressions

o   Contrôle des vitesses de rotation

o   Contrôle des débits

o   Contrôle des températures

o   Contrôle des niveaux

o   Contrôle divers

–          Instruments de navigation et de radionavigation

o   Navigation

§  Compas

§  Conservateur de cap

§  Centrales inertielles

o   Radionavigation

§  VOR/DME

§  ADF

§  ALS/MLS

§  GPS

II- Les instruments aérodynamiques (ou aérobarométriques)

Ils utilisent les propriétés liées à la pression de l’air environnant. Une sonde (appelée tube de Pitot) disposée sur l’avant du fuselage ou de la voilure permet de capter la pression totale à un endroit où la pression créée par l’écoulement de l’air autour de l’avion (vent relatif) et la pression atmosphérique (Pt) régnante s’additionnent. Des prises d’air disposées sur le côté du fuselage de l’aéronef permettent de mesurer la pression atmosphérique pure (pression statique) à un endroit où le déplacement de l’air n’a aucun effet. La vitesse de l’avion par rapport au vent peut alors être déduite de la différence entre pression totale et pression statique. Cette différence représente la pression dynamique, proportionnelle à la vitesse de l’avion par rapport à l’air. Le système installé sur les aéronefs est désigné par le terme anémobarométrique.

–          A- L’anémomètre (ou Badin du nom de son inventeur Raoul Badin)

Il est associé au tube de Pitot et mesure la vitesse de l’aéronef par rapport à l’air qui l’entoure. Il mesure la différence entre la pression totale (Pt) et la pression statique (Ps), et la convertit  en vitesse.

Elle est généralement mesurée en nœuds, mais, sur quelques avions français et sur les avions russes, elle est donnée en kilomètres par heure.

Les différentes vitesses caractéristiques

o   La vitesse indiquée (Vi ou IAS Indicated air speed)

C’est la vitesse lue directement sur l’instrument. Elle n’est pas corrigée en fonction des variations de densité de l’atmosphère et de la température.

o   La vitesse corrigée (CAS)

Elle est obtenue à partir de la Vi, en tenant compte des erreurs de la sonde (défauts, fuites, position). Le tube de pitot étant souvent monté sur l’aile (bord d’attaque ou intrados), plus l’avion sera cabré (en vol cabré la sonde n’est plus dans l’axe du vent), plus la vitesse lue sera erronée.

o   La vitesse propre ou vitesse vraie (Vp ou TAS True air speed)

C’est une une vitesse corrigée. Si les conditions du jour sont dites standard (15°C au niveau de la mer et pression de 1013 hPa), la vitesse propre est égal à la vitesse sol. On peut obtenir la Vp ou TAS par la lecture du tableau des performances du manuel de vol de l’avion utilisé. La Vp correspond à la vitesse effective de l’avion dans l’air et dépend :

1/ de la vitesse indiquée de l’aéronef (Vi)

2/ de l’altitude de vol de l’aéronef (pressions)

Comme la pression diminue, les frottements aussi et donc l’avion à moins de mal pour une puissance donnée d’avancer. Donc, au fur et à mesure que l’avion prend de l’altitude, la pression statique diminue : la vitesse indiquée Vi devient inférieure à la vitesse propre de l’avion. Formule :

Majoration de 1% par tranche de 600 pieds d’altitude de la vitesse indiquée.

Le code couleur sur le Badin :

  • l’arc vert indique les conditions normales de vol de l’avion (braquage des commandes à fond sans risque de détérioration),
  • l’arc jaune les vitesses interdites en air turbulent,
  • l’arc blanc la zone où l’on peut utiliser les équipements augmentant la traînée (volets, trains d’atterrissage, etc.),
  • enfin, le trait rouge indique la vitesse limite (VNE : never exceed), particulièrement pour la structure de l’appareil.

Les vitesses remarquables :

VSo : vitesse de décrochage volets et trains sortis

VS1 : vitesse de décrochage en lisse

VFE : vitesse maximale volets sortis

VNO : vitesse normale maximale en atmosphère agitée

VNE : vitesse à ne jamais dépasser

Pour des avions volant à des vitesses proches de celle du son ou au-delà, d’autres lois sont utilisées, ainsi que d’autres instruments (machmètre).

–           B- le variomètre

Il évalue les vitesses verticales (Vz) de montée ou de descente par rapport au sol.

Il mesure la différence entre la pression atmosphérique aux environs de l’aéronef à l’instant T et celle de l’instant T-t (mise en mémoire).

Principe du variomètre à « boitier capacité »

Dans sa version classique, cet instrument utilise les variations de pression statique pour indiquer des variations d’altitude, c’est-à-dire des vitesses verticales.

De l’air à la pression statique extérieure est stocké dans une bouteille appelée capacité qui se met à pression avec un temps connu. La pression dans la capacité est donc en retard par rapport à la pression courante. Au moment de la mesure, l’instrument fait la différence entre la pression extérieure et la pression de la capacité. À noter que le variomètre fonctionne avec un léger temps de retard (appelé hystérésis), dû au temps de remplissage de la capacité.

On en déduit une vitesse verticale, de montée ou de descente (Vz) qui est exprimée en pieds par minute ou en mètre par seconde. Il est très utilisé par les pilotes de planeurs.

Il existe une version différente, où l’instrument est appelé à énergie totale.

–          C- L’altimètre

Il évalue et l’indique l’altitude ou la hauteur au dessus d’un niveau pris pour référence.

C’est un baromètre mesurant la pression atmosphérique et le traduit en valeur altimétrique par un cadran gradué en pieds (ft) ou parfois en mètre (m).

On retiendra que dans les basses couches de l’atmosphère, une variation de 28 ft correspond à une variation de 1 hectopascal (hpa). (Quand on s’élève de 28ft, la pression diminue d’1 hpa).

La grande aiguille indique les centaines de pieds, la petite aiguille donne les milliers de pieds et le petit triangle extérieur affiche les dix mille pieds.

Un bouton de recalage permet de sélectionner la pression de référence en faisant tourner l’ensemble du mécanisme et son aiguille par rapport au cadran altimétrique.

Calages altimétriques

Caler l’altimètre consiste à afficher dans la fenêtre de l’instrument, la pression de référence choisie. A chaque calage barométrique choisi correspond une altitude de référence.

Calage au QNE : la pression de référence est 1013 hpa ou calage au FL (pour Flight Level, en français Niveau de Vol). Le « 0 » de l’altimètre correspond à l’altitude où l’on rencontre la pression atmosphérique standard ( 1013,25 hPa ). On indique ensuite l’altitude par tranches de centaines de pieds. Ex : le FL 100 correspond à une altitude de 10 000 pieds au-dessus de la pression « 1013,25 hPa ». En raison de la variation constante de la pression atmosphérique, les FL se déplacent continuellement, dans le sens vertical.

Calage au QFE :la pression de référence est celle du jour. Il indique une hauteur par rapport à un point de référence (en cours de disparition ou utilisée uniquement en vol très localisé).

Calage au QNH : la pression de référence est celle de l’aérodrome. Il indique une altitude. Le « 0 » de l’altimètre correspond au niveau de la mer.

III- Les instruments gyroscopiques.

Ils utilisent les propriétés des corps en rotation rapide que sont les gyroscopes (fixité de l’axe du rotor dans l’espace absolu, couple gyroscopique, précession). Les gyroscopes classiques sont entrainés par une pompe à vide ou un moteur électrique qui leur confère une vitesse de rotation très élevée (10 000 tr/min dans le premier cas, 20 000 tr/min dans le second).

A- Gyro compas / gyro directionnel

Il s’agit d’un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de conserver une référence de cap de façon beaucoup plus précise qu’un compas magnétique. Il est asservi à une vanne de flux (en anglais : flux valve) qui permet de le recaler automatiquement en fonction du champ magnétique terrestre. Il est aussi appelé plateau de route.

B- Horizon artificiel

Il s’agit d’un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de visualiser l’attitude de l’avion par rapport à ses axes de roulis et de tangage et plus précisément de leurs angles avec un plan horizontal : assiette (à cabrer ou à piquer) et inclinaison (à droite ou à gauche). Certaines erreurs d’indications subsistent en virage et lors d’accélération.

C- Indicateur de virage et de dérapage (bille-aiguille)

La bille (symétrie du vol)

Le système est constitué :

  • d’une bille baignant dans un liquide amortisseur
  • d’un tube incurvé qui contient la bille et son liquide
  • d’un vase d’expansion qui permet la circulation du liquide en cas de dilatation

La bille renseigne sur la symétrie du vol : tant que l’aiguille reste centrée, le vol est symétrique (l’écoulement de l’air est symétrique par rapport à l’axe longitudinal de l’avion). Si la bille s’écarte de sa position centrale (dérapage ou glissade) : il faut utiliser la gouverne de direction et pousser la pédale du palonnier du côté ou s’écarte la bille.

L’aiguille (indicateur de virage)

L’aiguille est associée à un gyromètre, composé d’un gyroscope à deux degrés de liberté. Elle indique :

  • le sens du virage : si l’aiguille s’incline à droite, l’avion est en virage à droite et inversement à gauche
  • le taux du virage : vitesse de défilement du repère capot, c’est la vitesse que l’on met pour effectuer un virage

Un virage est effectué au taux standard (ou taux 1) si l’avion effectue un virage de 360° en 120 secondes (ou 180° en une minute), soit 3° par seconde. Le taux 2 est un virage de 360° en une minute.

IV-Le compas

Le compas fonctionne comme une boussole grâce à un barreau aimanté qui prend la direction du Nord magnétique : il indique le cap magnétique. En conséquence, les directions indiquées par le compas sont toutes décalées de la valeur de l’angle compris entre le Nord vrai (Nord du méridien ou encore Nord géographique) et le Nord magnétique. Cet angle est appelé déclinaison magnétique (D). Sa valeur varie avec le lieu géographique. Elle est dite Ouest lorsque le Nord magnétique est à l’Ouest du Nord vrai, ce qui est le cas sur l’ensemble de la France.

Le compas est formé d’une partie étanche remplie d’un liquide ingelable, dont le rôle consiste à amortir les oscillations de la rose. Cette dernière, constituant la partie mobile sur laquelle est fixé l’aimant, porte l’inscription des directions magnétiques marquées de 10 en 10 degrés de 0 à 360° dans le sens des aiguilles d’une montre. Ainsi, l’indication 3 correspond à 30° et 33 signifie 330°.

Le compas donne des indications erronées en virage, lors de variations de vitesse et en atmosphère turbulente. C’est pourquoi un instrument complémentaire plus stable est utilisé : le conservateur de cap ou directionnel.

V- Les instruments électromagnétiques

A- Radioaltimètre

Il utilise un radar placé sous le fuselage utilisant l’effet doppler.

Il est utilisé pour les procédures d’approche finale ou dans le cadre de la prévention contre le risque de percuter le relief. Il indique de façon très précise (à 50 cm près) la hauteur de l’avion par rapport au sol.

B- Instruments de radio-navigation

Ils utilisent des stations au sol ou des satellites pour fournir des indications sur la position de l’avion dans l’espace.

o   Radiocompas (ADF – Automatic Direction Finder)

Une antenne sur l’avion capte un signal radio (dans la bande de fréquence de 190 kHz à 1750 kHz) émis par un émetteur au sol appelé NDB (Non Directional Beacon). L’information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique la direction de cette station.

o   VOR (VHF Omnidirectional Range)

Une antenne sur l’avion capte un signal radio (dans la bande de fréquence de 108 à 118 MHz) émis par un émetteur au sol appelé VOR. L’information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique le cap à suivre pour se diriger vers (ou s’éloigner de, selon la sélection) cette station.

o   RMI (Radio Magnetic Indicator)

Il combine sur un même instrument les fonctions ADF et VOR et donne le cap à suivre pour se diriger vers (ou s’éloigner de, selon la sélection) ces stations.

o   DME (Distance Measuring Equipment)

Un équipement sur l’avion échange un signal radio (dans la bande de fréquence de 960 à 1215 MHz) avec une station au sol. L’information délivrée au pilote est la distance oblique à cette station, sa vitesse de rapprochement (ou d’éloignement) ainsi que le temps nécessaire pour la rejoindre.

o   ILS (Instrument Landing System)

Une antenne sur l’avion capte deux signaux radio lors des approches. L’information délivrée au pilote est l’écart de sa trajectoire par rapport à l’axe de la piste et la pente qu’il doit tenir pour aboutir au seuil. L’ILS est utilisé pour les atterrissages tous temps en IFR.
L’indication « droite-gauche » est véhiculée par une émission VHF (de 108.1 à 111.95 Mz), tandis que l’indication « haut-bas » est véhiculée par une émission UHF (de 334.7 à 330.95 Mhz)

o   GPS (Global Positioning System)

Appareil disposant d’une antenne qui capte un signal radio UHF émis par une constellation de satellites. L’information délivrée au pilote est sa position sur le globe terrestre (latitude, longitude et, avec une mauvaise précision, altitude), sa route vraie ainsi que sa vitesse par rapport au sol.

o   Systèmes de visualisation électronique (EFIS – Electronic Flight Instruments System)

Ils permettent de visualiser sur des écrans (PFD – Primary Flight display, ND – Navigation Display) l’ensemble des paramètres nécessaires au pilote. De la même façon, des écrans (ECAM – Electronic Centralised Aircraft Monitoring sur Airbus) permettent d’afficher les paramètres moteurs. Sur Dornier Do 328, L’EICAS (Engine Indicating and Crew Alerting System) est un écran central divisé en 2 parties, la 1ère qui symbolise les paramètres moteurs, et la 2ème, le CAS FIELD, dans laquelle sont centralisées toutes les informations et alarmes de l’avion, avec un code couleur selon l’importance du message:

  • Cyan : Informations
  • Ambre : message de dysfonctionnement mineur ou illogique;
  • Magenta : alarmes ou pannes majeures à traiter d’urgence par l’équipage.

Voir aussi : HUD / Affichage tête haute

VI- Systèmes de gestion de vol

A- Système de gestion de vol (FMS – Flight Management System)

Il permet grâce notamment à une centrale inertielle couplée à un calculateur d’assister le pilote pendant le vol. Il lui fournit des renseignements sur le pilotage, la navigation, les estimées, la consommation, etc.

B- Système de pilotage automatique (PA en français ou AFCS – Automatic Flight Control System)

Il permet, grâce à un ensemble de servocommandes, d’asservir l’avion dans une configuration de vol (mode de base) ou sur une trajectoire donnée (mode supérieur). Ces 2 systèmes partagent le ou les mêmes calculateurs. Ils fonctionnent selon 3 phases : armé (le calculateur acquiert les données), capture (le calculateur indique les corrections à effectuer), maintien (le calculateur tient les paramètres).

C- Directeur de vol (DV)

Il fournit au pilote une aide en lui indiquant le sens et l’amplitude des manœuvres à effectuer pour amener l’avion dans une configuration de vol ou sur une trajectoire sélectionnée. Il se présente sous la forme de moustaches sur l’horizon artificiel qu’il s’agit de faire correspondre avec la maquette de l’avion qui y figure, ou sur la forme d’une croix sur laquelle aligner le repère central représentant l’avion.

VII- Instruments de surveillance des paramètres moteurs et autres systèmes

A- Manomètres

Ils indiquent les pressions d’huile, de carburant ou d’admission.

B- Tachymètre

Il indique le régime du moteur (en tr/min) ou du réacteur (en% d’un régime nominal).

C- Systèmes d’alarmes

o   Avertisseur de décrochage

Il permet de prévenir (par un signal sonore ou une vibration du manche) le pilote lorsque l’avion s’approche de l’angle d’incidence maximum avant décrochage. Ce système s’appelle Stall Warning System

o   Avertisseur de proximité du sol

L’avertisseur de proximité du sol (GPWS – Ground Proximity Warning System) permet de prévenir (par un message vocal « terrain » ou « pull up ») le pilote lorsque l’avion s’approche du sol. Une version améliorée possède en plus une cartographie plus ou moins fine du terrain qui est présentée aux pilotes sur les écrans EFIS en cas d’alarme. Sur A380, le programme présente une vue en coupe latérale du plan de vol.

o   Dispositif d’évitement de collisions

Le dispositif d’évitement de collisions (TCAS – Traffic and Collision Avoidance System) permet de prévenir (sur un écran et par un message vocal « trafic ») le pilote lorsque l’avion s’approche d’un autre avion. Il peut également proposer (en se synchronisant avec le TCAS de l’autre appareil : coordination des manœuvres) une manœuvre d’évitement dans le plan vertical (climb: monter, descend: descendre). Le BEA préconise de suivre les instructions du TCAS en priorité sur les instructions données par le Contrôle aérien (suite à la collision en plein ciel de 2 avions au-dessus du sud de l’Allemagne – voir Vol 2937 Bashkirian Airlines).



cours n°11 (fin): le turbopropulseur

18 12 2008

Les turbopropulseurs

C’est l’ensemble constitué d’une hélice mue par une turbomachine qui convertit l’essentiel de l’énergie des gaz produits en énergie mécanique. Ce n’est pas à proprement parler un moteur à réaction turbopropulseur mais il est très semblable à un turboréacteur double flux à très fort taux de dilution dont la soufflante ne serait pas carénée. Les limitations aérodynamiques des hélices limitent son utilisation à des vitesses inférieures à mach 0,7 à peu près.

  1. L’hélice (A) pré comprime l’air admis dans les entrées d’air.
  2. L’air est comprimé par les compresseurs (C).
  3. Il est ensuite introduit dans la chambre de combustion, là il est mélangé au carburant pulvérisé.
  4. Un système d’allumage démarre la combustion du mélange gazeux.
  5. L’énergie cinétique des gaz à la sortie de la chambre de combustion (D) est utilisée de trois façons.

Elle sert à :

  • Actionner les turbines (E) qui entraînent les compresseurs (C) et les génératrices électriques.
  • Actionner la turbine (E) qui entraîne le réducteur (B), lui même entraînant l’hélice (le réducteur transforme la vitesse élevée à faible couple en vitesse faible à fort couple).
  • Fournir une poussée à l’avion par l’échappement des gaz dans la tuyère (F).


Cours n°11: le turboréacteur et le statoréacteur

18 12 2008

Le turboréacteur

1- Principe de propulsion par réaction

Si on gonfle d’air un ballon, l’air s’échappe avec une vitesse importante. L’air à l’intérieur du ballon est à la pression p’ et sa vitesse est nulle. En sortant du ballon, l’air passe à la pression p, en augmentant sa vitesse.

P’=p+ ½ ? x V² (théorème de Bernoulli)

En sortant du ballon, l’air exerce sur le ballon une poussée, proportionnelle à la vitesse

F= Dm x v

(débit massique= masse d’air éjectée en une seconde).

Dans le cas d’un moteur à réaction, on absorbe un débit d’air Dm à une vitesse Ve, on le comprime et on le rejette à une vitesse Vs

F= Dm x (Vs-Ve)              (théorème d’Euler)

2- Constitution d’un turboréacteur

Turboréacteur simple corps et simple flux

L’entrée d’air : dans le turboréacteur, l’air rentre par une entrée d’air pour le guider jusqu’à l’entrée du moteur proprement dit.

Le compresseur : l’air pénètre dans un compresseur qui permet de le monter en pression. Le compresseur est constitué de roues, petites ailes (ailettes ou aubes), certaines fixes, d’autres avec un mouvement de rotation. Un étage de compresseur est constitué d’une roue mobile et d’une roue fixe. Plusieurs étages (de 2 à 15) tournant dans le même sens constituent le corps. Il peut y avoir 1 à 3 corps dans un moteur.

La chambre de combustion : l’air est envoyé dans la chambre de combustion, où il est mélangé au carburant vaporisé et enflammé. Il est alors fortement comprimé et s’échappe vers l’arrière du moteur en se détendant.

La turbine : lors de sa détente, l’air passe dans une turbine (constitution identique au compresseur), qui est reliée au compresseur ; c’est elle qui fait tourner le compresseur.

La tuyère : c’est par là que s’échappe les gaz brûlés et permet à l’air d’atteindre de très grandes vitesses et d’engendrer ainsi des poussées importantes.

Problème : grande consommation de carburant. On a donc cherché des solutions permettant d’augmenter la poussée tout en diminuant la consommation de carburant.

La première solution a été de séparer le flux d’air, à l’entrée du réacteur, en 2 flux (on parle de turboréacteur double flux). La première partie suit le trajet normal ; la seconde partie est tout de suite envoyée vers la tuyère après le 1er étage de compresseur. L’air provenant du 2nd flux est plus lent que le premier mais permet d’augmenter la poussée à moindre frais.

La poussée des réacteurs militaires peut être fortement augmentée par un dispositif de post-combustion : on injecte du carburant à l’entrée de la tuyère, dans les gaz chauds qui s’enflamment spontanément, accroissant ainsi la vitesse des gaz éjectés, et donc la poussée du moteur.

Turboréacteur avec post-combustion :

Turboréacteur double corps, double flux :

3- Le statoréacteur

Autre possibilité pour obtenir une poussée par réaction : le statoréacteur ou tuyère thermopropulsive.

Le principe est très simple :

Le statoréacteur ( « stato » pour statique ) est un réacteur très particulier puisqu’il ne comporte aucune pièce mobile. C’est le plus simple des moteurs pour avions que l’on puisse imaginer. Il s’agit simplement d’un cylindre dans lequel on fait brûler un carburant. Adapté aux hautes vitesses ( entre Mach 1 et Mach 5 ), il est utilisé principalement de nos jours à des tâches très spécifiques comme la propulsion de missiles aéroportés (la vitesse de l’avion porteur autorise l’allumage).

4- Contrôle du fonctionnement, performances et utilisation

Le carburant utilisé pour les réacteurs : kérosène ; il ne brûle qu’aux hautes températures. Un réacteur à l’arrêt ne peut démarrer directement. Il est d’abord lancé par un groupe de démarrage externe. Le combustible est alors enflammé par une bougie à étincelle. Une fois démarré, il s’autoalimente.

Le pilote, pour vérifier le fonctionnement du réacteur, dispose de certains instruments :

–          Le tachymètre qui indique le régime du moteur (en %)

–          Un indicateur de température des gaz dans la tuyère

–          Des voyants permettant de signaler une anomalie de fonctionnement du circuit de lubrification.

Les turboréacteurs peuvent fournir des poussées de 500 daN à 3000 daN ; ils peuvent faire voler des aéronefs de plusieurs centaines de tonnes à 800km/h et plus.

Ex du Concorde : 130 tonnes, +100 passagers, à Mach 2,5

Les principaux défauts ont été en partie corrigés : consommation excessive, usure rapide des pièces tournantes, bruit excessif ; utilisation des turboréacteurs très répandue, dans aviation civile et militaire, même pour des vols régionaux.



diaporama sur l’hélice

12 12 2008

(diaporama réalisé par Eric Savattero):

ce diaporama est un peu compliqué mais rien n’empêche d’aller y jeter un oeil!

helice



Cours n°10: la pression atmosphérique

2 12 2008

(en préambule des cours sur les moteurs à réaction, les instruments de bord, l’aérodynamique et la météo).

La pression atmosphérique


1- Le tube de Venturi

Le tube de Venturi (du nom d’un physicien italien du 18ème siècle) est tuyau court présentant un resserrement interne. On l’utilise pour mesurer le débit des fluides. On peut le représenter par l’assemblage de 2 entonnoirs.

tube de Venturi

La quantité d’air qui passe à l’entrée du tube est identique à celle qui passe au col (passage le plus étroit) et à la sortie : le débit de l’air est constant. Seules les vitesses sont différentes : il se produit une accélération des particules d’air au rétrécissement du tube, jusqu’au passage du col. Puis, la vitesse du vent diminue et retrouve, à la sortie, sa vitesse d’origine.

Un fluide qui passe dans un tel tuyau voit sa pression baisser par le fait de franchir le resserrement, en même temps que sa vitesse s’accroît. En clair, cela signifie que si la section du tube décroit, la vitesse des filets d’air doit alors nécessairement augmenter. Quand la vitesse du fluide augmente, sa pression diminue.

En résumé :

Section du tube S1 (entrée) S2 (col) S3 (sortie)
Vitesse du vent augmente maxi diminue
pression statique diminue mini augmente
pression dynamique augmente maxi diminue
pression totale constante

2- La pression atmosphérique

La pression atmosphérique est la pression exercée par l’air qui entoure la terre. Elle varie selon le moment considéré, la température, la latitude et surtout l’altitude. Elle équivaut à environ 76 cm de Hg au niveau de la mer. 1 atmosphère = 1 bar = 760 mm Hg = 1 kgf / cm2. La pression atmosphérique est mesurée à l’aide des baromètres. Elle permet, en partie, de prévoir le temps. Une chute importante de la pression sur le baromètre de bord annonce l’arrivée d’une dépression souvent génératrice de coup de vent.

a- La pression statique

La pression statique est la pression de l’air au repos. Elle est égale à la pression atmosphérique et est indépendante de la vitesse. Elle se mesure à l’aide d’un baromètre.

b- La pression dynamique

La pression dynamique représente la pression exercée par des particules en mouvement (ex : le vent). Elle est proportionnelle à la vitesse de l’air et à sa masse spécifique.

Pd = Pt – Ps

Pd = ½ ?V²

? = densité de l’air (masse volumique)

Varie en fonction de :

–          la température de l’air

–          la pression atmosphérique

–          l’altitude

Valeur moyenne : 1.225 gr par litre d’air au niveau de la mer, pour une pression de 1.013,25 hPa et à une température de 15°C. Plus on monte, plus la pression diminue, ainsi que ?.

V : vitesse de l’écoulement de l’air

c- La pression totale

C’est l’addition de la pression dynamique et de la pression statique :

Pt = Pd + Ps = constante

½ ?.V² + Ps = constante