Cours n°6 (2ème partie) Les types de fuselage

28 10 2008

Les structures donnent ses formes à l’avion. Elles doivent être légères et capables d’absorber les contraintes. Il existe trois solutions classiques

Les structures type « treillis »: C’est la première et la plus ancienne des structures, qui consiste à fabriquer un squelette à l’aide de poutres. Il s’agit d’un assemblage de « longerons » reliés entre eux par des « traverses » pour donner la forme souhaitée. S’ils sont en bois ils seront collés, s’ils sont métalliques ils seront soudés. Le revêtement (toile ou tôle mince) est souple. On dit qu’il est non travaillant.treillis

Initialement, les fuselages en treillis n’étaient même pas recouverts, ce sont les progrès des études aérodynamiques qui ont amené à recouvrir le treillis de toile.

Les caissons en structure dite semi-monocoque: les « cadres » sont assemblés entre eux par des « longerons » et des « lisses » (ou raidisseurs) pour donner la forme souhaitée. Les lissent raidissent le revêtement. Les cadres absorbent les efforts de torsion, les longerons ceux de flexion. Le revêtement, préalablement mis en forme, est vissé ou riveté sur cet effort et participe à la transmission des efforts. Il est dit travaillant.caisson semi-monocoque

Les caissons en structure dite monocoque: il n’y a plus de longerons ni de lisses. Le revêtement est directement vissé ou riveté sur les cadres et participe à la transmission et à l’absorption des efforts. Le revêtement participe très fortement à la rigidité de l’ensemble. Il est travaillant.

monocoque

Il est également fréquent que le fuselage d’un avion soit construit de plusieurs tronçons de structures différentes. Cela permet d’optimiser le poids de l’appareil en choisissant la structure en fonction des contraintes appliquées sur telle ou telle partie du fuselage. (cf Airbus A300-600ST Belouga)fuselage beluga Airbus A300-600 ST Belouga



Cours n°6: Efforts, contraintes et matériaux utilisés

24 10 2008

Contraintes et matériaux utilisés

Les contraintes sur la cellule

Forces s’exerçant sur un avion : forces s'exerçant sur un avion


la portance: 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.

La trainée: 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. Pour résumer, on dira que la force qui s’exerce sur l’aile est la résultante aérodynamique. Elle se décompose en deux forces : la Portance et la traînée

resultante aéronautique

le poids:

C’est une force qui agit sur la masse totale de l’avion. Elle s’applique en un point: le centre de gravité. Elle est dirigée vers le centre de la Terre et s’exprime en Newton.

C’est contre cette force que l’aéronef doit lutter pour s’élever dans les airs. Pour que l’altitude soit constante, il faut que la valeur de la portance soit égale à celle du poids. Le poids joue aussi un rôle dans le choix des matériaux et dans la structure de l’avion car la voilure et le fuselage subissent des efforts importants.

Traction

Elle provient des moteurs par l’intermédiaire de l’hélice. Si l’avion a des réacteurs, c’est la poussée de ceux ci qui équilibre la traînée. Une hélice imprime à une masse d’air une accélération vers l’arrière et elle reçoit à son tour une force dirigée vers l’avant: c’est la traction et l’avion est propulsé vers l’avant. Lors du décollage, l’aile rencontre l’air chassé par l’hélice, et il commence à y avoir une portance.



Une contrainte résulte d’une force s’appliquant sur une surface. Les principales contraintes sont :

La traction

La compression

La torsion

La flexion

La compression

Le cisaillement

Résistance des matériaux :

Chaque matériau a un comportement spécifique vis-à-vis des contraintes. On choisira donc pour la construction, le matériel le plus approprié :

Bois, toile et dérivés

Blériot XI Blériot XI

Bois : principalement utilisés dans les débuts de l’aviation. Encore utilisé dans l’aviation légère. Ils doivent être sans défaut et bien secs et avoir l’agrément GSAC. Les essences sont choisies en fonction de leurs caractéristiques :

Les pièces maîtresses : en spruce et épicéa

Pièces secondaires : sapin et pin d’orégon

Patins, fixation de train : frêne et hêtre

Pour le contreplaqué : okoumé et bouleau

Toiles : lin et coton dans les débuts, dacron aujourd’hui.

Par dérivés on entend les contreplaqués. Ce sont des assemblages de feuilles de bois (appelés « plis »), en nombre impair et dont les axes de fibres se croisent à 45° ou 90°.

Métaux

lockheed SR-71 Lockheed SR-71 Blackbird, avion militaire, mais non armé. C’était un avion de reconnaissance. Le 27 juillet 1976, un établi un record simultané d’altitude et de vitesse en atteignant 3528 km/h à 25929 mètres (jamais égalé). Il en existait 32 exemplaires, de 1968 à 1990. Revêtement en titane.

Zicral

Duralinox

Aciers

Alliages de magnésium

Alliages de titane

Monel

Duralumin

Alpax

Résines (epoxide)

Produits liquides constitués d’une base et d’un durcisseur, qui permettent un durcissement irréversible sous certaines conditions de température.

Tissus de fibre

Tissus réalisés à partir de fibre de verre, carbone ou bore.

Le nid d’abeille (Structure cellulaire similaire en apparence au nid d’abeille naturel).

Matériaux composites

On désigne sous ce nom des matériaux constitués par l’assemblage de matériaux de base (résines et tissus de fibre). On obtient ainsi des propriétés mécaniques et physiques performantes :

Matériaux agglomérés (tissus de fibre imprégnés de résine). On les utilise en particulier pour les revêtements de voilure, les revêtements de pâles d’hélicoptère, le renforcement des bords d’attaque, les trappes de visite.

Matériaux sandwich (nid d’abeille entre 2 feuilles fibre/résine ou métal). Matériaux légers et de grande résistance, pour les éléments aérodynamiques, tels que gouverne, pâles d’hélico, spoilers.

Limite élastique – rupture

Les matériaux comme le métal ou le bois se déforment suivant l’intensité de l’effort subi :

· le matériau de déforme puis reprend sa forme initiale à la fin de l’effort, la déformation est élastique

· le matériau se déforme mais ne reprend pas sa forme initiale, la déformation est permanente

· le matériau se déforme puis se casse, c’est la rupture

En aéronautique, seule la déformation élastique est tolérée. On trouve les vitesses limites en fonction de la configuration de l’avion et les facteurs de charge limites dans le manuel de vol, dans la section « Limitations ».

Vieillissement – fatigue des matériaux

Un matériau soumis à des contraintes répétées casse, même si ces contraintes sont en dessous de la contrainte amenant à la rupture : les matériaux ont une durée de vie limitée. C’est pourquoi les constituants des avions doivent être vérifiés lors de la visite d’entretien périodique.



cours n°5 du 21 octobre 2008: gouvernes et commandes (fin)

23 10 2008

Les effets secondaires des commandes et des gouvernes

Il existe des gouvernes dont le système de commande permet une utilisation multiple : par ex, on trouve des élevons qui font office d’élévateur et d’ailerons ; ou des flaprons qui servent de volet de courbure et d’ailerons.

Ns avons décrit l’effet principal des différentes commandes (effet primaire), mais leur action entraine des mouvements parasites de l’avion : des effets secondaires :

– La commande de profondeur est sans effet secondaire ;

– La commande de roulis entraine un lacet inverse puis une chute du nez de l’appareil dans l’intérieur du virage ;

– La commande de lacet entraîne un roulis induit dans le même sens ;

Le lacet inverse

Le « gauchissement » entraîne un effet secondaire sur la trajectoire : en effet, lorsqu’on incline l’avion, l’aile voyant sa portance augmenter, voit également sa traînée augmenter. Il se produit alors une rotation autour de l’axe de lacet. Le nez part du côté de l’aile haute . Une inclinaison sur la droite engendre donc du lacet à gauche. On parle de lacet inverse.lacet inverse

Pour le corriger, il faut agir sur le palonnier afin d’annuler la dissymétrie du vol.

Le roulis induit

L’action sur les palonniers provoque une rotation autour de l’axe de lacet. Lors de la rotation, l’aile extérieure parcourt une distance supérieure à l’aile intérieure pendant le même temps. L’aile extérieure au virage a une portance plus grande que l’aile intérieure, créant un mouvement de roulis. L’avion, sans intervention sur le volant, s’incline du côté de l’action sur le palonnier. Pour le corriger, il faut contrer l’augmentation d’inclinaison avec les ailerons.

L’effet de girouette

effet de girouette

Dans un roulage ou un décollage par vent traversier, les surfaces latérales sont frappées et l’avion tend à s’orienter dans le lit du vent (face au vent) ce qui nécessite une correction du pilote, en mettant du manche dans le vent et du palonnier à l’inverse du côté du vent.

Le contrôle de la vitesse

Il est nécessaire au pilote de savoir contrôler sa vitesse, notamment lors des descentes rapides. Il dispose de 2 possibilités :

– le moteur : la commande de gaz permet de réguler la puissance fournie par le moteur et ainsi de ne pas dépasser les limites autorisées.

– les freins aérodynamiques (ou dispositifs hyposustentateurs) ils détruisent la qualité aérodynamique du profil: les aérofreins ; des plaques perpendiculaires à l’avion, que l’on déploie pour augmenter la traînée et réduire la vitesse ; et les spoilers qui diminuent la portance, obligeant le pilote à augmenter l’incidence pour maintenir sa trajectoire et ainsi augmenter également la traînée.

aerofreins sur Mirage IV

Les aérofreins sont sortis sur l’extrados de la voilure, sur ce Mirage IV

Les compensateurs

Une gouverne peut devoir conserver une position particulière. Cela réclamera de la part du pilote un effort physique non négligeable s’il n’existe pas de dispositif « compensateur ».compensateur

Un compensateur (ou « trim » en anglais) est un système aérodynamique ou mécanique qui permet de maintenir une gouverne (surface de contrôle) d’un avion dans une position permettant l’équilibre de l’avion.

Lorsque le compensateur est correctement réglé, l’avion conserve son attitude dans l’air: les efforts au manche sont annulés, le pilote peut lâcher les commandes.

Compensation sur les trois axes

  • en tangage. Le compensateur le plus courant (quasiment indispensable) est le compensateur de profondeur, qui contrôle l’appareil sur l’axe de tangage (tendance à piquer ou à cabrer).
  • en roulis. Un compensateur d’ailerons sert à contrer l’inclinaison sur l’axe de roulis
  • en lacet. Un compensateur de direction sert à contrer l’effet d’un vent traversier au décollage ou le couple en lacet dû au souffle hélicoïdal de l’hélice. En l’absence de compensateur de direction, un couple en lacet présent en vol va amener du roulis induit qui pourra être corrigé par le compensateur de roulis.

Types de compensateurs

Le compensateur (ou trim) peut être :

  • aérodynamique : c’est une surface mobile généralement articulée au bord de fuite de la gouverne,
  • mécanique : c’est un sandow ou un ressort disposé dans la chaîne de commande.

Commande du compensateur

  • Commande mécanique sous la forme de levier, molette ou de volant agissant sur le compensateur.
  • Commande électrique (interrupteur, curseur) agissant sur un servo-moteur qui lui même agit sur le compensateur.


Cours n°4 du 16 octobre 2008: trains d’atterrissage et commandes de vol

16 10 2008

Le train d’atterrissage peut être constitué de:

– roues

– patins

– skis

– flotteurs

Il peut être:

– classique (train principal + roulette de queue)

– tricycle (train principal + roulette de nez).

-monotrace (sur avions légers et planeurs); des balancines assurent parfois la stabilité au sol.

En fonction de la charge à supporter on utlisera:

– une roue simple

– un diabolo (2 roues)

– un boggie (4 ou 6 roues)

l’empattement: distance entre le train principal et le train secondaire

le voie: distance entre les deux jambes du train principal.

l’angle de garde: composé par la verticale du centre de gravité et l’axe du train principal. Il définit la stabilité au sol. Plus il est grand, moins il y a de risque de « mise en pylône ».

Différents types d’amortisseurs permettent d’absorber les chocs et les efforts dus au décollage ou à l’atterrissage :

  • d’oléopneumatiques : 2 fluides (liquide, gaz) sont utilisés; lors de l’impact, l’association compression des gaz et freinage de l’écoulement de l’huile permet d’absorber l’énergie.

  • mécanique
  • par flexion du train principal


Les freins

Les freins sont disposés sur le train principal.

Chaque roue du train principal est doté d’un système « à friction » permettant de diminuer rapidement la vitesse de rotation de la roue, tout en évacuant les calories dégagées par ce frottement important. Généralement, chaque roue du train principal dispose d’un circuit de freinage indépendant.

Un frein de parc permet l’immobilisation de l’avion.

Si la piste est humide, il faut freiner de manière progressive, afin de ne pas provoquer d’hydroplanage.

Les freins sont disposés sur le train principal, actionnés au pied ou à main.

Les commandes de vol

L’avion se meut autour de son centre de gravité selon 3 axes:

axe de tangage => gouverne de profondeur (ou elevator) => à piquer (manche vers l’avant) ou à cabrer (manche vers l’arrière)gouverne de profondeur

Lorsque le manche est poussée vers l’avant, la gouverne de profondeur s’abaisse. Le plan horizontal voit alors sa portance augmenter, celle-ci créant un moment de tangage faisant baisser le nez de l’appareil (à piquer). Inversement, tiré en arrière, le manche provoque la rotation vers le haut de la gouverne, ce qui génère un moment de tangage à cabrer. La gouverne de profondeur joue donc sur l’assiette.

axe de roulis => ailerons (braquage dissymétrique), permet d’incliner les ailes. manche à droite =>aileron droit levé et le gauche baissé => aile droite s’abaisse (car moins de portance) aile gauche s’élève (plus de portance).ailerons

ailerons parfois remplacés par des spoilers sur l’extrados.

axe de lacet => gouverne de direction, actionnée par le palonnier (aux pieds); au sol, il permet le contrôle de l’avion (roulage, décollage, atterrissage); en l’air permet d’assurer un vol symétrique (écoulement symétrique de l’air). Une poussée sur le palonnier VERS LA GAUCHE provoque une rotation du gouvernail de direction vers la GAUCHE. Il en résulte une force aérodynamique dirigée VERS LA DROITE qui crée un couple entraînant la ROTATION DU NEZ DE L’AVION VERS LA GAUCHE, autour de son axe de lacet. Une poussée sur le palonnier vers la droite entraîne, de la même manière, la rotation du nez vers la droite. gouverne de direction



cours n°3 du 9 octobre 2008: ailes et fuselage

10 10 2008

Constitution d’une aile:

  • en bois et toile
  • en alu
  • en tôle
  • stratitfié
  • en composite

Géométrie de l’aile:

  • droite
  • en flèche
  • trapézoïdale
  • delta
  • ellilptique

à voir: Site internet montrant de multiples configurations d’ailes d’avion:

http://avions.legendaires.free.fr/confaile.php

Le dièdre: angle formé par les ailes et le plan horizontal; il peut être positif, nul ou négatif

La flèche: angle formé par la perpendiculaire de l’axe longitudinal de l’avion et le bord d’attaque de l’aile; elle peut être positive, négative ou neutre. dièdre

L’envergure: distance entre les deux saumons.

La surface alaire = la surface portante de l’aile: les deux demi-ailes + la zone du fuselage entre les deux demi-ailes.

La corde de profil: ligne droite du bord d’attaque au bord de fuite de l’aile

la corde moyenne: ligne qui rejoint tous les points d’égale distance entre l’extrados et l’intrados.

L’allongement: envergure / longueur de la corde moyenne OU (envergure)² /surface alaire. Les planeurs ont des voilures à fort allongement (de 20 à 25), les avions classiques de 6 à 12 et les avions rapides à faible allongement (de 3 à 5).

On appelle flèche du profil, la distance maximale entre la corde et la corde moyenne. Le rapport entre la flèche et la corde est quand à lui nommé courbure ou cambrure relative. Cela permet de déterminer si le profil d’aile est plus ou moins creux.

Exemples de profils d’aile

Plan convexe : il permet d’obtenir une portance assez élevée même à faible incidence mais à pour inconvénient d’être légèrement instable. Il génère une traînée moyenne. Utilisé en aviation  générale.

plan convexe

Biconvexe symétrique : ne portant pas aux faibles incidences, il est utilisé pour la voltige.

biconvexe symétrique


Biconvexe dissymétrique : il donne aussi une portance assez élevée même à incidence nulle tout en étant très stable. Utilisé pour l’aviation de loisir.

biconvexe dissymétrique

Profil cambré (ou creux) : profil assez instable, permettant une portance très élevée. Lorsque l’incidence augmente il cherche à se cabrer. Ce profil crée une forte traînée due à sa cambrure.

profil cambré ou creux

Double cambrure (ou autostable) : Il permet d’avoir une grande stabilité, au dépend d’une traînée assez forte et d’une portance moyenne.

double cambrure

Les dispositifs hypersustentateurs:

Au niveau des ailes: ils diminuent les distances nécessaires au décollage et a l’atterrissage, en augmentant la portance dans les phases d’approche et de décollage (à petite vitesse donc); ils ne sont pas utilisés pour les autres phases de vol car ils augmentent la résistance de l’air sur l’avion.

Au niveau du bord de fuite, les volets:

  • les volets simplestypes de volet
  • les volets d’intrados
  • les volets à fente simple, double ou triple
  • les volets Fowler

Au niveau du bord d’attaque, les becs:becs de bord d'attaque

  • les becs fixes (1)
  • les becs mobiles (2)
  • les becs Krueger (3)

Le fuselage

Formes très différentes en fonction de son utilisation. Il s’agit d’un caisson dont la rigidité est assurée par des couples ou des raidisseurs.

Forme:

  • circulaire
  • elliptique
  • carré
  • hybride

Le fuselage d’un avion est soumis au cours du vol à de multiples et nombreux efforts:

  • efforts de flexion( verticale et horizontale)
  • efforts de torsion
  • efforts de résistance à la pressurisation
  • efforts localisés( impact à l’atterrissage)

la structure est constituée de cadres soit usinés appelés cadres forts soit de cadres pliés ou cadres tollés reliés par des lisses et des pièces de renforts notamment dans les zones ou les efforts sont importants comme par exemple l’accrochage du train atterrissage.



cours n°2 mardi 7 octobre 2008: les parties d’un avion et leurs fonctions (suite)

7 10 2008

Les ailes des avions ont des formes différentes selon la vitesse de l’avion, l’altitude, la masse, etc. Cependant, elles ont toujours le même rôle: assurer la sustentation de l’avion

position des ailes:

  • aile basse Cantilever (1)
  • aile médiane
  • aile haute haubanée (3)
  • canard

nombre d’ailes:

  • monoplan
  • biplan (2)
  • triplan triplan
  • plan repliable

Les surfaces mobiles d’un avion:surfaces mobiles d'un avion (en bleu: axe de lacets; en vert: axe de roulis; en rouge axe de tangage)

les volets: sur les bords de fuite des demi-ailes, près du fuselage; se déplacent dans le même sens; permettent d’augmenter la sustentation aux basses vitesses (décollage et atterrissage).

les ailerons: près du saumon; se braquent en sens inverse sous l’effet du manche à droite ou à gauche; permettent d’incliner l’avion à droite ou à gauche;l’aileron bas génère de la portance, la demi-aile associée se lève; pendant ce temps là, l’aileron gauche est haut et génère de la déportance, la demi-aile associée se baisse.

les becs: sur certains avions: surface mobile sur le bord d’attaque de l’aile.

G.M.P.: groupe motopropulseur: moteur + hélice.

L’avion évolue autour de 3 axes de rotation, qui passent tous par le centre de gravité de l’avion:

axe des lacets: gouverne de direction; symétrie de l’écoulement de l’air de chaque côté de l’avion. commande: le palonnier (au pied).

axe de roulis: ailerons; équilibre latéral de l’avion. Commande: le manche (à droite ou à gauche).

axe de tangage: gouverne de profondeur; assiette longitudinale de l’avion. Commande: le manche (en avant en arrière, ou « à piquer » ou « à cabrer »).

les empennages: dérive et plan fixe arrière; assurent la stabilisation. Les empennages ne sont pas tous cruciformes, il existent également des empennages en T ( la gouverne de profondeur est placée sur la partie supérieure de la dérive ) et des empennages en V ( les surfaces inclinées à 45° assurent ensemble les fonctions de profondeur et de direction ).

Le train d’atterrissage tricycle: train d’atterrissage principal + roulette de nez.

Le train d’atterrissage classique: train d’atterrissage principal + roulette de queue.



cours n°1 jeudi 2 octobre 2008: les éléments d’un avion

7 10 2008

Rappel :

notions et termes vus et à connaître:

– aéronefs: aérodynes/aérostats/aérospatiaux

– les utilisateurs de l’espace aérien: les avions légers (de loisir)/ les avions de travail aérien (remorquage, travaux agricoles, taxi, sécurité civile, etc)/ l’aviation commerciale/ l’aviation de défense.

les éléments d’un avion:

– casserole d’hélice; hélice; verrière; habitacle; fuselage;

– train tricycle=roulette de nez+train d’atterrissage; OU train classique: train d’atterrissage + roulette de queue

– empennage vertical = dérive verticale (partie fixe)+gouverne de direction;

– empennage horizontal= plan fixe+gouverne de profondeur+compensateur;

– les ailes = la voilure = 2 demi-ailes; elles assurent la sustentation (=Maintien en équilibre d’un appareil se déplaçant sans contact avec le sol. Voir « portance« .)
; bord d’attaque; bord de fuite; intrados (dessous); extrados (dessus); saumon (extrémité); aileron; volet; l’emplanture (karman);

Consitution d’une aile: longeron principal; longeron secondaire; nervure; revêtement; évidement. constitution d'une aile