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