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Module 2• Dans ce module, vous:
- étudierez la variation des coefficients de portance et de traînée;
- découvrirez la couche limite et apprendrez ce qu’est une polaire;
- travaillerez sur la mécanique du vol et ses équations pour chaque phase de vol (montée, palier, descente, virage);
- approfondirez vos connaissances sur les phénomènes qui perturbent l’écoulement aérodynamique autour de l’avion;
Ce module a été conçu et réalisé par Bernard GUYON, Cdb 777 à Air France et instructeur à l’Aéro-club du Béarn, et Stéphane MAYJONADE, instructeur BIA et CAEA.
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Variation du coefficient de portance en fonction de l’incidence
A/ Cas d’un profil dissymétrique:
Revoir l’animation et mettre sur pause aux valeurs d’incidence pertinentes. On s’aperçoit que: - Cz et donc Fz est nul pour une une incidence négative
- à incidence nulle, Cz et donc Fz sont positifs
- Cz et donc Fz augmentent jusqu’à une valeur maxi à laquelle correspond une incidence appelée incidence maximale (i max).
- Si l’incidence augmente au-delà de i max, Cz et donc Fz diminuent brusquement. L’avion « décroche ».
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En utilisation normale, le pilote ne devra donc pas approcher ces grandes incidences pour des raisons de
sécurité.
Selon le type d’avion, le décrochage se manifeste par un piqué naturel facilement observable par le pilote et qui permet à l’appareil de revenir au faibles angles d'incidence ou par une mise en descente sans changement d’assiette, moins facilement détectable et de ce fait plus dangereuse.
B/ Cas d’un profil symétrique:
Courbe de même type que précédemment, mais qui passe cette fois-ci par l’origine; à incidence nulle, la portance est nulle.
C’est pour cette raison que ce type de profil est utilisé pour les parties de l’avion n’étant pas censées contribuer à la portance, comme l’empennage horizontal par exemple.
À forte incidence, l’aile finira également par décrocher.
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LA COUCHE LIMITEPourquoi ce décrochage de l'aile ?
Pour comprendre, il faut étudier le comportement des filets d'air autour du profil :
Ecoulement de l'air aux faibles incidences :
Il est laminaire
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Écoulement de l'air aux fortes incidences : il devient turbulent puis tourbillonnaire:
LA COUCHE LIMITE
Incidence forte 1
Début de décollement des filets d'air sur l'extrados
Incidence forte 2 > Incidence forte 1
La surface de filets d'air décollés augmente
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LA COUCHE LIMITE
Pour mieux étudier le phénomène, l'aérodynamicien étudie la "couche limite".
Lorsque l'on se rapproche de la "peau" de l'avion, la vitesse des filets d'air diminue pour s'annuler au contact de celle-ci.
Couche limite due à la viscosité de l'air
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LA COUCHE LIMITE
Lorsque l'incidence augmente les phénomènes ci-contre se produisent
La diminution puis la perte de la portance est due au décollement de la couche limite après qu'elle soit
devenue turbulente.
Observez la vidéo suivante qui vous montrera le
phénomène filmé depuis l’avion.
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Variation du coefficient de traînée en fonction de l’incidence
Traînée
Cx
i0
On constate que:
• à incidence nulle, Cx et donc Fx est positif;
• Cx et donc Fx est minimal à une incidence proche de 0;
• Cx et donc Fx augmentent proportionnellement à l’augmentation d’incidence.
Bien noter que la traînée est toujours positive.
En associant les deux courbes Cx = f(i) et Cz = f(i), on peut obtenir une seule courbe qui regroupera l’ensemble des caractéristiques aérodynamiques de l’aile ou de l’avion. Cette courbe s’appelle la polaire. Elle vous est présentée sur la page suivante.
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LA POLAIRE
+
Si pour chaque incidence, on porte :- en abscisse la valeur de la traînée et - en ordonnée la valeur de la portance, on obtient la "POLAIRE" de l'aile (ou de l'avion si l'on a étudié l'avion en entier).
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LA POLAIRE
Cette courbe élaborée par le constructeur lui permet de retrouver les caractéristiques de l'appareil et de déterminer les incidences donc les vitesses d'utilisation.
Permet de déterminer la finesse maximum de l'avion vitesse à adopter si panne
Ainsi :
Incidence de traînée minimum (vol rapide)
Incidence de portance maximum (atterrissage)
Incidence de décrochage
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Si l'on considère l'avion dans son ensemble (aile + fuselage), on retrouve également - une portance perpendiculaire au sens des filets d'air
- une traînée parallèle au sens des filets d'air
PORTANCE / TRAINEE AVION
Pour que l'avion puisse rester en vol, il faut :
- que son poids soit compensé par la portance
- que sa traînée soit compensée par la traction de l'hélice
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MÉCANIQUE DU VOL
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VOL EN PALIER
Portance
Poids
Traction hélice
Traînée avion
Il faut :
Fz = P
Fx = Tu
Equations du vol en palier
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Conséquence du braquage d'une commande de vol
i1
i2
Aucun braquage :- incidence initiale i1
- portance initiale Fz1
Fz1
Fz2
Braquage gouverne :- nouvelle incidence i2 > i1
- nouvelle portance Fz2 > Fz1
L'ensemble gouverne et son support sont attirés vers le haut
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Action sur le manche vers la droite
Conséquence, l'avion s'incline
Exemple inclinaison du manche vers la droite :
L'aileron gauche s'abaisse, l'incidence
augmente, la résultante aérodynamique
augmente, donc la portance augmente
L'aileron droit se lève, l'incidence diminue, la
résultante aérodynamique diminue,
donc la portance diminue
L'aile droite s'abaisseL'aile droite s'abaisse
L'aile gauche se lèveL'aile gauche se lève
Cas du manche
incliné vers la droite
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Fz
Action sur le manche vers la droite
Laportance s'incline
Suite à l'inclinaison de l'avion vers la droite . . . .
FcCréation d'une force Fc dirigée vers l'aile inclinée
La trajectoire de l'avion est déviée vers la droite
En avion :
Inclinaison = virage
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Effets secondaires des commandes de vol
Nous venons de voir l'effet primaire des commandes de vol, cependant dans certains cas, des effets secondaires apparaissent.Dans tous les cas l'effet secondaire agit sur un autre axe que celui de l'effet primaire.
Nous allons voir :
- le lacet inverse qui apparaît lors du braquage des ailerons
- le roulis induit qui naît lors du braquage de la direction
Lors des évolutions en vol, tous ces effets se conjuguent, et le pilote adaptera son pilotage en fonction de ce qu'il détecte visuellement. (ex : cas du virage)
Il n'est pas question en vol de réfléchir à tous ces effets dus aux braquage des gouvernes, mais il faut comprendre pourquoi l'avion réagit ainsi.
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LE LACET INVERSE
Lors d'une mise en virage vers la droite (manche incliné vers la droite) :
L'aileron gauche s'abaisse, l'incidence
augmente, la portance augmente,
l'aile se lève
L'aileron droit se lève, l'incidence aile
diminue, la portance diminue,
l'aile s'abaisse
Portance et traînée variant dans le même sens, en conséquences :
La traînée de l'aile gauche augmente
La traînée de l'aile droite diminue
Cas du manche
incliné vers la droite
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LE LACET INVERSELors d'une mise en virage vers la droite (manche incliné vers la droite) :
Au lieu de virer normalement vers la droite, le lacet inverse tend à faire ressortir l'avion du virage (le lacet inverse est toutefois inférieur au lacet créé par la mise en virage) ; le vol n'est plus symétrique.
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Remède :Braquage de la direction pour
rétablir la symétrie du vol
Mise en virage
Symétrie du vol :
LE LACET INVERSE
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Lorsque l'inclinaison voulue est atteinte, le pilote ramène les ailerons dans le plan des ailes; les ailerons ne sont plus braquésDurant le virage
Cependant durant le virage; la vitesse de l'aile extérieure est
supérieure à celle de l'aile intérieure d'ou des traînées
différentes.L'avion tend à nouveau à sortir du
virage (vol non symétrique)
Remède :Maintenir le
braquage de la direction
LE LACET INVERSE
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LE ROULIS INDUIT
Lors d'un braquage de la direction :(ex : appui sur palonnier droit entraînant un braquage direction à droite)Par réaction autour de l'axe de lacet, le nez de l'avion se déplace vers la droite, provoquant une accélération de l'aile gauche . . . .
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LE ROULIS INDUITCeci entraîne une différence de portance des ailes :
- la portance de l'aile gauche augmente- la portance de l'aile droite diminue Le résultat est une mise en
inclinaison de l'avion vers la droite, par roulis induit du fait du braquage
de la direction
Les 2 effets que nous venons de voir apparaissent lors des virages (surtout avec des appareils à grand allongement type planeurs)
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Conséquence du braquage des volets
- Augmentation de l'incidence aile
- Augmentation de la surface de l'aile
Ceci entraîne :- augmentation de la portance- augmentation de la traînée- augmentation de l'incidence de décrochage
soit en résumé une diminution des vitesses de décollage et d’atterrissage.
Volets sortis
Volets rentrés
Avant :- décollage : sortie des volets en position décollage (position moyenne afin de ne pas trop augmenter la traînée)
- atterrissage : sortie des volets en position atterrissage (position maximum afin de privilégier la portance)
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Braquage des volets
Commande électrique ou manuelle sur les avions de faible tonnage, hydraulique pour les gros porteurs.
Un indicateur permet de vérifier la quantité de volets braqués
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LE COMPENSATEUR OU TRIM
But : diminuer les efforts du pilote sur certaines commandes de vol lors des phases de vol stabilisées
On dit souvent que l'on "trimme" l'avion
Il existe des compensateurs sur les 3 axes, cependant sur les avions légers ne sont présents que ceux sur la profondeur et parfois sur la direction
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Compensateur ou "trim"
de profondeur
LES COMPENSATEURSCompensateur d'aileron (fixe en général sur avions légers et réglé pour la croisière)
Compensateur ou "trim" de direction
Quelques compensateurs existants
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LE COMPENSATEUR
Principe :
Par braquage d’une partie de la gouverne dans le sens contraire de celle-ci, se crée une force qui participe à maintenir cette gouverne dans le sens souhaité
Braquage gouverne :Force dirigée vers le haut
Braquage compensateur :Force dirigée vers le bas qui annule l’effort nécessaire au braquage initial de la gouverne
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LE COMPENSATEUR
Réalisation pratique
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LE COMPENSATEUR
Compensateur automatique :
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LE COMPENSATEUR
Compensateur dit "anti-tab"
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LE COMPENSATEUR DE PROFONDEUR
Type de compensateur actionné par le pilote
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LE COMPENSATEUR
Type de compensateur fixe (réglé pour la croisière)
Compensateur d’aileron
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LE COMPENSATEUR
Type de compensateur fixe (réglé pour la croisière)
Compensateur de direction fixe
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Influence de l'allongement : traînée induite
La surpression de l'intrados tend à venir combler la dépression de l'extrados en contournant l'extrémité de la voilure.
Comme l'avion se déplace, à chaque extrémité d'aile se crée un tourbillon marginal ou "vortex"
Ce vortex est directement proportionnel à la portance et inversement proportionnel à l'allongement de l'aile
La traînée induite est cette traînée supplémentaire qui s'oppose au déplacement
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Influence de l'allongement : traînée induite
Ces tourbillons marginaux représentent un danger pour
l'appareil pouvant les rencontrer ne pas suivre de trop près les
avions générant d'importants vortex (avions lourds à faible
allongement). Voir une vidéo au format
Quicktime sur le sujet
Pour diminuer cette traînée supplémentaire, on ajoute sur les avions modernes et rapides des cloisons en extrémité de voilure appelées "winglets".
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QUITTER
FIN DU MODULE