Pour mieux comprendre tout le vocabulaire technique qui va être utilisé dans la partie qui suit, nous allons à l’aide d’un schéma d’un avion de ligne afin de définir les principaux termes spécifiques à connaître.
Voici un schéma simplifié de la composition d’une aile :
Source image: http://www.mesexercices.com/
Image traitée par les membres du groupe
Voici un schéma représentant la structure de l’aile
Quelques mots de vocabulaire extraits des fichiers pédagogiques de l’ENS Cachan:
Bord d’attaque : point le plus en avant du profil.
Bord de fuite : point le plus en arrière du profil. Extrados : partie supérieure du profil compris entre le bord d’attaque et le bord de fuite.
Intrados : partie inférieure du profil compris entre le bord d’attaque et le bord de fuite.
Corde : segment de droite joignant le bord d’attaque au bord de fuite, s’appelle aussi la profondeur du profil.
Ligne moyenne : ligne formée par tous les points équidistants de l’extrados et de l’intrados (s’appelle aussi l’ossature ou squelette).
Epaisseur : distance maximale entre l’extrados et l’intrados mesurée perpendiculairement à la corde.
Composition de l'aile
L’aile est principalement composée de un ou deux longerons suivant les modèles qui sont entrecoupés par des nervures. Les longerons peuvent être assimilés à la colonne vertébrale et les nervures aux côtés si on se réfère au squelette humain. Les espaces libres entre les nervures sont souvent utilisés comme réservoirs de carburant par les constructeurs afin de limiter l’effort de flexion à l’emplanture de l’aile. L’extrémité de l’aile (également appelée saumon) est soit coupée nettement, soit elle se termine par une forme courbée vers le haut appelée Winglet chez Boeing et Sharklet chez Airbus.)
Modélisation des longerons et des nervures d’une aile
Source: http://www.modelisme.com/forum/aero-construction/166416-il2-sturmovik-en-depron-et-bois-2.html
Matériaux utilisés pour le revêtement de l'aile
Schéma représentant les matériaux utilisés pour le revêtement de la structure d’un avion
Source image : http://www.1001crash.com
Comme on peut le voir sur l’image ci-dessus, les ailes d’un avion sont majoritairement couvertes de matériaux composites comme la fibre de verre ou de carbone.
Profils d'aile
L’aile est désignée par son profil qui représente le contour de la voilure, vu de côté, sur une section donnée. Ce profil est spécifique à l’utilisation de l’avion (de ligne, de chasse ou de transport) et est obtenu si nous coupons l’aile et analysons la découpe ainsi obtenue.
Les profils sont classés par familles. Il en existe au total 6 différentes :
Caractéristiques des différents profils:
Profil plan convexe: La ligne moyenne est à simple courbure.
Profil biconvexe symétrique: La ligne moyenne est rectiligne, soit confondue avec la corde.
Profil creux: La ligne moyenne est à simple courbure (intrados concave, extrados convexe)
Profil à double courbure: La ligne moyenne est à double courbure
Profil supercritique: L’extrados est relativement plat, l’intrados est convexe. Ce profil est prévu pour des vols à vitesse élevée.
Propriétés physiques de l'aile d'un avion
L'aile est un élément indispensable au vol de l’avion. Pour comprendre son rôle, nous allons nous intéresser aux 4 forces qui s’exercent sur l’avion et qui lui permettent de voler: la traînée, la portance, le poids et la traction.
Tout d’abord, nous allons nous servir d’un schéma de ces forces appliquées sur un avion de ligne afin de les visualiser:
Source Image: http://www.airbus.com/presscentre/pressreleases/press-release-detail/detail/translate-to-francais-ana-group-selects-the-a380/
Image traitée par les membres du groupe
Nous allons aborder la portance et la traînée, les deux forces liées à l’aérodynamisme d’un corps. La somme de leurs deux vecteurs donne la résultante aérodynamique. Mais tout d’abord intéressons-nous à l’air, fluide dans lequel se déplace l’avion et qui est caractérisé par 3 paramètres :
-
La masse volumique (en kg/m³)
-
La pression P (en Pa)
-
La température T (en K)
L'écoulement de l’air: c'est déplacement de l’air par rapport à un objet, ici, l’avion étant l’objet.
Il existe trois grandes formes d’écoulement:
L’écoulement laminaire:
Les filets d’air se déplacent en suivant des trajectoires rectilignes qui sont parallèles entre elles
Schéma représentant l’écoulement laminaire:
Source image: lavionnaire.fr
L’écoulement turbulent:
Les filets d’air se déplacent suivant des trajectoires quasiment parallèles entre elles mais qui cette fois-ci ne sont plus rectilignes. Ils se déplacent dans la même direction avec une même vitesse.
Schéma représentant l’écoulement turbulent:
Source image: lavionnaire.fr
L’écoulement tourbillonnaire:
Il s’agit d’un ensemble très désordonné se déplaçant globalement dans la même direction, cependant certaines particules remontent le courant et créent ainsi un tourbillon.
Schéma représentant l’écoulement tourbillonaire:
Source : lavionnaire.fr
Résistance à l’air:
La résistance à l’air est une force qui s’oppose au déplacement d’une plaque plane se déplaçant dans l’air dans le sens vertical et contraire de son écoulement.
Différence entre pression et dépression:
Afin que la résistance à l’air soit la plus réduite possible, il faut que l’écoulement soit le plus laminaire possible. Prenons comme exemple plusieurs surfaces de formes différentes afin d’étudier leur résistance à l’air:
Une surface plane: L’écoulement est laminaire à l’approche de l’objet, lorsqu’il arrive dessus, il devient turbulent et derrière l’objet il est tourbillonnaire. Il y a donc une dépression derrière la plaque qui va l’aspirer. C’est cette dépression qui est appelée résistance à l’air.
Schéma représentant l’écoulement à l’approche d’un objet, réalisé par les membres du groupe
Une sphère: On a un écoulement qui se produit plus facilement à la surface de l’objet, mais une légère dépression subsiste tout de même à l’arrière de la sphère.
Schéma représentant l’écoulement à l’approche d’une sphère, réalisé par les membres du groupe
Une forme biseautée:
On a une résistance à l’air encore plus faible que celle de la sphère.
Schéma représentant l’écoulement à l’approche d’un objet biseauté, réalisé par les membres du groupe
La formule permettant de calculer la résistance à l’air est:
R=K.ρ.V².S
Avec:
R : résistance de l'air (en Newton)
K: coefficient qui dépend de la forme du corps et de son état (entretien)
ρ : masse volumique de l'air (en Kg.m-3)
V : vitesse (en m.s-1)
S : aire (en m²)
Voici les forces aérodynamiques qui s’appliquent sur un corps en mouvement. La somme de leurs vecteurs donne la résultante aérodynamique.
Rappel de la définition de l’aérodynamique: L’aérodynamique est le déplacement d’un objet, dans un fluide. Ici l’objet étant un avion, il doit être le plus aérodynamique possible pour pouvoir atteindre des vitesses élevées, supporter des forces suffisantes pour se maintenir en vol et pour être manoeuvrable.
PORTANCE
La portance est créée par le déplacement dans l’air d’une aile. Il s’agit de la force qui permet à l’avion de décoller. Il y a plusieurs définitions de la portance, nous allons nous intéresser ici à celle basée sur les lois de Newton. D’après la première loi de Newton, un corps au repos reste au repos, et un corps en mouvement suit un mouvement rectiligne en moins qu’il soit soumis à une force extérieure. La troisième loi de Newton énonce que pour chaque déplacement il se crée une réaction opposée de même force. Prenons un exemple, on pose un stylo sur une table, il exerce une force sur cette même table (son poids) et la table applique une force égale et opposée sur le stylo. De même, pour générer la portance l’aile doit faire quelque chose à l’air. La portance est l’action de ce que fait l’air sur l’aile.
La portance se calcule grâce à la formule suivante:
Fz = 1/2.rhô.S.V².Cz
Avec:
Fz: Force de la portance (en N)
rhô : Masse volumique de l’air qui varie en fonction de la température et de la pression (en kg/m³)
S: Surface alaire de l’avion (en m²)
V: Vitesse de déplacement de l’avion par rapport à l’air (en m/s)
Cz: Coefficient de portance
Voici les forces mécaniques qui s’appliquent sur un corps en mouvement. La somme de leurs deux vecteurs donne la résultante mécanique.
TRACTION
La traction est la force générée par les moteurs des avions. Elle permet au corps de prendre de la vitesse et de se mettre en mouvement.
POIDS
Le poids, également appelé force de la pesanteur est la force exercée par la Terre sur un corps ayant une masse en raison du voisinage de la Terre. Le poids s’applique au centre de gravité d’un corps et sa direction est verticale au sol. Cette force est toujours proportionnelle à la masse.
TRAINEE
La traînée est une force liée à la portance. Elle résulte de la mise en mouvement de l’aile et de la création de la portance. Sur le schéma ci-dessus, c’est la force qui s’oppose à la traction.
La traînée a une formule quasiment équivalente à celle de la portance:
Fx = 1/2..S.V².Cx
La seule donnée qui change est Cx qui représente ici le coefficient de traînée