Notions approfondies autour de la mécanique du vol

Les notions vues ci-après sont limitées au domaine subsonique (vitesse de l'avion très inférieure à la vitesse du son).

Notions d'aérodynamique

Loi de Bernoulli

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Daniel Bernoulli

C'est Daniel Bernoulli (mathématicien physicien suisse né en 1700) qui constate le premier, que lorsque la vitesse d'un fluide augmente, la pression diminue. Pour vérifier ce phénomène, il suffit de souffler entre deux feuilles de papier séparées de quelques centimètres et d'observer qu'elles se rapprochent.

Si l'énergie cinétique pour un solide est égale au demi produit de la masse par le carré de la vitesse de déplacement (E = ½.m.V²), pour un fluide cette énergie cinétique par unité de volume (ou pression dynamique) est égale au demi produit de la masse volumique du fluide par le carré de la vitesse d'écoulement (q = ½.ρ.V²). La pression totale pour un fluide en mouvement, est la somme de la pression statique et de la pression dynamique (Pt = Ps + q).

Dans un écoulement d'air supposé incompressible1, la pression totale (Pt = Ps + ½.ρ.V²) reste constante le long d'une ligne de courant. La pression statique Ps diminue lorsque la vitesse d'écoulement augmente.

Détail sur la résultante aérodynamique

Dans le cas d'un écoulement bidimensionnel autour d'un profil d'aile, c'est à dire un écoulement dont les lignes de courant restent parallèles au plan de la section du profil, les lignes de courant se séparent à l'avant du bord d'attaque.

Certaines sont déviées vers le haut et contournent le profil en suivant la surface de l'extrados et d'autres le contournent par le bas en suivant l'intrados. Elles se rejoignent à l'arrière du bord de fuite, où elles sont déviées vers le bas.

Il faut s'éloigner de la surface de l'aile pour retrouver une zone non perturbée où la grandeur et la direction du vent relatif sont celles qu'il avait avant le passage de l'aile. La forme du profil de l'aile est étudiée pour que les filets d'air déviés vers le haut parcourent, dans le même temps, une distance plus grande que ceux qui sont déviés vers le bas. Les premiers doivent donc avoir une vitesse supérieure à la vitesse des seconds.

La pression moyenne sur l'extrados est donc plus faible que la pression moyenne sur l'intrados (loi de Bernoulli). Ainsi, l'extrados est soumis à une dépression et l'intrados à une légère surpression, due à la pression dynamique. Pour un profil classique et un angle d'incidence moyen, la résultante aérodynamique des dépressions sur l'extrados représente 2/3 à 3/4 de la résultante aérodynamique totale.

La résultante de ces forces, appelée résultante aérodynamique peut être décomposée en une force parallèle au vent relatif (ou à la trajectoire), la traînée ou résistance de l'air, et une force perpendiculaire au vent relatif, la portance. Le point d'application de ces forces s'appelle le centre de poussée du profil. Il est déterminé par l'intersection de la résultante aéro-dynamique et de la corde du profil.

Notions d'écoulement laminaire et turbulent

Pour de faibles angles d'attaque, l'écoulement épouse parfaitement la forme du profil. Les lignes de courant se séparent avant le bord d'attaque et se rejoignent après le bord de fuite. L'écoulement est dit laminaire, c'est-à-dire que les lignes de courant ne se mélangent pas au cours du mouvement.

Lorsque l'angle d'attaque augmente, les filets d'air se décollent progressivement de l'extrados et le point de décollement avance du bord de fuite vers le bord d'attaque. La portance augmente jusqu'à sa valeur maximum. L'écoulement est dit turbulent, les lignes de courant se mélangent, ce qui se traduit par une augmentation de la traînée. L'angle d'attaque auquel commence le décollement des filets d'air est appelé angle critique.

Cas particulier du décrochage

Si l'angle d'attaque augmente encore, les filets d'air se détachent de la plus grande partie de l'extrados. L'écoulement est dit tourbillonnaire.

La portance diminue brusquement et la sustentation devient insuffisante, l'aile décroche. Ce phénomène se produit quelle que soit la vitesse. Le décrochage n'est pas une perte de vitesse, mais une perte de portance provoquée par un angle d'attaque trop grand. On parle cependant de vitesse de décrochage ou vitesse minimum de sustentation, car un avion à faible vitesse est nécessairement aux grands angles d'attaque. Il faut donc toujours conserver une vitesse supérieure à la vitesse minimum de sustentation pour éviter le décrochage.

On peut admettre, pour l'étude de l'aérodynamique des avions subsoniques, que la loi de Bernoulli est valable pour des vitesses inférieures à 500 Km/h

Connaissances moteur

Le groupe motopropulseur pris en compte est uniquement basé sur un moteur à explosion entraînant une hélice.

Commandes moteur 

Les commandes moteur comportent :

  • la manette des gaz qui agit sur la puissance,
  • la commande de richesse du mélange (correcteur altimétrique pour compenser l'appauvrissement de l'air en altitude),
  • la commande de réchauffage du carburateur
  • et la commande du pas de l'hélice, pour les avions munis d'une hélice à pas variable. Dans un avion multi-moteurs, chaque moteur dispose de son jeu de commandes (ci-dessous, exemple de commandes pour un avion tri-moteur).
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Particularités d'un moteur d'avion

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Le moteur d'un avion léger est généralement un moteur à pistons à quatre temps, de 4 ou 6 cylindres à plat, à refroidissement à air. Il est monté sur un bâti-moteur fixé à la cellule et est isolé de l'habitacle par une cloison pare-feu métallique destinée à le protéger des risques d'incendie.

La différence essentielle avec les moteurs de voitures se situe au niveau de l'allumage. Un moteur d'avion est équipé de deux circuits d'allumage indépendants et chaque cylindre comporte deux bougies reliées chacune à une magnéto. Le moteur d'avion tourne généralement à un régime maximum de l'ordre de 2500 t/m et ne dispose pas de volant d'inertie (l'hélice en tient lieu).

L'hélice, est destinée à transformer le couple de l'arbre moteur en une force de traction.

En partenariat avec Musée de l'air et de l'espacemusée de l'air et de l'espace

le musée de l'air et de l'espace est un musée d'Etat, dépendant du Ministère de la Défense, placé sous la tutelle de la DMPA, direction de la mémoire, du patrimoine et des archives.

Publié le - Mis à jour le 12-03-2015

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