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Chez Pie Aeronefs SA, nous construisons le premier avion de course électrique suisse: l'UR1. Mais que savez-vous de la dynamique du vol ?
Selon de nombreux chercheurs et scientifiques, il est actuellement impossible d'expliquer totalement comment vole un avion. Mais n'ayez pas peur, les connaissances déjà disponibles sont plus que suffisantes pour vous emmener de l'autre côté du monde.
Dans cet article, nous allons vous expliquer, de manière brève et simple, les fondamentaux du vol.
La première force à laquelle est constamment soumis un avion, ainsi que tout autre corps, est la gravité. Cette force est donc celle qui attire l'avion vers le centre de la Terre et le maintient donc au sol lorsqu'il est statique.
Portance
Lorsqu'un avion accélère sur une piste, l'air s'écoule de plus en plus vite autour de l'aile. La forme et la cambrure de l'aile ont pour effet que l'air, au niveau de sa partie supérieure (appelée extrados), doit effectuer plus de trajet pour s'écouler que le flux au niveau de l'intrados.
Puisque le flux d'air supérieur doit effectuer plus de distance sur une même durée, il doit accélérer. Ceci a pour effet de réduire la pression ainsi que la température localement.
La différence de pression entre l'intrados (légère surpression) et l'extrados (sous-pression) créer donc une force vers le haut. Dès que l'air s'écoule assez rapidement autour de l'aile, la force de portance devient suffisante pour contrer la gravité ; l'avion vole.
Poussée
Pour accélérer et se déplacer, un avion a besoin de créer une force appelée : poussée. Celle-ci est générée grâce à un ou plusieurs moteurs. À l'instar des véhicules terrestres, où la force du moteur est directement transmise aux roues, un avion doit se tracter ou se propulser sur l'air.
Que l'appareil soit équipé d'un moteur à piston et d'une hélice, d'un turbofan ou d'un statoréacteur, le principe reste le même : accélérer de l'air vers l'arrière. Par phénomène d'action-réaction, l'avion sera alors accéléré vers l'avant.
Traînée
Alors que la poussée permet à l'avion d'accélérer puis de garder sa vitesse, il y a une quatrième force à laquelle il est confronté : la traînée. En quelques mots, la traînée correspond aux frottements que subi un avion en en vol.
Il y a fondamentalement deux type de traînée.
La traînée parasite : Elle correspond aux frottements de l'air sur la carcasse de l'avion et ses aspérités. Elle augmente au carré de la vitesse.
La traînée induite : Cette dernière est un frottement qu'une aile subit lorsqu'elle doit générer un grand coefficient de portance, c'est-à-dire créer un maximum de différence de pression entre l'intrados et l'extrados. En effet, plus la différence est grande, plus l'air en surpression a tendance à vouloir remonter sur l'extrados ce qui provoque des frottements. Ainsi, plus l'avion est rapide, mois la différence est grande, plus la traînée induite diminue.
Balance entre les forces
Lorsqu'un avion est en vol rectiligne en palier, les forces se compensent : la poussée est égale à la traînée, la portance à la gravité.
Si l'avion tourne, change d'altitude ou de vitesse, il y a une variation d'une ou plusieurs forces et, au bout d'un moment, l'avion retrouvera une stabilité.
Exemple simplifié : Lors d'un vol rectiligne en palier, le pilote augmente la puissance moteur. L'appareil va initialement accélérer car la poussée est supérieur à la traînée. En regardant le graphique ci-dessus, nous nous rendons compte que plus l'avion est rapide, plus il subit de la traînée. À un certain point, l'avion retrouvera donc un équilibre ; il n'accélérera plus et évoluera à une nouvelle vitesse constante plus rapide.
Connaissances avancées
Le décrochage
Nous avons vu que pour qu'un avion puisse voler, il faut que l'aile crée de la portance. Celle-ci survient lorsque de l'air est accéléré sur l'extrados.
Lorsqu'un avion vole et augmente son angle d'incidence, il augmente également le coefficient de portance ; c'est-à-dire que la différence de pression entre l'intra- et l'extrados augmente.
Il arrive cependant un moment, où la différence de pression devient tellement grande que le flux sous l'aile a tendance à revenir sur l'extrados au niveau du bord de fuite. Ceci a pour conséquence que les flux d'air commencent à se détacher de la surface de l'aile : l'aile ne porte plus, elle décroche.
Le graphique ci-dessous représente l'augmentation de la portance en relation avec l'angle d'incidence. Arrivés à un certain point, les flux commencent à se séparer, la portance diminue jusqu'au décrochage complet de l'aile : il n'y a plus de portance.
Les axes de vol
Il y a 3 axes autour desquels un avion se meut.
L'axe latéral à savoir le tangage (pitch) : Il permet à l'avion d'incliner le nez vers le haut ou le bas et donc de le faire monter ou descendre.
L'axe longitudinal, à savoir le roulis (roll) : Il permet à l'avion d'incliner les ailes à gauche ou à droite et donc d'initier des virages
L'axe vertical, à savoir le lacet (yaw) : Il permet à l'avion de faire tourner la queue à gauche ou droite. Cet axe est principalement utilisé pour coordonner des virages ou d'effectuer des atterrissages en crabe.
Les gouvernes
Afin d'engager l'avion dans une manoeuvre telle que la mise en virage, il est nécessaire d'actionner des gouvernes. Celles-ci sont contrôlées par le pilote à l'aide d'un guidon en forme de U (yoke) ou d'un manche (stick). Cette commande influence le tangage et le roulis. Le palonnier influence lui le gouvernail.
Le tangage est produit par la gouverne de profondeur via le manche
Le roulis est produit par les ailerons via le manche
Le lacet est produit par le gouvernail via le palonnier
Fonctionnement
Désormais que nous connaissons le fonctionnement de base d'une aile, nous pouvons en apprendre plus sur les surfaces de vol, par exemple un virage à gauche à l'aide des ailerons.
Lorsque nous actionnons le manche pour tourner, l'aileron de droite va se baisser. Ainsi, par l'abaissement de la corde, l'angle d'incidence augmente. Cette augmentation est directement couplée au coefficient de portance : l'aile droite se lève.
À contrario, l'aileron de l'aile gauche se lève, l'angle d'attaque diminue, la portance est réduite et l'aile gauche s'abaisse.
Ainsi, l'avion tourne sur son axe longitudinale vers la gauche et peut initier un virage.
Ce mécanisme de variation de la corde fonctionne naturellement pour chaque surface de vol. La gouverne de profondeur permet à l'avion d'abaisser ou de lever la queue pour varier le tangage et le gouvernail lui permet de tourner de son axe vertical : le lacet
V-Tail
Mais comment fonctionne le fameux V-Tail qui équipe le premier avion de course suisse 100% électrique : l'UR-1 ?
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