Comment un avion peut-il voler ?

Comment un plus lourd que l’air peut-il se maintenir en l’air ?



La force qui permet ceci c’est la portance,

La portance est une force qui s’exerce sur et sous l’aile. Elle est fonction de la vitesse, de la taille de la forme de l’aile et de l’air lui même.



Elle est en fait une application des théorèmes de Bernoulli et de Venturi.



Que nous disent ces théorèmes ?

Bernoulli : Dans le flux d'un fluide, une accélération se produit simultanément avec la diminution de la pression. Dans un flux de fluide sans viscosité et donc dans lequel une différence de pression est la seule force d'accélération, la vitesse est équivalente à celle donnée par les lois du mouvement de Newton.



Venturi : si le débit de fluide est constant et que le diamètre diminue, la vitesse augmente nécessairement ; du fait de la conservation de l'énergie, l'augmentation d'énergie cinétique se traduit par une diminution d'énergie élastique, c'est-à-dire une dépression.

La pression au point 1 est plus grande qu'au point 2.Et la vitesse du fluide au point 2 est plus grande qu'au point 1.

Cela signifie que l’air engendré par la vitesse parcourt entre le début de l’aile (le bord d’attaque) et la fin de l’aile (bord de fuite) dans le même temps. Dans la mesure ou la forme de l’air fait parcourir une plus grande distance par le dessus (extrados) que par le dessous (intrados), cette vitesse supplémentaire au-dessus de l’aile fait diminuer la pression, donc « aspire l’aile vers le haut.

La diminution de la vitesse de l’air sous l’intrados entraine elle une surpression d’où une force repoussant l’aile vers le haut. La résultante de ces 2 forces vers le haut se nomme la portance. Dans la pratique on considère qu’environ 2/3 de la portance provient de l'extrados

Sur la figure ci-contre, on voit que le profil de cet aile n’est pas symétrique, la distance entre bord d’attaque et bord de fuite est plus grande par l’extrados que par l’intrados.

Mise en évidence de ces effets venturi et Bernoulli



Prenez 2 feuilles de papier et tenez-les bien parallèles. Soufflez entre les feuilles, vous constatez qu’elles se rapprochent vous avez plus de vitesse entre les feuilles, vous venez de créer le même phénomène que la portance.


L'aile ou la voilure est l'ensemble des surfaces d’un aérodyne, assurant la portance en vol.

La portance repose sur la déflexion d'une masse d'air par une aile en mouvement.

Cette portance comme vu plus haut dépend de la surface de l’aile (ou surface alaire) de la vitesse de l’air sur cette surface et de la densité de l’air.

Sa valeur est donnée par le théorème de Kutta-Jukowski 

La portance verticale en newtons (N) d'une aile vaut :
Rho masse volumique du fluide en kg/m3
V: vitesse en m/s
S: surface de référence en m²
Cz coefficient de portance (Coefficient sans dimension) qui dépend de la forme de l'aile et de son incidence


On remarque que si la portance est proportionnelle à la surface, elle est par contre proportionnelle au carré de la vitesse.

Le coefficient de portance Cz de l'aile dépend de plusieurs facteurs:


1 De l'angle d'incidence, ou angle d'attaque. Lorsque l'angle augmente, la portance augmente selon une certaine pente de portance puis atteint un maximum. Une fois cet angle dépasséla portance s'effondre brutalement, c'est le décrochage que nous verrons plus tard.

2 De la pente de portance de l'aile, qui dépend de son allongement effectif de son profil et des conditions du milieu (N de Mach et de Reynolds dans l'air).

3De la forme en plan de l'aile et de sa flèche, qui affectent l'allongement effectif de l'aile,

4 Du profil de l'aile, notamment de sa cambrure,

5 De la modification de ce profil (corde et cambrure) par des dispositifs hypersustentateurs, becs et volets de courbure (slats/flaps en anglais) spoilers….

6 De la génération de tourbillons porteurs à grande incidence (Vortex Generators, becs DLE, vortilons)

7 De la proximité du sol : l'effet de sol en diminuant la déflexion augmente l'incidence locale donc la portance.

Variation de la position des ailes par rapport au su fuselage
Pour les monoplans, on distingue les ailes en fonction de leur implantation sur le fuselage :

Configuration avec plusieurs ailes

Variation de l’allongement de l’aile

L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes.

Les avions à faible allongement (aile trapèze ou delta…) sont plus efficaces structurellement, plus maniables et ont des profils plus fins, tandis que les avions à allongement élevé sont plus aérodynamique car ils ont moins de traînée induite par la portance.

Variation de l’angle de flèche

L'angle de flèche c’est l'angle formé entre le lieu des points situés au quart avant des cordes de profil et le plan transversal de l'appareil. Si ce lieu de points n'est pas une droite (flèche variable), on prend alors le bord d'attaque comme référence.

Une aile droite (0° d'angle de flèche) est l'aile la plus efficace structurellement et la plus commune sur les avions ne dépassant pas Mach 0,6. Une aile en flèche (angle de flèche positif) permet de réduire la traînée de compressibilité d'un avion volant à plus de Mach 0,7.
L'angle de flèche est d'autant plus important que le nombre de mach est élevé, de manière à diminuer la traînée d'onde.
Juste à titre de curiosité, les ailes en flèche inversée (angle de flèche négatif) peuvent apporter une plus grande maniabilité, mais l’avion est moins stable est plus difficile à contrôler. Et à titre anecdotique on peut aussi citer avion à flèche oblique.

En longitudinal : le bord avant est appelé bord d'attaque et le bord arrière bord de fuite.
En transversal : la jonction de l'aile au fuselage s'appelle l'emplanture. La jonction du bord d'attaque au fuselage peut être prolongée vers l'avant par un apex (LERX en anglais).
L'extrémité de l'aile (ou saumon) peut être simplement coupée net, ou bien  terminée par une forme spéciale courbée vers le haut ou vers le bas. Il existe aussi des ailettes marginales ou winglets, simples (vers le haut) ou doubles (vers le haut et vers le bas) ou très haut (sharklets).

Structure et géométrie de l’aile

La géométrie d'une aile se définit en fonction de plusieurs éléments:
L’envergure, surface alaire, allongement. La surface alaire (portante) comprend les ailes aussi la partie du fuselage située entre les ailes, dans le prolongement des bords d'attaque et de fuite.
La flèche : c'est l'angle horizontal formé entre le lieu du quart avant des cordes et l'axe transversal de l'avion.
Le dièdre : c'est l'angle vertical formé entre le lieu du quart avant des cordes et l'axe transversal de l'avion.
Le profil, la corde, l’ épaisseur.

 
L’angle de calage : angle entre la corde du profil d'emplanture et l'axe longitudinal du fuselage.

Il existe différents profils avec pour chacun des utilisations particulière.

Biconvexe symétrique Intrados et l’extrados sont symétriques donc l’air s’écoule à la même vitesse de chaque cotés La portance n’existe que grâce à l’incidence donnée à cette aile. Ce type de profil est la plupart du temps fin. il diminue  la formation de trainées. Ce type de profil est adapté en voltige.	Biconvexe dissymétrique La ligne moyenne est à simple courbure (intrados et extrados convexes). La cambrure de cette ligne lui permet de décrocher à un angle d’incidence plus élevé que le symétrique. Ce type de profil est favorable au vol lent. C’est ce que nous rencontrons sur nos avions d’aviation générale	Plan convexe Il décroche à un angle d’incidence plus grand que le profil biconvexe symétrique, il est adapté à des vols rapides si son extrados est peu cambré. Il est utilisé dans le modélisme car sa fabrication est facile.

Chaque profil a ses caractéristiques particulières  et son nom correspond le plus souvent à celui du centre d’étude ou de la soufflerie oû il a été mis au point ( Eiffel,Lilienthal, Gottingen, NACA...... suivi éventuellement d’un numéro).