M

1
Mécanique du vol
Pour comprendre comment vole un avion, nous
allons étudier les phénomènes physiques qui
permettent ce petit miracle
2
La masse dun corps
Un corps qui chute voit sa vitesse augmenter
selon une certaine accélération, due à
lattraction terrestre.
Le produit de sa masse m par laccélération
de la pesanteur g représente cette force due
à lattraction terrestre.
Cette force sexprime en newtons et on lexprime
par P m.g
A nos latitudes moyennes g 9,81 m / s²
3
La masse
Les avions sont soumis à cette même loi !
Le pilote devra faire en sorte que le retour de
lavion au sol (avec ses occupants) se fasse de
la manière la plus douce possible !
Je ferai mieux la prochaine fois
4
Notion de mouvement
Lorsque un objet se déplace on dit quil y a
mouvement. Un mouvement se caractérise à un
instant donné par

1. Une vitesse
2. Une direction de déplacement

Si le mouvement ne varie ni en vitesse ni en
direction, on dit que lobjet est en
équilibre. Si la vitesse, la direction ou les 2
varient, il y a déséquilibre.
Le maintien dun mouvement est un équilibre Une
mise en mouvement est un déséquilibre Larrêt
dun mouvement est un déséquilibre Une changement
de trajectoire est un déséquilibre
5
Notion de stabilité et dinstabilité

• Un objet est en équilibre lorsque toutes les
  forces qui lui sont appliquées séquilibrent
  entre elles.
• On dit alors que leur résultante est nulle

• Inversement lorsque les forces qui sappliquent
  sur un objet ne séquilibrent pas, leur
  résultante nest pas nulle, il y a déséquilibre.

• Pour un avion on parlera déquilibre et de
  déséquilibre mais aussi de stabilité et
  dinstabilité.

La notion de stabilité et dinstabilité nexiste
que pour les objets en équilibre.
6
Lair cest le milieu dans lequel évolue lavion.
Lavion et son milieu
Propriétés physiques1 expansible2 compressible
3 élastique4 pesant 1.225 g/litre au niveau de
la mer 5 visqueux
Lair expansible et pesant exerce une pression
perpendiculaire à toutes les surfaces avec
lesquelles il est en contact.
7
Lair est un fluide et comme tel son mouvement
est appelé écoulement.Cet écoulement peut
être1 laminaire2 turbulent
Lavion et son milieu
8
La résistance de lairTout objet en mouvement
dans lair est soumis de la part de celui-ci à
une résistance qui tend à sopposer à ce
mouvement.Cette résistance a son origine dans
les propriétés dinertie, de viscosité et de
compressibilité mais dépend aussi de la forme et
de létat de cet objetCette action se traduit
par 2 forces1 une force élémentaire de
pression2 une force élémentaire de frottement
9.Lavion et son milieu
9
Lavion et son milieu
Pression élémentaire
Frottement élémentaire
10
100
Si lon place une plaque perpendiculairement à un
écoulement dair, initialement laminaire, cet
écoulement est perturbé.
La résistance à lécoulement est de 100
11
50
Si lon remplace la plaque par une sphère de même
maître-couple, la résistance à lécoulement est
diminuée de 50
12
15
Si lon modifie le profil arrière de la sphère,
la résistance nest plus que de 15
13
5
Elle passe à 5 si lon allonge encore le profil
arrière.
14
1/3
2/3
Les formes fuselées qui présentent en subsonique
la moindre résistance ont une épaisseur relative
b / a comprise entre 1/3 et 1/4.
La valeur maxi de b se situant au 1/3 de a
15
Par mouvement relatif il faut entendre
indifféremment1 déplacement du corps dans
lair2 déplacement de lair autour dun
corpsLe courant dair baignant le corps en
mouvement relatif est nommé vent relatif.
Principe du mouvement relatif
16
Le profil de laile
17
Le profil de laile
Epaisseur
Extrados
Ligne moyenne
Intrados
Corde de référence
18
Langle dincidence
a
Le vent relatif est le flux dair engendré par le
déplacement de lavion
19
Lincidence alpha (a)Angle entre laxe
longitudinal de lavion et le vent relatif.Cest
à travers la modification de cet angle
dincidence en modifiant lassiette que vous
allez agir sur les différentes force qui sont
appliquées à lavion.Une autre possibilité sera
la modification du profil aérodynamique par
lintermédiaire des dispositifs
hypersustentateurs
Axe longitudinal
a
Vent relatif
20
15. Origine de la sustentation
Région non perturbée
Vitesse augmentée
Région non perturbée
21
Relation entre la section et la vitesse dun
fluide en mouvement
V3V1
V2
V1
Section S2
Section S1
Section S3
Lorsque on diminue la section offerte à
lécoulement dun fluide, la vitesse de ce fluide
augmente.
22
Relation entre la pression et la vitesse dun
fluide en mouvement1er cas pas de vent relatif
P0
P0
P0
P0
Po
La pression est identique en chaque point du tube
23
Relation entre la pression et la vitesse dun
fluide en mouvement2ème cas création dun flux
dair
V3V1
V2
V1
P1
P3
P2
P0
P0
P0
P0 P2
P0 P1
Po P3
Une augmentation de vitesse saccompagne dune
diminution de pression et inversement.
24
Effet résultant
Pression réduite
Pression atmosphérique
25
Pas de vent relatif, portance nulle
26
Vent relatif
75 de la portance est assurée par la dépression
liée à lextrados de laile, alors que la
surpression liée à lintrados y participe à
hauteur de 25.
27
16. Résultante aérodynamique
Ra
Centre de poussée
Le centre de poussée est le point où sapplique
la résultante aérodynamique
28
17. Portance et traînée
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
Ra est la composante de 2 forces Rz et Rx
29
. La PORTANCE composante perpendiculaire au
vent relatif, cest à dire à la trajectoire . La
TRAINEE composante parallèle au vent relatif,
cest à dire à la trajectoire et qui soppose à
lavancement.
PORTANCE Rz
Trajectoire
TRAINEE Rx
VENT RELATIF
30
Portance et traînée
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
La portance Rz est toujours perpendiculaire au
vent relatif La traînée Rx est toujours parallèle
au vent relatif
31
Bilan des forces
32
Les facteurs qui influent sur la portance et la
traînée.

1. Langle dincidence a
2. La forme du profil
3. La forme et lallongement de laile
4. La vitesse relative
5. La surface de laile
6. La densité de lair

33
1er cas Profil symétrique incidence nulle
Portance nulle
Traînée
Vent relatif
34
2eme cas Profil disymétrique incidence faible
Portance
Traînée
Vent relatif
35
3ème cas profil disymetrique incidence forte
Portance
Traînée
Vent relatif
36
4ème cas lincidence atteint une valeur critique

• Portance en brusque décroissance
• Traînée forte
• Laile décroche

37
En vol normal, lincidence a est faible les
filets dair, matérialisés par les brins de laine
collent au profil.
38
Langle dincidence a à augmenté, les filets
dair proches du bord de fuite, commencent à être
perturbés et se décollent de laile
39
La zone de perturbation, au fur et à mesure que
lincidence croit, samplifie vers lavant et
gagne du terrain en direction du bord dattaque
40
On remarque que les filets dair sont dautant
plus perturbés quils sont proches de
lemplanture de laile(plus proches du fuselage)
41
Même remarque
42
Les 2/3 de laile sont concernés De plus, on
peut observer quune partie des filets dair en
provenance de lintrados revient sur lextrados
par le bord de fuite, on voit que certains brins
de laine sont dirigés cette fois vers lavant.
43
Le décrochage nest plus très loin Notez langle
formé par la corde de laile et lhorizon.
Corde
Horizon
44
5ème cas lincidence négative portance nulle
Dépression à lintrados et à lextrados La
résultante aérodynamique se résume à la traînée
45
Angle dincidence et centre de poussée
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
Cp
A chaque angle dincidence correspond une
position du centre de poussée Cp
46
20. Angle dincidence et centre de poussée
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
a 2
47
Cp
Pour un angle dincidence de 2, Cp est à environ
47 de la corde
47
Angle dincidence et centre de poussée
Rz
Ra
Lorsque langle dincidence a croit, le centre de
poussée avance
Rx
a15
Vent relatif
Cp
Pour un angle dincidence de 15, Cp est à
environ 30 de la corde
48
La finesse
Définition cest laptitude dun avion à
transformer en vol plané une hauteur H en
distance D.
Si D 10 H, on dit que la finesse de lavion est
de 10
49
La finesse
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
Mais cest aussi le rapport entre la Portance Rz
et la traînée Rx f Rz / Rx
50
La finesse
Rz
Ra
Vent relatif
Rx
La finesse varie donc en fonction de langle
dincidence.
51
Influence du profil dune aile
Les qualités aérodynamiques dune aile varient en
fonction de son profil
Deux éléments jouent un rôle essentiel
Sa courbureSon épaisseur
52
Influence du profil sur la portance
C
B
Profil creux fin
Profil biconvexe dissymétrique
A
Profil creux épais
53
Influence du profil sur la traînée
C
B
A
54
Influence du profil sur la Résultante
Aérodynamique
C
B
A
55
Influence de lallongement de laile
La traînée totale dune aile est la somme de 2
traînées particulières- la traînée de profil-
la traînée induiteLa première est due à létat
de surface de laile et à la résistance des
forces de pression appliquées à sa surfaceLa
deuxième trouve son origine dans la portance
56
Influence de lallongement de laile
Extrados
Intrados
57
Influence de lallongement de laile
Aux extrémités de laile, lair en surpression
sous lintrados tend à sécouler vers lextrados
en donnant naissance à 2 tourbillons marginaux
58
Tourbillons en bout daile
Aux extrémités de laile, lair en surpression
sous lintrados tend à sécouler vers lextrados
en donnant naissance à 2 tourbillons marginaux
59
Tourbillon en bout daile
Aux extrémités de laile, lair en surpression
sous lintrados tend à sécouler vers lextrados
en donnant naissance à 2 tourbillons marginaux
Solution Rendre laile infinie ?
Solution Réduire les tourbillons en adaptant des
 Winglets . En cours de généralisation sur les
avions de ligne
60
Un grand allongement donne un meilleur
coefficient de Portance (CZ)
17/07/00
61
Variation du Cz en fonction de lallongement
Cz
1,2
Cz max
Cz max
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-
10
-
15
-
5
20
25
10
5
a
15
17/07/00
62
Influence de la surface de laile
La portance et la traînée sont proportionnelles
à la surface de laile
63
Influence densité de lair r/r0
5 000 N
6500 m r/r0 0,5
10 000 N
Niveau de la mer r/r0 1
(1,225 kg/m3)
64
Les coefficients de portance et de traînéeOn
peut mettre en équation lintensité de la
portance Rz et de la traînée Rx Rz ½ r V²
S Cz Rx ½ r V² S Cxr (ro) est la masse
volumique de lair en kg/m3S la surface de
référence de lavion en m2V la vitesse par
rapport à la masse dair en m/sCx et CZ sont des
coefficients sans unité
65
Pression dynamique et portanceLe mathématicien
Bernouilli a montré que dans un écoulement
fluide, la somme de la pression statique et de la
pression dynamique est une constantePs ½ r V²
constante Dans léquation Rz ½ r V² S
Cz½ r V² pression dynamiqueS surface des
ailes en m²Cz coefficient de portance du profil
66

• Exemple
• Un avion à une Vp de 100 kt. La surface de ses
  ailes est de 18 m². La densité de lair est 1,225
  kg/m3.
• Si à lincidence de vol le coefficient de
  portance Cz est de 0,4 et le coefficient de
  traînée 0,05 on demande de calculer
• La portance
• La traînée
• La finesse

• La portance 1,225 x 50²x 18 x 0,4 / 2 11 024
  N

• La traînée 1,225 x 50²x 18 x 0,05 / 2 1378 N

• La finesse 0,4 / 0,05 8

67
On regroupe ces différents paramètres en 2
coefficients- le coefficient de portance
Cz- le coefficient de traînée CxLes
variations de ces 2 paramètres seront regroupées
sur 1 seule courbe la POLAIRE
Coefficients de Portance et de Trainée
68
Variation des Cz en fonction de lincidence a
Cz

1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-
10
-
15
-
5
20
25
10
5
a
15
17/07/00
Mécanique du vol
69
Variation des Cx en fonction de la variation de
langle dincidence a
Cx

0,24
0.20
0,16
0,12
0,08
0,04
0
-
10
-
15
-
5
20
25
10
5
a
15
17/07/00
Mécanique du vol
70

• Polaire

Cz
La polaire dune aile est représentative
de lévolution des coefficients Cx et Cz en
fonction de lincidence Le rapport Cz / Cx
sappelle la finesse  f  f Cz /
Cx ou f Rz / Rx
1,5
1
0,5
Cx
0
0,5
1
71

• Polaire

Cz
S
Portance maxi
E
Finesse max vol normal
Vol normal
M
Trainée minimale
Cx
P
Portance nulle
Finesse max vol dos
Vol inversé
R
72
DécrochageLe décrochage intervient toujours pour
la même incidence
Réduction puissance
Maintien de laltitude par variation de
lassiette / incidence
Lincidence maxi est atteinte gt lavion
décroche gt Plus de portance gt Chute
Diminution de lassiette Augmentation de la
Vitesse gt Rétablissement de la
portance gt lavion  raccroche  gt Avion
pilotable
Note sur les avions légers que nous utilisons
lincidence de décrochage est denviron 15-17
73
Comment influer sur la portance et la trainée ?
Quelques dispositifs hypersustentateurs
Système bec et volet
Volet de courbure
Volet dintrados
Volet de courbure à fente
Volet Fowler
74
Cz
Cx
75

• Trajectoires

La trajectoire représente le déplacement de
lavion dans le plan vertical. La pente
représente langle de la trajectoire avec
lhorizon Lassiette (de laeronef) est langle
de son axe long. relativement à
lhorizon. Lincidence est langle de son axe
long. relativement à la trajectoire.
76

• Le vol en palier
• La pente est nulle, lassiette q et lincidence a
  sont voisines, au calage de laile près.

a
77

• Le vol en montée
• Lassiette q lincidence a la pente g.
• Exemple si la pente est de 3, lincidence 2
  on a une assiette de 3 2 5

a
Assiette q
Pente g
Horizon
78

• Le vol en descente
• Lassiette q lincidence a la pente g.
• Exemple si la pente est de 5, lincidence
  2 on a une assiette de -5 2 3

Horizon
Pente g
Assiette
a
79
Equilibre des forcesVol horizontal
Résultante Aérodynamique
Portance
Traction
Trainée
Résultante Mécanique
Poids
T P Ra 0
80
Equilibre des forcesVol en montée
Résultante Aérodynamique
Portance
Traction
Trainée
Résultante Mécanique
Poids
T P Ra 0
81
Equilibre des forcesVol en descente
Résultante Aérodynamique
Portance
Trainée
Traction
Poids
Résultante Mécanique
T P Ra 0
82
Equilibre des forcesVol plané rectiligne en
descente
Résultante Aérodynamique
Portance
Trainée
Traction
Poids
Résultante Mécanique
P Ra 0
83
Equilibre des forcesMontée verticale
Résultante Mécanique
Traction
Trainée
Portance
Résultante Aérodynamique
Poids
T P Ra 0
84
Equilibre des forcesDescente verticale
Résultante Aérodynamique
Trainée
Portance
Poids
Résultante Mécanique
T P Ra 0
Traction
85
Changement de trajectoires
86
Décollage

• Mise en puissance
• Accélération -gt Vitesse de rotation
• Changement de trajectoire Assiette de montée
• Altitude de croisière -gt changement de
  trajectoire Assiette de palier

87
Décollage

• 15 m

• Distance de roulement

• Distance de franchissement des 15m

• Distance de décollage

88
Atterrissage
P

• Palier attente
• Changement de trajectoire Assiette de descente
• Arrondi Décélération posé des roues
• Roulage - Freinage

89
Atterrissage

• Décélération et arrondi

• 15 m

• Pente 5 (ou 3)

• Distance de freinage

• Distance de datterrissage

90
Axes de rotation dun aéronef en vol
Axe de Lacet
91
Axe de Lacet et commande associée
Palonniers
Axe de Lacet

• Gouverne de direction
• Pied à droite Gouv. Direct. braquée à droite
• Pied à gauche Gouverne braquée à gauche

92
Mécanique du palonnier
93
Axes de rotation dun aéronef en vol
Axe de Roulis
94
Axe de roulis et commande associée
Manche à balai ou Volant
Axe de Roulis
Ailerons
Manche à droite Aileron droit levé Aileron
gauche baissé Manche à gauche Aileron gauche
levé Aileron droit baissé
95
Mécanique du manche ou volant(D/G)
96
Axes de rotation dun aéronef en vol
Axe de tangage
97
Axes de tangage et commande associée
Axe de tangage
Gouverne de profondeur
Manche à balai ou Volant
Manche en avant Profondeur levée Assiette à
piquer Manche à arrière Profondeur
baissée Assiette à cabrer
98
Mécanique du manche ou volant (AV/AR)
99
Axes /commandes / gouvernes
Axe de Roulis Manche droite / gauche
Ailerons
Axe de Lacet Palonnier droite / gauche
Gouverne de direction
Axe de tangage Manche avant /
arrière Gouverne de profondeur
100
Mise en virage
101
Mise en virage 2/2
Conclusion la méthode no 2 ( Inclinaison ) est
beaucoup plus efficace pour dévier un avion de
sa trajectoire dans le plan horizontal
102
Facteur de Charge 1 / 2Le facteur de charge
augmente avec linclinaison
f
Pa Poids apparent
P
P
n 1
n 1 / Cos f Exemple pour un virage à 60 , n
2
103
Facteur de Charge 2 / 2 Lors de changement de
trajectoire dans le plan vertical,le facteur de
charge varie avec la vitesse et le rayon de la
ressource
Pa Poids apparent
n 1
n 1 V2 r.g
104
Stabilité sur laxe de lacet
Déviation gt Portance latérale gt Couple de
rappel
perturbation
Stabilité
Instabilité
Stabilité
105
Stabilité sur laxe de roulis
Effet de girouette gt Pivotement sur axe de
lacet Effet diedre gt Augmentation de la
portance sur laile  au vent  gt Force
déviatrice qui  compense  le pivotement
perturbation
portance
Diedre
Stabilité
Instabilité
Stabilité
106
Stabilité sur laxe de roulis(cas des ailes
hautes )
Couple redresseur
perturbation
Stabilité
Instabilité
Stabilité
107
Points dapplication des forces
Centre de Poussée Portance
1
1
3
2
Centre de Gravité Poids
Foyer Variation de Portance
2
3

• Règles
• Le centre de poussée doit toujours être au dessus
  du centre de gravité
• Le Foyer est obligatoirement en arrière du centre
  de gravité

108
Stabilité longitudidale(sans perturbation)
Centre de Poussée Portance
1
Compensation par des actions cabrer ou à piquer
1
2
Centre de Gravité Poids
2

• Règles
• Laxe de la portance passe par le centre de
  gravité
• Au cours du vol, les faibles déplacements du
  centre de gravité et/ou du centre de poussée
  sont compensés par une action sur la profondeur
  pour maintenir lalignement Portance - Poids

109
Stabilité longitudinale 1/3 ( avec perturbations
)
Centre de Poussée Portance
1
1
3
2
Centre de Gravité Poids
Foyer Variation de Portance
2
3

• 1er Cas Foyer en avant du Centre de Gravité
• Tout changement dans la portance est accentué
  dans le même sens que la perturbation gt
  INSTABILITE PERMANENTE lavion est impilotable

110
Stabilité longitudinale 2/3 ( avec perturbations
)
Centre de Poussée Portance
1
1
3
2
Centre de Gravité Poids
Foyer Variation de Portance
2
3

• 1er Cas Foyer aligné avec du Centre de Gravité
• Léquilibre est indifférent, les variations de
  portances ne sont pas compensées lors de
  perturbations gt lavion est pratiquement
  impilotable

111
Stabilité longitudinale 2/3 ( avec perturbations
)
3
2
Centre de Poussée Portance
1
marge statique Le bras de levier entre le Foyer
et le centre de gravité
1
3
2
Centre de Gravité Poids
Foyer Variation de Portance
2
3

• 1er Cas Foyer en arrière du Centre de Gravité
• Tout changement dans la portance est compensé
  dans le sens inverse à celui induit par la
  perturbation gt lavion retrouve naturellement
  une situation déquilibre lavion est stable

112
Stabilité longitudidale(conclusion)
3
2
marge statique

• A retenir
• La position du centre de gravité varie en
  fonction de la répartition des masses
• Le centre de poussée se déplace en fonction des
  variations dincidence
• Le foyer doit toujours être en arrière du centre
  de gravité
• La marge statique est la distance entre le Foyer
  et le Centre de Gravité
• Le centrage est défini par la position du centre
  de gravité par rapport au foyer.
• Centrage avant gt avion plus stable et moins
  maniable
• Centrage arrière gt avion moins stable et plus
  maniable
• Pour chaque avion, il existe une limite avant et
  une limite arrière du centrage

113
Effets induits / Lacet inverse
Lacet inverse Le braquage différentiel des
volets permet dincliner lavion autour de laxe
de roulis , mais laugmentation de la trainée
induite du coté de laile haute provoque une
rotation sur laxe de lacet dans le sens inverse
du virage. Lavion est en dérapage.
Correction utiliser le palonnier pour contrer
la rotation inverse sur laxe de lacet. Le virage
est alors symétrique
Conclusion Coordonner les actions sur le manche
et le palonnier dans le même sens lors de la mise
en virage. Le virage est coordonné.
114
Effets induits / Roulis induit
Vent Relatif
Roulis induit Laction sur le palonnier fait
pivoter lavion sur laxe de lacet et écarte
laxe de lavion de laxe du vent relatif.
Laile  au vent  génère plus de portance.
Lavion sincline autour de laxe de roulis dans
le sens du virage.
Correction braquer les ailerons pour contrer la
rotation induite sur laxe de roulis. Le manche
est positionné en sens inverse du palonnier.

• Conclusion Pour contrer le roulis induit, il
  faut coordonner les actions, manche et pied (
  palonnier) en sens inverse.
• Manche à gauche, pied à droite
• Manche à droite, pied à gauche
• Le vol est alors dissymétrique

115
Glissade
Trajectoire en descente
Vent Relatif
La Glissade permet daugmenter artificiellement
la trainée. Laction sur le palonnier fait
pivoter lavion sur laxe de lacet et écarte
laxe de lavion de laxe du vent relatif. Le
pilote empêche le soulèvement de laile  au
vent  en braquant les ailerons dans le sens
inverse.
Aileron levé
Augmentation trainée

• Conclusion Laugmentation de la trainée, sans
  apport de puissance, ralentit lavion sur sa
  trajectoire.
• Manche à gauche, pied à droite
• Manche à droite, pied à gauche
• Le vol est alors dissymétrique
• Lavion est dit en glissade

116
Glissade
Trajectoire en descente
Vent Relatif
La Glissade permet daugmenter artificiellement
la trainée. Laction sur le palonnier fait
pivoter lavion sur laxe de lacet et écarte
laxe de lavion de laxe du vent relatif. Le
pilote empêche le soulèvement de laile  au
vent  en braquant les ailerons dans le sens
inverse.
Aileron levé
Augmentation trainée

• Conclusion Laugmentation de la trainée, sans
  apport de puissance, ralentit lavion sur sa
  trajectoire.
• Manche à gauche, pied à droite
• Manche à droite, pied à gauche
• Le vol est alors dissymétrique
• Lavion est dit en glissade

117
Effet de girouette / souffle hélicoïdale
Le vent de travers et/ou le souffle hélicoïdal
appliqués sur le plan vertical de la dérive,
provoquent une rotation sur laxe de lacet, cest
l effet de girouette.
Aileron levé
Gouverne de direction braquée

• Correction Pour contrer leffet de girouette,
  le pilote doit braquer la gouverne de direction
  dans le sens opposé
• Vent de la gauche, pied à droite
• Vent de la droite, pied à gauche
• Pou éviter que laile au vent ne se soulève, le
  manche sera braqué vers le vent.

Vent de travers

• Conclusion une action coordonnée sur manche et
  le palonnier est nécessaire pour contrer leffet
  de girouette.
• Pied sous le vent, manche au vent.

118
Annexe
119
Vue en plan
Ailerons et profondeur sont des gouvernes de
manœuvre.
Aileron
Gouvernail de profondeur
120
Gouverne de direction dite gouverne de correction
121
Tourbillon Prandtl
Vo
VENT RELATIF
Vo
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Traînées comparées des différents éléments de
lavion