Aérodynamique et Mécanique du vol

1. Aérodynamique et Mécanique du vol Présentation réalisée par F. WILLOT

2. Aérodynamique et Mécanique du vol I Les forces aérodynamiques II Contrôle de la trajectoire III Etude des polaires IV Les principales phases du vol V Stabilité statique d’un aéronef

3. Aérodynamique et Mécanique du vol I Les forces aérodynamiques • Les actions de l’air en écoulement • Etude de la portance • Etude de la traînée

4. I Les forces aérodynamiques1. Les actions de l’air en écoulement Lorsque l'air s'écoule autour d'un objet, ou qu'un objet se déplace dans l'air, des forces aérodynamiques se créent sur l'objet. Procédons à quelques expériences avec une demi-feuille A4

5. I Les forces aérodynamiques1. Les actions de l’air en écoulement • Créons un courant d’air: • l'air pousse l’obstacle qu'il rencontre par augmentation de la pression sur une des faces de celui-ci.

6. I Les forces aérodynamiques1. Les actions de l’air en écoulement • Créons un courant d’air: l'air en mouvement sur la surface supérieure de la feuille sa pression diminuer (accélération de l'écoulement). La pression de l'autre face étant supérieure, la feuille est alors aspirée vers le haut.

7. I Les forces aérodynamiques1. Les actions de l’air en écoulement Créons un courant d’air entre les 2 feuilles: • l'air soufflé entre les feuilles étant à une pression plus faible que celui à l'extérieur, les feuilles se rapprochent.

8. I Les forces aérodynamiques1. Les actions de l’air en écoulement Les actions de l'air se décomposent en deux forces : - une parallèle à la vitesse de l'air et de même sens, la traînée - une perpendiculaire à la vitesse, la portance La somme vectorielle de ces deux forces constitue la résultante des forces aérodynamiques

9. Aérodynamique et Mécanique du vol I Les forces aérodynamiques • Les actions de l’air en écoulement • Etude de la portance • Etude de la traînée

10. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la forme du profil: • Dans les films des diapositives suivantes, des plaques de forme différentes sont placées en soufflerie.

11. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la forme du profil: • Plaçons une plaque plane dans la soufflerie:

12. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la forme du profil: • L’air crée une surpression sur le dessous de la plaque. La plaque s’incline d’un angle d’environ 20° par rapport à la verticale.

13. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la forme du profil: • Plaçons une plaque incurvée dans la soufflerie:

14. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la forme du profil: • L’air crée une surpression sur le dessous de la plaque et une dépression sur le dessus. • La plaque est aspirée vers le haut La plaque s’incline d’un angle d’environ 45° par rapport à la verticale.

15. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la forme du profil: • Plaçons une autre plaque un peu plus incurvée :

16. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la forme du profil: • La dépression sur le dessus est encore plus marquée. • La plaque est un peu plus aspirée vers le haut La plaque s’incline d’un angle d’environ 50° par rapport à la verticale.

17. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • La forme du profil influe beaucoup sur la portance. • En pratique un profil possédant une certaine épaisseur est plus efficace qu'un simple plan incurvé. • L'écoulement autour des profils aérodynamique est plus accéléré sur la surface supérieure que sur la surface inférieure.

18. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • Il en résulte une force de pression verticale orientée vers le haut (la portance). • De même la pression sur l'avant du profil est supérieure à celle sur l'arrière du profil. Il en résulte une force de pression vers l'arrière (la traînée).

19. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Les profils d’aile: 7: Corde moyenne 1: Bord d’attaque 2: Bord de fuite 8: Flèche 4: Intrados 5: Corde 6: Epaisseur 3: Extrados 6 3 7 8 2 1 4 5

20. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • L'air aborde le profil par le bord d'attaque et le quitte par le bord de fuite. • La partie supérieure du profil est appelée extrados et la partie inférieure intrados. • Le segment qui joint le bord d'attaque et le bord de fuite est appelé corde du profil.

21. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • La distance entre l'intrados et l'extrados est l'épaisseur. La valeur maximale de l'épaisseur divisée par la longueur de la corde donne l'épaisseur relative :

22. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • La ligne qui joint le bord d'attaque au bord de fuite en passant à égale distance de l'intrados et de l'extrados est appelée corde moyenne. • La distance maximale entre la corde et la corde moyenne est appelée flèche du profil. • Le rapport entre la flèche et la longueur de la corde est appelé courbure (ou cambrure) relative.

23. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • Le centre de portance (point d’application de la portance) se situe entre 30 et 50% de la corde depuis le bord d’attaque. Il avance quand l’incidence augmente jusqu’à l’incidence de décrochage puis recule. • Le foyer (point d’application des variations de portance) se situe entre 20 et 30% de la corde depuis le bord d’attaque. Sa position varie peu.

24. Exemples de profils: Profil B29 Le profil plan convexe porte bien même à faible incidence mais il est légèrement instable. Il est utilisé en aviation générale.

25. Exemples de profils: NACA 4412 Le profil biconvexe dissymétrique porte également bien même à incidence nulle et est très stable. Utilisé dans l'aviation de loisir.

26. Exemples de profils: EPPLER 471 Le profil cambré (ou creux) est très porteur mais il est assez instable. Lorsque l'incidence augmente il cherche à cabrer.

27. Exemples de profils: NACA 0009 Le biconvexe symétrique ne porte pas aux faibles très faibles incidences. Il n'est intéressant que pour les gouvernes et la voltige.

28. Exemples de profils: RONCZ Le profil à double courbure (ou autostable) présente l'avantage d'une grande stabilité mais une portance moyenne et une traînée assez forte.

29. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la vitesse: • Dans le film qui suit, une maquette d’avion est placée en soufflerie sur une balance de précision tarée. • La vitesse de l’écoulement est augmentée par palier et on relève à chaque fois l’indication de la balance.

30. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la vitesse:

31. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de la vitesse: • La balance est « soulagée » par la portance de la maquette. • La masse indiquée par la balance permet alors de calculer Rz.

32. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • L'expérience montre que m diminue lorsque la vitesse de l'écoulement augmente. On peut donc en déduire que la portance augmente lorsque la vitesse augmente. • Des mesures précises de la portance et de la vitesse de l'air montreraient que la portance est proportionnelle au carré de la vitesse de l'écoulement.

33. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Influence de l’incidence: L'angle d'incidence est l'angle formé par la direction de la vitesse et celle de la ligne de foi de l'avion.

34. i=0° i >0 i <0 I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Un dispositif adapté permet de faire varier l’incidence de la maquette dans la soufflerie. Influence de l’incidence:

35. i = 0° i = +6° i = +12° i = +24° I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • La vitesse de l’écoulement est constante. • L’incidence est fixée successivement à différentes valeurs entre 0° et +24° et on relève l’indication de la balance.

36. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • La vitesse de l’écoulement est constante. • L’incidence est fixée à une valeur de -24° et on relève l’indication de la balance. • Le signe de la masse a changé. • La maquette appuie sur la balance. • La portance est orientée vers le bas.

37. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • Pour une vitesse donnée, la portance augmente avec l'incidence. • Une incidence négative assez forte engendre une portance négative.

38. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • En pratique, on constate que si l'incidence dépasse une certaine valeur, la portance n'augmente plus mais chute très fortement. C'est le décrochage de l'aile :

39. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance En conclusion, à vitesse donnée la portance de l'aile augmente avec l'incidence, jusqu'à l'incidence de décrochage. Le décrochage se produit toujours à la même incidence.

40. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance Expression de la portance: •  la masse volumique de l'air. • S est une surface de référence sur l'aile. On l'appelle parfois maître couple. • v est la vitesse de l'avion dans l'air (vitesse vraie). • Cz est le coefficient de portance de l'aile. Il dépend de la forme du profil et de l'incidence de vol. Les profils présentant des courbures importantes ont des bons Cz.

41. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • La portance se crée sur chaque partie de l'aile. Le point d'application de la portance globale s'appelle le centre de poussée (CP). • Lors des différentes phases de vol il se déplace sur l'aile en fonction de la vitesse et de l'incidence (30 à 50% de la corde). Plus ses déplacements sont importants et plus l'avion sera délicat à piloter.

42. I Les forces aérodynamiques2. Etude de la portance • Les variations de la portance sont appliquées en un autre point que l'on appelle le foyer (F). Il se situe, en théorie au quart (25%) de la corde en partant du bord d'attaque (en pratique entre 20 et 30%). Ces déplacements sont limités.

43. Aérodynamique et Mécanique du vol I Les forces aérodynamiques • Les actions de l’air en écoulement • Etude de la portance • Etude de la traînée

44. I Les forces aérodynamiques3. Etude de la traînée Les différentes traînées : • La traînée d'un profil résulte des forces de pression dans l'axe de l'avion. Toutefois on peut la décomposer en trois parties distinctes : - la traînée de forme - la traînée de sillage - la traînée induite (due à la portance).

45. I Les forces aérodynamiques3. Etude de la traînée • La première est liée à la forme du profil. Les différents profils engendrent des écoulements différents.

46. I Les forces aérodynamiques3. Etude de la traînée • La seconde est liée au décollement des filets d'air sur l'arrière du profil. Plus les filets se décollent et plus la traînée de sillage est importante. Elle est influencée par la vitesse et l'incidence de vol de l'avion.

47. I Les forces aérodynamiques3. Etude de la traînée • La dernière est liée aux différences de pression entre l'intrados et l'extrados de l'aile (qui engendrent la portance). L'air du dessous du profil a tendance à remonter vers le dessus au niveau des saumons d'aile. Cela crée des tourbillons que l'on appelle tourbillons marginaux.

48. I Les forces aérodynamiques3. Etude de la traînée • En extrémité d'aile ils partent de l'intrados de l'aile et remontent vers l'extrados. Ils s'élargissent au fur et à mesure que l'on s'éloigne derrière l'aile. • L'avion laisse derrière lui deux tourbillons qui engendrent des perturbations d'autant plus importantes que l'avion est de grande taille.

49. I Les forces aérodynamiques3. Etude de la traînée Influence de la forme : • Un mobile est placé dans la soufflerie. • A l’équilibre il s’immobilise en position 2. • La lecture du repère 2 donne la norme de la traînée.

50. I Les forces aérodynamiques3. Etude de la traînée Influence de la forme : • On utilisera 4 mobiles successivement. • Tous les mobiles ont la même surface frontale (maître couple). • Les films des diapositives suivantes présentent les manipulations.