Transcription du cours “Comment vole un avion?” proposé sur la plateforme FUN MOOC par ISAE et SUPAERO.

L'avion est avant tout constitué d'un fuselage et d'une voilure. La fonction du fuselage est avant tout de transporter la charge utile mais également de connecter les différentes surfaces aérodynamiques entre elles. La partie avant du fuselage est appelée le nez et la partie arrière la queue.

La voilure est la surface aérodynamique principale en charge de produire la portance qui vient équilibrer le poids en vol de croisière. La voilure est la surface complète composée de l'aile droite et de l'aile gauche. La désignation droite et gauche est toujours prise du point de vue du pilote.

Au niveau de la queue de l'avion se trouve une surface verticale appelée dérive ou empennage vertical et un plan horizontal désigné empennage horizontal.

Les aéronefs sont en général équipés d'un système propulsif: il fournit l' énergie mécanique nécessaire à l'avion. Celle-ci est utilisée pour:

• gagner de la vitesse au décollage;
• monter et compenser la perte d'énergie due à la traînée aérodynamique.

La région où les ailes se raccordent au fuselage est appelée emplanture. L'extrémité opposée est désignée bord marginal.

Sur la dérive (plan vertical), la partie mobile est appelée gouverne de direction ou drapeau.

Lorsque l'angle de calage de l'empennage horizontal peut être ajusté il est nommé PHR¹⁾ ou en anglais THS²⁾.

Comme la dérive, l'empennage horizontal est équipée de surfaces mobiles, les gouvernes de profondeur.

L'aile est équipée d'une série de surfaces mobiles. De l'emplanture vers le bord marginal on trouve en général:

• Les volets de courbures
• Les spoilers ayant pour fonctions de détruire la portance à atterrissage, de contribuer au contrôle en roulis et de fournir de la traînée pendant la descente ou pour décélérer.
• Au voisinage du bord marginal on trouve l'aileron, gouverne permettant le contrôle en roulis.

Lorsque l'avion est au sol, son poids est essentiellement supporté par son train principal. Le train auxiliaire permet d'équilibrer l'avion et contribue à la dirigeabilité au sol. Dans la configuration tricycle (la plus courante de nos jours) le train auxiliaire est positionné sous le nez de l'avion. Le train auxiliaire peut également se trouver sous la queue de l'avion dans la configuration dite “classique” que l'on retrouve sur les avions plus anciens.

Sur l'aile, près du bord marginal, on trouve une gouverne: l'aileron. Chaque aile possède un aileron, leurs mouvements sont opposés. La commande de vol actionnée par le pilote permettant de braquer l'aileron dépend des aéronefs, ce peut être un volant à tourner ou un manche à actionner latéralement. Cette commande agit sur le roulis, l'avion s'incline vers la droite ou vers la gauche.

• Lorsque le manche est incliné sur la gauche, l'aileron gauche se braque vers le haut, le droit se braque vers le bas et l'avions s'incline sur la gauche. Les deux ailerons forment une paire et se braquent simultanément dans les directions opposés.

Du coté de la queue de l'avion, la dérive se compose d'une partie mobile: c'est la gouverne de direction qui peut tourner vers la droite ou vers la gauche. Pour actionner cette gouverne le pilote utilise le palonnier. Les pédales du palonnier ont un mouvement antagoniste.

Toujours sur la queue, si l'ensemble du plan horizontal est mobile pour assurer la fonction de gouverne de profondeur on le dit monobloc. Pour actionner la gouverne de profondeur le pilote agit sur le manche d'avant en arrière:

• En tirant sur le manche la gouverne se braque vers le haut, cela engendre en vol un mouvement à cabrer (le nez remonte).
• En poussant sur le manche, la gouverne se braque vers le bas, cela engendre en vol un mouvement à piquer (le nez plonge).

En vol en absence d'effort sur le manche, la profondeur se stabilise à une position d'équilibre. La surface mobile présente sur la profondeur est désignée compensateur de profondeur et permet d'ajuster en vol cette position d'équilibre.

En revenant du coté de l'aile, près de l'emplanture se trouve le volet de courbure. Les volets sont des dispositifs hyper-sustentateurs utilisés pour le vol à faible vitesse:

• position rentrée en croisière
• sortis lors du décollage
• complètement sortis à l’atterrissage.

L'architecture des commandes de vol adopte des standards mais peut être assez variable d'un avion à l'autre.

La géométrie caractérise la voilure de l'avion. Selon leur type les avions peuvent présenter des géométries très différentes. Examinons les différents paramètres qui peuvent être utilisés pour décrire la géométrie de chacun.

Un avion présente un axe de symétrie par rapport auquel chaque aile est le reflet de l'autre. Au sein du plan de symétrie, on peut définir un axe reliant le nez à la queue de l'avion: c'est l'axe longitudinal x.

Perpendiculairement au plan de symétrie, on trouve l'axe latéral y.

Les ailes ne sont pas forcément parallèles à l'axe latéral y. Chaque aile fait un angle δ (delta) dans le plan vertical avec l'axe y. C' est l'angle dièdre.

Lorsque, comme sur cet A400M, l'aile descend de l’emplanture au bord marginal, le dièdre est compté négativement.

La distance entre les bords marginaux des ailes définit l'envergure b.

• Le coté avant de l'aile recevant le vent relatif est désigné bord d'attaque.
• Le côté arrière de l'aile est le bord de fuite.

Les segments de droites reliant le bord d'attaque au bord de fuite sont les cordes de longueur c. On définit en général la corde d'emplanture et la corde marginale. Le constructeur peut choisir une corde particulière qu'il désigne alors corde de référence. Les aérodynamiciens définissent également la MAC³⁾, là où la résultante des forces aérodynamiques de la demi voilure est supposée s'appliquer.

La surface alaire de référence ou Sref est une valeur très importante. C'est l'aire de la voilure complète prolongée à l'intérieur du fuselage jusqu'à l'axe de symétrie. Ce prolongement peut être définit de différentes façon et les constructeurs peuvent faire des choix différents.

A partir de la surface de référence Sref et de l'envergure b on définit l'allongement λ(lamda) par la formule:

λ = b² / Sref

Si on considère une aile de forme rectangulaire simple, alors Sref = b . c, dans ce cas λ = b / c, c'est à dire le rapport de l'envergure à la corde.

L'allongement est un rapport important pour l'efficacité aérodynamique de l'aile. Le rapport est généralement très faible pour les avions supersoniques ( λ = 1,83 pour Concorde) et peut monter au delà de 40 pour des planeurs de performance.

L'angle entre l'axe latéral y et le bord d'attaque de l'aile est désigné flèche de bord d'attaque Φ (phi). On peut également définir une flèche de bord de fuite. Lorsqu' aucun bord n'est spécifié, la flèche fait référence à la ligne de 25% reliant tous les points situés à 25% de chaque corde. La flèche a un impact direct sur les caractéristiques en vitesse élevée. Elle est positive vers l’arrière et négative vers l’avant.

Dans l'image ci-dessus, Concorde, la Caravelle et l’A400M ont tous un angle de flèche positif, mais, le planeur ASK13 a un angle de flèche négatif, plus pour des raisons de conception (afin de garantir que la banquette arrière soit proche du centre de gravité) que pour des raisons aérodynamiques.