Paul Dhont, Arnaud d'Hérail, Élie Caratgé
Lycée Notre-Dame Dijon
Introduction
Peintre, architecte, ingénieur, Léonard de Vinci (1452-1519) fut sans aucun doute l’un des plus grands artistes de son temps. Sa curiosité, son observation et sa grande imagination l’amenèrent à élaborer des dessins révolutionnaires dont s’inspirent certaines inventions de nos jours. Tel Icare et Dédale, il chercha à accomplir un de ses plus grands rêves : voler. Il étudia ainsi la vol des oiseaux, le mouvement et l’anatomie de leurs ailes, et conçu une machine aujourd’hui appelée « ornithoptère », engin volant constitué d’ailes actionnées par la force humaine permettant à un homme de voler. Cependant, il ne parvint jamais à faire aboutir son projet.
Autoportrait de Léonard de Vinci
Aujourd’hui, le transport aérien est développé dans le monde entier, et permet de voyager sur de très longues distances en très peu de temps. Le rêve de léonard de Vinci s’est donc réalisé et l’homme a trouvé le moyen de voler. Mais cela ne s’est pas fait en un instant. Le développement du transport aérien a nécessité de longues années de recherches, et le fonctionnement des avions actuels est bien différent de celui qu’envisageait Léonard de Vinci avec son ornithoptère.
Les 4 forces de l'avion
En effet, un avion est soumis à quatre forces : la portance, qui l’attire vers le haut, le poids, qui l’attire vers la bas, la poussée, qui attire l’avion vers l’avant et la traînée, qui l’attire vers l’arrière. L’équilibre de ces quatre forces permet à l’avion de voler, et différentes innovations furent apportées pour permettre une meilleure maîtrise de ces forces. Nous nous demanderons ainsi en quoi la maîtrise des forces par ces innovations techniques a permis au rêve de Léonard de Vinci de se réaliser.
Dans une première partie, nous étudierons le rapport existant entre le poids et les différents matériaux ayant permis son optimisation en opposition avec le principe de la portance. Puis, dans un second temps nous étudierons la maîtrise de la traînée qui s’oppose avec la force de poussée ou nous étudieront et des différents types de moteur en lien avec cette force.
I) La relation poids-portance
A) La force de poids
Qu’est ce que le poids ?
Le poids est une force, qui ici, s’oppose à la portance. Elle résulte de l’interaction gravitationnelle d’un objet avec la Terre. Elle dépend de la masse de l’objet, la masse de la Terre et de la distance séparant l’objet du centre de la Terre. Ainsi, la formule de calcul du poids est la suivante (dans le cas d’un avion, la distance entre l’objet et le centre de la terre varie souvent, on parle donc de force d’attraction):
F(O/T)=G*(( m(o)*m(t))/d^2)
Avec :
-
F(O/T) la force d’attraction de la Terre sur l’objet, en Newton
-
G la constante gravitationnelle terrestre
-
m la masse de l’objet ou de la terre, en Kg
-
d la distance entre objet et centre de la terre, en m
Ce schéma représente comment la force de portance (en bleu) s'oppose à celle de poids (en rouge).
La maîtrise du poids en aéronautique passe par le choix des matériaux. Les tout premiers avions fabriqués utilisèrent une structure en bois, associée à de la toile. Voici ci dessous le cas du bombardier Mosquito. Le poids est une force qui s’oppose à la portance. En outre, réduire le poids permet l’optimisation de la portance. Nous allons donc voir, à travers différents exemples, les différents matériaux utilisés afin d’assurer la solidité et le légèreté de l’avion.
Les premiers avions étaient constitués de bois pour l’armature et de toile pour les ailes. Le principal avantage de ce matériau était sa légèreté, qui compensait une faible maîtrise de la portance à cette époque. De plus, durant la première guerre mondiale, la première utilisation de l’aviation était destinée à des vols de reconnaissance. En outre, le blindage de l’avion n’était pas primordial, mais au fur et à mesure du temps, cette question deviendra de plus en plus importante.
Enfin, la légèreté de l’avion fait de lui un objet très influençable aux variations de pression ou aux turbulences de l’air en altitude. Le dernier avion à avoir été construit en bois fut le chasseur-bombardier anglais « Mosquito », connu pour ses performances exceptionnelles. En effet, sa légèreté lui permit de transporter de grandes quantités de bombes (900Kg) à une vitesse supérieure. Cette vitesse lui permit de dépasser les avions ennemis, diminuant ainsi ses besoins de blindage. De plus, les matériaux le constituant (balsa et bouleau) n’étaient pas des matériaux stratégiques à l’époque, ce qui permit d’en produire à faible coût. Ainsi, le bois dans l’aviation présente, malgré sa faible résistance, de nombreux avantages qui furent exploités au cours de l’histoire.
Les pièces de la structure d'un avion sont soumises a de nombreux efforts tel que la flexion, la torsion, la traction, la compression et le cisaillement. Les exigences pour le fuselage portent donc sur une grande résistance mécanique et une tolérance élevée aux dommages (ténacité). Aujourd'hui le bois n'est pas un matériaux assez résistant et l'aéronautique moderne se tourne vers d'autres matériaux, plus résistant, plus léger. On utilise principalement deux types de matériaux : les alliages d’aluminium et les matériaux composites.
A la suite de l’utilisation du bois dans l’aviation est venue l’utilisation du métal. Le plus utilisé d’entre eux est l’aluminium . L’aluminium permet de meilleures performances de col en raison de sa légèreté par rapport aux autres métaux comme le fer, de sa résistance et de sa souplesse. En effet, l’aluminium a la capacité d’encaisser de gros chocs bien qu’il ne soit pas très dur (la dureté du fer est de 4 tandis que la dureté de l’aluminium est de 1,5). Cette capacité est due à sa souplesse. Enfin, ce matériau est disponible en grande quantité et à faible coût, ce qui rend la construction d’avions plus accessible. Toutes ces caractéristiques font de ce métal un matériau idéal pour l’aviation. C’est pour cela que de nombreuses compagnies telles qu’Airbus ou Boeing l’utilisent.
Lingots d'aluminium destinés a être utilisés dans l'aéronautique
Cependant, bien qu’il soit entièrement recyclable, son extraction nécessite énormément d’énergie (courant électrique à très haute tension). Ainsi l’aluminium présentes des des caractéristiques permettant d’optimiser le poids de l’avion. Le tout premier avion a avoir été construit dans ce matériaux fut de Douglas DC-2.
Plus résistants et plus légers, les matériaux composites sont également très utilisés dans l'aéronautique mais ils ne répondent pas encore tout à fait aux besoins de l’industrie. À l’origine, on utilisait des contre-plaqués que l’on mélangeait avec de la résine synthétique. Mais maintenant, on utilise principalement des matrices renforcées par des fibres (fibres de carbone, fibres de verre, etc.) Les résines thermoplastiques utilisées dans les composites de l’aéronautique sont : Les polyamides, certains polyéthers, le polypropylène et le polyphénylsulfure. Ces matériaux possèdent de nombreux avantages, de part de leur légèreté, de leur bonne tenue à la fatigue, de leur résistance à la corrosion, ainsi que leur malléabilité.
Mais les matériaux composites possèdent également leur lot de désavantages. Ils sont sensible aux chocs et aux trous, ont une mauvaise tenue à la foudre, ainsi que des coûts élevés.
Les matériaux composites sont composés de deux éléments principaux. La matrice, pièces représentées en gris et bleu assurent la cohésion du matériaux. Les renforts, souvent composés de fibres de verre ou de carbone donnes la résistance au matériaux sans augmenter significativement son poids
Les matériaux composites se divisent en trois sous catégories, les composites à particules, les composites à fibres ainsi que les composites laminés comme représenté sur le schéma ci-dessous.
La fibre de carbone est un matériau composite laminé.
Aujourd’hui, les avions de chasse et certains avions de ligne sont construits en fibre carbone. En effet ce nouveau matériau, bien qu’ayant une dureté de 0,5 seulement et une masse volumique de 1,8 g.cm-1, est très utilisé pour sa grande résistance. Cependant, son coût est très élevé ce qui ne permet pas son développement actuel dans l'aéronautique civil.
l existe trois catégories de fibres de carbones :
(1) Les fibres à haute résistance (HR)
(2) Les fibres à module intermédiaire (IM)
(3) Les fibres à haut module (HM)
Les fibres utilisées en aéronautique sont dans la catégorie HR (T700).
Ces fibres sont caractérisées par une faible densité, une résistance élevée à la traction et à la compression, une grande flexibilité et une bonne conductivité électrique et thermique.
Ce graphique représente les propriétés des différents type de fibre de carbone. On remarque que les fibres à haute résistance sont plus résistant à la rupture mais moins élastiques. A l'inverse les fibres a haut module sont plus élastiques mais moins résistant à la rupture. Les fibre utilisés dans l'aéronautique font partit de la première catégorie, très résistant mais beaucoup moins élastique.
B) La force de portance
La portance en aéronautique est la force majeure qui permet à un avion de voler. C’est en fait la force que subie un corps en mouvement à travers un fluide. Elle s’exerce perpendiculairement à la direction du mouvement du corps et s’oppose à la force de la trainée.
Il existe plusieurs hypothèses à propos de la raison par laquelle une aile produit de la portance, nous retiendrons les deux plus grandes :
-Le Théorème de Bernoulli : plus la vitesse du fluide augmente, plus la pression diminue, créant ainsi la dépression. Le corps est attiré vers le haut ce qui lui permet de se maintenir dans les airs.
-La troisième lois de Newton : « Tout corps A (l'aile) exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B ». L'aile dévie l'air vers le bas, elle subit donc une force opposé à ce mouvement l'attirant donc vers le haut. Cette relation est nommée 3ème loi de Newton (ou loi d'action réaction) et est également présente lors de la poussée de l'avion, décrit plus tard.
Ce schéma représente le model de fonctionnement à la Bernoulli, le profil bombé de l'aile crée une zone de dépression au dessus de l'aile ce qui l'attire vers le haut. Cette zone de dépression s'explique grâce à l'effet Venturi. Selon cette loi, plus la vitesse d'un fluide (l'air) augmente, plus la pression et la température baisse. En possédant un profil bombé uniquement sur la face supérieur de l'aile, l'air passant au dessus de l'aile doit donc parcourir une plus grande distance que l'air passé en dessous dans un même temps.
Et selon la célèbre formule de vitesse, Vitesse=Distance/Temps, parcourir une plus grande distance dans un même temps signifie une augmentation de la vitesse, et selon Venturi, une augmentation de vitesse se traduit par une baisse de pression; et une plus faible pression au dessus de l'aile entraine un déplacement de cette dernière vers le haut.
Il est possible de déterminer la portance d’une aile avec le coefficient de portance noté Rz qui dépend de plusieurs variables :
-la masse volumique ρ du fluide
-la surface alaire S
-la vitesse V
-le coefficient de portance Cz.
Ce dernier dépend lui même de l’angle d’incidence, qui correspond à l’inclinaison de l’aile, de la pente de portance avec l’allongement effectif, de la forme de l’aile et de sa flèche, du dièdre et du profil de l’aile ainsi que de ma traînée induite.
La portance se calcule donc par cette formule :
Rz = 1/2 ρ V2* S *Cz
Elle s'exprime en Newton.
-Le coefficient de portance noté Cz
-La surface des ailes notées S en m²
-La vitesse de l’avion en m/s
-La densité de l’air en kg/m³
Nous venons d'étudier la formule ainsi que les différentes hypothèse sur le fonctionnement de la portance. Nous étudieront à présent les différentes applications de la portance dans l'aéronautique.
Au cours du temps, la portance a su être utilisée afin d’en tirer la meilleure efficacité possible. Les ailes ont donc été exploitées et modifiées pour obtenir des positions, des formes, un dièdre et un angle de flèche différents. Il existe ainsi de nombreuses configuration d’ailes.
La configuration d'aile est le nombre d'aile appelés plan. La catégorie des monoplans sera la première étudiée, suivie du biplan puis enfin du triplan.
Un monoplan est un avion qui ne possède qu’une seul paire d’aile dont la hauteur peut être variable sur le fuselage. Cette aile peut être basse, médiane, haute voire même parasol, chacune de ces positions possédant leur propre avantages et inconvénients et sont utilisées en fonction de la taille et du poids de l’avion.. Les monoplans sont les avions les plus fréquent du domaine aéronautique.
Cet avion ne possède qu'une seule paire d'aile, il s'agit donc d'un monoplan. L' A380 figurant en tant que fond d'écran de ce site est également un monoplan.
Un avion biplan est muni de deux paires d'ailes superposées. Ce type d'avion fut beaucoup utilisé durant les débuts e l’aviation et notamment par les frères Wright qui réalisèrent le premier avion motorisé. Les biplans ont aussi beaucoup été utilisée pendant la guerre 1914-1918. Sa construction se poursuivit entre les deux guerres, où il servait souvent d'avion d'entraînement. Dans les années 1960-1970 certains comme le Stampe SV4 ou le DeHavilland Tiger Moth servaient encore pour remorquer les planeurs. Le sesquiplan était un avion biplan dont l'aile inférieure a une envergure plus petite que l'aile supérieure.
Un triplan est un avion pourvu de trois paires d'ailes, superposées comme le biplan. Cette configuration très utilisée aux débuts de l’aviation permettait d'avoir une excellente portance pour une envergure plus petite augmentant ainsi la maniabilité.
Le nombre de plan n'est pas le seul élément de l'aile influençant sur la portance d'un avion. La forme de l'aile est également un facteur capital pour optimiser la portance.
L'aile droite, la plus courante, dispose d'une excellente portance mais ne permet pas de voler à des vitesses elevée et donc se destine principalement aux avions de tourisme. Depuis la fin de 2nd Guerre mondiale les avions rapides abandonnent les ailes droites au profit d’autres configurations. Ensuite, dans les années 1950-1960, de nombreuses autres solutions sont apparues pour atteindre des vitesses de plus en plus élevées.
L'aile en flèche permet contrairement à l’aile droite d'atteindre des vitesses plus élevées mais perd un peu en portance. Il lui faut ainsi une vitesse de décollage importante et son point de décrochage est précoce par rapport aux autres configurations d’ailes.
L'aile en flèche inversée, très peu utilisée, permet d’obtenir une maniabilité hors norme mais un pilotage difficile.
L'aile à géométrie variable permet de contourner les inconvénients des ailes précédente et donc de combiner les atouts de l’aile droite à ceux de l’aile en flèche. Ainsi, la portance élevée de l'aile droite s’utilise en phase de décollage puis l’aile en flèche se déploît pour profiter de la faible traînée et des hautes vitesses que permet l'aile en flèche. Cependant, le poids de ce système s’avère être un inconvénient.
L'aile oblique est une configuration similaire à l’aile à géométrie variable et pivote sur elle même en plein vol. Son mécanisme est plus léger mais reste extrêmement difficile à piloter. Elle n'a d’ailleurs jamais été produite en série. L'aile delta prend une forme de triangle et permet d’avoir à portance égale une plus faible épaisseur de l’aile puisque la surface est plus grande. Elle est donc très utilisé sur les avions supersoniques mais ne permet malgré tout pas une très haute maniabilité. Son utilisation importante à débuté à la suite de la première guerre mondiale. De plus, cette configuration d’aile a aussi touché au domaine civile et commercial avec notamment le Concorde mais ce projet a été abandonné en raison du coût élevé lié à la consommation de carburant mais aussi à cause d’un accident mortel en juillet 2000.
L'emplacement des ailes par rapport au fuselage est également un facteur variable pouvant influencer la portance, on dénombre trois catégories de position d'ailes; hautes, basses et médianes.
Avion à aile haute Avion à aile basse Avion à aile médiane
Le dièdre est l'angle, mesuré en degrés qui s'étend entre l'axe transversal et l'axe du longeron, c'est à dire l'écart entre le bout de l'aile et sa base. Il peut être positif, négatif ou nul et même parfois en « double » ou « triple » dièdre, combinant différent angles. Il dépend de la catégorie de l'avion.
La portance exercée sur un avion peut-être ajustée offrant ainsi une capacité de mouvement à l’avion et une augmentation ou une diminution de l’efficacité de cette portance.
-Les becs de bords d’attaque
Les becs de bords d’attaque permettent d’augmenter la surface alaire et donc la portance mais aussi la traînée. Ils sont généralement utilisé à faible vitesse et ils sont qualifiés de dispositifs hypersustentateurs.
-Les volets fowler
Les volets fowler sont des dispositifs situés au niveau du bord de fuite qui permettent d’augmenter la surface et la courbure de l’aile
-Les ailerons
Les ailerons permettent de faire tourner l’avion grâce à un système de roulis Ils existent les ailerons basses et haute vitesse. Les basses vitesses sont aussi situés sur le bord de fuite, aux extrémités de l’aile tandis que les hautes vitesses, plus petit sont situés proches du fuselage. Ces deux types d’ailerons s’utilisent donc en fonction de la vitesse de l’avion.
-Les spoilers
Les spoilers qualifiés de destructeur de portance sont des surfaces mobiles du dessus de l’aile qui se déploient vers le haut. Ils diminuent la portance tout en augmentant la traînée afin de faire incliner l’avion ou de le faire descendre. Ce sont des hyposustentateurs.
-Les aérofreins
Les aérofreins permettent de réduire considérablement la portance en augmentant la traînée. Ils se trouvent au dessus de l'aile et tout comme les spoilers, se déploient vers le haut. Ils freinent donc l'avion et sont utilisé lors de la phase d’atterrissage afin d'assurer une bonne stabilité
La portance est donc le phénomène physique qui permet à un aérodyne de s'élever et de se maintenir dans les airs. Elle s'exerce sur les ailes de l'avion lorsque celui ci subit une poussée. Elle s'oppose au poids, qui lui attire vers le sol. C'est pourquoi la force de portance doit-être optimisée au maximum afin d'améliorer les performances de l'avion. Les ailes sont ainsi équipées de mécanismes permettant une meilleur maniabilité. Au cours de l'histoire de l'aviation, on retrouve de nombreuses formes et positions des ailes adaptée à une utilisation spécifique tel que la reconnaissance ou le loisir. Léonard de Vinci avait cependant négligée cette force indispensable sur son ornithoptère. En effet, il s'inspirait du vol d'un oiseau en reproduisant les battements des ailes, mais la machine était donc d'un poids conséquent et n'a jamais pu s'envoler.
II) La relation traînée-poussée
A) La force de traînée
La traînée est la force qui s’oppose au mouvement d’un corps dans un fluide (liquide ou gaz). Sa force s’exprime par le vecteur .
Pour un avion, il existe deux types de traînée :
-
La traînée induite
-
La traînée parasite, où l’on distingue traînée de frottement et traînée de forme
Cette force ralentit l’avion et augmente donc sa consommation de pétrole. Une réduction de celle-ci est donc nécessaire afin d’effectuer des économies de pétrole.
On distingue également une autre application de la traînée : les volets hypersustentateurs, qui augmentent la traînée de forme et permettent à l’avion de ralentir, car la traînée attire l’avion vers l’arrière.
La traînée induite (sous entendue « induite par la portance) fut théorisée en 1918 par Ludwig Prandtl. Voici son fonctionnement :
Sur ce schéma, on comprend que l’air situé dans l’intrados de l’aile, en surpression, à tendance à vouloir contourner l’aile pour rejoindre l’extrados, en dépression. Ce mouvement rotatif crée des tourbillons appelés tourbillons marginaux ou tourbillons de Prandtl. En anglais, on parle de Vortex. Ils entraînent une perte d’énergie de 8% pour l’aéronef. (NB qu’un aileron ou un volet déplacé pour n’importe quelle raison crée à lui seul 4 tourbillons marginaux)
Ensuite, sur ce schéma, on peut constater que la déviation du flux d’air due à la différence des pressions expliquée précédemment entraîne la création de nouveaux tourbillons au niveau du bord de fuite, appelés tourbillons du bord fuite, ou tourbillons libres. L’ensemble des tourbillons libres et des tourbillons marginaux forme la traînée induite.
La résistance induite, notée Rxi, se traduit par le formule suivante :
Où :
1/2ρV² est la pression aérodynamique, en Pa
S est la surface alaire, en m²
Cxi est le coefficient de traînée induite
Rxi=1/2ρv^2*S*Cxi
La pression aérodynamique se calcule de la manière suivante :
Où :
ρ est la masse volumique du fluide, en Kg/m3
V est la vitesse relative au fluide, en m/s
1/2ρV^2
La finesse de l’avion dépend de son allongement. Lorsqu’un aéronef a un allongement important, il a une plus grande finesse. Voici quelques exemples :
Il existe donc deux solutions pour réduire la traînée induite d’un aéronef.
La première consiste à avoir l’allongement le plus important possible. On réduit ainsi les tourbillons marginaux. Certains planeurs et avions de lignes utilisent ce principe, qui engendre cependant deux problèmes :
-
Une moins bonne manœuvrabilité de l’aéronef
-
Des efforts de flexions plus importants d’où la présence de haubans, qui augmentent le poids de l’aéronef et créent parfois une traînée de haubans (c’est le cas pour les avions biplans de la première guerre mondiale, qui possédaient des haubans entre leurs ailes)
La deuxième solution consiste en de petits dispositifs appelés « winglets ». Ceux-ci furent inventés en 1973 par Richard Withcomb, un ingénieur de la NASA, lors du choc pétrolier de cette même année. Nous allons expliquer les circonstances de cet événement en démontrant comment l’histoire influe sur l’apparition de nouvelles innovations.
Tout d’abord, il est nécessaire de comprendre qu’au cours du XXème siècle, en particulier lors de la période de prospérité économique appelée « Trente Glorieuses », la consommation mondiale de pétrole atteint des proportions considérables. Même les USA sont obligés d’importer du pétrole en provenance du Moyen Orient, car leur de pétrole atteint un pic pétrolier, c’est-à-dire le maximum de sa capacité, mais la consommation ne cesse d’augmenter. Cependant, le prix du pétrole est très bon marché (prix du baril de pétrole : 3$), l’économie mondiale est donc prospère.
En 1960, lors de la conférence de Bagdad est créé l’OPEP, ou Organisation des Pays Exportateurs de Pétrole, afin d’établir un prix pallier du baril de pétrole, permettant ainsi le développement des pays exportateurs de pétrole. Initialement, ce sont 5 pays qui adhèrent à cette organisation, dont le siège social est à Genève, en Suisse.
Or, en 1973, la Libye et la Syrie font une coalition et déclarent la guerre à Israël le jour de la fête religieuse de Yom Kippour, afin de récupérer les territoires perdus lors de la guerre de six jours. Nous sommes en pleine guerre froide et les USA décident de soutenir Israël en les approvisionnant en armes. L’URSS soutient quant à elle la coalition. Cette alliance USA-Israël crée de mauvais liens entre les USA et l’OPEP.
En 1973, l’OPEP, pour punir les États Unis de leur intervention sur le terrain Oriental, augmentent de 70 % le prix du baril de pétrole. Il est ensuite convenu une baisse de 5 %. En définitive, le prix du baril de pétrole est passé de 3$ à 12$.
Cela a des conséquences graves sur l’économie Américaine et mondiale. On assiste donc à la crise qui met fin aux Trente Glorieuses. Dans les stations essence, il n’y a parfois plus de pétrole. Les USA sont donc contraints de faire un maximum d’économies sur la consommation de pétrole, notamment dans les transports aériens.
En cette même année, l’ingénieur Richard Withcomb, de la NASA, inspiré par le vol du pygargue à tête blanche, met au point des petits dispositifs appelés « winglets », qui consistent en un recourbement de l’aile en son extrémité. Le gain d’efficacité en économie de
pétrole est de 2 %. Dans ce contexte, l’apparition des winglets est providentielle car elle permet de réduire la consommation de pétrole.
Les winglets ont pour principe de réduire la traînée induite en augmentant la portance. Il convient de préciser que la répartition de la portance sur la surface de l’aile n’est pas uniforme et dépend de la forme de l’aile. Ainsi, la portance a tendance à être plus faible sur les bords de l’aile car dans cette zone, la différence de pression intrados/extrados est plus faible. Les winglets vont en quelque sorte redresser le flux d’air et créer une portance latérale orientée vers l’avant et réduire les tourbillons marginaux.
Ainsi, l’histoire peut influer sur l’apparition de nouvelles techniques ou innovations. La maîtrise de la traînée a donc été stimulée par la nécessité d’effectuer des économies de pétrole au XXème siècle.
La trainée induite n'est pas la seule catégorie de trainée présente sur un aéronef. La trainée parasite fera à présent l'objet de notre étude
Le second type de traînée est appelée traînée parasite. De même que la traînée induite, sa formule est la suivante :
Où Cxp est cette fois le coefficient de traînée parasite
Rxp=Cxp*S*1/2Pv^2
Elle résulte de l’addition de plusieurs types de traînées : On distingue en effet la traînée de frottement, due à la viscosité de l’air et au frottement de celui-ci contre la surface de l’avion, la traînée de forme, due aux différentes formes des avions, ainsi que la traînée d’interférence et de compressibilité. Nous ne traiterons que des traînées de forme et de frottement dans ce paragraphe.
La traînée de frottement, comme indiqué précédemment, est due à la viscosité de l’air et à a surface de l’avion (fuselage et ailes). D’autres facteurs, tels que l’angle d’attaque entrent également en compte, mais nous ne traiterons que de ces deux derniers dans cette partie. Nous avons vu les différents types d’écoulement de l’air, mais si la forme de l’aile influe sur celui-ci, c’est sans préciser que le frottement de l’air a également son importance dans ce phénomène. Nous allons tout d’abord définir ce qu’est une couche limite. La couche limite, de manière simplifiée, est la zone accolée à la surface de l’aile, dans laquelle a lieu l’accommodation entre la vitesse nulle en surface et la vitesse locale de l’air libre. La couche limite peut avoir différentes épaisseurs en fonction de la vitesse de l’aéronef. La zone de la couche limite ou l’écoulement de l’air passe d’un état laminaire à un état turbulent est appelée zone de transition. C’est dans cette zone que se produit le frottement le plus important, qui ralentit l’avion.
Pour éviter la traînée de frottement, il existe premièrement une solution simple : nettoyer l’avion après chaque vol, les particules présentes sur la surface de l’aile contribuent au frottement avec l’air et ralentissent l’avion. Une deuxième solutions existe, quelque peu plus technique, en consiste à appliquer des rainures longitudinales sur la paroi de l’aile. Ce procédé est inspiré de la peau du requin, qui possède ces mêmes rainures (appelées riblets) afin de nager plus vite dans l’eau. Le fonctionnement des riblets est le suivant : se frottant contre la paroi irrégulière de l’avion, la couche limite va devenir turbulente plus rapidement et la zone de transition va se situer plus en aval sur la surface de l’aile et va être ainsi réduite. Ce phénomène maintient l’air près de l’aile et, paradoxalement, diminue la traînée de frottement. Ce procédé, mis au point par la compagnie Lufthansa en 2013 sur ses avions de type A340 et A300 permet ainsi de maitriser la traînée de frottement et d’effectuer des économies de carburant.
Les riblets du requin
La traînée, force opposée à la poussée, est l’objet de constantes recherches par des compagnies aériennes, car elle constitue un enjeu majeur pour les économies de pétrole, dans le cadre du développement durable, mais aussi dans la concurrence internationale des compagnies aériennes. Léonard de Vinci ne la connaissait pas et ne l’a donc pas prise en compte pour la conception de son ornithoptère. Or, s’il avait trouvé le moyen de propulser sa machine autrement que par la force humaine, il se serait heurté à ce problème de maîtrise de la traînée. A l’inverse, s’il avait tenté de comprendre ce phénomène, peut-être aurait-il trouvé le moyen de propulser sa machine de manière plus efficace ? Ainsi, la traînée est une force majeure au même titre que la poussée ou la portance.
B) La force de poussée
La force de poussée est une force qui résulte de l’éjection de gaz que peut composer l’air ambiant vers l‘arrière d’un aéronef qui, selon la 3ème loi de Newton entraîne le déplacement de l’avion vers l’avant. De part la conversion de l’énergie thermique du carburant en énergie cinétique, elle permet a l’avion de se déplacer. La force de poussée est la force qui s’oppose à la traîné. Lorsque la traînée est supérieure à la poussée, le vol d’un aéronef est impossible alors qu’à l’inverse si la force de poussée est supérieure a la traînée, le vol devient possible et sa vitesse augmente proportionnellement en même temps que la poussée. Pour que la vitesse du vol soit constant, ces deux forces doivent s’équilibrer
Au cour de cette partie, nous porteront notre étude sur les différents moyens de propulser un avion en étudiant d'abord les moto propulseurs, ensuite les turbopropulseurs et enfin les turboréacteurs pour finir sur les moteurs à énergie électrique
L’hélice utilisée peut être tractive si elle se trouve à l’avant du fuselage ou bien propulsive si elle se trouve à l’arrière de l’empennage. Ces moteurs sont adaptés aux vols en basse altitude et utilisés en aviation légère et sportive. L'efficacité des motopropulseurs est due au pas de l'hélice ainsi qu'au type de moteur utilisé. On distingue deux catégories de moteurs: les moteurs en ligne et le moteurs en étoile.
Le moteur en étoile a été conçu par Robert Esnault-Pelterie, ingénieur en aéronautique Français né le le 8 novembre 1881 à paris et est mort le 6 décembre 1957 à Nice. Il inventa notamment l'aileron en 1905, le manche a balais une année plus tard ainsi que le moteur en étoile en 1907.
Moteur en étoile
Deux des principaux avantages de ces moteurs sont qu'ils sont plus faciles à refroidir par air, ce qui est un avantage conséquent du fait qu’ils sont utilisé sur des avions. Un moteur en étoile est également plus compact, plus léger et moins coûteux que d'autres architectures (en ligne, en V, en H ou en W par exemple).
Le graissage se fait par carter sec.Le graissage par carter sec est un système de lubrification dans lequel le réservoir de graisse est séparé du bloc moteur, permettant ainsi un apport en lubrifiant au moteur quel que soit sa position. Cela facilite l'adaptation de ce type de moteur au vol acrobatique, si l'avion se retrouve dos au sol lors d'une vrille, le graissage du moteur reste toutefois possible même contre la gravité. Avec ce type de moteurs, l’alimentation des chambres en carburant est également possible contre la gravité ce qui n’était pas le cas au par avant. Ces évolution techniques représente un véritable avantage lors des combats aérien qui à été très exploité lors de la 1er guerre mondiale.
Biplan utilisés lors de la 1er guerre mondiale
Sa première utilisation en conflit majeur est en 1914, au début de la première guerre mondiale La guerre de mouvement était terminée et le front s'était stabilisé.
Le rôle de l’aviation au début de cette période est d’abord remise en cause par les généraux habitués aux combats terrestres mais l’aviation de guerre est très vite perçue comme un avantage et, bien que rudimentaire, est utilisé lors de missions
de reconnaissance aérienne qui voient le jour à partir de mars 1915.
Ces missions de reconnaissances photographique permettent la création de d’une carte des réseaux des tranchées ennemies, grâce à des plaques photographiques. Elles permettent également d’indiquer à l’artillerie au sol la position des troupes ennemies jusqu’alors invisible depuis la position de tir au sol. Mais la radio sans fil n’étant pas développée, des problèmes de communications survenaient. Les missions permettant de
communiquer avec les troupes au sol sont possible mais elles constituaient généralement au largage de messages depuis l’avion.
Les avions de 1914 ne pouvaient emporter que des chargements très légers a cause de la faible puissance des moteurs de l’époque, les bombes étaient rudimentaires et les systèmes de visée restaient à développer. Néanmoins, les débuts des bombardements tactiques et stratégiques eurent lieu dès les débuts de la guerre. Les bombardements constituaient généralement au jet de grenades directement depuis le poste de pilotage. La création du système de tir à travers l’hélice en 1914 a permis de renforcer la place de l’aviation dans les combats aériens.
A présent l'étude se portera sur la classe de turbopropulseurs
Les turbopropulseurs ou également appelés les turbomachines sont des moteurs qui crée de la force de poussée par la mise en rotation d’un hélice par laquelle proviendra la grande majorité de sa puissance. Contrairement à la classe de moteur précédent, les turbomachine possédant en plus d’une hélice propulsive ou tractive un compresseur ainsi qu’une chambre de combustion pour tirer des gaz d'échappement la majorité de leur puissance.. Par ce procédé, les gaz d'échappement on une vitesse de sortie et une température plus élevé qui se traduit par une plus faible pression donc plus de vitesse due à l'effet venturi
Rappelle de la loi de Venturi, si la vitesse d’un fluide augmente, alors sa sa température diminue avec sa pression. Pour les vols à courtes distances, les turbopropulseurs sont la solution la plus économique. Ils consomment moins de carburant que les turboréacteurs et sont plus performant lors des phases de décollage et d'atterrissage, permettant à l'avion qui en possède de pouvoir atterrir et décoller sur des pistes plus courte tel que des pistes en terre battue ou des porte avion ce qui justifie son utilisation dans les domaines médicaux et militaire ou dans le transport civil en moyen courrier .
Ce type de propulseur utilise également une pièce nommée le réducteur.
Lorsque la vitesse de rotation de l'hélice augmente, la vitesse de l'avion augmente également mais jusqu'à une certaine limite.
En effet, passé la vitesse du son, l'extémité des pales vont subir des ondes de choc transsonique qui vont très fortement faire baisser l'efficacité du moteur
C'est la raison pour laquelle un avion a hélice ne peut pas dépasser la vitesse du son.
Ils ont généralement leur vitesse de croisière compris entre 400 et 700 Km/h.
A présent nous étudieront la classe de turboréacteurs, classe la plus utilisée de nos jours et également la plus efficace
Dans cette classe de moteur, la totalité de la puissance provient de la combustion d’un carburant qu’est le kérosène avec un comburant qu’est l’air ambiant
La première apparition des cette classe de moteur à lieux lors de la seconde guerre mondiale développée par l’armé nazie pour équiper leur flotte de chasseur Messershmitt, mais trop tardivement pour empêcher leur défaite. Jusqu'à ces dernières 20 ou 30 ans, la propulsion par le biais des hélice représentait la quasi totalité des moyens de propultion dans l’aéronautique mais les avion ne pouvait pas atteindre des vitesse supersoniques en ne pouvant pas dépasser la vitesse de 720 km/H soit environ les 200m/S
Ce système de propulsion le plus aboutit à nos jour ( sauf en terme de consommation de carburant) se base également sur le principe d’action réaction qu’expose la 3ème loi de Newton, selon laquelle a chaque action est opposée une réaction égale et opposée.
Dons si les gaz d’échappement des deplace vers l’arrière de l’avion, alors l’avion se déplassera vers l’avant.
Pour se représenter le fonctionnement complexe que représente un turboréacteur, on immagine un tube dans lequel entre un gaz à savoir l’air à une vitesse dite V0 et en ressort a une vitesse V1 plus importante que V0
Si on se fie a ce point de vue, les turboréacteurs ne se distinguent pas des classe de moteur précédents sauf que si on observe dans le détail, à travers d’un turboréacteur, les gaz d'échape ment voient leur condition de température et de pression significativement augmenter, et, canalisés dans un tube, ces gaz ressortent à des températures proche des 2000 °C et à des vitesse supérieure à 1000 Km/h, ce qui au travers de la loi de venturi crée une force de poussée bien supérieur aux simple hélices
Le calcul simplifié de la poussée d’un turboréacteur se donne avec la formule suivante :
F: Poussée du turboréacteur
D: Débit massique de l'air traversant le turboréacteur
V2: Vitesse d'éjection des gaz en sortie de tuyère
F=D(V2)
Les turboréacteurs représentent une conception très complexe et doivent supporter des conditions de fonctionnement extrêmes avec des températures extrêmement élevés ainsi que des condition vibrations très importantes. La réalisation de cette classe de moteur est donc possible grâce à de nouveaux matériaux de plus en plus solide et résistant avec un point de fusion élevé tout en gardant un poids minimal . Aujourd’hui, la science des matériaux représente un véritable domaine et est essentiel dans la production des avions de demain.
les turboréacteurs sont donc la classe de moteur pouvant atteindre des vol supersoniques. Cependant, la majorité des chasseurs militaires et quelque avions civils peuvent être équipés d'un système de post combustion pour améliorer ses performances .
La poste combustion également appelé réchauffe est un système qui consiste en l’injection de carburant après la combustion d’ou le nom post-combustion .
Comme précédament, c’est encore l’augmentation des températire de combustion qui provoque encore un fois due à l’effet venturi une augmentation de la force de poussée
Les gaz issue de la première combustion nommée combustion primaire contiennent encore assez d’oxygène pour subir une post combustion. Cet apport significatif de
puissance permet d’augmenter les capacités de vol. Le décolage sur piste courte tel les porte avions ( la piste ne meusurant que 150 metres)
Le système de post-combustion est également utilisé sur certains avions civils tel que le concorde en france et le Tupolev en Russie .
Cependant, il n'est utilisé que transitoirement, car c'est un gros consommateur de carburant.
Pour finir, la dernière étude se portera sur les moteurs à énergie électrique
Les moteurs à énergie électrique.
Les moteurs à énergie électrique sont comme leur nom l’indique à énergie électrique. Bien que plus écologiques, ils sont tout de même moins performants que les moteurs thermiques . L’avantage des classe de moteurs précédent, c’est le carburant utilisé.
Le carburant aéronautique à: une forte masse volumique pour diminuer le volume des réservoirs à masse donnée, une faible inflammabilité aux conditions de température et de pression d'emploi, pour augmenter la sécurité du vol en évitant les risque d'incendie inopportuns, un bon pouvoir lubrifiant pour garantir une bonne durée de vie des pompes et différents organes traversés par le carburant. Aujourd'hui c'est un hydrocarbure insaturé, le kérosène qui répond le mieux à tous ces critères.
Aujourd’hui, le principal inconvénient des avions à énergie électrique est le stockage de l’énergie. L’énergie se stockant dans des batteries, le rapport poids puissance est donc plus élevé qu’un réservoir de kérosène.
Une solution semble se dégager à travers des piles à combustibles.
Une pile à combustible est un générateur de courant qui transforme l'énergie d'une réaction chimique en courant électrique de façon continue. Cette réaction est l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur une autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. Comme toutes les autres piles, elle possède une cathode et une anode et consomme son oxydant (ici le dioxygène) et son réducteur (ici le dihydrogène). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en dihydrogène et dioxygène.
Un avion électrique est un aéronef dont la propulsion est assurée par un ou des moteurs électriques, alimentés par des batteries, des panneaux solaires ou des piles à combustible.
Jusqu'à la décennie 2010, les avions alimentés par batteries sont surtout des prototypes, des drones ou des modèles réduits. Leur production en série n'est pas envisageable à cause de leurs performances modestes et de la concurrence des technologies plus anciennes non électriques plus performantes et adaptées au transport aérien, la densité d'énergie du stockage électrique restant à ce stade trop faible.
Le prototype de Solar Impulse 2 du suisse Bertrand Picard, alimenté par sa propre production électrique par panneaux solaires, réussit en 2015-2016 l'exploit historique, pour un avion électrique, de réaliser le tour du monde. En 2017, l'intérêt pour l'avion électrique est relancé avec des annonces par Airbus ou EasyJet de la réalisation de vols commerciaux à courte distance à l'horizon 2027.
Dans un moteur à énergie électrique, il n'y as pas de combustion. C'est un champ magnétique créé par les électro-aimants du stator ( pièce interne du moteur) qui permettent la rotation du rotor, lui même relié a une hélice. Si vous avez donc compris, ne possédant pas de système de combustion, les moteurs électriques se rapprochent donc des motopropulseur. Se fixe donc ici la limite actuelle des moteurs à énergie électrique. Ne pouvant qu'entraîner la rotation d'une hélice, absolument tout les inconvénient des motopropulseurs se retrouvent donc ici avec l'impossibilité de dépasser la vitesse du son, une puissance réduite en terme de chevaux auquel s'ajoute le poids des piles a combustibles. Cependant, de nombreuses évolution technique sont encore à venir, comme le développement des batteries qui sont aujourd'hui de plus en plus puissantes avec une masse de moins en moins importante. Avec comme objectif premier de réduire la production de gaz à effet de serre, les enjeux du développement de ce type de technologie est plus que nécessaire dans un monde de plus en plus pollué par l'homme
Ici est représenté un moteur électrique de voiture mais le fonctionnement sur un avion est identique
La poussée est la force qui permet à un avion de s’opposer à la traînée. C’est donc une force fondamental et nécessaire au vol des avions. Léonard de Vinci, lors de la conception de sa machine volante à tenu compte de cette force en s’inspirant du vol des oiseaux mais il ne disposais pas des aquis de notre temps,mais la force de poussée générée par le battement des aile étant inférieur a la traînée, son échec sur le point de vu de cette force se comprends donc
Conclusion
Si le fait de voler semble aujourd’hui être une action relevant de la banalité, il s’agit en réalité du fruit de longues années de recherches par des scientifiques ayant consacré leur vie entière à ce domaine. En effet, maîtriser le vol d’un aéronef ne s’est pas fait en un jour: de nombreux faits historiques tels que les guerres, les crises économiques ou encore le développement durable aujourd’hui influent sur la recherche en aéronautique, car les besoins changent en fonction des époques (transports, guerre, loisirs etc…). Depuis Icare en passant par Léonard de Vinci, de nombreux hommes cherchèrent à voler en observant la nature et les oiseaux. Malheureusement, ceux-ci n’avaient qu’une faible connaissance des forces influant sur un aéronef. Nous pouvons donc conclure en affirmant que fait de voler nécessita de nombreux progrès techniques tels que l’invention du moteur à explosion, l’avancée dans la connaissance sur la dynamique des fluides, la découverte de nouveaux matériaux, qui contribuèrent à une meilleure maîtrise des forces (poussée, traînée, poids et portance) afin d’assurer des conditions de vol de plus en plus sécurisées et efficaces. C’est ainsi que le rêve de Léonard de Vinci devint réalité.