MÉCANIQUE DU VOL
<= Notes sur les pratiques techniques
Loi de l’inertie: Les choses ont une tendance naturelle à continuer à faire ce qu’elles sont en train de faire, à savoir rester immobile ou bien garder leur vitesse si elles sont en mouvement uniforme. Quand on cherche à modifier le mouvement d’un corps, il naît une force d’inertie s’opposant à cette modification, force d’autant plus intense que le corps considéré a une masse plus conséquente (e.g. lorsqu’une force centripète fait tourner un mobile, il naît une force centrifuge, .i.e. il n’y a pas d’équilibre possible tant que les forces d’inertie sont en travail).
Loi de l’action et de la réaction: Chaque fois que l’on applique une force à un corps, il naît une force de réaction égale et opposée à la force appliquée.
- en vol rectiligne uniforme la résultante des forces aérodynamiques est égale et opposée au poids : RFA+Poids=0
- ressource: RFA>poids; l’aéronef subit une accélération vers le haut, la trajectoire s’incurve vers le ciel
- abattée: RFA<poids; l’aéronef subit une accélération vers le bas, la trajectoire plonge vers le sol
- virage à vitesse constante (i.e. stabilisé): la force résultante RFA+Poids est une force centripète, qui ramène à chaque instant l’aéronef vers le centre du virage; la force d’inertie est une force centrifuge
nota :
- la force résiduelle se voit au changement de trajectoire
- la force d’inertie se sent à la traction dans le harnais
Définitions:
- Charge alaire: rapport du poids total sur la surface de voilure
- Facteur de charge: Portance/poids; le poids apparent, que ressent le pilote, est égal au poids réel multiplié par le facteur de charge. Celui-ci augmente en virage ou dans le cas de ressource
- Centre de gravité: point fictif où serait concentré la masse tout en étant mécaniquement équivalent au système matériel considéré (CG)
- Centre de poussée: point d’application de la résultante des forces aérodynamiques (CP)
- Centrage: position du centre de gravité par rapport à l’aile. En parapente on règle le centrage par le calage des suspentes.
- Taux de chute: (hauteur perdue)/(temps mis à la perdre)
- Finesse: (distance-horizontale-parcourue)/(hauteur-perdue); elle est égale au rapport de la portance sur la traînée, elle ne dépend que de la forme du profil et de son incidence de vol. Elle représente la capacité de plané de l’aéronef.
- Trajectoire sol: mouvement de l’aéronef par rapport au sol ; celle ci peut être ascendante ou descendante
- Trajectoire air: trajectoire que verrai une molécule d’air. Elle est toujours descendante mais sous un angle variable dépendant de l’incidence. Ces deux trajectoires ne coïncident qu’en air immobile.
- Allongement: rapport de l’envergure sur la corde moyenne, ou du carré de l’envergure sur la surface
-
Voilure:
- Profil:
- Dièdre:
-
Vrillage de l'aile:
la sustentation: Le vol est du à des forces aérodynamiques crées par le déplacement relatif d’un mobile dans l’atmosphère. Elles sont notamment fonction du carré de la vitesse, de la masse volumique, et du maître couple S, surface projetée du profil dans la direction de la trajectoire.
Angles caractéristiques du profil:
- Incidence: angle sous lequel les filets d’air du vent relatif attaquent la voilure (i.e. angle d’attaque); la plage d’incidence admissible n’est que d’une quinzaine de degrés, quelque soit l’aéronef considéré.
- Assiette: angle que fait le plan de la voile avec l’horizon.
L’écoulement d’air autour du profil de l’aile crée une dépression sur l’extrados (succion, 2/3 de la portance) et une surpression sur l’intrados (pression, 1/3 de la portance).
Les forces en présence sont:
- La portance: force s’exerçant vers la haut perpendiculairement à la vitesse ; elle permet la sustentation.
- Traînée: force s’exerçant en un sens opposé à la vitesse; elle s’oppose donc à celle-ci.
- Le poids: toujours vertical et dirigé vers le sol
On parle donc de profils traînants (suspentes, câbles) et de profils portants (aile).
Relation vitesse-incidence:
- À incidence donnée plus la vitesse augmente plus la portance et la traînée augmente
- À vitesse donnée, plus l’incidence augmente, plus la portance et la traînée augmentent, jusqu’à ce que la portance s’effondre brusquement: le décrochage.
La polaire des vitesses: Il s'agit de la courbe liant la vitesse de chute Vz à la vitesse horizontale Vh, et représnete donc les possibilités de vol plané (la force propulsive est une composante du poids). A chaque vitesse de vol correpond une finesse
Nota: l'incidence de décrochage est unique alors que la vitesse de décrochage augmente notamment avec le poids de l'appareil et l'inclinaison du virage. Le plus souvent on estime la sécurité par rapport au décrochage par rapport à la vitesse, car on ne peut pas mesurer l'incidence.
La traînée: La traînée totale résulte de l’addition des traînées suivantes:
- de forme
- de frottement, due à la présence d’une couche limite au sein de laquelle le flux d’air est freiné. Il vaut donc mieux une surface lisse (donnant une couche limite laminaire) qu’une surface rugueuse (donnant une couche limite turbulente)
- induite, due au recollement des écoulements des bouts d’ailes (écoulement tournoyant autour du saumon), surtout sensible à basse vitesse. Pour lutter contre celle-ci on peut augmenter l'allongement ou bien canaliser le flux par des stabilos, ailettes, etc.
Pour lutter contre la traînée induite on peut :
- augmenter l’allongement, c’est ce qui a conduit à l’extrême allongement des ailes de planeur.
- Canaliser l’écoulement en bout d’aile par paroi, cloisons, stabilos
Aérodynamiquement l'asymètrie de l'écoulement est équivalente à un tourbillon, appellé tourbillon de Prandtl. Ce tourbillon se replie en bout d'ailes pour donner ce qu'on appelle le tourbillon marginal, qui cause la trainée induite.
Effets du vent: Un vent régulier n’affecte pas le comportement de l’aile au point de vue aérodynamique (principe des tapis roulants). En revanche une rafale perturbe sérieusement l’écoulement aérodynamique autour de l’aile:
| Evénement | Incidence | Vitesse/air | RFA | aile |
| Rafale de vent de face | Décroît | Croît | Augmente | Monte |
| Rafale de vent arrière | Croît | Décroît | Diminue | Descend |
| Rafale montante | Croît | Croît | Augmente | Monte |
| Rafale descendante | Décroît | Décroît | Diminue | Descend |
| Rafale de travers | Dérapage, car écoulement dissymètrique | |||
La stabilité: Il s’agit de la tendance d’un système à revenir à un état d’équilibre dont on l’écarte. Il s’agit là d’une notion tout à fait relative. On appelle stable un appareil qui revient à sa position d’équilibre lorsqu’une sollicitation l’en a momentanément écarté. Un appareil doit être stable pour être pilotable.
On peut tempérer une tendance stable ou instable par l’amortissement :
- en roulis: stabilité latérale (pendulaire)
- en lacet: stabilité de route
- en tangage: stabilité pendulaire
du point de vue aérodynamique le parapente est instable mais bien amorti.
Effet dièdre: réaction d’une aile à une glissade (ou dérapage) sur l’axe de roulis :
- effet dièdre positif : l’aile tend à s’incliner du coté d’où vient le vent
- effet dièdre négatif : cas contraire
l’effet diédre positif marque une stabilité latérale; c’est le cas des parapentes. Plus généralement elle est améliorée par l’angle dièdre et la flèche.
Effet girouette: réaction d’une aile à une glissade (ou dérapage) sur l’axe de lacet :
- effet girouette positif: l’aile tend à se remettre dans le lit du vent relatif, donc à pivoter sur elle même du coté d’où vient le vent
- effet girouette négatif: cas contraire
L’effet girouette positif est une marque de stabilité de route; l’équilibre en lacet se réalise naturellement du fait de la symétrie qui fait que l'aéronef a tendance à s’incliner dans le lit du vent. Plus généralement l’angle diédre, la flèche, les lobes de la voilures l’améliorent.
Stabilité en tangage: elle est assurée par le rappel pendulaire en parapente, par la gouverne de profondeur pour les trois-axes.
nota: sur un parapente on ne distingue pas la stabilité latérale et de route (on ne les distingue que sur les aéronefs disposants de trois commandes indépendantes sur les trois axes)