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Brevet d’Initiation Aéronautique 1 / 21 Aérodynamique et mécanique du vol AEROD

Brevet d’Initiation Aéronautique 1 / 21 Aérodynamique et mécanique du vol AERODYNAMIQUE ET MECANIQUE DU VOL Brevet d’Initiation Aéronautique 2 / 21 Aérodynamique et mécanique du vol 1 LES FORCES AERODYNAMIQUES........................................................................................3 1.1 Les actions de l'air en écoulement .......................................................................................3 1.2 Etude de la portance.............................................................................................................3 1.2.1 Influence de la forme du profil ....................................................................................3 1.2.2 Les profils d'aile...........................................................................................................4 1.2.3 Influence de la vitesse..................................................................................................5 1.2.4 Influence de l'angle d'incidence ...................................................................................6 1.2.5 Expression de la portance ............................................................................................7 1.3 Etude de la traînée................................................................................................................7 1.3.1 Les différentes traînées ................................................................................................7 1.3.2 Influence de la forme ...................................................................................................8 1.3.3 Influence de la vitesse..................................................................................................8 1.3.4 Influence de l'incidence................................................................................................9 1.3.5 Influence de l'allongement ...........................................................................................9 1.3.6 Expression de la traînée ...............................................................................................9 2 UTILISATION DES FORCES AERODYNAMIQUES POUR LE CONTROLE DE LA TRAJECTOIRE .................................................................................................................................10 2.1 Le contrôle du tangage.......................................................................................................10 2.2 Le contrôle du roulis ..........................................................................................................11 2.3 Le contrôle du lacet............................................................................................................12 3 ETUDE DES POLAIRES..........................................................................................................13 3.1 Généralités sur les polaires ................................................................................................13 3.2 Etude de la polaire de type EIFFEL...................................................................................13 3.3 Etude de la polaire des vitesses..........................................................................................13 4 LES PRINCIPALES PHASES DU VOL ..................................................................................14 4.1 Les axes et les angles de la mécanique du vol...................................................................14 4.2 Le vol rectiligne uniforme en palier...................................................................................15 4.3 La montée rectiligne uniforme...........................................................................................16 4.4 La descente rectiligne uniforme.........................................................................................16 4.5 Le virage symétrique en palier à vitesse constante............................................................16 4.6 Le vol plané........................................................................................................................17 4.7 Le décollage.......................................................................................................................17 4.8 L'atterrissage ......................................................................................................................18 5 STABILITE STATIQUE D'UN AERONEF.............................................................................18 5.1 Stabilité statique longitudinale...........................................................................................18 5.2 Stabilité statique transversale.............................................................................................19 Brevet d’Initiation Aéronautique 3 / 21 Aérodynamique et mécanique du vol AERODYNAMIQUE ET MECANIQUE DU VOL 1 LES FORCES AERODYNAMIQUES 1.1 LES ACTIONS DE L'AIR EN ECOULEMENT 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. Pour s'en rendre compte il suffit de réaliser les trois petites expériences décrites ci-dessous avec des demi-feuilles A4 : en soufflant sous la feuille en soufflant sur la feuille Prenez la feuille en la pinçant à deux doigts par les deux extrémités d'une largeur et maintenez le bord à l'horizontal. La feuille plie sous son poids. Soufflez alors en dessous de la feuille. On constate que la feuille se soulève. Répétez la même expérience en soufflant sur le dessus de la feuille de façon à ce que l'air tangente sa surface. On constate alors que la feuille se soulève de nouveau. Prenez deux demi-feuilles A4 en les tenant par un coin et séparez les de quelques centimètres. Ecartez leurs extrémités vers l'extérieur de sorte qu'elles ne se touchent pas. Soufflez entre les deux. Les deux feuilles se rapprochent. La première expérience met en évidence la capacité de l'air à pousser un obstacle qu'il rencontre par augmentation de la pression sur une des faces de celui-ci. La deuxième expérience met en évidence un effet d'aspiration. Lorsque l'air est mis en mouvement sur la surface supérieure de la feuille, il voit sa pression diminuer (accélération de l'écoulement). La pression de l'autre face étant supérieure, la feuille est alors aspirée vers le haut. La troisième expérience confirme l'analyse de la seconde : l'air soufflé entre les feuilles étant à une pression plus faible que celui à l'extérieur, les feuilles se rapprochent. vair Rz Ra Rx D'une manière générale en aérodynamique les actions de l'air se décomposeront en deux forces : - une parallèle à la vitesse de l'air et de même sens, la traînée Rx - une perpendiculaire à la vitesse, la portance Rz La somme vectorielle de ces deux forces constitue la résultante des forces aérodynamiques Ra 1.2 ETUDE DE LA PORTANCE 1.2.1 Influence de la forme du profil Réalisons une manipulation en soufflerie pour observer les effets de l'écoulement de l'air sur une plaque plane et sur une plaque incurvée. Les deux plaques sont placées dans l'écoulement d'air produit par une soufflerie. Celle-ci est constituée d'un moteur électrique entraînant une hélice pour provoquer l'écoulement d'air. Derrière l'hélice on trouve un conduit cylindrique dans lequel l'écoulement se tranquillise un peu. L'air passe ensuite dans un cône convergent pour être accéléré avant d'aborder les profils. Ceux-ci sont suspendus par un axe horizontal autour duquel ils peuvent pivoter librement. Initialement ils pendent verticalement sous l'effet de leur poids. Lorsque la soufflerie est en fonctionnement, leur position peut varier sous l'influence des efforts aérodynamiques. Brevet d’Initiation Aéronautique 4 / 21 Aérodynamique et mécanique du vol Lorsque l'on met en marche la soufflerie à son régime maximum, on constate que la plaque plane s'incline d'un angle d'environ 50 à 60° par rapport à la verticale. Cette inclinaison résulte essentiellement de la surpression créée par le ralentissement de l'air sur le dessous de la plaque. Si on place le profil incurvé dans la soufflerie, on constate que pour la même vitesse d'écoulement de l'air, il se maintient à l'horizontale. La forme de la plaque permet à l'air qui passe au-dessus de s'accélérer. Sa pression diminue. Il en résulte une aspiration efficace du profil qui vient alors se positionner à l'horizontale. La forme du profil influe donc beaucoup sur la portance. En pratique, on a découvert qu'un profil possédant une certaine épaisseur est plus efficace qu'un simple plan incurvé. On a donc développé l'étude de différents profils pour déterminer les caractéristiques à leur donner en fonction de l'utilisation que l'on veut en faire. L'écoulement autour des profils aérodynamiques est plus accéléré sur la surface supérieure que sur la surface inférieure. 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). Rz Rx 1.2.2 Les profils d'aile Dans les années 1930 la N.A.C.A. (ancêtre de la National Air and Space Agency) a étudié de nombreux profils dont les caractéristiques ont été rendues publiques. Depuis d'autres sont venus s'ajouter pour fournir une bibliothèque très complète de profils bien connus. On associe un certain nombre de termes aux profils aérodynamiques : Bord d'attaque Corde moyenne Epaisseur Extrados Flèche Bord de fuite Intrados Corde 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. 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 : e e L relative corde = max . 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. Brevet d’Initiation Aéronautique 5 / 21 Aérodynamique et mécanique du vol Selon les applications envisagées, on peut utiliser différents types 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. NACA 4412 Le profil biconvexe dissymétrique porte également bien même à incidence nulle et est très stable. Très utilisé dans l'aviation de loisir. EPPLER 471 Le profil cambré (ou creux) est très porteur mais il est assez instable. Lorsque l'incidence augmente, il cherche à cabrer. NACA 0009 Le biconvexe symétrique ne porte pas aux faibles très faibles incidences. Il n'est intéressant que pour les gouvernes et la voltige. RONCZ Le profil à double courbure (ou auto stable) présente l'avantage d'une grande stabilité mais une portance moyenne et une traînée assez forte. Il est possible de trouver les caractéristiques de plus de 2000 profils sur internet. 1.2.3 Influence de la vitesse La portance d'un avion dépend de sa vitesse. Pour s'en rendre compte il suffit de penser au décollage. Afin d'obtenir une portance suffisante pour décoller, il faut que l'avion atteigne une vitesse minimale de sustentation. Il apparaît donc évident que la portance augmente avec la vitesse. Pour le vérifier expérimentalement, on peut placer une maquette en soufflerie et utiliser une balance pour mesurer la portance : m Rz P Soufflerie Balance Maquette La maquette et son support sont placés dans la veine d'essai. Le support repose sur une balance sensible (à 0,1g) afin d'enregistrer les variations du poids apparent. Lorsque la soufflerie est à l'arrêt, la balance est soumise au poids de la maquette (P = m.g) et la masse m indiquée correspond à celle de la maquette. Quand on met en route la soufflerie, il se crée une portance sur les ailes de la maquette et la masse indiquée diminue. En fait la balance n'est plus soumise au poids P de la maquette, mais seulement à son poids apparent P-Rz. La masse indiquée par la balance est alors m P Rz g m g Rz g m Rz g ' . = − = − = − . On peut alors calculer la portance obtenue : ( ) Rz g m m = − . ' uploads/s3/ aerodynamique-mecavol-v2.pdf