mécanique du vol - ekladata.comekladata.com/.../m1_2_bilan_aerodynamique.pdf · mécanique du vol...
Post on 12-Sep-2018
215 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
Mécanique du vol
Pour comprendre comment vole un avion, nous allons étudier les phénomènes physiques qui
permettent ce « petit miracle »
2
La masse d’un corps
Un corps qui chute voit sa vitesse augmenter selon une certaine accélération, due à l’attraction terrestre.
Le produit de sa masse « m » par l’accélération de la pesanteur « g » représente cette force due à l’attraction terrestre.
Cette force s’exprime en newtons et on l’exprime par:
P = m.g
A nos latitudes moyennes:
g = 9,81 m / s²
3
La masse
Les avions sont soumis à cette même loi !
Le pilote devra faire en sorte que le retour de l’avion au sol (avec ses occupants) se fasse de la manière la plus douce possible !
Je ferai mieux la prochaine
fois
4
Notion de mouvement
Lorsque un objet se déplace on dit qu’il y a mouvement.Un mouvement se caractérise à un instant donné par:1. Une vitesse2. Une direction de déplacement
Si le mouvement ne varie ni en vitesse ni en direction, on dit que l’objet est en équilibre.
Si la vitesse, la direction ou les 2 varient, il y a déséquilibre.
Le maintien d’un mouvement est un équilibreUne mise en mouvement est un déséquilibreL’arrêt d’un mouvement est un déséquilibreUne changement de trajectoire est un déséquilibre
5
Notion de stabilité et d’instabilité
• Un objet est en équilibre lorsque toutes les forces qui lui sont appliquées s’équilibrent entre elles.
On dit alors que leur résultante est nulle
• Inversement lorsque les forces qui s’appliquent sur un objet ne s’équilibrent pas, leur résultante n’est pas nulle, il y a déséquilibre.
La notion de stabilité et d’instabilité n’existe que pour les objets en équilibre.
• Pour un avion on parlera d’équilibre et de déséquilibre mais aussi de stabilité et d’instabilité.
6
L’air c’est le milieu dans lequel évolue l’avion.
L’avion et son milieu
Propriétés physiques:
1 expansible2 compressible 3 élastique4 pesant 1.225 g/litre au niveau de la mer 5 visqueux
L’air expansible et pesant exerce une pression perpendiculaire à toutes les surfaces avec lesquelles il est en contact.
7
L’air est un fluide et comme tel son mouvement est appelé écoulement.
Cet écoulement peut être:
1 laminaire
2 turbulent
L’avion et son milieu
8
La résistance de l’air
Tout objet en mouvement dans l’air est soumis de la part de celui-ci à une résistance qui tend à s’opposer à ce mouvement.Cette résistance a son origine dans les propriétés d’inertie, de viscosité et de compressibilité mais dépend aussi de la forme et de l’état de cet objet
Cette action se traduit par 2 forces:1 une force élémentaire de pression2 une force élémentaire de frottement
9.L’avion et son milieu
10
100 %
Si l’on place une plaque perpendiculairement à un écoulement d’air, initialement laminaire, cet écoulement est perturbé.
La résistance à l’écoulement est de 100%
11
50%
Si l’on remplace la plaque par une sphère de même maître-couple, la résistance à l’écoulement est diminuée de 50%
14
Les formes fuselées qui présentent en subsonique la moindre résistance ont une épaisseur relative b / a comprise entre 1/3 et 1/4.
b
a
La valeur maxi de « b » se situant au 1/3 de « a »
1/3 2/3
15
Par mouvement relatif il faut entendre indifféremment:
1 déplacement du corps dans l’air
2 déplacement de l’air autour d’un corps
Le courant d’air baignant le corps en mouvement relatif est nommé vent relatif.
Principe du mouvement relatif
18
L’angle d’incidence
VENT RELATIF
α
Le vent relatif est le flux d’air engendré par le déplacement de l’avion
19
L’incidence alpha (α)Angle entre l’axe longitudinal de l’avion et le vent relatif.C’est à travers la modification de cet angle d’incidence en modifiant l’assiette que vous allez agir sur les différentes force qui sont appliquées à l’avion.Une autre possibilité sera la modification du profil aérodynamique par l’intermédiaire des dispositifs hypersustentateurs
α
Vent relatif
Axe longitudinal
21
Relation entre la section et la vitesse d’un fluide en mouvement
Section S1
Section S2
Section S3
V1 V2 V3=V1
Lorsque on diminue la section offerte à l’écoulement d’un fluide, la vitesse de ce fluide augmente.
22
Relation entre la pression et la vitesse d’un fluide en mouvement
1er cas: pas de vent relatif
La pression est identique en chaque point du tube
P0 P0 P0
Po
P0
23
Relation entre la pression et la vitesse d’un fluide en mouvement
2ème cas création d’un flux d’air
V1 V2 V3=V1
Une augmentation de vitesse s’accompagne d’une diminution de pression et inversement.
P1 P2 P3
P0 – P1 P0 – P2 Po – P3
P0P0 P0
26
75% de la portance est assurée par la dépression liée à l’extrados de l’aile, alors que la surpression liée à l’intrados y participe à hauteur de 25%.
Vent relatif
27
16. Résultante aérodynamiqueRa
Centre de poussée
Le centre de poussée est le point où s’applique la résultante aérodynamique
29
TRAINEE : Rx
PORTANCE: Rz
VENT RELATIF
. La PORTANCE : composante perpendiculaire au vent relatif, c’est à dire à la trajectoire
. La TRAINEE : composante parallèle au vent relatif, c’est à dire à la trajectoire et qui s’oppose à l’avancement.
Trajectoire
30
Portance et traînéeRa
La portance Rz est toujours perpendiculaire au vent relatif
La traînée Rx est toujours parallèle au vent relatif
Rx
Rz
Vent relatif
32
Les facteurs qui influent sur la portance et la traînée.
1. L’angle d’incidence α
2. La forme du profil
3. La forme et l’allongement de l’aile
4. La vitesse relative
5. La surface de l’aile
6. La densité de l’air
36
4ème cas: l’incidence atteint une valeur critique
Vent relatif
1. Portance en brusque décroissance2. Traînée forte
L’aile décroche
37
En vol normal, l’incidence α est faible les filets d’air, matérialisés par les brins de laine collent au profil.
38
L’angle d’incidence α à augmenté, les filets d’air proches du bord de fuite, commencent à être perturbés et se décollent de l’aile
39
La zone de perturbation, au fur et à mesure que l’incidence croit, s’amplifie vers l’avant et gagne du terrain en direction du bord d’attaque
40
On remarque que les filets d’air sont d’autant plus perturbés qu’ils sont proches de l’emplanture de l’aile…(plus proches du fuselage)
42
Les 2/3 de l’aile sont concernés…De plus, on peut observer qu’une partie des filets d’air en provenance de l’intrados revient sur l’extrados par le bord de fuite, on voit que certains brins de laine sont dirigés cette fois vers l’avant.
43
Le décrochage n’est plus très loin…Notez l’angle formé par la corde de l’aile et l’horizon.
Horizon
Corde
44
5ème cas: l’incidence négative: portance nulle
Vent relatif
Dépression à l’intrados et à l’extradosLa résultante aérodynamique se résume à la
traînée
45
Angle d’incidence et centre de poussée
Ra
Cp
Rx
Rz
Vent relatif
A chaque angle d’incidence correspond une position du centre de poussée Cp
46
Ra
Cp
Rx
Rz
20. Angle d’incidence et centre de poussée
Vent relatif
Pour un angle d’incidence de 2°, Cp est à environ 47% de la corde
47%
α = 2°
47
Ra
Cp
Rx
Rz
Angle d’incidence et centre de poussée
Vent relatif
Pour un angle d’incidence de 15°, Cp est à environ 30% de la corde
30%
α=15°
Lorsque l’angle d’incidence α croit,le centre de poussée avance
48
La finesseDéfinition:c’est l’aptitude d’un avion à «transformer» en vol plané une hauteur H en distance D.
H
DSi D = 10 H, on dit que la finesse de l’avion est de 10
49
La finesse
Ra
Rx
Rz
Vent relatif
Mais c’est aussi le rapport entre la Portance Rz et la traînée Rx:
f = Rz / Rx
51
Influence du profil d’une aileLes qualités aérodynamiques d’une aile varient en fonction de son profil
Deux éléments jouent un rôle essentiel:
Sa courbure
Son épaisseur
52
Influence du profil sur la portance
A
C B
Profil biconvexe dissymétriqueProfil creux fin
Profil creux épais
55
Influence de l’allongement de l’aile
La traînée totale d’une aile est la somme de 2 traînées particulières:
- la traînée de profil- la traînée induite
La première est due à l’état de surface de l’aile et à la résistance des forces de pression appliquées à sa surface
La deuxième trouve son origine dans la portance
57
Influence de l’allongement de l’aile
Aux extrémités de l’aile, l’air en surpression sous l’intrados tend à s’écouler vers l’extrados en donnant naissance à 2 tourbillons marginaux
58
Tourbillons en bout d’aile
Aux extrémités de l’aile, l’air en surpression sous l’intrados tend à s’écouler vers l’extrados en donnant naissance à 2 tourbillons marginaux
59
Tourbillon en bout d’aileAux extrémités de l’aile, l’air en surpression sous l’intrados tend à s’écouler vers l’extrados en donnant naissance à 2 tourbillons marginaux
Solution: Rendre l’aile infinie ? Solution: Réduire les tourbillons en adaptant des « Winglets ».En cours de généralisation sur les avions de ligne
6117/07/00
Variation du Cz en fonction de l’allongementCz
α°0 20° 25°15°10°5°-5°-10°-15°
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Faible allongement
Grand allongement
Cz max
Cz max
62
Influence de la surface de l’aile
La portance et la traînéesont proportionnelles àla surface de l’aile
63
6500 mρ/ρ0= 0,5
Niveau de la merρ/ρ0 = 1
5 00
0 N
10 0
00 N
Influence densité de l’air ρ/ρ0
(1,225 kg/m3)
64
Les coefficients de portance et de traînée
On peut mettre en équation l’intensité de la portance Rz et de la traînée Rx:
Rz = ½ ρ V² S Cz
Rx = ½ ρ V² S Cx
ρ (ro) est la masse volumique de l’air en kg/m3
S la surface de référence de l’avion en m2
V la vitesse par rapport à la masse d’air en m/sCx et CZ sont des coefficients sans unité
65
Pression dynamique et portance
Le mathématicien Bernouilli a montré que dans un écoulement fluide, la somme de la pression statique et de la pression dynamique est une constante:Ps + ½ ρ V² = constante
Dans l’équation Rz = ½ ρ V² S Cz
½ ρ V² pression dynamiqueS surface des ailes en m²Cz coefficient de portance du profil
66
Exemple:Un avion à une Vp de 100 kt. La surface de ses ailes est de
18 m². La densité de l’air est 1,225 kg/m3.
Si à l’incidence de vol le coefficient de portance Cz est de 0,4 et le coefficient de traînée 0,05 on demande de calculer:
• La portance• La traînée• La finesse
• La finesse: 0,4 / 0,05 = 8
• La portance: 1,225 x 50²x 18 x 0,4 / 2 = 11 024 N
• La traînée: 1,225 x 50²x 18 x 0,05 / 2 = 1378 N
67
On regroupe ces différents paramètres en 2 coefficients:
- le coefficient de portance : Cz- le coefficient de traînée : Cx
Les variations de ces 2 paramètres seront regroupées sur 1 seule courbe:
la POLAIRE
Coefficients de Portance et de Trainée
6817/07/00 Mécanique du vol
Variation des Cz en fonction de l’incidence αCz
α°0 20° 25°15°10°5°-5°-10°-15°
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
6917/07/00 Mécanique du vol
Variation des Cx en fonction de la variation de l’angle d’incidence α Cx
α°0 20° 25°15°10°5°-5°-10°-15°
0,04
0,08
0,12
0,16
0.20
0,24
70
PolairePolaire
Cz
Cx
1
0,5
1,5
0 0,5 1
La polaire d’une aile est représentative del’évolution des coefficients Cx et Cz en fonction de l’incidence
Le rapport Cz / Cx s’appelle la
finesse « f »
f = Cz / Cx
ou f = Rz / Rx
71
PolairePolaireCz
Cx
E
S
M
P
R
Vol normal
Vol inversé
Portance nulle
Trainée minimale
Finesse max vol normal
Finesse max vol dos
Portance maxi
72
DécrochageLe décrochage intervient toujours pour la
même incidence
Réduction puissance
Maintien de l’altitude par variation de l’assiette / incidence
L’incidence maxi est atteinte
=> l’avion décroche
=>Plus de portance
=> Chute
Diminution de l’assiette +
Augmentation de la Vitesse
=> Rétablissement de la portance
=>l’avion
« raccroche »=>
Avion pilotable
Note: sur les avions légers que nous utilisons l’incidence de décrochage est d’environ 15-17°
73
Comment influer sur la portance et la trainée ? Quelques dispositifs hypersustentateurs
Système bec et volet
Volet Fowler
Volet d’intrados
Volet de courbure à fente
Volet de courbure
75
Trajectoires
La trajectoire représente le déplacement de l’avion dans le plan vertical.
La pente représente l’angle de la trajectoire avec l’horizon
L’assiette (de l’aeronef) est l’angle de son axe long. relativement à l’horizon.
L’incidence est l’angle de son axe long. relativement à la trajectoire.
76
Le vol en palierLa pente est nulle, l’assiette θ et l’incidence α sont voisines, au calage de l’aile près.
α
77
Le vol en montéeL’assiette θ = l’incidence α + la pente γ.Exemple: si la pente est de +3°, l’incidence + 2° on a une assiette de : 3° + 2° = 5°
α
Horizon
Pente γAssiette θ
78
Le vol en descenteL’assiette θ = l’incidence α + la pente γ.
Exemple: si la pente est de – 5°, l’incidence + 2° on a une assiette de : -5° + 2° = –3°
α
Horizon
Pente γAssiette
79
Equilibre des forcesVol horizontal
z
x T
P
Ra
Poids
TrainéeTraction
PortanceRésultanteAérodynamique
RésultanteMécanique
T + P + Ra = 0
80
Equilibre des forcesVol en montée
P
RaTx
zθ
Poids
TrainéeTraction
PortanceRésultanteAérodynamique
RésultanteMécanique
T + P + Ra = 0
81
Equilibre des forcesVol en descente
P
Ra
x
z
Tθ
Poids
TrainéeTraction
PortanceRésultanteAérodynamique
RésultanteMécanique
T + P + Ra = 0
82
Equilibre des forcesVol plané rectiligne en descente
P
Ra
x
z
θ
Poids
TrainéeTraction
Portance
RésultanteAérodynamique
RésultanteMécanique
P + Ra = 0
83
Equilibre des forcesMontée verticale
Poids
Trainée
Traction
Portance
RésultanteAérodynamique
RésultanteMécanique
T + P + Ra = 0
Ra
Tx
P
84
Equilibre des forcesDescente verticale
Poids
Trainée
Traction
Portance
RésultanteAérodynamique
RésultanteMécanique T + P + Ra = 0
T
Ra
x
P
86
Décollage
T
P
Ra
T
P
Ra
P
RaTx zθ
• Mise en puissance•Accélération -> Vitesse de rotation•Changement de trajectoire = Assiette de montée•Altitude de croisière -> changement de trajectoire – Assiette de palier
TRa
88
Atterrissage
T
P
Ra
T
P
Ra
P
Ra
x
z
TθTRa
P
• Palier attente •Changement de trajectoire = Assiette de descente•Arrondi – Décélération – posé des roues •Roulage - Freinage
89
Atterrissage
15 m
Distance de d’atterrissage
Distance de freinage
Décélération et arrondi
Pente 5% (ou 3°)
91
Axe de Lacet et commande associée
Axe de LacetPalonniers
Gouverne de direction•Pied à droite = Gouv. Direct. braquée à droite•Pied à gauche = Gouverne braquée à gauche
94
Axe de roulis et commande associée
Axe de Roulis Manche à balai ou
Volant
Ailerons
Manche à droite : Aileron droit levéAileron gauche baissé
Manche à gauche: Aileron gauche levéAileron droit baissé
97
Axes de tangage et commande associée
Axe de tangage
Manche à balai ou
Volant
Gouverne de profondeur
Manche en avant: Profondeur levéeAssiette à piquer
Manche à arrière Profondeur baisséeAssiette à cabrer
99
Axes /commandes / gouvernesAxe de Roulis Manche droite / gauche
AileronsAxe de Lacet Palonnier droite / gauche
Gouverne de direction
Axe de tangage Manche avant / arrière Gouverne de profondeur
100
Mise en virage
Idée no 1:Utilisation de la dérive
Axe de Lacet
Ex: pour un avion de 120 cv, volant à 180 km/h virant de 30° on constate que l’effort
déviant l ’avion est de
662,5 N
Rz
101
Mise en virage 2/2
Idée no 2:Utilisation de l’inclinaison
Axe de Roulis
Ex: pour le même avion de 120 cv, volant à 180 km/h incliné à 30° on constate
que l’effortdéviant l ’avion est de
4415 N ( 6,66 fois plus !)
Rz
Conclusion: la méthode no 2 ( Inclinaison ) est beaucoup plus efficace pour dévier un avion de sa trajectoire dans le plan horizontal
RzRz . Cos φ
Rz
102
Facteur de Charge 1 / 2Le facteur de charge augmente avec l’inclinaison
n = 1
φ
P P
n = 1 / Cos φ
Exemple pour un virage à 60° , n = 2
Pa Poids apparent
103
Facteur de Charge 2 / 2 Lors de changement de trajectoire dans le plan vertical,
le facteur de charge varie avec la vitesse et le rayon de la ressource
n = 1
r
V
RxF
T
Rz
n = 1 + V2 r.g
Pa Poids apparent
104
Stabilité sur l’axe de lacet
perturbation
StabilitéStabilité
Déviation =>
Portance latérale=>
Couple de rappel
Instabilité
105
Stabilité sur l’axe de roulis
Diedre
Effet de girouette =>
Pivotement sur axe de lacet
Effet diedre =>
Augmentation de la portance sur l’aile « au vent »=>
Force déviatrice qui « compense » le pivotement
perturbationportance
StabilitéStabilité Instabilité
106
Stabilité sur l’axe de roulis(cas des ailes hautes )
perturbation
StabilitéStabilité Instabilité
Couple redresseur
107
Points d’application des forces
Centre de PousséePortance
Centre de Gravité Poids
FoyerVariation de Portance
1
2
3
1
2 3
Règles: •Le centre de poussée doit toujours être au dessus du centre de gravité•Le Foyer est obligatoirement en arrière du centre de gravité
108
Stabilité longitudidale(sans perturbation)
Centre de PousséePortance
Centre de Gravité Poids
1
2
1
2
Règles:• L’axe de la portance passe par le centre de gravité• Au cours du vol, les faibles déplacements du centre de gravité et/ou du centre de poussée sont compensés par une action sur la profondeur pour maintenir l’alignement Portance - Poids
Compensation par des actions cabrer ou à piquer
109
Stabilité longitudinale 1/3 ( avec perturbations )
Centre de PousséePortance
Centre de Gravité Poids
FoyerVariation de Portance
12
3
1
2 3
1er Cas: Foyer en avant du Centre de Gravité •Tout changement dans la portance est accentué dans le même sens que la perturbation => INSTABILITE PERMANENTE : l’avion est impilotable
110
Stabilité longitudinale 2/3 ( avec perturbations )
Centre de PousséePortance
Centre de Gravité Poids
FoyerVariation de Portance
123
1
2 3
1er Cas: Foyer aligné avec du Centre de Gravité •L’équilibre est indifférent, les variations de portances ne sont pas compensées lors de perturbations => l’avion est pratiquement impilotable
111
Stabilité longitudinale 2/3 ( avec perturbations )
Centre de PousséePortance
Centre de Gravité Poids
FoyerVariation de Portance
1
2
3
1
2 3
1er Cas: Foyer en arrière du Centre de Gravité •Tout changement dans la portance est compensé dans le sens inverse à celui induit par la perturbation => l’avion retrouve naturellement une situation d’équilibre: l’avion est stable
2 3
marge statique :Le bras de levier entre le Foyer et le centre de gravité
112
Stabilité longitudidale(conclusion)
A retenir:•La position du centre de gravité varie en fonction de la répartition des masses•Le centre de poussée se déplace en fonction des variations d’incidence•Le foyer doit toujours être en arrière du centre de gravité•La marge statique est la distance entre le Foyer et le Centre de Gravité•Le centrage est défini par la position du centre de gravité par rapport au foyer.
•Centrage avant => avion plus stable et moins maniable•Centrage arrière => avion moins stable et plus maniable •Pour chaque avion, il existe une limite avant et une limite arrière du centrage
Centre de PousséePortance
Centre de Gravité Poids
12
1
2
Compensation par des actions cabrer ou à piquer
FoyerVariation de Portance
3
3
2 3
marge statique
113
Effets induits / Lacet inverse
Lacet inverse: Le braquage différentiel des volets permet d’incliner l’avion autour de l’axe de roulis , mais l’augmentation de la trainée induite du coté de l’aile haute provoque une rotation sur l’axe de lacet dans le sens inverse du virage. L’avion est en dérapage.
Conclusion: Coordonner les actions sur le manche et le palonnier dans le même sens lors de la mise en virage. Le virage est coordonné.
Correction: utiliser le palonnier pour contrer la rotation inverse sur l’axe de lacet. Le virage est alors symétrique
114
Effets induits / Roulis induit
Roulis induit: L’action sur le palonnier fait pivoter l’avion sur l’axe de lacet et écarte l’axe de l’avion de l’axe du vent relatif. L’aile « au vent » génère plus de portance. L’avion s’incline autour de l’axe de roulis dans le sens du virage.
Conclusion: Pour contrer le roulis induit, il faut coordonner les actions, manche et pied ( palonnier) en sens inverse.
•Manche à gauche, pied à droite•Manche à droite, pied à gauche
•Le vol est alors dissymétrique
Correction: braquer les ailerons pour contrer la rotation induite sur l’axe de roulis. Le manche est positionné en sens inverse du palonnier.
Vent Relatif
115
Glissade
La Glissade permet d’augmenter artificiellement la trainée. L’action sur le palonnier fait pivoter l’avion sur l’axe de lacet et écarte l’axe de l’avion de l’axe du vent relatif. Le pilote empêche le soulèvement de l’aile « au vent » en braquant les ailerons dans le sens inverse.
Conclusion: L’augmentation de la trainée, sans apport de puissance, ralentit l’avion sur sa trajectoire.
•Manche à gauche, pied à droite•Manche à droite, pied à gauche
•Le vol est alors dissymétrique•L’avion est dit en glissade
Vent Relatif
Trajectoire en descente
Augmentation trainée
Aileron levé
116
Glissade
La Glissade permet d’augmenter artificiellement la trainée. L’action sur le palonnier fait pivoter l’avion sur l’axe de lacet et écarte l’axe de l’avion de l’axe du vent relatif. Le pilote empêche le soulèvement de l’aile « au vent » en braquant les ailerons dans le sens inverse.
Conclusion: L’augmentation de la trainée, sans apport de puissance, ralentit l’avion sur sa trajectoire.
•Manche à gauche, pied à droite•Manche à droite, pied à gauche
•Le vol est alors dissymétrique•L’avion est dit en glissade
Vent Relatif
Trajectoire en descente
Augmentation trainée
Aileron levé
117
Effet de girouette / souffle hélicoïdale
Le vent de travers et/ou le souffle hélicoïdal appliqués sur le plan vertical de la dérive, provoquent une rotation sur l’axe de lacet, c’est l ’effet de girouette.
Conclusion: une action coordonnée sur manche et le palonnier est nécessaire pour contrer l’effet de girouette.•Pied sous le vent, manche au vent.
Gouverne de direction braquée
Correction: Pour contrer l’effet de girouette, le pilote doit braquer la gouverne de direction dans le sens opposé
•Vent de la gauche, pied à droite•Vent de la droite, pied à gauche
Pou éviter que l’aile au vent ne se soulève, le manche sera braqué vers le vent.
Aileron levé
Vent de travers
119
Vue en plan
Aileron
Gouvernail de profondeur
Ailerons et profondeur sont des gouvernes de manœuvre.
top related