Gouverne

Une gouverne est une surface mobile agissant dans l'air ou dans l'eau servant à piloter un mobile selon un de ses trois axes :

• tangage : rotation dans le plan vertical pour cabrer (monter) ou piquer (descendre),
• roulis : inclinaison latérale en virage,
• lacet : rotation dans le plan horizontal pour « tourner » à gauche ou à droite.

Il s'agit généralement d'une surface articulée dont le changement d'orientation génère une force aéro ou hydrodynamique.

Cette force qui agit avec un bras de levier crée un moment (le produit d'une force par une distance) pour obtenir la rotation du mobile autour d'un des trois axes :

• pour modifier sa trajectoire, ou au contraire
• pour conserver la trajectoire du mobile soumis à une excitation extérieure déstabilisante (vague, turbulence).

Les aérodynes (avion, missile, etc.) possèdent des surfaces servant à la portance (ailes) et à la stabilisation (empennages). Ces surfaces sont généralement équipées de parties mobiles servant au pilotage. Les parties mobiles sont disposées avec le plus grand bras de levier possible :

en transversal pour le contrôle en roulis : généralement au bout des ailes

en longitudinal pour le contrôle en tangage et en lacet : loin du centre de gravité, généralement à l'arrière.

Gouverne en tangage

Contrôle en tangage, à l'aide

• d'un plan horizontal fixe à l'arrière présentant un volet dit "de profondeur" mobile. Le calage de la partie fixe du stabilisateur peut être réglable en vol (voir compensateur (aéronautique)).
• d'un plan horizontal fixe à l'avant dit plan canard présentant un volet de profondeur mobile. Note : le plan canard n'est pas un empennage, mais une aile portante. Dans ce cas c'est l'aile arrière qui est le stabilisateur en tangage.
• d'un plan horizontal complètement mobile, dit empennage "monobloc" en une ou deux parties. L'incidence de ces deux parties varie généralement dans le même sens,
• d'un volet de profondeur, appelé "élévateur" ou élevon (voir plus bas), disposé au bord de fuite de l'aile (aile Delta).

Gouverne en roulis

Contrôle en roulis, à l'aide

• des ailerons actionnés en sens inverse,
• et parfois de spoilers (aérofreins / destructeurs de portance) actionnés séparément (on lève le spoiler du côté de l'aile qui doit baisser),
• d'une conjugaison des deux précédentes (ailerons plus spoilers) à basse vitesse sur les avions de ligne qui en sont équipés.

On peut obtenir également du roulis de façon indirecte en agissant sur la gouverne de lacet (le volet de direction). Le mouvement de rotation entraîne une dissymétrie de portance des ailes qui donne du roulis. On parle alors de "roulis induit". Cette technique est utilisée par les planeurs dits "deux axes" qui n'ont pas d'ailerons, ainsi que par les avions de la formule Mignet "Pou du ciel" (ailes en tandem sans ailerons).

Gouverne en lacet

Contrôle en lacet, à l'aide

• d'un volet de direction au bord de fuite de l'empennage vertical axial (qui peut être double sur des chasseurs pour un meilleur contrôle aux grands angles),
• de volets placés au bord de fuite des winglets ou dérives disposées en bout d'aile (avion canard ou aile volante) et actionnés d'un seul côté,
• de spoilers (aérofreins générateurs de traînée) en bout d'aile actionnés d'un seul côté pour créer un moment de lacet (aile volante).

Mixage de deux fonctions

Une gouverne peut agir sur deux axes, ce qui nécessite un mélangeur mécanique ou électronique :

• en tangage et roulis, à l'aide des elevons montés sur les avions à ailes delta.

Les élevons (contraction de l'anglais elevator - aileron) agissent dans le même sens pour le tangage, et en sens inverse pour le roulis.

• en tangage et lacet, dans le cas d'avions à empennage en V (Fouga Magister, Beechcraft V-35).

Les volets d'empennage agissent dans le même sens pour le tangage, et en sens inverse pour le lacet.

Une gouverne peut agir sur un axe et sur la portance ou la traînée :

• Les flaperons (contraction de l'anglais flap - aileron), disposés au bord de fuite de l'aile, agissent dans le même sens pour la portance (comme des volets), et en sens inverse pour le roulis (comme des ailerons).
• Les spoilers (destructeurs de portance), disposés généralement à l'extrados, agissent dans le même sens pour réduire la portance et augmenter la traînée, et en différentiel pour le roulis et le lacet.

Transmission

Commandes mécaniques : la gouverne est reliée mécaniquement (câbles ou bielles) au manche tenu (ou laissé libre) par le pilote.
Commandes électriques ou électro-hydrauliques par "servo-commandes" : la gouverne est constamment bloquée à la position déterminée par le pilote (modèles radio-commandés) ou par des vérins pilotés par l'ordinateur de bord (avions de ligne depuis Airbus). Effet sur la stabilité, à développer.

Note : les hélicoptères n'ont pas de gouvernes aérodynamiques (dépendant de la vitesse) : ils sont pilotés par des variations de portance de leurs rotors : en lacet par variation de la force latérale produite par le rotor de queue, en tangage et en roulis par une asymétrie de portance du rotor principal.

Note : Les dispositifs hypersustentateurs (becs de bord d'attaque, volets de bord de fuite) ne sont pas des gouvernes. Ils ne servent pas à piloter l'avion sur ses trois axes, mais à faire varier la portance (et la traînée) de l'aile. Les effets importants du braquage des volets sur l'équilibre en tangage sont des effets induits non désirés.

Mirages, Concorde. Les élévateurs ou les élevons sont relevés vers le haut aux forts Cz (décollage et atterrissage), comme sur tous les avions à aile delta qui n'ont pas et ne peuvent pas avoir de dispositifs hypersustentateurs (le moment piqueur des volets est impossible à équilibrer faute d'empennage).

A l'aide d'un système de mixage, les ailerons peuvent être braqués vers le bas et servir de dispositif hypersustentateur, augmentant ainsi la surface disponible des volets. L'avion Rafale est équipé de plans canards pouvant générer un moment cabreur. A l'atterrissage, au lieu d'être braqués vers le haut, les élevons sont légèrement braqués vers le bas, ce qui a permis d'abaisser la vitesse minimale d'approche (appontage sur porte-avions). Cette portance est cependant plus faible que celle de volets d'atterrissage à simple ou double fente montés sur les avions conventionnels.

Les matériaux et techniques modernes permettent d'influer sur la direction du jet des gaz sortant de la tuyère et de l'orienter (voir photo avion expérimental X-31 de Rockwell/MBB), ce qui permet d'augmenter la maniabilité pour effectuer des manœuvres acrobatiques comme le cobra. La suppression des surfaces verticales permet une amélioration de la discrétion ou furtivité, mais les gouvernes aérodynamiques restent indispensables en cas de panne moteur.

Le X-31 a gardé son empennage vertical. Il n'a pas d'empennage horizontal parce qu'il a une aile delta. Les engins volants sans empennages sont naturellement instables sur les 3 axes. Des moments stabilisateurs sont nécessaires : ils sont obtenus soit par des surfaces stabilisatrices, soit par des modifications de formes qui altèrent l'efficacité, diminuent la portance maximale et la plage de centrage.

La suppression des gouvernes est possible en théorie, mais en fait dans certains cas seulement. À la réduction des gaz (ou en cas de panne moteur), il n'y a plus de contrôle. On ne peut supprimer les gouvernes et piloter avec la poussée que si l'engin ne fonctionne qu'à plein gaz (missile, fusée) ou dispose de plusieurs moteurs fonctionnant à puissance non nulle à basse vitesse (engin de décollage vertical VTOL).