Aérodynamique de la pointe avant

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Introduction

La conception aérodynamique de la pointe avant de tout véhicule ou d'un objet se déplaçant un milieu fluide compressible (comme une fusée ou un avion, un missile ou une balle), est un problème important. Il consiste a déterminer la forme de la pointe avant afin d'obtenir la performance optimale. Pour de nombreuses applications, une telle tâche exige la définition d'un solide de révolution qui minimisera la résistance au mouvement dans un fluide.

Forme de pointe avant et équations

Dimensions générales

Dans toutes les équations de pointe avant qui vont suivre, Lest la longueur totale de la pointe et R est le rayon de la base de la pointe. y est le rayon en tout point x, commeX varie de 0, au bout de la pointe jusqu'à L. Les équations définisent le profil de bidimensionnel de la forme de la pointe avant. La surface de révolution de la pointe est formé par la rotation du profil autour de l'axe (C / L). Notez que les équations décrivant la forme théorique parfaite; en pratique elle est souvent émoussée ou tronquée pour des raisons de fabrication ou d'aérodynamiques.

Pointe conique

Une forme de pointe avant très commune est le cône. Cette forme est souvent choisie pour sa facilité de fabrication, et est aussi souvent choisie (et parfois mal choisie) pour ses caractéristiques de traînée. Les génératrices d'un cone sont des droites, l'équation du diamètre est tout simplement

y = \frac{x R}{L}

Les cônes sont parfois définis par leur demi angle au sommet, $ϕ$ :

$ϕ = arctan (\frac{R}{L})$ and $y = x tan (ϕ)$

Pointe conique tronquée par une sphère

En pratique, une pointe conique est souvent tronquée par un morceau de sphère. Le point de tangence de la sphère avec le cône se trouve à:

x_{t} = \frac{L ^{2}}{R} \frac{r _{n}^{2}}{R ^{2} + L ^{2}}

y_{t} = \frac{x _{t} R}{L}

où:

r_n et le rayon de la sphérique

Le centre de la sphère troncatrice se trouve à:

x_{o} = x_{t} + r_{n}^{2} - y_{t}^{2}

Et le point d'apex se trouve à:

x_a = x_o − r_n

Pointe biconique

Une pointe biconique est simplement un cône de longueur L₁ tronqué par un autre cône de longueur L₂.

L = L₁ + L₂

pour $0 \leq x \leq L_{1}$ : $y = \frac{x R _{1}}{L _{1}}$

demi angle :

$ϕ_{1} = arctan (\frac{R _{1}}{L _{1}})$ and $y = x tan (ϕ_{1})$

pour $L_{1} \leq x \leq L$ : $y = R_{1} + \frac{( x - L _{1} ) ( R _{2} - R _{1} )}{L _{2}}$

demi angle:

$ϕ_{2} = arctan (\frac{R _{2} - R _{1}}{L _{2}})$ and $y = R_{1} + (x - L_{1}) tan (ϕ_{2})$

Pointe à ogive tangente

Avec la forme conique, la forme en ogive est la plus familière dans les micro fusées. Ce profil de révolution est obtenu à pertir d'un arc de cercle tangent à la base au corps de l'engin (fusée, balle...). La popularité de cette forme est largement dûe à la facilité de la construction de son profil. Nose cone tangent ogive.png

Le rayon de l'arc de cercle qui forme l'ogive est appellé rayon de l'ogive ρ et est lié à la longueur et la largeur de la pointe avant par la formule:

ρ = \frac{R ^{2} + L ^{2}}{2 R}

Le rayon y à chaque point x, avec x variant de 0 à L est:

y = ρ^{2} - (L - x)^{2} + R - ρ

La longueur de la pointe avant, L, doit inférieur ou égale au rayon de l'ogive ρ. S'ils sont égaux, la forme est un hémisphère.

Pointe à ogive tangente tronquée par une sphère

Spherically blunted tangent ogive geometry.svg

Une forme en ogive est souvent tronquée par un morceau de sphère. Le point de tangence entre la sphère et l'ogive se définit commse suit:

x_{o} = L - (ρ - r_{n})^{2} - (ρ - R)^{2}

y_{t} = \frac{r _{n} ( ρ - R )}{ρ - r _{n}}

x_{t} = x_{o} - r_{n}^{2} - y_{t}^{2}

où:

r_n est le rayon et x_o est le centre de la sphère troncatrice.

Le point d'apex peut être définit comme suit:

x_a = x_o − r_n

Pointe à ogive sécante

Le profil de cette forme est également formé d'un arc de cercle définit par le rayon de l'ogive. Le corps de l'engin n'est pas tangent à la base de l'ogive. Le rayon de l'ogive ρ n'est pas déterminé par R et L (comme pour l'ogive tangente), mais l'un des facteurs doit être choisi pour définir la forme de la pointe. Si l'on choisit le rayon de l'ogive sécante plus grande que le rayon de l'ogive tangente avec le même R et L, l'ogive sécante résultante apparaitra comme une ogive tangente avec une base tronquée.

$ρ > \frac{R ^{2} + L ^{2}}{2 R}$ et $α = arctan (\frac{R}{L}) - arccos (\frac{L ^{2} + R ^{2}}{2 ρ})$

Alors le rayon y au point x avec x variant de 0 à L vaut:

y = ρ^{2} - (ρ cos α - x)^{2} + ρ sin α

Si on choisit ρ plus petit que le rayon de l'ogive tanngente ρ, alors on obtient une ogive sécante qui aura un renflement plus important que le diamètre de la base. L'exemple classique de cette forme est la pointe avant du missille MGR-1 Honest John. De plus, le rayon choisit doit être plus grand que le double de la longueur de la pointe avant.

2 L < ρ < \frac{R ^{2} + L ^{2}}{2 R}

Pointe elliptique

Fichier:Nose cone elliptical.png

Le profil de cette forme est une moitié d'une ellipse, avec le grand axe dans l'axe et le petit axe étant la base de la pointe avant. Une rotation d'une ellipse complète autour de son axe majeur est un ellipsoïde, ainsi la forme de nez elliptique est un hémiellipsoïde. Cette forme est très utilisée pour le vol subsonique (tels que les fusées miniatures) en raison de l'arrondi de la pointe et de la tengence à la base. Ce n'est pas une forme que l'on retrouve sur les vraies fusées. Si R est égal à L, il s'agit d'un hémisphère.

y = R 1 - \frac{x ^{2}}{L ^{2}}

Pointe parabolique

La forme parabolique série est produite par la rotation d'une partie de parabole autour d'une ligne parallèle à son latus rectum. Cette construction est semblable à celle de l'ogive tangente, sauf que la génératrice est un arc de parabole plutôt qu'un arc de cercle. Tout comme sur une ogive, cette construction donne une forme de pointe avant avec un pointe aiguë. Pour la forme émoussée généralement associée à un nez parabolique, voir la série des formes définie par des fonctions puissances (La forme parabolique est également souvent confondue avec la forme elliptique).

Pour $0 \leq K^{'} \leq 1$ : $y = R (\frac{2 ( \frac{x}{L} ) - K ^{'} ( \frac{x}{L} ) ^{2}}{2 - K ^{'}})$

K’ pouvant varier de 0 à 1, mais les valeurs les plus communes utilisées pour les pointes avant sont:

K’ = 0 pour un cône

K’ = 0,5 pour une demi parabole

K’ = 0,75 pour 3/4 de parabole

K’ = 1 pour une parabole complète

Dans le cas de la parabole complète (K’=1), la pointe avant est tangente au corps de l'engin à sa base et la base est sur l'axe de la parabole. Les valeurs de K' inférieure à 1 donne une forme plus affinée qui apparaissent à l'ogive sécante+. La forme résultante n'est alors plus tangente à la base de l'engin, mais la base demeure parallèle, bien que décalé, à l'axe de la parabole+.

Pointe générée avec une fonction puissance

La fonction puissance inclue la forme communément appelée pointe avant "parabolique", mais la véritable pointe avant fait partie des pointes avants générée à partir de fonction parabolique, qui sont de complètement différentes des pointes avant générées par des fonctions puissance. La forme générée avec une fonction puissance se caractérise généralement par sa pointe émoussée, et par le fait que sa base n'est pas tangente au corps de l'engin. Il y a toujours une discontinuité de tangence au raccordement de la pointe avant avec le corps de l'engin qui peut être pénalisante pour l'aérodynamique. La forme peut être modifiée à la base pour lisser cette discontinuité. Les formes cylindriques et coniques font partie de cette famille.

Pour $0 \leq n \leq 1$ : $y = R (\frac{x}{L})^{n}$

où:

n = 1 pour un cône

n = 0,5 pour une parabole

n = 0 pour un cylindre

Pointe générée avec une fonction de Haack

Contrairement au forme de pointe avant précédente, celle obtenu par la fonction de Haack n'est pas construite à partir de bases géométriques. Ces formes proviennent des mathématiques afin de minimiser la traînée aérodynamique. Bien que la fonction de Haack existe pour toute valeur de C, deux valeurs de C ont une importance particulière+. Lorsque C = 0, on obtient la traînée minimale pour une longueur et un diamètre donnés (LD-Haack), et lorsque C = 1/3, on obtient la trainée minimum pour une longeur et un volume donnés (LV-Haack). Les pointes avant basées sur les fonctions de Haack ne sont pas parfaitement tangent, à leur base, au corps de l'engin. La discontinuité de tangente est cependant généralement très faible pour être imperceptible. L'extrémités des pointes avant basées sur les fonctions de Haack ne présente pas une pointe aigue mais sont légèrement arrondies.

θ = arccos (1 - \frac{2 x}{L})

y = \frac{R θ - \frac{s i n ( 2 θ )}{2} + C sin ^{3} θ}{π}

où:

C = 1/3 pour LV-Haack

C = 0 pour LD-Haack

Von Kármán

La fonction de Haack donne la traînée minimum pour une longueur et un diamètre donnés (LD-Haack), est communement dénommée Von Kármán ou ogive de Von Kármán.

Aerospike

Voir en:Drag-resistant aerospike

Coefficient de trainée de pointes avant

Pour les avions et les fusées, en dessous de Mach 0,8, la trainée de pression sur la pointe avant est négligeable pour toutes les formes. Le paramètres majeur de la traînée est est la traînée de frottement, qui dépend fortement de la surface mouillée, de la régularité de cette surface, et de la présence de discontinuité de la surface. Par exemple, pour les fusée subsonique, une forme lisse, elliptique, courte et tronquée, est généralement préférable. Dans les régimes transsoniques et au-delà, où la traînée de pression augmente considérablement, la forme de la pointe avant devient très significative. Les facteurs qui influencent la traînée de pression sont la forme générale du cône de nez, son coefficient de finesse, et sa régularité.

Influence de la forme générale

De nombreuses références sur la conception pointe avant contiennent des données empiriques comparant les caractéristiques de traînée de différents profil dans les différents régimes. Le graphique présenté ici compile ces données sous forme graphique. Ce tableau corobore d'autres références plus détailées, mais plus difficile ment compréhensible telle que celle du USAF Datcom.

Comparaison des caractéristiques de traînée de différents profil de pointe avant du domaine transsonique au supersonique. Légende: excellent (1), bon (2), moyen (3), inférieur (4)

Dans de nombreuses conceptions de pointe avant, la plus grande préoccupation est la performance dans la plage transsonique de 0,8 à 1,2 Mach. Bien que les données n'est pas disponible pour de nombreuses formes dans la région transsonique, le tableau montre clairement que soit la forme de Von Kármán, ou celle obtenue avec la fonction puissance avec n = 1/2, serait préférable aux célèbres pointes avant coniques ou en ogives.

Cette observation va à l'encontre de la sagesse conventionnelle qui prétend que la pointe avant conique est optimale pour passer le mur du son. Les avions de combat sont probablement de bons exemples de pointes avant optimisées pour la région transsonique, bien que leur profil soit souvent déformées par d'autres considérations telles que l'avionique et des prise d'air. Par exemple, la pointe avant des F-16 resemble fortement à une forme de Von Karman.

Influence du coefficient de finesse

Le rapport de la longueur d'une pointe avant par rapport à son diamètre de base est appellé coefficient de finesse. Il est parfois aussi appelé le ratio d'aspect, bien que ce terme soit généralement utilisé pour les ailes et les ailerons. Le coefficient de finesse est souvent appliqué à l'ensemble de l'engin, en considérant sa longueur totale et son diamètre. La relation longueur / diamètre est également souvent appelé calibre de la pointe avant. Aux vitesses supersoniques, le coefficient de finesse a un effet significatif sur la traînée d'onde de la pointe avant, en particulier à pour des ratios faibles; mais il y a très peu de gain pour les rapports au-delà de 5:1. Avec l'augmentation du coefficient de finesse, la surface mouillée, et donc la composante de traînée de frottement, va augmenter. Par conséquent, le coefficient de finesse entrainant la plus faible traînée va être un compromis entre la traînée d'onde et la traînée de frottement (l'un diminuant pendant que l'autre augmente).