Aérodynamique - Définition et Explications

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Actions du vent sur les ouvrages

Plus le vent relatif est fort, plus une force de pression va s'exercer sur les ouvrages et les matériaux composants l'avion. Des termes correctifs sont donc à inscrire dans les équations de paramètres, dans la mesure où le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) ne brise aucun matériel.

Les termes de l’aérodynamique de l’aile

Termes géométriques

Allongement 
L’allongement d'une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) portante, sur un aérodyne (Un aérodyne, dans le domaine de l'aéronautique, est un terme générique désignant tout aéronef...) à voilure non tournante, est le rapport entre l’envergure et la "corde moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...)" ; c'est aussi le rapport du carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) de l'envergure (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour...) à la surface. C’est une caractéristique essentielle pour la finesse. Plus l’allongement est grand, plus la finesse de l’aile est grande (plus l’angle de plané est faible). La pente de portance dépend de l'allongement.
Angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) de calage 
Angle formé par la corde de l’aile et l’axe de référence du fuselage (Le fuselage désigne l'enveloppe d'un avion qui reçoit généralement la charge...).
Angle d’incidence 
Angle formé par la corde de profil de l’aile et le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) vitesse (On distingue :), aussi appelé angle d’attaque.
Bord d’attaque 
Dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) de l'écoulement, partie avant du profil. Il est généralement de forme arrondie, de rayon plus important sur les machines subsoniques et plus fin sur les machines supersoniques.
Bord de fuite 
Dans le sens de l'écoulement, partie arrière et amincie du profil.
Corde de profil 
Droite reliant le bord d’attaque (partie arrondie à l'avant de l’aile) au bord de fuite (partie fine à l’arrière de l’aile) (voir aussi Profil (aéronautique)).
Dièdre 
voir Dièdre (avion)
Effilement 
c'est le rapport de la corde d'extrémité sur la corde d'emplanture; il peut être égal à 1 (aile dite "à corde constante") ou inférieur à 1 (aile trapézoidale "effilée").
Emplanture 
Partie de l’aile en contact avec le fuselage.
Envergure 
Distance entre les deux bouts d’aile.
Épaisseur relative 
Rapport de l'épaisseur (distance maximum entre intrados et extrados) à la corde du profil.
Extrados 
Surface supérieure de l’aile ou du profil.
Intrados 
Surface inférieure de l’aile ou du profil.
Hypersustentateurs 
Les dispositifs hypersustentateurs sont le plus souvent des surfaces mobiles dont la fonction est de modifier la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure...) de profil de l’aile afin d’en augmenter la portance. Ils sont généralement constitués de becs de bord d’attaque et de volets de courbure disposés au bord de fuite. Le bec (Un bec, au sens strict, est une structure anatomique externe qui permet la prise alimentaire et...) de bord d’attaque prolonge vers l’avant et vers le bas la courbure du profil pour augmenter l'incidence maximale et donc la portance maximale du profil. Les volets de courbure sont braqués vers le bas pour augmenter la portance, mais cela augmente aussi la traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un...) aérodynamique (L'aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte principalement sur la...) (cet effet de freinage est recherché à l'atterrissage (L’atterrissage désigne, au sens étymologique, le fait de rejoindre la terre ferme....), mais pas au décollage). Ils sont utilisés pour les phases de vol à basse vitesse (décollage, atterrissage, ravitaillement en vol d'un chasseur à réaction supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) par un avion ravitailleur (Un avion ravitailleur est un avion utilisé pour le réapprovisionnement en vol en carburant...) subsonique). Les volets de courbure sont parfois braqués vers le haut à vitesse élevée pour réduire et adapter la cambrure (courbure) du profil au Cz de vol, ce qui réduit légèrement la traînée (planeurs).
Il existe d'autres dispositifs hypersustentateurs faisant appel au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de l'écoulement : soufflage, aspiration de la couche limite (La couche limite est une zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un...). Le souffle des hélices augmente de façon importante la portance des surfaces placées derrière elles.
Profil 
voir Profil (aéronautique).
Saumon 
Carénage de forme variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...), le plus souvent arrondi (Un arrondi d'un nombre est une valeur approchée de ce nombre obtenue, à partir de son...), disposé à l'extrémité de l’aile. Une aile peut cependant être coupée net, sans présenter de saumon (Le terme saumon est un nom vernaculaire ambigu désignant en français plusieurs...).
Surface alaire 
C’est la surface projetée de l’aile dans le plan horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la...), y compris la surface incluse dans le fuselage.
Winglet 
Ce sont des extensions généralement verticales fixées à l’extrémité de l’aile dans le but d’augmenter l'envergure efficace de l’aile (et donc son allongement effectif) pour diminuer la traînée induite par la portance. Correctement installés, les winglets peuvent récupérer une partie de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) dissipée dans les tourbillons marginaux.

Termes aérodynamiques

Angle de plané 
Angle compris entre l’horizontale et la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) (descendante).
Couche limite 
Couche d’air au contact de la surface de l’aile. Les particules au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) immédiat de l’aile sont dotées d’une vitesse propre inférieure à celles situées dans la couche plus externe. Des études récentes (référence?) montrent que dans ce cadre la traînée aérodynamique d'une surface très finement striée peut être inférieure à celle d'une surface lisse.
Décrochage du profil
Lorsque, à vitesse constante du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) on accroît la valeur de l'angle d'incidence, la portance générée par le profil augmente, passe par un maximum (entre 15 et 18 degrés, approx.) et diminue plus ou moins brutalement. Les caractéristiques de ce phénomène dépendent du profil considéré, de l'allongement de la surface et des conditions de l'écoulement (nombre de Reynolds, nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de Mach, état de la couche-limite).
Décrochage de l'aile 
Le décrochage commence localement à l'endroit le plus chargé aérodynamiquement, et s'étend plus ou moins brusquement à toute la surface de l'aile. L'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) du décrochage (qui peut amener une perte de contrôle en roulis) est plus dangereuse que le décrochage lui même.
Finesse 
Rapport entre la portance et la traînée. C'est aussi le rapport de la vitesse horizontale sur la vitesse de chute : pour un appareil volant à 180 km/h (soit 50 m/s) et une vitesse de chute de 5 m/s la valeur du rapport est de 10. C'est aussi le rapport entre la distance parcourue et la perte d'altitude : pour une finesse de 10, quand l'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...) parcourt 10 m, il descend de 1 m. La finesse maximale ne dépend pas du poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) mais du coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) de portance et donc de l'incidence de l’aile. La vitesse de finesse maximale augmente avec le poids pour un même avion.
Moments aérodynamiques 
Ce sont les couples qui s’appliquent sur les trois axes d'un aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère...). On distingue les moments de tangage, de roulis et de lacet.
Nombre de Reynolds 
Nombre sans dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) représentant le ratio entre les forces d'inerties et les forces visqueuses. Pour une viscosité et une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) il sert à déterminer la transition théorique entre un écoulement laminaire (Un écoulement est dit laminaire lorsqu'il est régulier (qu'il ne présente pas trop de variations...) et un écoulement turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept...).
Etude de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) sur les tourbillons créés par les extrémités de voilure qui a montré l'évolution de nuages de fumées dans le sillage d'un avion, illustrant ainsi leur taille et leur puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :).
Portance 
Force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) au flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de l’air et orientée vers l’extrados (surface extérieure de l’aile située sur le dessus). Pour comprendre la portance, il faut se remémorer nos cours de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) newtonienne. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) corps au repos reste au repos, et tout corps animé d’un mouvement continu rectiligne conserve cette quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse...) jusqu’à ce qu’il soit soumis à l’application d’une force extérieure. Si l’on observe une déviation dans le flux de l’air, ou si l’air à l’origine au repos est accéléré, alors une force y a été imprimée. La physique newtonienne stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles...) que pour chaque action il existe une réaction opposée de force égale. Ainsi, pour générer une portance, l’aile doit créer une action sur l’air qui génère une réaction appelée portance. Cette portance est égale à la modification de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de mouvement de l’air qu’elle dévie vers le bas. La quantité de mouvement est le produit de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) par la vitesse. La portance d’une aile est donc proportionnelle à la quantité d’air dévié vers le bas multipliée par la vitesse verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) de cet air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...). Pour obtenir plus de portance, l’aile peut soit dévier plus d’air, soit augmenter la vitesse verticale de cet air. Cette vitesse verticale derrière l’aile est le flux descendant.
Tourbillon marginal 
Tourbillon présent à l'extrémité d'une surface portante, généré par la différence de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) entre l’intrados et l’extrados. Ce tourbillon peut être très marqué dans le cas d'une aile à faible allongement et à forte incidence (aile delta, Concorde (Le Concorde est un avion de transport supersonique construit par l’association de...) au décollage). Une partie de l'énergie dissipée dans ce tourbillon peut être récupérée en prolongeant l'aile par des ailettes spécifiques appelées winglets.
 
La traînée aérodynamique est la résultante des forces qui s’opposent au mouvement d’un mobile dans un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...); c’est la résistance à l’avancement. Elle s’exerce dans la direction opposée à la vitesse du mobile et s’accroît avec le carré de la vitesse, excepté pour la composante de traînée induite par la portance qui diminue avec la vitesse.
  • Ordre de grandeur : la traînée aérodynamique est de l'ordre de :
2 à 3 % de la portance pour un planeur (Un planeur est un aérodyne qui est, par définition, dépourvu de moteur. Il existe...) de compétition (finesse 50),
5 % pour un avion de ligne (Un avion de ligne désigne un appareil utilisé pour le transport de passagers sur des...) récent ou pour un motoplaneur (finesse 20),
7 à 12 % pour un avion léger (finesse 14 à 8),
12 % jusqu'à 20 à 25 % pour une machine à faible allongement (Concorde) ou peu profilée (ULM pendulaire).

À vitesse constante, la traînée est équilibrée par une force propulsive (avion à moteur) ou par une perte d’énergie potentielle (perte d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) dans le cas d'un planeur).

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