Force aéronautique

Un avion en vol est toujours soumis à quatre forces principales :

   - La portance et la traînée : forces aérodynamiques provenant de la décomposition de la résultante aérodynamique et appliquées au centre de poussée.
   - Le poids : appliqué au centre de gravité.
   - La traction ou la propulsion : fournie par l'hélice et appliquée à l'axe porte-hélice.

Pour simplifier, nous allons supposer que le centre de gravité et le centre de poussée sont confondus et que l'axe de traction passe aussi par le centre de gravité pour analyser les diverses conditions de vol de l'avion.

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La portance
La portance est assurée essentiellement par la voilure constituée par les ailes, à laquelle peut s'ajouter de manière infime, la portance de fuselage et celles des autres parties portantes de l'avion le cas échéant.


Il existe une relation entre la portance, la vitesse et l'angle d'incidence de l'avion.


On considère que la surface S et la masse spécifique de l'air þ sont constants, les seuls éléments variables restent le coefficient de portance Cz et la vitesse V.
Aussi, si l'un de ces deux paramètres augmente, l'autre doit diminuer et inversement pour que la portance reste constante , mais comme pour un profil d'aile donné Cz ne varie qu'avec l'angle d'incidence, il en résulte alors qu'à chaque vitesse de vol correspond un angle d'incidence bien déterminé pour conserver un vol horizontale.

Ainsi la gamme des vitesses permises à l'avion en vol horizontal s'étend de la vitesse minimum de sustentation, obtenue à l'angle de portance maximum (point M1 de la Polaire), à la vitesse maximum correspondant à l'angle d'incidence de traînée minimum (point M3 de la polaire).

La polaire de l'aile est le rapport entre le coefficient de portance Cz et le coefficient de traînée Cx.


La traînée
La traînée de l'avion est constituée par :
       - La traînée des ailes.
       - La traînée du fuselage.
       - La traînée des empennages.
       - La traînée du train d'atterrissage (fixe ou sorti).
       - La traînée de l'hélice et du moteur.
       - Les diverses traînées parasites (antennes, sondes, etc...).

Toutefois, ces traînées partielles varient peu avec l'angle d'incidence, mais varient avec la densité de l'air et le carré de la vitesse de l'avion.

Pour réduire la traînée totale de l'avion le plus possible, il est nécessaire d'étudier des formes aussi profilées que possible, notamment les raccordements ailes / fuselage et empennages / fuselage. Il faut éviter aussi les saillies, les protubérances et soigner le fini des surfaces. On dit aussi "qu'un avion propre vole mieux"...

La relation entre la portance et la traînée
On fait souvent la simplification de dire que la trainer est égale à 1/10 de la portance pour de faible vitesse.
Le rapport "portance / traînée" détermine la finesse de l'aile de l'avion. Aussi, la finesse de l'avion est fournie par ce même rapport où la portance a peu augmenté alors que la traînée est beaucoup plus grande (dut au fuselage et autres éléments).
En conséquence, la finesse maximum de l'avion est donc très inférieure à celle de l'aile seule. Cette finesse peut passer, par exemple, de 10 pour l'avion complet au lieu de 22 pour l'aile seule.


Pour une aile de Bf109
F=Cz/Cx= 72  pour 150 km/h
F=Cz/Cx= 91  pour 350 km/h

Pour une aile de Spitfire
F=Cz/Cx= 67  pour 150 km/h
F=Cz/Cx= 89  pour 350 km/h

On peut voir ici que, malgré des ailes adapté pour avoir une grande portance, le spitfire avait aussi des ailes qui trainées plus et avait donc une moins grande vitesse que le Bf109 (bien entendu les différences sont petite)
[pour les expérimenter le Spitfire avait des ailes épileptiques pour combattre la trainé induite et non la trainé totale]

La traction
La traction ou propulsion est la force produite par le groupe motopropulseur constitué par le moteur et l'hélice (ou le réacteur). Cette traction communique une vitesse à l'avion et lui permet ainsi de décoller et de voler.

Il est possible de faire varier cette traction en agissant sur la puissance du moteur :
       - Nombre de tours moteur.
       - Pression d'admission du moteur.
       - Pas de l'hélice.



La relation entre la traction et la traînée
En vol horizontal uniforme, l'avion a la traînée équilibrée par la traction.
Toute augmentation de l'une de ces deux forces, conduit à une variation de mouvement :
       - Accélération : si la traction augmente.
       - Ralentissement : si la traînée augmente.
Ainsi, si la puissance du moteur augmente, la traction augmente, la vitesse de l'avion devient plus grande mais la traînée croissant comme le carré de la vitesse, deviendra bientôt "à nouveau" égale à la traction, et la vitesse de l'avion se stabilisera à une valeur supérieure à sa valeur précédente. Le vol horizontal de l'avion deviendra uniforme à un nouvel angle d'incidence.


La relation entre la traction et le poids
Le rapport entre le poids et la traction dépend de la finesse de l'avion à l'incidence de vol considérée.

Pour un poids donné de l'avion, la traction que devra fournir l'hélice sera minimum lorsque la finesse sera maximum.


Car : poids = portance et traction = traînée avec poids /traction = portance / traînée = finesse.
Ainsi, un avion léger pesant 7 200 N volant à une certaine incidence pour laquelle sa finesse est de 12, aura besoin d'une traction de 7 200 / 12 = 600 N.


De plus, la consommation kilométrique en carburant dépend directement de la traction, c'est aussi pour l'angle d'incidence de finesse maximum qu'elle sera la plus faible. Dans ces conditions, l'avion pourra couvrir la plus grande distance possible compte tenu du carburant disponible. Cette distance constituera son rayon d'action maximum.

Toutefois, le rayon d'action recouvre soit :
   - La plus grande distance parcourable.
   - La moitié de la plus grande distance parcourable si l'on envisage le retour de l'avion sans vent.
De ce fait, l'angle d'incidence de finesse maximum est appelé angle optimum ou angle économique.

La puissance nécessaire au vol
La puissance est définie comme le travail produit dans l'unité de temps.

Une force appliquée à un corps effectue un travail lorsqu'elle déplace ce corps suivant sa propre direction.
La quantité de travail fournie est égale au produit de l'intensité de cette force par la longueur du déplacement imposé au corps.

Exemple : Une force de 600 N déplaçant un corps entre de points distants de 6 m fournit un travail de 3 600 J.
Si le temps nécessaire à produire ce travail a été de 30 s, la puissance développée aura été de 120 W.

Ainsi, avec la notion de puissance apparaît la notion de temps, c'est-à-dire la plus ou moins grande rapidité avec laquelle s'accomplit un travail donné.

Or, le quotient d'une longueur par un temps équivaut à une vitesse.

Pour l'avion, la force qui effectue un travail effectif utile est la traction qui détermine la puissance développée et utilisée pour entretenir le vol à une vitesse donnée.

Exemple : Si la vitesse de vol est de 180 km/h soit 50 m/s, la puissance pour notre avion précédent serait de 600 x 50 = 30 000 W ou 30 kW.
En tenant compte d'une rendement de l'hélice de 0,75 le moteur devra alors développer une puissance de 30 / 0,75 = 40 kW.

Nota : 1 kW = 0,736 CV, la puissance nécessaire doit être alors par excès de 55 CV.


La puissance minimum et l'autonomie
L'autonomie ou l'endurance est la plus grande durée possible de vol compte tenu de la quantité de carburant disponible.
Elle est obtenue lorsque la consommation horaire est la plus faible, c'est à dire au minimum de puissance.

Ici, les éléments à prendre en considération ne sont plus les mêmes que dans la recherche du rayon d'action maximum. Il s'agit dans ce cas de rechercher non plus le minimum de traction mais le minimum du produit : traction x vitesse.

On recherche à réaliser le meilleur compromis entre vitesse et traction.

Cette préoccupation conduit à voler à une vitesse légèrement plus faible que celle utilisée pour le rayon d'action maximum, c'est-à-dire avec un angle d'incidence plus grand que celui de la finesse maximum.