Les Avions

I Qu'est ce qu'un avion?

Pour commencer notre TPE, nous devions savoir ce qu'est un avion.

Selon l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI), un avion est un aéronef, étant plus lourd que l'air, et qui est propulsé par un moteur (ou un réacteur). La sustentation en vol est le résultat de réactions aérodynamiques qui s'exercent sur une surface de l'avion appelée voilure. Si il n'est pas propulsé par un moteur, c'est un planeur.

Un avion se décompose en plusieurs parties. Dans le cas d'un avion de tourisme, tel que le Jodel D113, il est composé d'un moteur à piston et d'une hélice qui constituent le nez de l'appareil. Mais il est aussi composé d'une verrière, d'un cokpit, d'un fuselage, d'un train d'atterrissage principal, d'ailes et d'une queue. La queue regroupe 5 parties de l'avion: un empennage vertical appelé dérive, un empennage horizontal, une gouverne de direction, une gouverne de profondeur et une roulette de queue. Les ailes sont, quand à elle, constituées de l'intrados, l'extrados, du bord d'attaque, du bord de fuite, des volets ainsi que d'ailerons.

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Dans le cas des avions de ligne à réaction, tel que l'Airbus A380, on constate quelques différences. En effet, l'A380 possède un train principal et un train auxiliaire. Ses organes propulseurs sont des réacteurs. On retrouve par contre des points communs au niveau des ailes, comme les ailerons, les volets de bord de fuite, le bec de bord d'attaque. Mais aussi au niveau de la queue avec l'empennage vertical et l'empennage horizontal. Les ailes des avions de ligne ont une forme particulière car ce sont des ailes en flèche et on constate aussi des winglets au bout des ailes. Ces winglets ont un rôle important car il permettent de réduire les turbulences ainsi que la consommation de carburant.

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II L'Histoire de l'Aviation

Au commencement de notre démarche, nous nous sommes posés les questions suivantes: Quand a commencé l'histoire des avions? Qui est le précurseur de l'aviation française? Quels sont les premiers avions à avoir été conçus?

Même si ses recherches n'ont pas abouti, le premier a avoir effectuer des recherches sur la possibilité que les hommes volent, est Léonard de Vinci (1452-1519). En effet, il fût le premièr a étudié le vol des oiseaux, mais son raisonnement était incorrect car il pensait que l'homme pourrait voler s'il était équipé d'un appareil à ailes battantes, appelé "ornithoptère".

La naissance du premier avion n'a lieu que 400 ans plus tard, le 9 octobre 1890, Clément Ader réussit à voler pour la première fois. L'ingénieur français décolle du sol, après avoir parcouru une quarantaine de mètre, à bord de son oeuvre, l'Eole. Quelque année plus tard, il créea un autre aéronef, l'Eole III, puis renommé ensuite par un nom qui deviendra universelle dans le monde de l'aviation, l'Avion, qui signifie selon Ader: Appareil Volant Imitant l'Oiseau Naturel.

Par la suite, de nombreux avions fûrent crées, comme en 1908, le "Wright Flyer" construit par les frères Orville et Wilbur Wright. Mais aussi, le "Blériot XI", fabriqué par Louis Blériot et ayant traversé pour la première fois la Manche, le 25 juillet 1909. Le "Spirit of Saint Louis" , piloté par Lindbergh, a été le premier avion à avoir volé au dessus de l'Océan Atlantique en 1927.

Le 25 octobre 1949, pour la première fois, un avion de ligne à réaction destiné au transport de passager fait un vole d'essai. Ce vol montre les performances de cette avion car il est deux fois plus rapide que les autres avions de transport mais il peut aussi voler au dessus des nuages, ce qui diminue les risques d'accidents aériens dû aux conditions météorologiques. Mais ce ne fût que le 2 mai 1952, où l'avion de ligne à réaction, le "Comet 1", parcoura la distance séparant Londres et Johannesburg, soit environ 10000 Km, en 17 heure. Ce quadrimoteur a été un grand succès de l'aviation anglaise.


III L'Aérodynamisme

Après avoir répondu à nos interrogations sur la structure de l'avion, on s'intéresse à l'aérodynamisme, c'est-à-dire aux phénomènes physiques liés au déplacement des corps solides dans l'atmosphère. Ainsi, on s'est posés les questions suivantes: Comment les avions volent-ils? En quoi les ailes influencent-elles le vol de ces appareils? Quelles sont les forces exercées sur l'avion?

 

1) Le profil d'aile

Vous le savez peut-être déjà que les ailes ont une grande importance dans le vol des avions, mais en réalité c'est le profil de l'aile qui permet à l'avion de voler. En effet, le profil est la forme de la coupe d'une aile. Il est calculé de façon à obtenir la portance maximale pour une résistance minimale. On constate que plus l'épaisseur est grande, plus la portance augmente

Voici une image d'un profil d'aile:

profil-d-aile.gif Comme vous pouvez le constater, le profil d'aile prend en compte beaucoup de paramètres. Pour résumé, lorqu'un avion vole, l'air aborde le profil par le bord d'attaque et le quitte par le bord de fuite. Quand l'air aborde le profil par le bord d'attaque, l'écoulement autour de ce profil est plus accéléré sur l'extrados que sur l'intrados. Il en résulte une force de pression verticale appelée la portance. Mais aussi, on constate que la pression sur l'avant du profil est supérieure à celle sur l'arrière de celui-ci, ainsi il en résulte une force de pression appelée la traînée.

 

2) Expériences sur le profil d'aile

Au cours de nos recherches, nous avons décidé de faire une petite expérience ayant pour objectif de mettre en évidence l'importance du profil d'aile. 

Cette vidéo se décompose en deux partie, une première partie portant sur l'aile asymétrique, et une deuxième partie, sur l'aile symétrique. Nous avons rencontré quelques problèmes au niveau de la vidéo, donc elle ne contient que la première partie sur l'aile asymétrique. Mais nous avons choisit de vous faire part des résultats de la deuxième expérience dans la seconde partie de la vidéo:

3)Les forces aérodynamiques

Lorsqu'un un avion vole, on dénombre quatre forces aérodynamiques qui sont la portance, le poids , la traînée et la propulsion (ou traction).

a) La portance

C'est une force perpendiculaire au flux de l'air et orientée vers l'extrados (vers le haut). Pour expliquer cette force, nous devons prendre comme base la physique newtonienne. En effet, elle stipule que tout corps au repos reste au repos et tout objet animé d'un mouvement rectiligne continu reste en mouvement jusqu'à l'application d'une force exptérieure. Grâce à cette physique, on sait que pour chaque action, il existe une réaction opposée de force égale. Donc pour générer une portance, l'aile doit créer une action sur l'air qui va engendrer une réaction, la portance. On remarque que pour obtenir plus de portance, l'aile doit dévier plus d'air.

b) Le poids 

Le poids d'un objet est la force qui traduit la manifestation de la gravitation autour de la Terre. Elle s'exerce selon la verticale du lieu et se dirige vers le bas. S'il n'y avait pas la portance, les avions s'écraseraient au sol car ils seraient attirer vers le sol. 

c) La traînée 

La traînée est une force aérodynamique qui s'oppose à l'avancement d'un mobile dans l'air, elle constitue une résistance au mouvement. En aviation, la traînée résulte de l'écoulement de l'air autour d'un profil. En effet, lorsque la pression sur l'avant du profil est supérieure à celle de l'arrière de celui-ci, il en résulte une force de pression vers l'arrière, c'est la traînée.

d) La traction

La traction est une action mécanique qui peut imposer une accélération, c'est une force motrice placée en avant  de la force résistante (la traînée). En aviation, la traction symbolise un avion qui se déplace en avant.  

On remarque que la portance est opposée au poids tandis que la traînée est, elle, opposée à la propulsion. 

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4) Les efforts aérodynamiques

  Afin de diriger l'avion dans l'espace, on utilise des efforts aérodynamiques (portances et traînées) crées sur de petites surfaces que l'on appelle gouverne, afin de provoquer des rotations sur les trois axes de l'avion: le roulis, le lacet et le tangage.

Un avion pouvant se déplacer dans l'espace, son mouvement autour de son centre de gravité peut se décrire selon les trois axes précédents: 

- l'axe de roulis, c'est l'axe longitudinal de l'avion. 

- l'axe de lacet, c'est l'axe perpendiculaire au plan des ailes.

- l'axe de tangage, c'est l'axe passant par le bout des ailes.

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a) L'axe de roulis

Pour faire basculer l'avion sur l'aile gauche ou sur l'aile droite, il faut jouer sur la portance de chaque aile. Autrement dit, pour provoquer une rotation autour de l'axe de roulis, il faut augmenter la portance d'une aile et diminuer celle de l'autre.

Ainsi, pour s'incliner à droite, il faut diminuer la portance de l'aile droite et augmenter celle de l'aile gauche. Pour s'incliner à gauche, il faut faire le contraire. Pour modifier la portance des ailes, on utilise des ailerons. En réalité, on baisse l'aileron du côté où il faut augmenter la portance et on le lève du côté où il faut la diminuer.

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b) L'axe de lacet

Pour faire basculer le nez de l'avion à gauche ou à droite, il faut provoquer une rotation autour de l'axe de lacet. C'est l'empennage vertical (ou la dérive) qui permet de créer cette rotation.

Une surface mobile verticale, la gouverne de direction (empennage vertical) permet de créer un effort aérodynamique qui engendre une rotation de la queue vers la droite ou vers la gauche. En position de "repos", la gouverne de direction est dans l'axe de l'avion. On observe aussi que c'est la dérive qui crée la traînée dans l'axe de celui-ci.

Lorqu'on braque la gouverne à droite (en enfonçant le palonnier à droite), on engendre une résultante aérodynamique vers la gauche de l'empennage vertical. Celui-ci est donc entraîné dans cette direction et le nez de l'avion part à droite. Tandis que si on braque la gouverne vers la gauche, en enfonçant le palonnier gauche, c'est l'inverse qui se produit. En pratique, pour amener le nez vers la droite ou vers la gauche, il faut enfoncer le pied du côté ou on veut emmener le nez.

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c) L'axe de tangage

 Pour faire monter l'avion, il faut lui basculer le nez vers le ciel et pour le faire descendre, il faut lui basculer le nez vers le sol. Autrement dit, il faut provoquer une rotation autour de l'axe de tangage. En faite, il faut "jouer" sur la portance de l'empennage horizontal. En pratique, si on augmente sa portance, la queue de l'avion va monter et le nez va basculer vers le sol: l'avion descendra. Alors que si on diminue sa portance, la queue va s'enfoncer et le nez de l'avion va basculer vers le ciel: l'avion montera.

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5) Les phases du vol 

a) Le décollage

Le décollage se décompose en trois phases:

- Le roulement. Pendant cette phases l'avion accélère sur la piste, une surface plane, afin d'atteindre une vitesse lui permettant d'assurer sa sustentation (se maintenir en équilibre) par une portance suffisante. L'utilisation des voltets permet de diminuer la vitesse nécessaire au décollage mais diminue l'accélération par augmentation de la traînée.

- La rotation. Lorsque la vitesse de décollage est atteinte, on effectue la rotation pour placer l'avion à l'assiette (position d'un élément dans un milieu par rapport au plan horizontal) de montée. Cela augmente la portance par augmentation d'incidence (angle d'attaque). La sustentation va se produire.

- L'envol. Dans cette phase l'avion a quitté le sol mais en est encore très proche. Il faut continuer à accélerer pour assurer la prise d'altitude. Le décollage se termine au passe à la hauteur de 15m par rapport au sol.

Il faut savoir que le décollage, ou la montée rectiligne uniforme, est complexe à étudier. Mais globalement; du point de vue de la sustentation, ça paraît facile. En effet, lors de la montée, la portance doit compenser le poids. De même, pour la propulsion, la traction doit compenser, la traînée et le poids

 

b) Le vol

  En général, il y a deux type de vol, le premier est le vol rectiligne uniforme en palier tandis que le deuxième est le vol plané

Le vol rectiligne en palier à vitesse constante reste la configuration de vol la plus fréquente. Pour maintenir l'équilibre de l'avion, il faut que la portance équilibre le poids et que la traction compense la traînée.

Le deuxième est le vol plané, il correspond au régime des planeurs. Ainsi, en vol plané rectiligne stabilisé par exemple, l'équlibre des forces impose que pour la sustentation, la portance doit compenser le poids. Et que pour la propulsion, la traînée doit équilibrer aussi le poids

 

c) L'attérrissage

L'attérrissage se décompose également en trois phases:

- La finale. L'avion descend sur une pente stabilisé avec une vitesse constante.

- L'arrondi. Près du sol, le pilote réduit la pente de descente afin de tangenter (longer) le sol, on dit qu'il arrondit. Cette phase permet de prendre contact doucement avec la planète.

- La décélération. Une fois les roues au sol l'attérrissage n'est pas terminé. Il faut perdre de la vitesse avant de se dégager vers le parking. Cette phase peut paraître facile mais au contraire il faut rester vigilant pendant toute la décélération car un freinage mal dosé peut entraîner une sortie de piste.  

Lors de l'attérrissage, ou descente rectiligne uniforme, le principe est le même que la montée. Mais cette fois, le poids de l'avion devient le facteur le plus important. En effet, pendant la descente, il est supérieur à la portance, donc l'avion perd de l'altitude et commence à descendre.

 

  Suite à nos recherches sur les deux parties précédentes, les oiseaux et les avions. Nous allons vous faire part de nos résultats dans une troisième partie, la conclusion.

 

Venez tester vos connaissances sur cette partie, en répondant à nos questions de notre quiz. Pour cela, cliquez ici


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