Conception de profil aérodynamique
Un profil aérodynamique est une structure conçue pour obtenir une réaction sur sa surface à partir de l'air dans lequel il se déplace ou qui passe devant une telle structure. L'air agit de diverses manières lorsqu'il est soumis à différentes pressions et vitesses ; mais cette discussion se limite aux parties d'un aéronef qui préoccupent le plus un pilote en vol, à savoir les profils aérodynamiques conçus pour produire de la portance. En regardant un profil typique de profil aérodynamique, comme la section transversale d'une aile, on peut voir plusieurs caractéristiques évidentes de conception. Notez qu'il existe une différence dans les courbures (appelées cambers) des surfaces supérieure et inférieure du profil aérodynamique. La cambrure de la surface supérieure est plus prononcée que celle de la surface inférieure, qui est généralement quelque peu plate.
NOTA : Les deux extrémités du profil de la voilure diffèrent également en apparence. L'extrémité arrondie, tournée vers l'avant en vol, s'appelle le bord d'attaque ; l'autre extrémité, le bord de fuite, est assez étroite et effilée.
Une ligne de référence souvent utilisée pour discuter du profil aérodynamique est la ligne de corde , une ligne droite tracée à travers le profil reliant les extrémités des bords d'attaque et de fuite. La distance entre cette ligne de corde et les surfaces supérieure et inférieure de l'aile indique l'amplitude de la cambrure supérieure et inférieure en tout point. Une autre ligne de référence, tracée du bord d'attaque au bord de fuite, est la ligne de carrossage moyen. Cette ligne moyenne est équidistante en tous points des surfaces supérieure et inférieure.
Un profil aérodynamique est construit de telle manière que sa forme tire parti de la réponse de l'air à certaines lois physiques. Cela développe deux actions à partir de la masse d'air: une action de levage à pression positive de la masse d'air sous l'aile et une action de levage à pression négative à partir d'une pression abaissée au-dessus de l'aile.
Lorsque le flux d'air frappe la surface inférieure relativement plate d'une aile ou d'une pale de rotor lorsqu'il est incliné à un petit angle par rapport à sa direction de mouvement, l'air est forcé de rebondir vers le bas, provoquant une réaction vers le haut en portance positive. Dans le même temps, le flux d'air frappant la section courbe supérieure du bord d'attaque est dévié vers le haut. Un profil aérodynamique est formé pour provoquer une action sur l'air et force l'air vers le bas, ce qui fournit une réaction égale de l'air, forçant le profil aérodynamique vers le haut. Si une aile est construite sous une forme telle qu'elle provoque une force de portance supérieure au poids de l'avion, l'avion volera.
Si toute la portance requise était obtenue simplement à partir de la déviation de l'air par l'intrados de l'aile, un avion n'aurait besoin que d'une aile plate comme un cerf-volant. Cependant, l'équilibre de la portance nécessaire pour soutenir l'avion provient du flux d'air au-dessus de l'aile. C'est là que réside la clé du vol.
Il n'est ni précis ni utile d'attribuer des valeurs spécifiques au pourcentage de portance généré par la surface supérieure d'un profil aérodynamique par rapport à celui généré par la surface inférieure. Ce ne sont pas des valeurs constantes. Ils varient, non seulement avec les conditions de vol, mais aussi avec les différentes conceptions d'ailes.
Différents profils aérodynamiques ont des caractéristiques de vol différentes. Plusieurs milliers de profils aérodynamiques ont été testés en soufflerie et en vol réel, mais aucun profil aérodynamique n'a été trouvé qui satisfasse à toutes les exigences de vol. Le poids, la vitesse et le but de chaque avion dictent la forme de son profil aérodynamique. Le profil aérodynamique le plus efficace pour produire la plus grande portance est celui qui a une surface inférieure concave ou "évidée". En tant que conception fixe, ce type de profil aérodynamique sacrifie trop de vitesse tout en produisant de la portance et ne convient pas au vol à grande vitesse. Les progrès de l'ingénierie ont permis aux jets à grande vitesse d'aujourd'hui de tirer parti des caractéristiques de portance élevée du profil aérodynamique concave. Volets de bord d'attaque (Kreuger) et volets de bord de fuite (Fowler), lorsqu'ils sont étendus à partir de la structure de base de l'aile,
D'autre part, une voilure parfaitement carénée et offrant peu de résistance au vent n'a parfois pas assez de puissance de sustentation pour faire décoller l'avion. Ainsi, les avions modernes ont des profils aérodynamiques qui se situent à mi-chemin entre les extrêmes de la conception. La forme varie selon les besoins de l'avion pour lequel il est conçu.
Basse pression au-dessus
Dans une soufflerie ou en vol, un profil aérodynamique est simplement un objet profilé inséré dans un flux d'air en mouvement. Si le profil du profil aérodynamique avait la forme d'une larme, la vitesse et les changements de pression de l'air passant par le haut et le bas seraient les mêmes des deux côtés. Mais si le profil aérodynamique en forme de larme était coupé en deux dans le sens de la longueur, une forme ressemblant à la section de base du profil aérodynamique (aile) en résulterait. Si le profil aérodynamique était alors incliné de sorte que le flux d'air le frappe à un angle, l'air se déplaçant sur la surface supérieure serait forcé de se déplacer plus rapidement que l'air se déplaçant le long du bas du profil aérodynamique. Cette vitesse accrue réduit la pression au-dessus du profil aérodynamique.
En appliquant le principe de pression de Bernoulli, l'augmentation de la vitesse de l'air au sommet d'un profil aérodynamique produit une chute de pression. Cette pression abaissée est une composante de la portance totale. La différence de pression entre l'extrados et l'intrados d'une aile ne représente pas à elle seule la force de portance totale produite.
Le flux descendant vers l'arrière à partir de la surface supérieure d'un profil aérodynamique crée un flux vers le bas. Ce flux vers le bas rencontre le flux du bas du profil aérodynamique au bord de fuite. En appliquant la troisième loi de Newton, la réaction de ce flux descendant vers l'arrière se traduit par une force ascendante vers l'avant sur le profil aérodynamique.
Haute pression ci-dessous
Une certaine quantité de portance est générée par les conditions de pression sous le profil aérodynamique. En raison de la manière dont l'air circule sous le profil aérodynamique, une pression positive en résulte, en particulier à des angles d'attaque plus élevés. Cependant, il y a un autre aspect de ce flux d'air qui doit être pris en compte. En un point proche du bord d'attaque, le flux d'air est pratiquement arrêté (point de stagnation) puis augmente progressivement sa vitesse. À un certain point près du bord de fuite, il atteint à nouveau une vitesse égale à celle de la surface supérieure. Conformément au principe de Bernoulli, où le flux d'air était ralenti sous le profil aérodynamique, une pression ascendante positive était créée (c'est-à-dire que lorsque la vitesse du fluide diminue, la pression doit augmenter). Étant donné que la différence de pression entre la surface supérieure et la surface inférieure du profil aérodynamique augmente, la portance totale augmente.
Répartition de la pression
À partir d'expériences menées sur des modèles de soufflerie et sur des avions grandeur nature, il a été déterminé que lorsque l'air circule le long de la surface d'une aile à différents angles d'attaque (AOA), il existe des régions le long de la surface où la pression est négative, ou moins. que la pression atmosphérique et les régions où la pression est positive ou supérieure à la pression atmosphérique. Cette pression négative sur la surface supérieure crée une force relativement plus grande sur l'aile que celle provoquée par la pression positive résultant de l'air frappant la surface inférieure de l'aile. La moyenne de la variation de pression pour un AOA donné est appelée centre de pression (CP). La force aérodynamique agit à travers ce CP. Aux angles d'attaque élevés, le CP avance, tandis qu'aux faibles angles d'attaque, le CP recule. Dans la conception des structures de voilure, ce débattement CP est très important, car il affecte la position des charges aérodynamiques imposées à la structure de l'aile dans des conditions d'angle d'attaque faibles et élevées. L'équilibre aérodynamique et la contrôlabilité d'un avion sont régis par des modifications du CP.
Comportement du profil aérodynamique
Bien que des exemples spécifiques puissent être cités dans lesquels chacun des principes prédit et contribue à la formation de la portance, la portance est un sujet complexe. La production de portance est bien plus complexe qu'une simple pression différentielle entre les surfaces supérieure et inférieure de la voilure. En fait, de nombreuses surfaces portantes n'ont pas une surface supérieure plus longue que le fond, comme dans le cas des surfaces portantes symétriques. Celles-ci se voient dans les avions à grande vitesse ayant des ailes symétriques, ou sur des pales de rotor symétriques pour de nombreux hélicoptères dont les surfaces supérieures et inférieures sont identiques. Dans les deux exemples, la seule différence est la relation entre le profil aérodynamique et le flux d'air venant en sens inverse (angle). Un avion en papier, qui est simplement une assiette plate, a un fond et un dessus exactement de la même forme et de la même longueur. Pourtant, ces profils aérodynamiques produisent de la portance,
Lorsqu'un profil aérodynamique se déplace dans l'air, le profil aérodynamique est incliné contre le flux d'air, produisant un flux différent causé par la relation du profil aérodynamique avec l'air venant en sens inverse. Pensez à une main placée à l'extérieur de la fenêtre de la voiture à grande vitesse. Si la main est inclinée dans un sens ou dans l'autre, la main se déplacera vers le haut ou vers le bas. Ceci est causé par la déviation, qui à son tour fait tourner l'air autour de l'objet dans le flux d'air. À la suite de ce changement, la vitesse autour de l'objet change à la fois en amplitude et en direction, ce qui entraîne à son tour une force et une direction de vitesse mesurables.
Une troisième dimension
Jusqu'à présent, la discussion s'est centrée sur l'écoulement à travers les surfaces supérieure et inférieure d'un profil aérodynamique. Alors que l'essentiel de la portance est produit par ces deux dimensions, une troisième dimension, la pointe du profil aérodynamique a également un effet aérodynamique. La zone de haute pression sur le bas d'un profil aérodynamique pousse autour de la pointe vers la zone de basse pression sur le dessus. Cette action crée un flux rotatif appelé vortex de pointe. Le vortex s'écoule derrière le profil aérodynamique créant un courant descendant qui s'étend jusqu'au bord de fuite du profil aérodynamique. Ce balayage vers le bas entraîne une réduction globale de la portance pour la partie affectée du profil aérodynamique. Les fabricants ont développé différentes méthodes pour contrer cette action. Des winglets peuvent être ajoutés à l'extrémité d'un profil aérodynamique pour réduire ce flux. Les ailettes agissent comme un barrage empêchant le vortex de se former. Les winglets peuvent être en haut ou en bas du profil aérodynamique. Une autre méthode pour contrer le flux consiste à effiler la pointe du profil aérodynamique, en réduisant la différence de pression et en lissant le flux d'air autour de la pointe.
