Structure de l'atmosphère

L'atmosphère est une enveloppe d'air qui entoure la Terre et repose sur sa surface. Il fait autant partie de la Terre que les mers ou la terre, mais l'air diffère de la terre et de l'eau car c'est un mélange de gaz. Il a une masse, un poids et une forme indéfinie.

L'atmosphère est composée de 78% d'azote, 21% d'oxygène et 1% d'autres gaz, tels que l'argon ou l'hélium. Certains de ces éléments sont plus lourds que d'autres. Les éléments plus lourds, tels que l'oxygène, se déposent à la surface de la Terre, tandis que les éléments plus légers sont soulevés vers la région d'altitude plus élevée. La majeure partie de l'oxygène de l'atmosphère est contenue en dessous de 35 000 pieds d'altitude. 

L'air est un fluide

Lorsque la plupart des gens entendent le mot « fluide », ils pensent généralement au liquide. Cependant, les gaz, comme l'air, sont aussi des fluides. Les fluides prennent la forme de leurs contenants. Les fluides ne résistent généralement pas à la déformation lorsque même la plus petite contrainte est appliquée, ou ils n'y résistent que légèrement. Nous appelons cette légère viscosité de résistance. Les fluides ont également la capacité de s'écouler. Tout comme un liquide coule et remplit un récipient, l'air se dilate pour remplir le volume disponible de son récipient. Les liquides et les gaz affichent ces propriétés fluides uniques, même s'ils diffèrent considérablement en densité. Comprendre les propriétés fluides de l'air est essentiel pour comprendre les principes du vol.

Viscosité

La viscosité est la propriété d'un fluide qui lui fait résister à l'écoulement. La façon dont les molécules individuelles du fluide ont tendance à adhérer les unes aux autres détermine dans quelle mesure un fluide résiste à l'écoulement. Les fluides à haute viscosité sont «épais» et résistent à l'écoulement; les fluides à faible viscosité sont « fluides » et s'écoulent facilement. L'air a une faible viscosité et s'écoule facilement. 

En utilisant deux liquides comme exemple, des quantités similaires d'huile et d'eau versées sur deux rampes identiques s'écouleront à des débits différents en raison de leur viscosité différente. L'eau semble couler librement tandis que l'huile coule beaucoup plus lentement. 

Autre exemple, différents types de liquides similaires afficheront des comportements différents en raison de viscosités différentes. La graisse est très visqueuse. Avec le temps, la graisse coulera, même si le débit sera lent. L'huile moteur est moins visqueuse que la graisse et s'écoule beaucoup plus facilement, mais elle est plus visqueuse et s'écoule plus lentement que l'essence. 

Tous les fluides sont visqueux et ont une résistance à l'écoulement, que l'on observe ou non cette résistance. Nous ne pouvons pas facilement observer la viscosité de l'air. Cependant, comme l'air est un fluide et possède des propriétés de viscosité, il résiste dans une certaine mesure à l'écoulement autour de tout objet. 

Friction

Un autre facteur à l'œuvre lorsqu'un fluide s'écoule sur ou autour d'un objet est appelé frottement. Le frottement est la résistance qu'une surface ou un objet rencontre lorsqu'il se déplace sur un autre. Le frottement existe entre deux matériaux qui se touchent.

Les effets du frottement peuvent être démontrés à l'aide d'un exemple similaire au précédent. Si des fluides identiques sont déversés sur deux rampes identiques, ils s'écoulent de la même manière et à la même vitesse. Si la surface d'une rampe est rugueuse et l'autre lisse, le débit sur les deux rampes diffère considérablement. La rampe de surface rugueuse empêche l'écoulement du fluide en raison de la résistance de la surface (friction). Il est important de se rappeler que toutes les surfaces, aussi lisses soient-elles, ne sont pas lisses au niveau microscopique et entravent l'écoulement d'un fluide.

La surface d'une aile, comme toute autre surface, présente une certaine rugosité au niveau microscopique. La rugosité de la surface provoque une résistance et ralentit la vitesse de l'air circulant sur l'aile.

Les molécules d'air passent sur la surface de l'aile et adhèrent (collent ou s'accrochent) à la surface en raison du frottement. Les molécules d'air près de la surface de l'aile résistent au mouvement et ont une vitesse relative proche de zéro. La rugosité de la surface entrave leur mouvement. La couche de molécules qui adhèrent à la surface de l'aile est appelée couche limite. 

Une fois que la couche limite de l'air adhère à l'aile par frottement, une résistance supplémentaire au flux d'air est causée par la viscosité, la tendance de l'air à se coller à lui-même. Lorsque ces deux forces agissent ensemble pour résister au flux d'air sur une aile, on parle de traînée. 

Pression 

La pression est la force appliquée dans une direction perpendiculaire à la surface d'un objet. Souvent, la pression est mesurée en livres de force exercée par pouce carré d'un objet, ou PSI. Un objet complètement immergé dans un fluide ressentira une pression uniformément sur toute la surface de l'objet. Si la pression sur une surface de l'objet devient inférieure à la pression exercée sur les autres surfaces, l'objet se déplacera dans le sens de la pression inférieure.

Pression atmosphérique 

Bien qu'il existe différents types de pression, les pilotes sont principalement concernés par la pression atmosphérique. C'est l'un des facteurs fondamentaux des changements météorologiques, il aide à soulever un avion et actionne certains des instruments de vol importants. Ces instruments sont l'altimètre, l'anémomètre, l'indicateur de vitesse verticale et le manomètre d'admission. 

L'air est très léger, mais il a une masse et est affecté par l'attraction de la gravité. Par conséquent, comme toute autre substance, il a un poids, et à cause de son poids, il a une force. L'air étant une substance fluide, cette force s'exerce également dans toutes les directions. Son effet sur les corps dans l'air s'appelle la pression. Dans des conditions standard au niveau de la mer, la pression moyenne exercée par le poids de l'atmosphère est d'environ 14,70 livres par pouce carré (psi) de surface, ou 1 013,2 millibars (mb). L'épaisseur de l'atmosphère est limitée ; par conséquent, plus l'altitude est élevée, moins il y a d'air au-dessus. Pour cette raison, le poids de l'atmosphère à 18 000 pieds est la moitié de ce qu'il est au niveau de la mer. 

La pression de l'atmosphère varie avec le temps et le lieu. En raison de la pression atmosphérique changeante, une référence standard a été développée. L'atmosphère standard au niveau de la mer est une température de surface de 59 ° F ou 15 ° C et une pression de surface de 29,92 pouces de mercure ("Hg) ou 1 013,2 mb.

Un taux de déchéance de température standard est lorsque la température diminue à un taux d'environ 3,5 ° F ou 2 ° C par mille pieds jusqu'à 36 000 pieds, soit environ -65 ° F ou -55 ° C. Au-dessus de ce point, la température est considérée comme constante jusqu'à 80 000 pieds. Un taux de déchéance de pression standard est lorsque la pression diminue à un taux d'environ 1 "Hg par 1 000 pieds de gain d'altitude à 10 000 pieds. L'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) a établi cela comme une norme mondiale, et il est souvent appelé Atmosphère standard internationale (ISA) ou atmosphère standard de l'OACI Toute température ou pression qui diffère des taux de déchéance standard est considérée comme une température et une pression non standard.

Étant donné que les performances de l'avion sont comparées et évaluées par rapport à l'atmosphère standard, tous les instruments de l'avion sont étalonnés pour l'atmosphère standard. Afin de tenir compte correctement de l'atmosphère non standard, certains termes connexes doivent être définis.

Altitude-pression

L'altitude pression est la hauteur au-dessus d'un plan de référence standard (SDP), qui est un niveau théorique où le poids de l'atmosphère est de 29,92 "Hg (1 013,2 mb) tel que mesuré par un baromètre. Un altimètre est essentiellement un baromètre sensible calibré pour indiquer l'altitude dans l'atmosphère standard. Si l'altimètre est réglé sur 29,92 "Hg SDP, l'altitude indiquée est l'altitude pression. Lorsque la pression atmosphérique change, le SDP peut être au-dessous, au niveau ou au-dessus du niveau de la mer. L'altitude-pression est importante comme base pour déterminer les performances de l'avion, ainsi que pour attribuer des niveaux de vol aux avions opérant à ou au-dessus de 18 000 pieds.

L'altitude pression peut être déterminée par l'une des méthodes suivantes :  

1. Réglage de l'échelle barométrique de l'altimètre à 29,92 et lecture de l'altitude indiquée

2. Application d'un facteur de correction à l'altitude indiquée en fonction du calage altimétrique signalé

Densité Altitude

SDP est une altitude-pression théorique, mais les aéronefs évoluent dans une atmosphère non standard et le terme altitude-densité est utilisé pour corréler les performances aérodynamiques dans l'atmosphère non standard. L'altitude-densité est la distance verticale au-dessus du niveau de la mer dans l'atmosphère standard à laquelle se trouve une densité donnée. La densité de l'air a des effets significatifs sur les performances de l'avion car, à mesure que l'air devient moins dense, il réduit :

• Puissance car le moteur absorbe moins d'air

• Poussée car une hélice est moins efficace dans les airs raréfiés 

• Ascenseur parce que l'air raréfié exerce moins de force sur les profils aérodynamiques

L'altitude-densité est l'altitude-pression corrigée pour une température non standard. À mesure que la densité de l'air augmente (altitude-densité inférieure), les performances de l'aéronef augmentent; à l'inverse, à mesure que la densité de l'air diminue (altitude-densité plus élevée), les performances de l'aéronef diminuent. Une diminution de la densité de l'air signifie une altitude de densité élevée; une augmentation de la densité de l'air signifie une altitude-densité inférieure. L'altitude-densité est utilisée dans le calcul des performances de l'avion car, dans des conditions atmosphériques standard, l'air à chaque niveau de l'atmosphère a non seulement une densité spécifique, mais son altitude-pression et son altitude-densité identifient le même niveau. 

Le calcul de l'altitude-densité implique la prise en compte de la pression (altitude-pression) et de la température. Étant donné que les données de performances des aéronefs à tous les niveaux sont basées sur la densité de l'air dans des conditions de jour standard, ces données de performances s'appliquent à des niveaux de densité de l'air qui peuvent ne pas être identiques aux indications de l'altimètre. Dans des conditions supérieures ou inférieures à la norme, ces niveaux ne peuvent pas être déterminés directement à partir de l'altimètre. 

L'altitude-densité est déterminée en trouvant d'abord l'altitude-pression, puis en corrigeant cette altitude pour les variations de température non standard. Étant donné que la densité varie directement avec la pression et inversement avec la température, une altitude-pression donnée peut exister pour une large gamme de températures en permettant à la densité de varier. Cependant, une densité connue se produit pour toute altitude de température et de pression. La densité de l'air a un effet prononcé sur les performances de l'avion et du moteur. Quelle que soit l'altitude réelle de l'avion, il fonctionnera comme s'il fonctionnait à une altitude égale à l'altitude-densité existante. 

La densité de l'air est affectée par les changements d'altitude, de température et d'humidité. L'altitude à haute densité fait référence à l'air mince, tandis que l'altitude à faible densité fait référence à l'air dense. Les conditions qui entraînent une altitude de densité élevée sont des altitudes élevées, des pressions atmosphériques basses, des températures élevées, une humidité élevée ou une combinaison de ces facteurs. Des altitudes plus basses, une pression atmosphérique élevée, des températures basses et une faible humidité indiquent davantage une altitude de faible densité. 

Effet de la pression sur la densité 

L'air étant un gaz, il peut être comprimé ou détendu. Lorsque l'air est comprimé, une plus grande quantité d'air peut occuper un volume donné. A l'inverse, lorsque la pression sur un volume d'air donné diminue, l'air se dilate et occupe un plus grand espace. À une pression inférieure, la colonne d'air d'origine contient une plus petite masse d'air. La densité est diminuée car la densité est directement proportionnelle à la pression. Si la pression est doublée, la densité est doublée ; si la pression est abaissée, la densité est abaissée. Cette affirmation n'est vraie qu'à température constante.

Effet de la température sur la densité

L'augmentation de la température d'une substance diminue sa densité. Inversement, diminuer la température augmente la densité. Ainsi, la densité de l'air varie en raison inverse de la température. Cette affirmation n'est vraie qu'à pression constante.

Dans l'atmosphère, la température et la pression diminuent avec l'altitude et ont des effets contradictoires sur la densité. Cependant, une chute assez rapide de la pression à mesure que l'altitude augmente a généralement un effet dominant. Par conséquent, les pilotes peuvent s'attendre à ce que la densité diminue avec l'altitude. 

Effet de l'humidité (humidité) sur la densité 

Les paragraphes précédents se réfèrent à un air parfaitement sec. En réalité, il n'est jamais totalement sec. La petite quantité de vapeur d'eau en suspension dans l'atmosphère peut être presque négligeable dans certaines conditions, mais dans d'autres conditions, l'humidité peut devenir un facteur important dans les performances d'un avion. La vapeur d'eau est plus légère que l'air; par conséquent, l'air humide est plus léger que l'air sec. Par conséquent, à mesure que la teneur en eau de l'air augmente, l'air devient moins dense, ce qui augmente l'altitude-densité et diminue les performances. Il est le plus léger ou le moins dense lorsque, dans un ensemble de conditions donné, il contient le maximum de vapeur d'eau. 

L'humidité, également appelée humidité relative, fait référence à la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère et est exprimée en pourcentage de la quantité maximale de vapeur d'eau que l'air peut contenir. Cette quantité varie avec la température. L'air chaud contient plus de vapeur d'eau, tandis que l'air froid en contient moins. L'air parfaitement sec qui ne contient pas de vapeur d'eau a une humidité relative de zéro pour cent, tandis que l'air saturé, qui ne peut plus contenir de vapeur d'eau, a une humidité relative de 100 pour cent. L'humidité seule n'est généralement pas considérée comme un facteur important dans le calcul de l'altitude-densité et des performances de l'avion, mais c'est un facteur contributif. 

Lorsque la température augmente, l'air peut contenir de plus grandes quantités de vapeur d'eau. Lorsque l'on compare deux masses d'air distinctes, la première chaude et humide (les deux qualités tendant à alléger l'air) et la seconde froide et sèche (les deux qualités le rendant plus lourd), la première doit être moins dense que la seconde. La pression, la température et l'humidité ont une grande influence sur les performances de l'avion en raison de leur effet sur la densité. Il n'y a pas de règles empiriques faciles à appliquer, mais l'effet de l'humidité peut être déterminé à l'aide de plusieurs formules en ligne. Dans le premier exemple, la pression est nécessaire à l'altitude pour laquelle l'altitude-densité est recherchée. À l'aide de Figure, sélectionnez la pression barométrique la plus proche de l'altitude associée. À titre d'exemple, la pression à 8 000 pieds est de 22,22 "Hg. À l'aide du site Web de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (www.srh.noaa.gov) pour l'altitude-densité, entrez 22,22 pour 8 000 pieds dans la fenêtre de pression de la station. Entrez une température de 80° et un point de rosée de 75°. Le résultat est une altitude-densité de 11 564 pieds. Sans humidité, l'altitude-densité serait inférieure de près de 500 pieds.