Théorie du vol des aéronefs 

Avant qu'un technicien puisse envisager d'effectuer la maintenance d'un aéronef, il est nécessaire de comprendre les pièces qui composent l'aéronef. Des noms comme fuselage, empennage, aile et tant d'autres entrent en jeu pour décrire ce qu'est un avion et comment il fonctionne. Pour les hélicoptères, des noms comme rotor principal, rotor anti-couple et autorotation viennent à l'esprit comme une petite partie de ce qu'il faut comprendre sur les giravions. L'étude de la physique, qui comprend l'aérodynamique de base, est une partie nécessaire pour comprendre pourquoi les aéronefs fonctionnent comme ils le font.

Quatre forces de vol 

Pendant le vol, quatre forces agissent sur un avion. Ces forces sont la portance, le poids, la poussée et la traînée. La portance est la force ascendante créée par l'aile, le poids est l'attraction de la gravité sur la masse, la poussée est la force créée par l'hélice ou le moteur à turbine de l'avion et la traînée est la friction causée par l'air circulant autour de l'avion. 

Ces quatre forces sont mesurées en livres. Chaque fois que les forces ne sont pas équilibrées, quelque chose dans l'état de l'avion change. Les possibilités sont les suivantes :

1. Lorsqu'un avion accélère, il a plus de poussée que de traînée. 

2. Lorsqu'un avion décélère, il a moins de poussée que de traînée. 

3. Lorsqu'un avion est à vitesse constante, la poussée et la traînée sont égales. 

4. Lorsqu'un avion monte, il a plus de portance que de poids. 

5. Lorsqu'un avion descend, il a plus de poids que de portance. 

6. Lorsqu'un avion est à une altitude constante, la portance et la masse sont égales.  

Principe de Bernoulli et flux subsonique 

Le concept de base du flux d'air subsonique et les différentiels de pression qui en résultent ont été découverts par Daniel Bernoulli, un physicien suisse. Le principe de Bernoulli, comme nous l'appelons aujourd'hui, stipule que "à mesure que la vitesse d'un fluide augmente, la pression statique de ce fluide diminue, à condition qu'il n'y ait pas d'énergie ajoutée ou d'énergie retirée". Une application directe du principe de Bernoulli est l'étude de l'air tel qu'il circule dans un passage convergent ou divergent, et de relier les résultats à certains concepts d'aviation.

Une forme convergente est une forme dont la section transversale devient progressivement plus petite de l'entrée à la sortie. Une forme divergente est tout le contraire, la section transversale s'agrandissant de l'entrée à la sortie. La figure montre un conduit de forme convergente, avec l'air entrant par la gauche à une vitesse subsonique et sortant par la droite. Notez que l'air sort à une vitesse accrue et une pression statique réduite lorsque vous regardez les jauges de pression et de vitesse, et la vitesse et la pression indiquées. L'unité qui sort doit augmenter sa vitesse lorsqu'elle s'écoule dans un espace plus petit, car une unité d'air doit sortir du conduit lorsqu'une autre unité entre.  

Dans un conduit divergent, c'est exactement le contraire qui se produirait. Du point d'entrée au point de sortie, le conduit s'étale et la surface s'agrandit. Avec l'augmentation de la section transversale, la vitesse de l'air diminue et la pression statique augmente. L'énergie totale dans l'air n'a pas changé. Ce qui a été perdu en vitesse, qui est l'énergie cinétique, est gagné en pression statique, qui est l'énergie potentielle. 

Dans la partie convergente du venturi, la vitesse augmenterait et la pression statique diminuerait. La même chose arriverait à l'air circulant autour de l'aile, la vitesse au-dessus de l'aile augmentant et la pression statique diminuant.

Une partie de l'air passe par le haut de l'aile et une partie par le bas. L'air passant par-dessus, à cause de la courbure, a plus de chemin à parcourir. Avec une plus grande distance à parcourir, l'air passant au-dessus doit se déplacer à une plus grande vitesse. La vitesse plus élevée en haut fait que la pression statique en haut est inférieure à celle en bas, et cette différence de pression statique est ce qui crée la portance.

Lift et troisième loi de Newton 

La troisième loi de Newton indique que pour chaque force, il existe une force de réaction égale et opposée. En plus du principe de Bernoulli, la troisième loi de Newton peut également être utilisée pour expliquer la portance créée par une aile. Lorsque l'air se déplace autour d'une aile et quitte le bord de fuite, l'air est forcé de se déplacer vers le bas. Puisqu'une force est nécessaire pour faire changer quelque chose de direction, il doit y avoir une force de réaction égale et opposée. Dans ce cas, la force de réaction est ce que nous appelons la portance. Afin de calculer la portance basée sur la troisième loi de Newton,

La deuxième loi de Newton et la formule « Force = Masse × Accélération » seraient utilisées. La masse serait le poids de l'air circulant sur l'aile à chaque seconde, et l'accélération serait le changement de vitesse que l'aile communique à l'air.

La portance sur l'aile telle que décrite par le principe de Bernoulli et la portance sur l'aile telle que décrite par la troisième loi de Newton ne sont pas séparées ou indépendantes l'une de l'autre. Ce sont juste deux façons différentes de décrire la même chose, à savoir la portance sur une aile.

Profils aérodynamiques 

Un profil aérodynamique est tout dispositif qui crée une force, basée sur les principes de Bernoulli ou les lois de Newton, lorsque l'air est amené à circuler sur la surface du dispositif. Un profil aérodynamique peut être l'aile d'un avion, la pale d'une hélice, la pale de rotor d'un hélicoptère ou la pale de soufflante d'un turboréacteur. L'aile d'un avion se déplace dans les airs parce que l'avion est en mouvement et génère de la portance par le processus décrit précédemment. Par comparaison, une pale d'hélice, une pale de rotor d'hélicoptère ou une pale de soufflante de turbosoufflante tourne dans l'air. Ces pales rotatives pourraient être appelées ailes rotatives, comme cela est courant avec les hélicoptères lorsqu'ils sont appelés aéronefs à voilure tournante. L'aile rotative peut être considérée comme un dispositif qui crée de la portance, ou tout aussi correctement, elle peut être considérée comme un dispositif qui crée une poussée. 

Courbure 

La cambrure d'une aile est la courbure qui est présente sur les surfaces supérieure et inférieure. La cambrure sur le dessus est beaucoup plus prononcée, à moins que l'aile ne soit un profil aérodynamique symétrique, qui a la même cambrure en haut et en bas. Le bas de l'aile, le plus souvent, est relativement plat. La cambrure accrue sur le dessus est ce qui provoque l'augmentation de la vitesse de l'air et la diminution de la pression statique. Le bas de l'aile a moins de vitesse et plus de pression statique, c'est pourquoi l'aile génère de la portance.

Ligne d'accord 

La ligne de corde est une ligne droite imaginaire allant du bord d'attaque de l'aile à son bord de fuite. L'angle entre la ligne de corde et l'axe longitudinal de l'avion est appelé angle d'incidence.  

VentRelatif 

Le vent relatif est une relation entre la direction du flux d'air et l'aile de l'avion. Dans des circonstances de vol normales, le vent relatif est la direction opposée à la trajectoire de vol de l'avion. 

• Si la trajectoire de vol est vers l'avant, le vent relatif est vers l'arrière. 

• Si la trajectoire de vol est vers l'avant et vers le haut, alors le vent relatif est vers l'arrière et vers le bas. 

• Si la trajectoire de vol est vers l'avant et vers le bas, alors le vent relatif est vers l'arrière et vers le haut. 

Par conséquent, le vent relatif est parallèle à la trajectoire de vol et se déplace dans la direction opposée.

Angle d'attaque 

L'angle entre la ligne de corde et le vent relatif est l'angle d'attaque. Lorsque l'angle d'attaque augmente, la portance de l'aile augmente. Si l'angle d'attaque devient trop important, le flux d'air peut se séparer de l'aile et la portance sera détruite. Lorsque cela se produit, une condition connue sous le nom de décrochage se produit.

Il existe un certain nombre de formes différentes, appelées formes en plan, qu'une aile peut avoir. Une aile en forme de rectangle est très courante sur les petits avions de l'aviation générale. Une forme elliptique ou une aile conique peuvent également être utilisées, mais celles-ci n'ont pas une caractéristique de décrochage aussi souhaitable. Pour les avions qui fonctionnent à des vitesses subsoniques élevées, les ailes en flèche sont courantes, et pour le vol supersonique, une forme delta peut être utilisée.

Le rapport d'aspect d'une aile est la relation entre son envergure, ou une mesure de bout d'aile à bout d'aile, et la corde de l'aile. Si une aile a une longue envergure et une corde très étroite, on dit qu'elle a un rapport d'aspect élevé. Un rapport hauteur / largeur plus élevé produit moins de traînée pour une vitesse de vol donnée et se trouve généralement sur les avions de type planeur.

L'angle d'incidence d'une aile est l'angle formé par l'intersection de la ligne de corde de l'aile et du plan horizontal passant par l'axe longitudinal de l'aéronef. De nombreux avions sont conçus avec un plus grand angle d'incidence à l'emplanture de l'aile qu'à l'extrémité, et c'est ce qu'on appelle le lavage. Cette caractéristique fait décrocher la partie intérieure de l'aile avant la partie extérieure, ce qui aide à maintenir le contrôle des ailerons pendant les premières étapes d'un décrochage de l'aile. 

Flux d'air de la couche limite 

La couche limite est une très fine couche d'air recouvrant la surface de l'aile et, d'ailleurs, toutes les autres surfaces de l'avion. Parce que l'air a de la viscosité, cette couche d'air a tendance à adhérer à l'aile. Au fur et à mesure que l'aile avance dans les airs, la couche limite s'écoule d'abord en douceur sur la forme profilée du profil aérodynamique. Ici, le flux est appelé la couche laminaire.  

Au fur et à mesure que la couche limite se rapproche du centre de l'aile, elle commence à perdre de la vitesse en raison du frottement de la peau et devient plus épaisse et turbulente. On l'appelle ici la couche turbulente. Le point auquel la couche limite passe de laminaire à turbulent est appelé le point de transition. Là où la couche limite devient turbulente, la traînée due au frottement de la peau est relativement élevée. Lorsque la vitesse augmente, le point de transition a tendance à avancer. Lorsque l'angle d'attaque augmente, le point de transition a également tendance à avancer. Avec des angles d'attaque plus élevés et un épaississement supplémentaire de la couche limite, la turbulence devient si importante que l'air se détache de la surface de l'aile. À ce stade, la portance de l'aile est détruite et une condition connue sous le nom de décrochage s'est produite. 

Tourbillons de bout d'aile 

Les tourbillons de bout d'aile sont causés par l'air sous l'aile, qui est à la pression la plus élevée, circulant sur le bout de l'aile et vers le haut de l'aile. Le résultat final est une spirale ou un vortex qui traîne derrière le bout de l'aile chaque fois qu'une portance est produite. Ce vortex est également appelé turbulence de sillage et est un facteur important pour déterminer à quelle distance un avion peut suivre un autre en approche pour atterrir. La turbulence de sillage d'un gros avion peut entraîner la perte de contrôle d'un avion plus petit, s'il suit de trop près.

Upwash et downwash font référence à l'effet d'un profil aérodynamique sur le flux d'air libre. Le courant ascendant est la déviation du flux d'air venant en sens inverse, le faisant s'écouler vers le haut et au-dessus de l'aile. Le downwash est la déviation vers le bas du flux d'air après qu'il est passé au-dessus de l'aile et quitte le bord de fuite. Cette déviation vers le bas est ce qui crée l'action et la réaction décrites sous la portance et la troisième loi de Newton.

Axes d'un avion 

Un avion en vol est contrôlé autour d'un ou plusieurs des trois axes de rotation. Ces axes de rotation sont le longitudinal, le latéral et le vertical. Dans l'avion, les trois axes se croisent au centre de gravité. Lorsque l'avion pivote sur l'un de ces axes, il pivote essentiellement autour du centre de gravité (CG). Le centre de gravité est également appelé centre de rotation.

Stabilité de l'avion 

Lorsqu'un avion est en vol rectiligne en palier à vitesse constante, toutes les forces agissant sur l'avion sont en équilibre. Si ce vol rectiligne en palier est perturbé par une perturbation de l'air, telle qu'une turbulence de sillage, l'avion peut tanguer vers le haut ou vers le bas, effectuer un lacet vers la gauche ou vers la droite ou se mettre en roulis. Si l'avion a ce qu'on appelle la stabilité, une fois la perturbation passée, l'avion reviendra à un état d'équilibre. 

Surfaces de contrôle de vol 

Le but des commandes de vol est de permettre au pilote de manœuvrer l'avion et de le contrôler depuis le moment où il commence la course au décollage jusqu'à ce qu'il atterrisse et s'arrête en toute sécurité. Les commandes de vol sont généralement associées à l'aile et aux stabilisateurs verticaux et horizontaux, car ce sont les parties de l'avion auxquelles les commandes de vol sont le plus souvent attachées. En vol, et dans une certaine mesure au sol, les commandes de vol permettent à l'avion de se déplacer autour d'un ou plusieurs des trois axes. Les commandes de vol fonctionnent en modifiant la forme ou les caractéristiques aérodynamiques de la surface à laquelle elles sont attachées.  

Aérodynamique des hélicoptères 

L'hélicoptère, tel que nous le connaissons aujourd'hui, relève de la classification dite giravion. Les giravions sont également connus sous le nom d'aéronefs à voilure tournante, car au lieu que leur aile soit fixée comme sur un avion, l'aile tourne. La voilure tournante d'un giravion peut être considérée comme un dispositif de production de portance, comme l'aile d'un avion, ou comme un dispositif de production de poussée, comme l'hélice d'un moteur à pistons.  

Hélicoptère Axes de Vol 

Les hélicoptères, comme les avions, ont un axe vertical, latéral et longitudinal qui passe par le centre de gravité de l'hélicoptère. Les hélicoptères effectuent un mouvement de lacet autour de l'axe vertical, tanguent autour de l'axe latéral et tournent autour de l'axe longitudinal. Les trois axes se croisent au centre de gravité de l'hélicoptère et l'hélicoptère pivote autour de ce point. Remarquez sur la figure que l'axe vertical passe presque par le centre du rotor principal, car le centre de gravité de l'hélicoptère doit être très proche de ce point. 

Contrôle du transfert de poids, aérodynamique des avions à voilure flexible 

Un aéronef de type à aile flexible à commande de transfert de poids se compose d'une aile recouverte de tissu, souvent appelée voile, attachée à une structure tubulaire dotée de roues, de sièges, d'un moteur et d'une hélice. La structure de l'aile est également tubulaire, le revêtement en tissu créant la forme du profil aérodynamique. La forme de l'aile varie selon les différents modèles d'avions de contrôle de transfert de poids produits, mais une aile en forme de delta est une conception très populaire. Au sein de la communauté des avions de contrôle de transfert de poids, ces avions sont généralement appelés trikes. 

Aérodynamique du parachute motorisé 

Un parachute motorisé a un chariot très similaire à l'avion de contrôle de transfert de poids. Son aile, cependant, n'a ni structure de support ni rigidité et ne prend la forme d'un profil aérodynamique que lorsqu'elle est gonflée par le souffle d'air de l'hélice et la vitesse d'avancement de l'avion, un parachute motorisé est en approche pour atterrir avec l'aile complètement gonflée et s'élevant au-dessus de l'avion. Chaque section colorée de l'aile gonflée est composée de cellules ouvertes à l'avant pour permettre à l'air de pénétrer et fermées à l'arrière pour garder l'air emprisonné à l'intérieur. Entre toutes les cellules, il y a des trous qui permettent à l'air de circuler d'une cellule à l'autre, afin d'égaliser la pression à l'intérieur de l'aile gonflée. L'aile est attachée au chariot de l'avion par un grand nombre de lignes en nylon ou en Kevlar qui vont des extrémités de l'aile jusqu'au centre. Le poids de l'avion agissant sur ces lignes et leurs longueurs individuelles font que l'aile gonflée prend sa forme. Les lignes se fixent au corps de l'avion à un endroit très proche de l'endroit où se trouve le centre de gravité, et ce point de fixation est réglable pour tenir compte des changements d'équilibre avec des occupants de poids variables.