Fiche de révision : Aérodynamisme et structure aéronautique

📋 Plan du Cours

1. Forces aérodynamiques et traînée
2. Dépression et portance
3. Résultante et incidence
4. Polaire et performances de vol
5. Écoulements et couche limite
6. Profil et types d’ailes
7. Caractéristiques géométriques de l’aile
8. Empennages et fuselage

📖 1. Forces aérodynamiques et traînée

🔑 Notions clés & Définitions

• Force aérodynamique : Force exercée par un fluide sur un objet et qui s’oppose à son déplacement.

★ À maîtriser

📐 Formule — La force aérodynamique vérifie $F_A=P_{air}\times S_{MC}$, où $P_{air}$ est la pression de l’air et $S_{MC}$ la surface perpendiculaire à l’écoulement.

• La traînée augmente avec la surface perpendiculaire à l’écoulement, la masse volumique du fluide et le carré de la vitesse de déplacement.

Compléments

• La traînée totale d’un avion comprend la traînée aérodynamique, les frottements de l’air sur les surfaces extérieures et les traînées induites par les tourbillons.

💡 Astuce mémo

Surface, vitesse et densité augmentent la traînée

📖 2. Dépression et portance

🔑 Notions clés & Définitions

• Dépression : Diminution de pression créée lorsqu’un fluide en mouvement entraîne les molécules du milieu par viscosité.
• Portance : Résultante des forces exercées au-dessus et au-dessous du profil d’une aile et qui contribue à la soulever.

★ À maîtriser

• Au-dessus d’une aile, la diminution de la section d’écoulement augmente la vitesse de l’air, crée une dépression et produit une force qui soulève l’aile.

Compléments

📐 Formule — Les tubes de Bernoulli donnent $P_a-P_1=\rho gh_0$ en amont du rétrécissement et $P_a-P_2=\rho gh_1$ au niveau du rétrécissement.

• La portance dépend notamment de:
  • la forme du profil
  • l’état de surface
  • la forme et l’allongement de l’aile
  • l’angle d’incidence
  • la vitesse
  • la masse volumique du fluide

💡 Astuce mémo

Rétrécissement → vitesse accrue → dépression → portance

📖 3. Résultante et incidence

🔑 Notions clés & Définitions

• Angle d’incidence : Angle formé entre les flux d’air en amont de l’aile et la corde du profil.

📝 Points essentiels

• La résultante aérodynamique R est la somme vectorielle de la portance Rz et de la traînée Rx.

• À incidence nulle, les flux d’air sont parallèles à la corde, la portance par surpression sous l’aile est absente et la traînée est minimale.

• À incidence non nulle, les molécules d’air percutent la surface inférieure de l’aile, ce qui ajoute une portance par surpression et augmente la traînée.

💡 Astuce mémo

Incidence nulle : traînée minimale ; incidence positive : portance accrue mais traînée augmentée

📖 4. Polaire et performances de vol

🔑 Notions clés & Définitions

• Polaire : Représentation des caractéristiques aérodynamiques d’une aile ou d’un avion pour différents angles d’incidence, à partir d’essais en soufflerie.
• Finesse : Rapport entre la portance et la traînée et représentation de la distance parcourue par un aéronef pour une hauteur perdue donnée.

★ À maîtriser

• Le point A correspond à la portance nulle, le point B à la traînée minimale, le point C à la finesse maximale, le point D à la vitesse de descente minimale et le point E à la portance maximale.

📌 Au-delà du point E de portance maximale, l’augmentation de l’angle d’incidence entraîne un risque de décrochage aérodynamique.

Compléments

• Sur la polaire, l’axe vertical porte les coefficients de portance Cz multipliés par 100 et l’axe horizontal les coefficients de traînée Cx multipliés par 100.

• Un planeur de finesse 40 peut parcourir 40 km en perdant 1 000 mètres d’altitude, sans vent et en air calme.

💡 Astuce mémo

A portance nulle, B traînée minimale, C finesse maximale, D descente minimale, E portance maximale

📖 5. Écoulements et couche limite

🔑 Notions clés & Définitions

• Couche limite : Couche d’air autour du profil dont la vitesse d’écoulement est inférieure à celle des flux d’air ambiants en raison de la viscosité et des frottements sur la surface des ailes.

📝 Points essentiels

📌 Un écoulement laminaire se poursuit par couches parallèles avec peu d’échanges significatifs et des variations de vitesse limitées.

📌 Un écoulement turbulent se poursuit de façon désordonnée, avec des trajectoires complexes, de fortes variations de vitesse et un mélange énergique des couches de fluide.

💡 Astuce mémo

Laminaire : couches parallèles ; turbulent : mélange désordonné

📖 6. Profil et types d’ailes

🔑 Notions clés & Définitions

• Corde : Droite qui relie le bord d’attaque au bord de fuite d’un profil d’aile et qui est aussi appelée profondeur.
• Angle de calage : Angle formé par la corde du profil de l’aile et l’axe de référence de l’avion, généralement l’axe du fuselage.

★ À maîtriser

• L’extrados est la partie supérieure du profil au-dessus de la corde, tandis que l’intrados est sa partie inférieure située sous la corde.

Compléments

• L’épaisseur est la largeur maximale du profil et la flèche du profil est la distance maximale entre la corde et la corde moyenne.

• Le centre de portance se situe entre 30 et 50 % de la corde depuis le bord d’attaque, tandis que le foyer se situe entre 20 et 30 %.

📌 Le profil plan convexe porte bien à faible incidence mais est légèrement instable, tandis que le profil biconvexe symétrique ne porte pas aux faibles incidences et sert aux gouvernes et aux avions de voltige.

📖 7. Caractéristiques géométriques de l’aile

🔑 Notions clés & Définitions

• Flèche : Angle que fait l’aile avec le fuselage dans le plan horizontal.
• Dièdre : Angle formé entre les ailes de l’avion et le plan horizontal et qui améliore la stabilité latérale.

★ À maîtriser

• L’allongement λ d’une voilure est le rapport de l’envergure sur la profondeur moyenne, ou le carré de l’envergure sur la surface des ailes.

📌 Un allongement plus important réduit la traînée, ce qui est notamment exploité par les avions de ligne et les planeurs.

Compléments

• Les principales formes d’aile sont:

  • elliptique
  • rectangulaire
  • trapézoïdale
  • delta
  • gothique

• La flèche des avions de ligne peut varier de 25° à 35°, tandis que celle des avions supersoniques peut atteindre 70°.

💡 Astuce mémo

Flèche dans le plan horizontal ; dièdre dans le plan vertical

📖 8. Empennages et fuselage

🔑 Notions clés & Définitions

• Fuselage : Cockpit, aménagements destinés aux passagers ou au fret, ainsi que points de fixation des ailes, des empennages, du train d’atterrissage et éventuellement des moteurs.

★ À maîtriser

• Les empennages comprennent une ou plusieurs dérives verticales qui contrôlent le déplacement horizontal et une profondeur horizontale qui contrôle le déplacement vertical.

Compléments

• Les principaux types d’empennages sont:
  • classique
  • en T
  • en V
  • à double dérive
  • à triple dérive
  • en canard

📌 Une section de fuselage circulaire ou elliptique offre le meilleur compromis entre résistance maximale et poids minimal des structures.

• Le plancher est placé presque au centre du fuselage afin d’optimiser l’habitabilité et de réserver un volume important aux soutes situées sous le plancher.

📊 Tableaux de synthèse

Points caractéristiques de la polaire