Le plus vieux rêve de l'homme ! Voler comme un oiseau… Il aura fallu des millénaires pour parvenir à satisfaire cette envie irrésistible. Aujourd'hui, nous savons voler, nous savons que comme les oiseaux, il nous faut des ailes, mais le pourquoi reste pour beau­coup un grand mystère. Nous allons essayer de comprendre comment fonctionne l'aile.

Une question d'équilibre

Pour qu'un objet reste en l'air, il faut qu'une force équilibre son poids. Ainsi, prenons simplement une pier­re, et lâchons-la : du fait de l'attrac­tion terrestre, elle tombe (oh, il est fort… On s'en serait douté !). Pour qu'elle reste en l'air, on peut lui atta­cher une ficelle et tenir le bout de la ficelle. Elle ne tombe plus (Oooooohhh !). La ficelle exerce sur la pierre une force qui s'oppose exactement à son poids. On dit qu'il y a "équilibre des forces".

L'ennui, c'est que pour faire voler un engin radiocommandé, il va être dif­ficile de mettre une ficelle au-dessus. Les oiseaux ont compris depuis longtemps et se servent d'ailes. Si on faisait pareil. Le problème, c'est que l'aile, juste ajoutée à un « machin » quelconque ne sert à rien si on reste sur place. L'aile, pour exercer une force, doit être soumise au mouve­ment d'un fluide (dans notre cas, l'air, bien sûr). Faites l'expérience en voiture, mettez la main tendue à la portière, vous sentez la résistance de l'air. Une force s'exerce sur la main. En orientant correctement la main, pas tout à fait à plat, elle est poussée vers le haut et vers l'arrière. La main n'a pas une forme idéale, mais déjà, elle permet de générer une force aérodynamique.

Une plaque plane

On va simplifier un peu et étudier une simple plaque plane dans un cou­rant d'air. Si la plaque est parallèle aux filets d'air, la force est faible et s'exerce vers l'arrière. C'est ce que l'on appelle la traînée aérodyna­mique.

Inclinons légèrement la plaque de quelques degrés. Cette fois, la force s'exerce vers le haut et vers l'arrière.

Elle est beaucoup plus grande. Pour faciliter la compréhension, nous pouvons décomposer cette force en deux "composantes", l'une parallèle aux filets d'air (la traînée) et l'autre perpendiculaire que nous appellerons la portance, puis­qu'elle porte la plaque. La force ini­tiale que nous avons décomposée est appelée « résultante aérody­namique ».

Cette force (ou ces forces si l'on prend la décomposition) résulte de la déflexion que l'on a imposé aux filets d'air en leur mettant ce barrage que constitue la plaque. L'air contourne la plaque, mais, par frotte­ment, génère des pressions et dépressions sur les faces de la plaque. Suivant l'inclinaison de la plaque, l'endroit où s'applique la force résultant de ces pressions et dépression va changer de place.

Si l'on augmente l'angle d'inclinai­son, la force augmente. Mais il y a une limite importante : Au-delà d'une inclinaison donnée, les filets d'air ne peuvent plus suivre le dessus de la plaque et s'en détachent, créant de puissants tourbillons. La portance diminue alors considéra­blement, tandis que la traînée aug­mente brutalement. C'est ce que l'on appelle le décrochage.

Un profil

Nous avons vu que les forces de por­tance et de traînée sont dues à la déflexion que l'on impose aux filets d'air. Depuis les débuts de l'aviation, les ingénieurs ont appris que la forme que l'on donne à une section de l'aile peut influencer la façon dont se fait cette déflexion. On appelle cette section « PROFIL ».

Celui-ci va pouvoir prendre des formes assez variées, dépendant de l'utilisation prévue pour l'avion. Des profils minces et symétriques équipe­ront des avions rapides, des profils creux et épais feront les avions lents.

Voyons ce qui caractérise un profil.

-  Le bord d'attaque est le point le plus avant du profil.

-  Le bord de fuite est le point le plus arrière.

-  La corde est la ligne droite qui sépa­re le bord d'attaque du bord de fuite.

-  L'extrados est le dessus de l'aile

-  L'intrados est le dessous de l'aile

-  La ligne moyenne est la suite de points situés à égale distance de l'in­trados et de l'extrados.

-  L'épaisseur relative est le rapport en pourcentage entre l'épaisseur maxi­male du profil et la corde.

Les éléments les plus marquants sont l'épaisseur relative et la forme de la ligne moyenne. Plus la ligne moyen­ne est creuse et plus le profil sera « porteur ». Plus l'épaisseur relative sera importante, plus le profil aura de la traînée. C'est simpliste, mais c'est une base !

Il existe aussi un paramètre essentiel au vol, c'est l'angle entre la corde du profil et les filets d'air. On appelle cet angle l'incidence.

La vitesse

Nous avons vu qu'il fallait un écou­lement des filets d'air autour de l'aile pour que celle-ci porte. Quand nous avons la main à la porte de la voitu­re, c'est le moteur qui permet d'ob­tenir le déplacement. Pour notre engin volant, deux cas se présen­tent :

-  L'avion possède un moteur (à hélice ou à réaction). Ce moteur va exercer une force qui fera avancer l'engin. Quand l'avion avan­ce, il se produit sur l'aile et sur le reste de la structure une force qui s'oppose à l'avancement, c'est là encore la traînée. Celle-ci croît avec la vitesse (plus précisément en fonc­tion du carré de la vitesse). Ainsi, il arrive un moment où la traînée est égale à la traction et la vitesse se sta­bilise.

-  Le planeur qui n'a pas de moteur. Il va utiliser son poids pour avancer.

En volant en descente, une partie du poids sera équilibrée par la por­tance, et une autre sera équilibrée par la traînée. Et hop, encore une vitesse stable. Ben oui, mais on ne reste pas en l'air puisqu'on descend. Exact, et c'est pour cela que les pla­neurs cherchent les courants ascen­dants, mais nous verrons cela plus loin.

La stabilité

Pour voler de façon stable, il faut que l'équilibre soit parfait. Mais nous avons dit que suivant l'incidence de l'aile, l'endroit où s'exercent la portan­ce et la traînée varie. Or, le centre de gravité de l'avion ne change pas de place en même temps. Résultat, les forces ne sont pas alignées, et l'avion peut basculer en avant ou en arrière.

On place pour cela une petite aile en arrière de l'aile principale, qui va créer une petite portance, vers le haut ou vers le bas, de manière à réta­blir l'équilibre. Dans le cas de nos modèles de début, nous trouvons toujours d'avant en arrière :

-      Le poids (vers le bas)

-      La portance (vers le haut)

-      La force stabilisatrice (vers le bas) En fait, la portance est ici égale à la somme du poids plus la force stabili­satrice.

Pourquoi la dérive ?

Comme il faut aussi être stable en vue de dessus, on place une petite aile verticale à l'arrière, appelée déri­ve. Son rôle est de garder le fusela­ge dans l'axe des filets d'air. Si une raison quelconque l'en écarte, cette aile symétrique crée une portance latérale qui ramène le fuselage dans l'axe.

Il y a plus compliqué

Vous me direz qu'il existe des modèles avec les empennages à l'avant, d'autres qui n'ont pas d'em­pennages (les ailes volantes). C'est vrai, ça marche aussi, mais nous sor­tons largement du cadre de l'ap­prentissage qui se fait en général sur des modèles à la forme classique. Dans tous ces cas, on retrouve pour­tant les mêmes équilibres, obtenus différemment. Dans le cas de l'aile volante, on peut considérer qu'une partie du profil se comporte comme l'aile, et que sa partie arrière joue le rôle de stabilisateur. Ceci est obtenu avec un profil d'aile particulier, dit autostable.

Résumé

Pour voler, il faut donc :

-      Une aile dotée d'un profil adapté.

-      De la vitesse.

-      Une incidence.

 

La vitesse et l'incidence vont condi­tionner directement l'équilibre entre poids et portance. Plus on va vite, plus la portance est importante. Plus on augmente l'incidence, plus la portance est également importante, avec une limite qui est le décrocha­ge. Trop d'incidence et la portance s'écroule (l'avion aussi).

En conséquence, plus l'avion sera lourd et plus il lui faudra de vitesse et d'incidence pour tenir en l'air, on voit immédiatement l'avantage d'avoir un avion léger, il pourra voler plus lentement, et à une incidence faible, donc éloignée du décrocha­ge. Et pour débuter, voler lente­ment, c'est plus facile, ça laisse le temps de réfléchir !

 

Les axes de l'avion

Enfin, pour clore ce chapitre, nous allons voir les axes autour desquels un avion peut tourner.

- Quand l'avion cabre ou pique, il tourne autour de l'axe de tangage.

- Quand il s'incline, il tourne autour de l'axe de roulis.

- Quand le nez s'oriente vers la gauche ou la droite, il tourne autour de l'axe de lacet.

Ces rotations sont obtenues par des petits volets mobiles situés sur les ailes et les empennages. On les appelle des gouvernes.

- Sur l'empennage horizontal, on trou­ve les volets de profondeur, qui per­mettent de contrôler le tangage.

- Sur les ailes se trouvent les ailerons qui contrôlent le roulis.

- Sur la dérive se trouve la gouverne de direction qui contrôle le lacet.

Ces gouvernes sont actionnées par des servocommandes, qui transforment les ordres électriques venant du récepteur de votre ensemble radio en mouvements mécaniques.

 

Bien sûr, ce n'est pas tout !

Nous vous avons montré ce qui est la base qui permet à un avion ou à un planeur de tenir en l'air, d'être stable et d'être contrôlable. Nous vous proposerons d'autres articles sur le pilotage afin que vous ayez en main un maximum de cartes pour réussir votre apprentissage.

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