VOL MÉCANIQUE DU

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La mécanique du vol est une application de la mécanique rationnelle à l'étude du mouvement des appareils, pilotés, autoguidés ou téléguidés n'ayant pas de contact avec le sol sur une partie de leur trajectoire.

Toute action d'un pilote humain ou automatique sur les gouvernes modifie, par suite du changement de géométrie du véhicule, les moments des forces aérodynamiques, ce qui provoque une rotation de l'appareil autour du centre de gravité. Ce changement d'attitude par rapport à la vitesse engendre alors une modification en grandeur et en direction des forces aérodynamiques et entraîne, par conséquent, des modifications de la vitesse et de la courbure de la trajectoire. Celle-ci peut être également modifiée par les forces de propulsion qui proviennent de l'action aérodynamique du fluide traversant le moteur (hélice, réacteur, fusée, par exemple).

L'étude de la mécanique du vol comprend habituellement deux parties :

– le calcul des performances, qui traite de la trajectoire du centre de gravité ;

– l'étude des qualités de vol, qui traite plus particulièrement du mouvement du véhicule autour du centre de gravité.

L'étude de la mécanique du vol d'un aéronef nécessite la connaissance de ses caractéristiques géométriques, massiques (position du centre de gravité, tenseur d'inertie), aérodynamiques (influence de la vitesse, du nombre de Mach, de l'incidence, du dérapage, de la position des gouvernes), propulsives (influence de la pression, de la température, de la vitesse, de l'humidité, entre autres). La difficulté de cette étude au niveau du projet provient du fait que toutes ces caractéristiques ne sont pas indépendantes ; par exemple, la masse et les dimensions d'un avion dépendent de la quantité de combustible à emporter, et celle-ci, pour une performance donnée, dépend, entre autres facteurs, de la masse au décollage et des dimensions de l'appareil.

Enfin, l'étude de la mécanique du vol des avions pilotés ne peut se faire sans tenir compte de la présence de l'homme dans la « boucle de pilotage » ; même en pilotage automatique, l'homme intervient en recueillant des informations sur la trajectoire et en agissant sur celle-ci par l'intermédiaire du pilote automatique. La mécanique du vol exige donc l'étude du comportement de l'homme vis-à-vis de la machine (ergonomie) pour permettre la mise au point d'appareils non seulement hautement performants, mais également faciles à piloter (souci de sécurité).

Née avec les premiers avions, la mécanique du vol s'est étendue depuis lors à tous les types de véhicules aérospatiaux, mais l'aéronautique en demeure le domaine le plus classique.

Bases de la mécanique du vol

Aspects théoriques

En mécanique du vol classique, l'avion est considéré comme un corps solide soumis à trois types de forces extérieures : la pesanteur, les forces aérodynamiques et les forces de propulsion. L'application à ce corps des deux théorèmes fondamentaux de la mécanique rationnelle (quantité de mouvement et moment cinétique) fournit le système des équations dynamiques qui régissent les variations du vecteur vitesse et du vecteur rotation, auxquelles on associe les équations cinématiques de la trajectoire et de l'attitude. Ces équations ne sont qu'exceptionnellement envisagées en totalité, car la plupart des mouvements s'accommodent d'une réduction importante du nombre des variables à considérer, qui est adaptée chaque fois au problème traité.

L'avion étant un système commandable, deux sortes de problèmes se présentent : ceux où les paramètres de commande sont des fonctions connues du temps ou des variables d'état, et ceux ou l'on recherche précisément ces fonctions en vue d'un résultat déterminé. Les premiers relèvent des techniques d'intégration et de calcul symbolique, et visent principalement la compréhension des phénomènes ; les seconds, orientés vers les applications pratiques, nécessitent l'emploi de méthodes d'optimisation. Le recours à l'ordinateur est de règle dans toutes les investigations. Le problème du pilote humain, qui boucle le mouvement observé de l'avion sur les paramètres de commande, est couramment résolu par l'emploi de simulateurs de vol (cf. Simulateurs de vol), mais il a également été l'objet de nombreuses analyses théoriques où l'homme est assimilé tantôt à de simples fonctions de transfert, tantôt à des algorithmes de commandes plus conformes à sa façon d'opérer, mais aussi plus complexes.

Forces aérodynamiques

La résultante des forces aérodynamiques est habituellement décomposée en résistance (ou traînée), force latérale et portance, et le moment résultant au centre de gravité en moments de roulis, de tangage, et de lacet. En première approximation, la dépendance des forces aérodynamiques par rapport au mouvement s'établit ainsi : à altitude et vitesse fixées et gouvernes bloquées, l'incidence détermine la portance, la résistance et le moment de tangage, tandis que le dérapage détermine la force latérale, le moment de roulis et le moment de lacet.

Forces aérodynamiques

Dessin : Forces aérodynamiques

Les forces aérodynamiques sont déterminées par l'incidence a, le dérapage ß et, à un degré moindre, par les vitesses de rotation p, q et r. Les braquages de gouvernes d engendrent des forces locales supplémentaires dont le moment en G permet d'équilibrer et de manœuvrer l'avion. 

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La portance croît à peu près linéairement avec l'incidence, mais cette croissance est limitée par l'apparition du phénomène de décrochage, chute brutale de portance accompagnée de vibrations. Le moment de tangage augmente aussi linéairement avec l'incidence ; en règle générale, il tend à ramener l'avion vers l'incidence nulle et, par suite, à stabiliser son attitude par rapport au vecteur vitesse ; la croissance simultanée du moment de tangage et de la portance dénote (, droite OA) l'existence du foyer, point d'application de la force due à l'incidence. Les positions relatives du foyer et du centre de gravité déterminent la stabilité de l'avion, ce qui explique qu'une grande attention soit portée au centrage d'un avion (distance en pourcentage entre le bord d'attaque de la corde de référence et le centre de gravité) ; un centrage arrière rendrait l'avion instable, un centrage avant le rendrait peu maniable. En règle générale, le centre de gravité est en avant du foyer, à une distance de quelques pour-cent de la corde moyenne (marge statique). La résistance est minimale au voisinage de la portance nulle et croît avec l'incidence selon une loi quadratique ; la courbe polaire représentative de la relation entre la portance et la résistance comporte ainsi un point privilégié de finesse maximale où le rapport portance/résistance est le plus grand. En vol horizontal, la portance effective équilibre le poids, mais la portance maximale disponible peut être utilisée pour incurver la trajectoire dans un plan vertical (ressource) ou dans un plan horizontal après inclinaison latérale de l'avion (virage) ; dans de telles conditions, ou sous l'effet de la turbulence de l'air environnant qui modifie momentanément l'incidence, le rapport portance/poids (facteur de c [...]

Équilibrage longitudinal

Diaporama : Équilibrage longitudinal

Équilibrage longitudinal. Le braquage d de la gouverne de profondeur engendre une force locale ▵Z et un moment de manœuvre ▵M (point B). La rotation de l'avion est ainsi sollicitée jusqu'à l'incidence d'équilibre a pour laquelle le moment est ramené à zéro par... 

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Forces aérodynamiques

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Écrit par :

  • : directeur des études de synthèse à l'Office national d'étude et recherche aérospatiales (O.N.E.R.A.), Châtillon sous Bagneux
  • : ingénieur civil de l'aéronautique, chef de division "Systèmes aéronautiques" à l'O.N.E.R.A. (Office national d'études et de recherches aérospatiales)
  • : Ingénieur Général de l'Armement.

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Pour citer l’article

Marcel BISMUT, Huu Thanh HUYNH, Jean-Claude WANNER, « VOL MÉCANIQUE DU », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/mecanique-du-vol/