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Comment un aéronef tient-il au dessus de nos têtes ?

Texte et dessins : Fabien Bernard

  Il faut bien admettre que de nombreuses questions naissent dans toutes les têtes lorsque l’on voit passer cet objet pouvant peser plusieurs tonnes au-dessus de celles-ci ! Il donne toujours une impression de légèreté, de grâce, de facilité dans cette immensité qu’est le ciel. Pourtant, avant de pouvoir imiter l’oiseau, l’Homme s’est heurté à une multitude de problèmes qu’il n’a finalement réussi à résoudre qu’au début du siècle dernier. Pouvoir s’opposer à l’attraction terrestre signifiait la réponse aux problèmes. Je vais traiter ici le problème aérodynamique, sans prendre en compte les moyens de propulsions. Je vais donc me concentrer uniquement sur l’intérêt des ailes.
Cet article n’aura aucunement la prétention de donner les réponses précises à toutes les questions. En revanche, il aura pour but de faire comprendre simplement, tout en liant des notions scientifiques indispensables, le pourquoi du maintien en l’air de telles « Masses ». Vous pouvez donc lire sereinement, pas de calcul et une « vulgarisation » générale des phénomènes vont prédominer !
 
  La notion du vide est à mon sens la première chose à remettre à jour. Lorsque nous disons qu’un verre est vide, cela signifie qu’il ne contient rien. Et pourtant, il est plein ! Oui, il est rempli d’air. Ce n’est pas parce que nous ne percevons rien, qu’il n’y a rien. La notion d’échelle est donc à prendre en compte. Des molécules d’air présentes par milliard autour de nous, s’agitent dans les trois dimensions, s’entrechoquent. Toute cette activité permet d’exercer une pression sur toutes les surfaces de contact. Au passage, c’est ce même air que nous respirons. Pour mieux saisir cette notion de pression/dépression, on peut prendre l’exemple d’une ventouse. Lorsque l’air a été expulsé, la dite ventouse se plaque sur la surface de référence. Ceci s’explique simplement en comprenant que les molécules sont plus nombreuses à l’extérieur qu’à l’intérieur. Cette différence quantitative entraîne un différentiel de pression entre l’intérieur et l’extérieur. Nous sommes ici au niveau local.

A l’échelle de la planète, la pression est le poids de la colonne d’air située au-dessus de nous.

Dans tous les cas, la pression revient à dire qu’une force s’exerce sur une surface :

P=F/S      P en N/m² ; F en N ; S en m² 

Cette explication a pour but de donner la notion de matière autour de nous, et que celle-ci interagit à nos faits et gestes ! Or, un avion pénètre dans l’air, c’est maintenant que les choses deviennent intéressantes. Ici, on va uniquement se cantonner à l’aile principale et non au plan horizontal de l’empennage afin de ne pas se disperser. Lorsque l’avion évolue, ses ailes pénètrent dans l’air. Vous avez peut-être remarqué que cet objet « encombrant » possédait un profil avec une forme particulière. Evidemment, ce n’est pas un hasard (si cela peut vous rassurer) mais le fruit de recherches poussées.

Voyons donc de manière générale un profil en omettant les systèmes hyper-sustentateurs (1):

 

On voit tout de suite que la courbure de l’extrados a une longueur plus importante que celle de l’intrados. Ce n’est pas toujours vrai, il existe un certain nombre de profils (Convexe, bi-convexe, supercritique, etc), néanmoins, on retrouve ce type de profil sur beaucoup de liners.
 Tout d’abord, le but d’une aile est de maximiser la portance et de minimiser la traînée. La définition de la portance vient directement de la troisième loi de Newton (vous savez, Newton c’est ce personnage qui c’est pris une pomme sur la tête…). Cette loi nous explique le principe « d’action-réaction ». Pour faire simple, si un corps A exerce une force sur un corps B, ce même corps B réagit sur le corps A en lui exerçant cette même force, mais de sens opposé.

 Donc la forme d’une aile avec son angle d’incidence qui lui est associé a pour but d’envoyer l’air vers le bas. Ce même air exercera en retour une force sur l’aile, de sens opposée, et donc vers le haut. Sur le schéma précédent, l’extrados n’a aucune influence, on cherche donc à optimiser un profil pour que cette dernière envoie également l’air vers le bas tout en minimisant la traînée.

Plaçons-nous maintenant dans un cas particulier, mais très courant. Nous sommes dans une masse d’air avec une vitesse maximale de Mach 0,4 (soit 480 km/h à 20 °C). Dans ce cas, on conserve le débit volumique du fluide. On reprend le profil vu en (1). Celui-ci permet « d’éjecter » l’air vers le bas. Mais des conséquences vont en découler.

On remarque que l’air va parcourir une distance plus importante en extrados qu’en intrados, mais dans le même temps. Ceci implique donc que le fluide aura une vitesse supérieure sur l’extrados qu’à son opposé, l’intrados (effet venturi).

Par suite, cette loi implique un jeu de pression, qui fut décrite par le principe de Bernouilli. Pour faire simple, si sur une même surface, l’écoulement s’accélère, la pression va diminuer (l’énergie cinétique due à la vitesse prendra de l’énergie de pression).

Si une dépression se crée sur l’extrados (puisque l’écoulement s’accélère), en intrados, c’est une augmentation de la pression qui est constatée (par différentiel avec l’extrados et/ou par diminution de la vitesse sur cette surface). L’aile est donc aspirée vers le « haut » via son extrados, et poussée vers le « haut » via son intrados.

Pour résumer, on cherche toujours à construire des profils qui ralentissent l’écoulement à l’intrados et l’accélèrent à l’extrados.

De manière générale, c’est le principe d’action-réaction qui est recherché. Les réactions qui en découlent ne sont que des conséquences et varient en fonction des profils, de la vitesse de l’aéronef (subsonique, transsonique, supersonique, hypersonique).  

            Pour terminer, ce qui est décrit ici n’est valable que dans une partie de l’atmosphère, là où l’air est présent en quantité (plus on grimpe, plus la pression diminue). On se situe donc dans la première couche de l’atmosphère, appelée troposphère (voir la stratosphère pour les avions supers et hypersoniques). Pour le reste, et les aéronefs spatiaux, c’est la propulsion qui va primer et permettre le maintien en altitude.