Avion. Comment vole-t-on ?

Ceux qui ont déjà eu la chance de monter dans un avion s'en souviendront toujours. Ce moment où les tripes semblent sauter d'un étage, lorsque les roues de l'avion lancé à pleine vitesse délaissent l'asphalte de la piste pour le coton des nuages. Comment un objet de plusieurs dizaines de tonnes peut-il tenir en l'air ?

Un avion de ligne est un aérodyne, à ne pas confondre avec un aérostat ! Un aérodyne est un objet volant "plus lourd que l'air". On réunit dans cette catégorie les avions, les planeurs ou encore les hélicoptères. L'aérostat, lui, est plus léger que l'air, dans le sens où il utilise un moyen plus léger que l'air pour s'élever : de l'air chaud ou du gaz. C'est la famille des dirigeables et des ballons. La conception d'un aérodyne repose principalement sur l'aérodynamique.

Mécanique des fluides

L'aérodynamique est une branche de la mécanique des fluides qui étudie l'écoulement de l'air sur un solide. L'air est un fluide. Un fluide, inverse du solide, est un milieu dans lequel des particules peuvent prendre la forme d'un contenant et se chevaucher ou se déplacer indépendamment les unes des autres. On regroupe dans la catégorie "fluide" trois états de la matière : plasma, liquide et gaz. L'air, donc, est un fluide composé principalement de molécules de diazote (78,08 %) et de dioxygène (20,95 %).

L'air s'écoule différemment selon ce qu'il rencontre sur son chemin. L'air peut-être en mouvement, mais un solide peut aussi être en mouvement par rapport à l'air. Par exemple, sur l'image ci-dessus, c'est l'air qui est en mouvement par rapport à la voiture. Dans le cas d'une voiture sur l'autoroute sans vent, c'est principalement la voiture qui est en mouvement, mais l'air s'écoulera de la même manière. Le but de l'aérodynamique est d'étudier l'écoulement de l'air sur un solide, pour calculer la résistance au mouvement de l'objet. La résistance, qui provoque le ralentissement du mouvement, est la conséquence d'une force que l'on appelle traînée.

Sur le schéma ci-dessus, alors que les trois éléments (une petite palette, en rouge, un cylindre, et un corps bleu profilé n'ont pas du tout la même taille, ils possèdent la même traînée. Ainsi, pour un même volume, la résistance à l'air peut-être bien plus élevée. C'est là tout l'intérêt de l'aérodynamique : développer des formes qui, tout en maximisant le volume (et donc l'espace à bord) permettent d'obtenir des performances similaires.

Quatre forces pour les envoler tous

Une force est la modélisation de l'effet d'un phénomène physique sur un autre. Cet effet peut-être le ralentissement, l'accélération ou la rotation d'un objet, par l'action d'un autre, dans une direction. Quatre forces s'exercent sur un avion, à savoir : le poids, la poussée et le couple portance/traînée. Les deux dernières sont liées au deux premières.

Le poids est la résultante de la masse de l'avion. La gravité terrestre, en attirant à elle tout objet passant dans son champ d'action, exerce une force plus ou moins importante selon la masse. La masse d'un avion se mesure en tonnes, son poids est la force exercée par la gravité terrestre, dirigée, donc, vers le bas. La portance est la force "inverse" au poids. Elle s'exerce vers le haut et augmente avec la vitesse. Cette dernière est la conséquence de la poussée, qui propulse un objet vers l'avant. Selon la forme de l'objet, la poussée nécessaire pour compenser la traînée va être plus ou moins importante. Logique : c'est la même chose que si vous pédalez couché sur votre vélo ou droit comme un piquet !

Les ailes, une histoire de forme

Les aérodynes, étant plus lourds que l'air, s'appuient ainsi sur différentes forces pour parvenir à s'arracher de la surface terrestre. Ces forces s'appliquent sur les ailes, dont l'importance est centrale dans le vol. L'aérodynamique a permis de réduire la surface des ailes tout en conservant une bonne portance. Elle a également définit le fuselage (le corps central) d'un avion : c'est grâce à elle qu'on fait des fuselages cylindriques et pas carrés. On l'a vu sur le premier schéma, le cylindre a une traînée faible, comparé à une palette. La dernière partie d'un avion est l'empennage, à l'arrière. Il assure la stabilité du tout.

Au début du XXe siècle, on avait des moteurs (la poussée) peu efficients et très lourds. Il fallait donc augmenter la portance des ailes pour les faire s'envoler. L'un des moyens les plus logiques d'augmenter la portance était d'augmenter la surface des ailes. Plus l'aile s'étale, plus elle s'appuie sur de l'air. Mais cela alourdissait un peu plus l'avion, le rendant moins rapide. C'est pour cela que les biplans et triplans étaient répandus au début du siècle dernier : on compensait la faiblesse des moteurs avec un doublement ou un triplement de la surface de l'aile. Le problème, c'est que ce n'était absolument pas aérodynamique : la traînée était énorme, et les avions allaient "très lentement" : moins de 200 kilomètres heures. Aujourd'hui, on est plutôt sur le quadruple ! Depuis le début de l'aviation, les moteurs sont montés en puissance et se sont allégés. Or, plus la poussée est élevée et la masse faible, plus la portance est efficace.

D'autres techniques ont été découvertes. Une aile est composée de multiples parties, aux noms particuliers. Le bord d'attaque est la partie touchée en première par l'air qui circule. Le bord de fuite la dernière. L'extrados est le dessus de l'aile, l'intrados le dessous. En inclinant légèrement l'aile vers l'arrière, comme le schéma ci-dessous le montre, on augmente fortement la quantité d'air sous pression, et on s'élève. Cet effet est la résultante de la troisième loi de Newton : "Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B." En augmentant la pression "vers le bas" grâce à la vitesse, une force, la portance, vient en réaction compenser "vers le haut". Bref, action / réaction.

C'est la forme particulière d'aile sur le schéma ci-dessus qui est aujourd'hui adoptée dans la plupart des avions modernes car elle est la plus aérodynamique. Plus une aile est fine, plus elle est efficace. Mais attention : la finesse d'une aile en aérodynamique, ce n'est pas son épaisseur, mais le rapport entre la portance et la traînée.

Vous reprendrez bien un supplément de winglet ?

La traînée est la force qui ralentit l'avion, et qui va donc entraîner une augmentation de la consommation de carburant.  

Cette force résulte de la résistance de l'avion à l'air, et vient créer des vortex à l'arrière de l'avion. Ce sont ces vortex qui rendent dangereux les vols rapprochés, car ils favorisent le décrochage en réduisant la portance. Seuls les pilotes les plus expérimentés équipés des meilleurs avions, généralement militaires, peuvent le faire, comme lors des défilés militaires.

La dernière trouvaille pour réduire la traînée d'un avion, et donc sa consommation, est la winglet. On trouve également la sharklet, évoquée dans le dernier article. La winglet va venir "casser" le vortex, pour en réduire les effets. Les derniers avions des constructeurs, notamment la gamme Neo d'Airbus, en sont équipés.

Léopold Picot