Lorsqu'un avion est placé dans un courant d'air, l'air contourne l'aile par le haut et par le bas. Par opposition à l'intrados qui désigne la surface inférieure de l'aile d'un avion, l'extrados désigne sa surface supérieure. Alors que l'intrados peut être plat, concave ou convexe, l'extrados est toujours convexe. L'important est que l'air y circule plus rapidement que sur l'intrados, c'est-à-dire qu'il ait une distance plus grande à parcourir dans le même temps. En application du principe de Bernoulli, il s'exerce alors sur l'extrados une pression inférieure à celle qui s'exerce sur l'intrados : c'est de cette différence de pression que résulte la poussée verticale appelée portance qui maintient l'avion dans les airs.

Le "bord d'attaque" est le point extrême avant de l'aile et le "bord de fuite" le point extrême arrière.

L'écoulement d'air sur les ailes d'un avion revêt différents aspects :


- Quand les filets d'air suivent des trajectoires rectilignes et parallèles, il est dit "laminaire". C'est le cas quand l'angle avec lequel l'aile attaque l'air est faible, l'air épouse alors l'intégralité du profil de l'aile.

- Quand cet angle augmente, l'écoulement devient "turbulent". Les filets d'air se décollent de la surface supérieure de l'aile, la portance augmente et l'avion  s'élève.

- Si l'angle d'attaque augmente encore, l'écoulement est dit "tourbillonnaire". Les filets d'air se décollent du bord d'attaque de l'aile. L'écoulement le long de l'aile devient désordonné et les filets d'air se mélangent. La portance commence à diminuer jusqu'à provoquer le décrochage de l'appareil.

Le tube de Venturi (du nom d'un physicien italien du 18ème siècle) est un tuyau court présentant un resserrement interne. On l'utilise pour mesurer le débit des fluides. On peut le représenter par l'assemblage de 2 entonnoirs.
 

Tube de venturi : au rétrécissement du tube, la vitesse augmente et la pression diminue

La quantité d'air qui passe à l'entrée du tube est identique à celle qui passe au col (passage le plus étroit) et à la sortie : le débit de l'air est constant. Seules les vitesses sont différentes : il se produit une accélération des particules d'air au rétrécissement du tube, jusqu'au passage du col. Puis, la vitesse du vent diminue et retrouve, à la sortie, sa vitesse d'origine. 

Un fluide qui passe dans un tel tuyau voit sa pression baisser par le fait de franchir le resserrement, en même temps que sa vitesse s'accroît. En clair, cela signifie que si la section du tube décroit, la vitesse des filets d'air doit alors nécessairement augmenter. Quand la vitesse du fluide augmente, sa pression diminue.

En résumé :

section du tube	S1 (entrée)	S2 (col)	S3 (sortie)
vitesse du vent		Maxi
pression statique		Mini
pression dynamique		Maxi
pression totale	CONSTANTE

Conclusion : la pression diminue quand la vitesse d'un fluide augmente dans un tube de courant. Ainsi, la pression varie dans le sens inverse de la vitesse : plus un fluide accélère, plus la pression de ce fluide diminue.

3.2  Comment créer une force portante ?

3.2.1  La résultante aérodynamique

3.2.1  L'incidence

Ainsi que nous l'avons vu plus haut, la déformation des tubes de courant au voisinage de l'aile est génératrice de la dépression à l'extrados et de la pression à l'intrados.

 

La résultante aérodynamique est d'autant plus grande que l'angle formé entre l'aile et le vent relatif, appelé incidence, est important.






On appelle corde du profil, la droite joignant le bord d'attaque et le bord de fuite. L'incidence est donc l'angle formé par la corde de profil et la direction du vent relatif. Cet angle peut être positif, nul ou négatif. Dans la pratique, la corde de profil n'étant pas concrètement matérialisée, l'incidence est comptée à partir d'une référence liée à l'avion grâce à un axe défini par rapport au fuselage.

3.2.3 L'incidence et le tourbillon de Prandtl

Du fait de la forme de l'aile et surtout lorsque l'incidence n'est pas nulle, l'écoulement autours de l'air est dissymétrique : c'est l'équivalent d'un tourbillon, appelé "tourbillon de Prandtl", du nom de l'aérodynamicien allemand qui l'a décrit le premier.

Cette dissymétrie de l'écoulement est la cause de l'apparition de la résultante aérodynamique.  Les trois phénomènes suivants sont donc étroitement liés et indissociables : augmentation de l'incidence, augmentation de la force portante et augmentation du tourbillon de Prandtl. Ce tourbillon explique la forme particulière que prend la turbulence créée par les avions.

3.2.4  Décomposition de la résultante aérodynamique en portance et traînée

Un avion placé dans un écoulement subit la résultante aérodynamique.  Cette force peut être portante si le profil de l'aile a la forme et la position adéquate.  Elle est orientée vers le haut et légèrement vers l'arrière.

La résultante aérodynamique agit de deux manières sur l'avion :

• elle a un effet porteur entraînant l'avion vers le haut
• elle tend à s'opposer au déplacement de l'avion dans l'écoulement

Conventionnellement, la résultante aérodynamique R_A peut être décomposée en deux forces correspondant à deux effets :

- la portance Z_A, perpendiculaire au vent relatif (donc pas toujours verticale) , qui a un effet porteur, entraînant l'avion vers le haut

- la traînée X_A, parallèle au vent relatif, qui s'oppose au déplacement de l'avion

Sur un planeur X_A/Z_A = 1/60, sur un avion X_A/Z_A = 1/15


La portance est perpendiculaire au vent relatif, donc pas toujours verticale, comme dans le cas d'un avion de voltige en montée très accentuée.  Dans ce cas, le vent relatif est presque vertical puisque la trajectoire est elle aussi presque verticale. 

La portance est une force perpendiculaire à la direction de la vitesse qui s'exerce sur un corps en mouvement dans un fluide ou dans un gaz. Dans le cas d'un avion, elle s'exerce de bas en haut et c'est elle qui permet à l'avion de se maintenir dans les airs : on parle alors de sustentation. Ce sont principalement les ailes qui assurent la portance d'un avion. Le profil d'une aile est en effet conçu pour que l'air circule plus vite sur sa face supérieure (extrados) que sur sa face inférieure (intrados). Selon le principe de Bernoulli, cela provoque une différence de pression entre les deux faces qui engendre la force aérodynamique appelée portance. La portance dépend de la dimension et du profil des ailes, et s'accroît avec la vitesse. Le pilote peut agir sur la portance grâce aux différents volets situés sur la voilure de l'appareil.

4.  Conséquences du tourbillon de Prandtl

A l'extrémité de l'aile vont apparaître des phénomènes particuliers : la surpression de l'intrados a tendance à aller combler la dépression d'extrados en contournant l'extrémité de la voilure.En effet, en bout d'aile, ne rencontrant plus de surface qui le "guide" dans le sens de l'écoulement, le tourbillon se replie sous l'effet du vent relatif.

Pour une aile de profil classique, la surpression qui règne sous l'intrados fournit 25 % de la force de sustentation. Les 75 % restants sont dus à la dépression qui intéresse l'extrados. C'est pourquoi on entend souvent dire qu'une aile est davantage "aspirée" vers le haut qu'elle n'est "portée".

Comme l'avion avance, le mouvement de rotation ainsi amorcé crée un tourbillon à chaque extrémité d'aile, que l'on appelle tourbillon marginal.

Ce tourbillon marginal a deux conséquences : la traînée induite et la turbulence de sillage. 
 

 

Le tourbillon de Prandtl se replie en bout d'aile

4.1  La traînée induite

La mise en mouvement d'une grande quantité d'air va entrainer la création d'un vortex. Cette dépense d'énergie va se traduire par une résistance à l'avancement de l'avion, donc à une traînée. Cette traînée est la composante arrière de la portance, perpendiculaire à l'écoulement amont, alors que ce dernier s'incline vers le bas.  La traînée induite est donc une conséquence directe du tourbillon, c'est une traînée supplémentaire à la traînée propre du profil, elle est proportionnelle au carré de la portance et inversement proportionnelle à l'allongement. 

Plusieurs remèdes sont utilisés pour diminuer la traînée induite, la solution généralement retenue étant de réduire l'influence du tourbillon marginal. Les planeurs, par exemple, utilisent des ailes de grand allongement. Les avions de ligne, quant à eux, utilisent de petites surfaces verticales en extrémité de voilure (winglets). Ces petites ailettes n'ont pas pour vocation d'empêcher l'apparition du tourbillon marginal, mais d'exploiter ce flux d'air parasite en générant une petite résultante aérodynamique dirigée vers l'avant qui participe ainsi à l'avancement de l'avion.

 

Les planeurs utilisent des ailes de grand allongement

Les winglet permettent d'exploiter le tourbillon marginal

La traînée totale d'un avion est en fait la somme de trois traînée d'origines différentes :

- la traînée induite, conséquence directe et incontournable du tourbillon de Prandtl, induite par la portance
- la traînée dite "de frottement" causée par le frottement de l'air sur le revêtement de l'avion
- la traînée "de profil", dont la description est plus complexe et qui est générée par la zone turbulente existant au voisinage du bord de fuite

4.2  La turbulence de sillage

La deuxième conséquence du tourbillon marginal est l'apparition du vortex en bout d'aile, sorte de tourbillon qui s'enroule sur lui-même et dont le diamètre augmente au cours du temps. C'est un phénomène dangereux.  En effet, de faible importance sur les avions légers, il peut prendre des proportions considérables dans le cas d'avion plus lourds : un avion de faible masse qui suivrait un tel appareil risquerait d'être emporté par le vortex jusqu'à se retrouver "sur le dos", sans que le pilote ne puisse s'y opposer.

Les 2 tourbillons marginaux sont contrarotatifs (ils tournent en sens inverses) et peuvent se faire sentir jusqu'à une distance assez importante derrière l'avion, il représentent donc un danger important pour les avions qui y pénètrent. La force de ces tourbillons dépendant de la portance, donc de la masse de l'avion, on respecte une distance suffisante entre les gros porteurs et les avions plus légers.

5.  Facteurs influençant la résultante aérodynamique

Pour que le vol soit possible, la portance Z_A doit compenser le poids et rester à peu près constante.  Le poids reste quasiment constant, mis à part les variations dues à la consommation de carburant. Par contre, la portance et la traînée dépendent de paramètres variables tels que la densité de l'air, la vitesse de l'écoulement, etc. Le pilote doit donc agir sur certains de ces paramètres, que l'on appelle paramètres "pilotés", pour compenser les variations des autres paramètres ou paramètres "subis".

5.1  Relation entre les paramètres

La portance Z_A et la traînée X_A dépendent :

- de la masse volumique de l'air (rhô)
- de la vitesse de l'écoulement de l'air V
- de la surface alaire S
- de coefficients aérodynamiques notés C_Z et C_X, par analogie avec Z_A et X_A, qui varient avec l'incidence, la forme de l'aile et son état de surface

Formule de la portance : Z_A = 1/2  V² S  C_Z
Formule de la traînée : X_A = 1/2  V² S  C_X

Le C_Z traduit l'aptitude d'un volume (par exemple une aile d'avion), à transformer en portance les pressions exercées sur lui par les tubes de courant qui le contournent. C'est le reflet de l'aptitude d'un avion à se maintenir en l'air malgré son poids : sa dégradation (forte diminution) compromet cette aptitude.
Le C_X est le coefficient de "défaut résiduel" générateur de traînée qui accompagne inévitablement la transformation des pressions en portance. Une forte augmentation du C_X entraine une incapacité du moteur à fournir l'énergie nécessaire au vol.

Si on étudie le cas d'une voiture de tourisme, la "qualité" aérodynamique recherchée sera une résistance à l'avancement la plus faible possible, pour que la voiture consomme moins de carburant.  Les constructeurs s'intéressent donc au C_X : une voiture sera d'autant plus "sobre" qu'elle aura un C_X faible.

Dans le cas d'un avion, on cherche à rendre possible la sustentation, on s'intéresse donc au C_Z : le C_Z d'un avion doit toujours être tel que la portance compense le poids.  Mais on souhaite également que la sustentation n'entraine pas une trop grande dépense d'énergie nécessitant d'embarquer un moteur trop lourd. On cherche par conséquent à minimiser les défauts générateurs de traînée : on fait en sorte que le C_X soit le plus faible possible.

5.2  Les paramètres subis

5.2.1  La masse volumique

La masse volumique diminue quand l'altitude ou la température augmente. Cela entraine une diminution de la résultante aérodynamique.  C'est le cas lorsque le pilote arrive en courte finale sur une piste chaude (par forte chaleur). Ce phénomène, appelé "gradient de température" va enfoncer l'avion, la masse volumique de l'air étant plus faible à cet endroit. Le pilote contrera ce phénomène en augmentant l'incidence : il compensera ainsi une diminution de l'un des paramètres (la masse volumique) par l'augmentation d'un autre paramètre (l'incidence).

5.2.2  Surface alaire et allongement

5.3 Les paramètres pilotés

5.3.1  La vitesse

La résultante aérodynamique est proportionnelle au carré de la vitesse.  Si le pilote doublait la vitesse sans modifier aucun autre paramètre, la résultante aérodynamique serait multipliée par 4, ce qui n'est pas envisageable dans la pratique, puisque la portance reste quasiment constante pendant tout le vol (y compris en montée ou en descente).
Ainsi, à chaque modification de vitesse, le pilote agit sur un autre paramètre piloté (l'incidence, par exemple) pour maintenir la portance constante.

5.3.2 L'incidence

Lorsque l'incidence augmente, les coefficients C_Z et C_X augmentent aussi. C_Z passe par une valeur maximum pour une incidence de l'ordre de 15° à 18° pour les avions légers (C_Z MAX), puis décroît brusquement. On dit alors que l'aile décroche. Dans le même temps, C_X augmente.

Dans la réalité du pilotage, du fait de la portance constante, la vitesse et l'incidence sont intimement liées l'une à l'autre. En effet, en palier (vol horizontal), la portance reste quasiment constante car elle compense le poids de l'avion. Si la vitesse augmente, la portance augmente également. Le pilote qui souhaite que son avion reste en palier doit maintenir la portance constante.  Il doit donc diminuer l'incidence. Autrement dit, lorsque la vitesse augmente, le pilote diminue l'incidence pour maintenir l'avion en palier. Et réciproquement, lorsque la vitesse diminue, le pilote augmente l'incidence pour rester en palier.

6.  Etude de la polaire - décrochage - finesse

6.1  Description et intérêt de la polaire

La polaire un graphique représentant l'évolution de Cz et Cx (coefficients aérodynamiques) avec l'incidence. Elle indique les caractéristiques de la voilure et permet de la comparer avec d'autres. Le but recherché étant d'obtenir le maximum de portance pour le minimum de traînée.

En abscisse on trouve les Cx, et en ordonnées les Cz.A chaque valeur de l'incidence correspond une valeur de C_Z et une valeur de C_X.

Cz : aptitude de l'aile à transformer en portance les pressions exercées sur elle par les filets d'air qui la contournent, reflète l'aptitude de l'avion se maintenir en l'air malgré son poids - coefficient caractéristique de la portance

Cx : coefficient de défaut résiduel, générateur de traînée - coefficient caractéristique de la traînée

Pour que l'avion vole, on cherche à assurer sa sustentation : le Cz doit être tel que la portance compense le poids. On cherche également à minimiser les défauts générateurs de traînée, donc à rendre Cx le plus faible possible.
 

 

la polaire indique une valeur limite de l'incidence pour laquelle le Cz est maximum
 

6.2  Le décrochage

On constate que Cz augmente avec l'incidence jusqu'à un maximum, puis décroit.  Lorsque l'incidence a dépassé l'incidence de portance maximale, la valeur de la portance chute, elle ne peut plus compenser le poids de l'avion : l'avion décroche. En général, l'avion décroche toujours à la même incidence.

Cette situation arrive par exemple lorsque la vitesse diminue en deçà d'une certaine limite.  Pour maintenir la portance constante, le pilote doit compenser la diminution de vitesse en agissant sur un des autres paramètres pilotés : l'incidence.  Il augmente donc l'incidence. 

Juste avant le décrochage, la valeur de l'incidence est importante.  L'écoulement est tourbillonnaire en aval des ailes.
 

Le décrochage

La gouverne de profondeur peut se trouver dans un air turbulent et des vibrations se font alors sentir dans les commandes.  Ces vibrations sont sur certains avions (mais pas sur tous), l'un des premiers symptômes de l'approche du décrochage.

Attention : le décrochage est dû à une incidence trop forte et non à une certaine vitesse !

Le geste qui sauve près du sol : pour se sortir du décrochage, il faut retrouver une portance qui compense efficacement le poids.  Pour cela, il faut agir en même temps sur deux paramètres (liés au demeurant) qui sont à l'origine du phénomène de décrochage : l'incidence et la vitesse. On augmentera donc la puissance tout en diminuant l'incidence.
 

6.3  La finesse

La finesse permet de quantifier les performances aérodynamique d'un avion.

En construisant un avion, on cherche à fabriquer un système capable de créer une force portante qui s'oppose à son poids tout en ne consommant pas trop d'énergie, autrement dit un système qui crée de la portance et qui ne génère pas trop de traînée.

La finesse est égale au rapport Portance / traînée.
 

Finesse = Distance (D) / Hauteur (H) = Portance / Traînée = Rz / Rx = Cz / Cx

Pour un même avion, la finesse (rapport entre le Cz et le Cx ) varie en fonction de l'incidence. Elle connaît une valeur maximum que l'on appelle finesse max pour une certaine valeur de l'incidence. C'est à l'incidence de finesse maximale que l'aile à les meilleures performances aérodynamiques : on utilisera la vitesse que donnera Cz / Cx max (finesse maximum) pour rejoindre, par exemple, une zone d'atterrissage éloignée en cas de panne moteur (par vent nul). On trouve cette valeur de vitesse caractéristique à chaque avion dans son manuel de vol.  Quant à l'incidence de finesse max, on peut lire cette valeur sur la polaire en prenant la tangente à la courbe au point d'incidence de finesse max :

L'incidence de finesse maximale

 

L'incidence de finesses max varie légèrement selon que l'on a une composante de vent arrière ou de face.  Ainsi, avec un vent arrière, l'incidence doit être plus forte et la vitesse de finesse max est légèrement plus faible que sans vent.  Par vent de face, l'incidence doit être plus faible et la vitesse de finesse max légèrement plus forte que sans vent.
 

Les avions légers les plus courants ont une finesse maximale égale à 8 ou 12 : ils peuvent franchir en plané une distance égale à 8 ou 12 fois leur hauteur.

La finesse est la caractéristique principale d'un planeur. Elle s'exprime en chiffre et représente le quotient de la distance parcourue par rapport à la hauteur perdue. Elle indique donc l'angle de piqué que doit adopter le planeur pour avoir une trajectoire rectiligne à vitesse constante. Les planeurs modernes ont aujourd'hui une finesse autour des 40 contre 25 avant-guerre. Ce résultat a pu être obtenu grâce à l'augmentation de l'envergure des planeurs (jusqu'à 26.40 m, supérieure au Boeing 737) et de l'allongement (profondeur moyenne de l'aile sur la longueur : l'aile doit être longue, étroite et mince pour que le planeur soit performant). Les meilleurs planeurs de compétition ont une finesse qui peut dépasser 60 !

 Un Airbus (moteurs coupés), plane à 16 de finesse, c'est à dire qu'il peut parcourir 16 kilomètres à une altitude de départ de 1 000 mètres.