I/ Le turbomoteur

Sur un turbomoteur l’énergie produite par la combustion est récupérée par les turbines car une poussée en sortie serait néfaste au maintien du vol stationnaire. L’évacuation des gazs ce fait donc de deux échappements de directions opposées, afin d’annuler leurs effets sur le vol.

L’énergie récupérée par les turbines sert à entraîner le compresseur et par un réducteur, le rotor. Ce dernier est équivalent à une hélice dont le plan de rotation serait horizontal. Ces moteurs sont donc ceux des hélicoptères.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/Turboshaft_operation-fr.svg

II/Le turbopropulseurLe turbopropulseur est un réacteur dont la turbine entraîne une hélice. Il fonctionne de la même manière que le turbomoteur mais n’as qu’une sortie d’échappement et entraîne une hélice verticale. C’est un donc un moteur pour avions.

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III/Le turboréacteurLe turboréacteur est un moteur utilisé pour les avions. La pousée qu’il produit résulte de l’accélération de l’air entre l’entrée et la sortie , par la combustion d’un carburant (le kérosène). Une partie de l’énergie produite est récupérée par une turbine a la sortie de la tuyère qui sert à faire tourner le compresseur en entrée. Ici le rôle de l’hélice est jouer par la soufflante.

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Toutes les forces s’appliquent au centre de gravité de l’avion or en vol rectiligne uniforme sa trajectoire est une droite et sa vitesse est constante, donc la somme des forces s’appliquant au point G est nécessairement nulle : ΣF=O.

Phénomènes physiques qui exercent une influence sur le déplacement de l’avion en vol.

La portance

C’est une force, aussi appelée sustentation, dirigée du bas vers le haut. Elle est opposée au poids de l’avion et doit lui être au moins égale pour que l’avion s’élève. Elle résulte de la pénétration dans l’air de l’aile.

Une aile d’avion est telle que l’air doit parcourir une distance supérieure sur le dessus de l’aile (Dépression).

L’écoulement de l’air sur la partie supérieure de l’aile (Extrados) est plus rapide que celui de la partie inférieure (Intrados). Cela est dû au profil de l’aile, bombé sur le dessus. Il en résulte une pression plus faible sur l’extrados et donc une aspiration vers le haut. La sustentation est générée principalement par l’extrados.

L’angle que forme l’aile avec la couche d’air qu’elle traverse (appelé angle d’incidence) agit sur la portance de l’aile. Plus celui ci augmente, plus la portance augmente. Mais cela jusqu’à un certain point. Au delà, l’aile décroche brutalement et perd sa portance.

La traînée

C’est la force opposée au déplacement de l’avion et qui résulte de sa résistance à l’air . C’est la résistance à l’avancement, on cherche donc à la réduire au maximum.

La traînée est la résistance de l’air sur l’aile.

 Le corps fuselé est le mieux adapté pour diminuer la résistance à l’air. En effet, la zone de dépression est comblée, les tourbillons sont nuls, et les filets d’air se rejoignent. Le coefficient de de résistance est très faible.

Le Poids.

Cette force est celle contre laquelle lutte la portance pour maintenir l’avion en l’air.

C’est une force qui agit sur la masse totale de l’avion. Elle s’applique en un point: le centre de gravité. Elle est dirigée vers le centre de la Terre et s’exprime en Newton.

C’est contre cette force que l’avion doit lutter pour s’élever dans les airs. Pour que l’altitude soit constante, il faut que la valeur de la portance soit égale à celle du poids. Le poids joue aussi un rôle dans le choix des matériaux et dans la structure de l’avion car la voilure et le fuselage subissent des efforts importants.

Traction.

Elle provient des moteurs par l’intermédiaire de l’hélice. Si l’avion a des réacteurs, c’est la poussée de ceux ci qui équilibre la traînée. Une hélice imprime à une masse d’air une accélération vers l’arrière et elle reçoit à son tour une force dirigée vers l’avant: c’est la traction et l’avion est propulsé vers l’avant. Lors du décollage, l’aile rencontre l’air chassé par l’hélice, et il commence à y avoir une portance.

L’homme sait marcher, l’homme sait nager, mais l’homme ne sait pas voler. Pour y parvenir, il a imaginé diverse machines volantes. Nous allons étudier l’hélicoptère et l’avion.

Comment vol l’avions et l’hélicoptère, et quel sont les solutions technologiques apporté pour y contribuer ?

Nous allons nous intéresser, dans cet article, à la mécanique du vol.

L’avions.

Pour voler, l’avion utilise sa voilure (ailes). Celle-ci sont bondé sur le dessus et non symétrique. Le principe consiste à accélérer l’air au dessus de l’aile, à crée une dépression sur le dessus, et une surpression sur le dessous, et donc de la portance.

Schéma explicatif sur l’origine de la portance d’une aile d’avion. (http://0320408577.free.fr/schema%20portance.bmp)

L’avions, pour créer cette portance, doit également avoir un vent relatif, qu’il se créer grâce à ses moteurs, allant du moteur à piston à hélice pour les avions Touriste, jusqu’au Turboréacteur des avions de chasse ou de ligne.

L’angle d’incidence, joue également un rôle dans la portance de l’avion. Attention, si cette angle d’incidence est trop grand, l’avion risque de décrocher et donc de chuter.

Schéma coupe d’une aile avec en représentation les forces exercé sur l’aile avec l’angle d’incidence. (http://idata.over-blog.com)

Pour se diriger, l’avion pivote autour de 3 axes de translation et 3 axes de rotation, grâce à des gouvernes et ailerons, les volets, servant en fasse d’atterrissages.

3 Rotation possible:

•  Axe de Lacet : Gouverne de direction
•  Axe de Tangage : Gouverne de profondeur
•  Axe de Roulis : Ailerons latéraux

Schéma de représentation des axes de rotation d’un avion type Cessna (http://www.lavionnaire.fr)

En vol, plusieurs forces s’exercent sur l’avion : Le poids, la portance, la trainer, la traction.

• Le poids : Il est dû à l’attraction terrestre. Cette force est dirigée vers le bas, toujours vers le centre de la terre, ce qui aura des impacts non négligeables lors de phase de décollage et d’atterrissage.

• La portance : Elle est due à la dépression et la surpression sur les voilures de l’avion. Cette force s’oppose au poids.

• La trainer : Elle est provoquée par la résistance aérodynamique d’un fluide sur un objet en mouvement. On la rencontre aussi bien sur une automobile qu’un avion. Elle a un impact lors des déplacements de l’avion.

• La traction : est créé grâce aux moteurs de l’avion, qui généré un vent relatif, qui maintient grâce à la portance, l’avion en l’air. Cette force s’oppose à la trainer.

Schéma résumant toute les forces exercé sur un avion. (http://jonathan.daubin.info)

Type de moyen de propulsion d’un avion

Les avions peuvent être équipés de différent type de moteurs. Prenons deux exemple parmi les plus courants:

Moteur à pistons : fonctionne sur le même principe qu’un moteur à combustion de voiture. Le mélange air comprimé et carburant est enflammé et avec la détente des gaz, repousse le piston, qui entraine un axe, qui entraine une hélice, qui tracte ou propulse l’avion.

Turboréacteur : fonctionne sur le principe action-réaction. L’air est aspiré par une soufflante qui joue le rôle d’une hélice. L’air, comprimé arrive en chambre de combustion, puis mélangé à du carburant (kérosène), puis éjecté à très grande vitesse, ce qui propulse l’avions. Les avions de lignes, sont équipés de turboréacteur à double-flux, ce qui permet de minimiser le bruit.

Schéma Turboréacteur. (http://img175.imageshack.us)

L’hélicoptère

A la différence d’un avion, l’hélicoptère utilise une voilure rotatif, pour se crée une portance, ou un vent relatif. Le rotor en mouvement, constitué de pales, assure son déplacement et son maintien en l’air.

Les pales de l’hélicoptère, sont bombées symétriquement. Pour décollé, le pilote actionne le pas général pour orienter les pales, produire une portance qui soulève l’hélicoptère. Grâce à un système, l’articulation de battement, le pilote oriente les pales pour aller dans la direction souhaité.

Schéma force exercé sur un hélicoptère. (http://tpeaero.free.fr)

Mais le mouvement du rotor, engendre un nouveau problème. Le cockpit tourne lui aussi, mais dans le sens inverse du rotor.

C’est pour cela que les ingénieurs ont conçu le rotor de queue, afin d’annulé cette force responsable de la rotation du rotor et par conséquent, facilité la manœuvrabilité de l’hélicoptère.

Schéma représentant la force qu’exerce le rotor sur l’hélicoptère. (http://jeanpierre.rousset.free.fr)

Dans toutes les machines il y a des Forces qui s’exercent. Nous avons étudiez 2 cas différents, le cas d’un avion et celui d’un hélicoptère. Dans les 2 cas le vent relatif est utilisé.

L’avion:

Dans l’avion il y a différentes Forces, celles qui s’opposent au déplacement et celles qui aident au déplacement de l’avion. Ces Forces s’exercent sur les ailes de l’avion. Une de ces forces est le résultat de 2 forces, la force résultante, qui dépend de la Force de portance et la force de trainée que je vais expliquer ci-dessous.

Les Forces qui aident au déplacement de l’avion:

Dans toutes machines il y a une Force motrice  qui est une Force créé par un moteur, cette Force est plus connu en aviation sous le nom de poussée. Elle permet de créer au moment du décollage une Force de portance  à l’aide de volet qui s’incline pour décoller. Cette portance est perpendiculaire au vent relatif. La poussée permet de faire avancer l’avion et la portance permet de faire voler l’avion sans qu’il ne chute.

Les Forces qui s’opposent au déplacement de l’avion:

Dans les Forces qui s’opposent il y a bien sur le Poids de l’avion (Poids= masse*gravité) comme vous pouvez le voir dans le poids il y a de facteur, la masse de l’appareil mais aussi la gravité c’est pour cela que le poids s’oppose en attirent l’avion vers le sol. Ensuite il y a une Force lié à l’aérodynamisme ce n’est autre que la Force de trainée.

Force exercé sur les ailes                                                    source: upload.wikimedia.org

L’hélicoptère:

Les forces exercé sur un hélicoptère sont divisé en 2 comme pour l’avion. Un hélicoptère contrairement à un avion n’a pas d’aile ni de gouvernes.

Les Forces qui aident au déplacement:

Il y a comme dans un avion la Force de portance qui fait décoller l’hélicoptère. Il y a une force de portance sur chaque pâle. Si un hélicoptère n’a pas de force de trainé alors l’ensemble des forces de portance est appelé force résultante. Pour se déplacer il y a accélération qui se rajoute.

Les Forces qui s’opposent au déplacement:

Le poids comme dans toutes objets s’opposent au déplacement et est opposé à la force de portance. Lors d’un déplacement la force de trainé intervient.

Vol stationnaire                                                                         source:upload.wikimedia.org

Hélicoptère qui avance                                                                                 source:upload.wikimedia.org

 Sur l’aile d’un avion, s’exerce plusieurs forces tel que la force de traînée (parallèle à la vitesse de l’air), la force de portance (perpendiculaire à l’air) et une force résultante qui est la somme vectorielles de ces deux forces.

La portance

La force de portance, aussi appelée sustentation qui à pour centre un point de l’aile. Cette force, s’oppose au poids de l’avion.

La portance

Profil de l’aile

L’air à une vitesse plus importante sur la surface supérieure de l’aile qu’à la surface inférieure car l’air doit parcourir une distance plus grande en mettant autant de temps que l’air qui passe sous la partie inférieure de l’aile. Le profil de l’aile joue beaucoup sur la portance (force de portance verticale).

La vitesse par rapport au profil de l’aile

La portance d’un avion dépend de sa vitesse. Par exemple il faut une portance suffisamment élever pour pouvoir décoller, il faut donc que l’avion ait une vitesse de sustentation (=portance) minimale.

Angle d’incidence

Plus l’angle d’incidence augmente plus la portance augmente.

La traînée

C’est une fore qui s’oppose au déplacement de l’avion (=résistance à l’air). Plus la vitesse augmente, plus la traînée est importante.

Les différentes forces

Qu’est-ce que la poussée, à quoi sert t-elle ?

La poussée est la force exercée par l’accélération de gaz (souvent de l’air) grâce à un moteur dans le sens inverse de l’avancement.

Dans le cas d’un avion, la poussée lui permet d’avancer.

Les 4 forces ( source PeurAvion.com)

Au décollage elle permet l’accélération de l’avion. Le pilote ne met les volets en position décollage qu’une fois la vitesse de décollage atteinte cela crée alors une portance supérieure au poids qui permet à l’avion de décollé. Il ne le fait pas avant pour diminuer la traînée et permettre une prise de vitesse rapide. Il décolle le plus souvent possible face au vent pour augmenter le vent relatif. Il réduit ainsi la vitesse et la distance de décollage.
En vol de croisière la poussée compense la force de traînée liée aux frottements aérodynamiques sur l’aile et le reste de l’avion, en augmentant la poussée il peut accélérer et augmenter sa portance et donc son altitude.

Dans le cas d’un hélicoptère la poussée lui permet de décoller et d’avancer.
Le rotor crée un flux d’air vertical qui assure à la fois la portance et la propulsion.

Les 4 forces vue d’un hélico ( source helikopter83.free.fr)

Poussée d’un hélicoptère ( source lapband.free.fr)

Poussée = Fm =  Δm/Δt.(Vs – Ve)

Fm la Force motrice, Δm/Δt le débit massique du flux d’air traversant le rotor (en kg/s), Ve la vitesse de l’air au dessus du rotor, et Vs sous le rotor.

La poussée est perpendiculaire au rotor.
Cette poussée peut aussi se modéliser comme étant la portance d’ailes tournantes.
Cette poussée assure la sustentation (portance d’une aile pour un avion) mais elle peut  permettre aussi la propulsion (hélice ou réacteur d’un avion) et le pilotage.