Un avion, comment ça vole ?

Qui a volé le premier ?

Le mythe d’Icare témoigne d’un rêve éternel de l’homme : voler. Arrivé en Crète, Dédale, architecte et sculpteur, construisit le Labyrinthe sur ordre du roi Minos pour enfermer le Minotaure. Soupçonné d’avoir aidé Thésée à s’enfuir du Labyrinthe à l’aide du fil d’Ariane, Dédale fut à son tour enfermé dans le Labyrinthe avec son fils Icare. Grâce à des ailes faites de plumes et fixées à la cire, ils réussirent à s’échapper. Cependant, Icare, fils intrépide, s’approcha si près du Soleil que la cire fondit, le précipitant dans la mer.
Pendant longtemps, l’idée fut d’imiter la chauve-souris ou l’oiseau. Léonard de Vinci (1452-1519), parmi ses nombreux travaux scientifiques et artistiques, a laissé des dessins montrant un véhicule à voilure tournante, l’ornithoptère. Il avait aussi pensé à un système de mesure des forces aérodynamiques qui s’exercent sur une aile lorsque celle-ci se déplace dans l’air. Un de ses dessins représente une balance à plateaux : un opérateur tenant une aile est placé sur l’un des plateaux‑; le contrepoids nécessaire à équilibrer la balance devait permettre de mesurer la force de portance aérodynamique.
Pour voler, deux conditions sont nécessaires : rester en l’air – c’est la sustentation – et se déplacer – c’est la propulsion. Avec les véhicules à ailes battantes ou à voilure tournante (comme l’hélicoptère aujourd’hui), les deux phénomènes étaient recherchés simultanément.
En 1799, l’Anglais George Cayley (1773-1857) proposa de dissocier les deux fonctions en utilisant des ailes fixes pour la sustentation et une hélice associée à un moteur à gaz ou à explosion pour la propulsion.
Environ un siècle plus tard, le 9 octobre 1890, le Français Clément Ader (1841-1925) réussit un premier bond à bord de l’Éole. Si l’on ne reconnaît pas à Ader le privilège d’avoir réussi le premier vol sustenté – il a bien quitté le sol mais sans maintenir un vol qui réponde aux critères établis maintenant –, on lui accorde celui d’avoir inventé le mot avion, du latin avis, oiseau. Selon la définition du dictionnaire Larousse, un avion est un appareil de navigation aérienne plus lourd que l’air se déplaçant dans l’atmosphère à l’aide de moteurs à hélice ou à réaction et dont la sustentation est assurée par des ailes.
L’Allemand Otto Lilienthal (1848-1896) fut l’un des pionniers du vol à voile. Il a véritablement compris comment il fallait s’y prendre pour voler avec un planeur. Il a réalisé plus de 2‑500 vols et fut victime de sa passion.
Les Américains Wilbur et Orville Wright (l867-1912 et 1871-1948) sont crédités du premier vol, le 17 décembre 1903, à Kitty Hawk en Caroline du Nord. Leur avion, le Flyer, effectua un vol de 35 mètres qui dura douze secondes. Il avait été entièrement conçu par les frères Wright, qui avaient fabriqué eux-mêmes le moteur de douze‑chevaux et conçu l’hélice. Ils avaient largement bénéficié des conseils du Français Octave Chanute (1832-1910), qui développa notamment les travaux de Lilienthal, et s’étaient beaucoup appuyés sur des essais en soufflerie pour étudier les performances aérodynamiques des ailes de leurs avions.
Dans la suite, trois éléments essentiels du vol d’un avion seront examinés :

• les forces aérodynamiques, qui assurent la sustentation ;
• la propulsion, qui permet de contrer la résistance de l’air ;
• la stabilité, qui conditionne le pilotage.

Qu’est-ce que la portance et la traînée ?

Le mouvement relatif de l’air par rapport à l’avion engendre des forces qui peuvent être extrêmement grandes. La sensation de force aérodynamique est très bien perçue si l’on met la main dehors lorsqu’on est en voiture. Le ralentissement créé par un parachute en est un autre exemple. Les effets d’une tempête sont aussi très spectaculaires. Ne parle-t-on pas de la force du vent ?
Sur un avion, les forces aérodynamiques sont décomposées en une force de traînée, qui s’exerce dans la direction opposée à la vitesse de l’avion, et une force de portance, dirigée vers le haut, qui s’exerce dans une direction perpendiculaire à cette vitesse. La force de traînée est donc celle qui s’oppose au mouvement de l’avion ; c’est la résistance à l’avancement. La force de portance, ou de sustentation, est celle qui maintient l’avion en l’air.
 

Quelle doit être la valeur de la portance pour que l’avion vole ? En régime de croisière, l’avion se déplace à une altitude constante ; il faut que son poids soit exactement équilibré par la force de portance, sinon il tombe ou il monte selon que son poids est plus grand ou plus petit que la portance. Un avion de transport pesant plusieurs centaines de tonnes est donc soumis à une force aérodynamique énorme.
Le déplacement de l’avion dans l’air crée une force de résistance, la traînée aérodynamique, qui, typiquement, représente environ 5 % de la portance. Pour que l’avion vole à une vitesse constante, la force de propulsion fournie par son moteur doit équilibrer exactement la traînée.

Notion de force.
On peut caractériser une force par son effet, qui est de communiquer une accélération dès qu’elle est appliquée à un corps.
Rappelons qu’une accélération correspond à une variation de la valeur de la vitesse ou de sa direction. Suivant la célèbre loi de Newton, la force nécessaire pour produire une accélération est proportionnelle à la masse du corps. Ainsi, pour une force donnée, l’accélération communiquée à un corps est plus faible si la masse est plus grande. Un petit caillou se lance plus facilement qu’un gros.
Le poids d’un objet est une force dont on peut facilement observer les effets. Si on lâche un caillou d’une certaine hauteur, il tombe verticalement avec une vitesse qui augmente au cours de sa chute. S’il n’y avait pas d’atmosphère, c’est-à-dire dans le vide, tous les cailloux, gros ou petits, lâchés au même instant, tomberaient exactement de la même façon et arriveraient au sol en même temps.
Sur Terre, cette observation est gênée par la résistance de l’air. Dès que le caillou acquiert une vitesse, même petite, l’air s’oppose à sa chute en créant une force opposée à son poids. Cette force dépend de la vitesse du caillou, de sa forme, de sa dimension et de la masse volumique de l’air. Si l’on accroche un parachute au caillou, la résistance de l’air sera plus grande. Si le caillou est lâché de très haut, avec un parachute ou non, la résistance de l’air devient égale au poids du caillou quand sa vitesse est devenue suffisante. Alors le caillou tombe avec une vitesse qui ne varie plus.
En effet, toujours d’après les lois de Newton, pour un corps soumis à un ensemble de forces qui s’annulent, deux cas se présentent : le corps est immobile ou le corps est animé d’une vitesse constante. Le premier cas s’observe lorsqu’un objet repose dans la main : l’objet ne tombe pas car son poids est exactement équilibré par la force qu’il faut exercer pour le maintenir immobile. De même, un objet posé au sol est soumis à une force exercée par le sol qui équilibre exactement son poids. Le second cas s’observe précisément dans l’expérience du caillou lâché de haut : au début de la chute, le caillou accélère car son poids est supérieur à la résistance de l’air ; quand le caillou a pris suffisamment de vitesse,
la résistance de l’air a augmenté jusqu’à devenir égale au poids du caillou et la vitesse devient constante jusqu’à l’arrivée au sol.
Symboliquement, sur un dessin, une force est représentée par un vecteur (une flèche) dont l’orientation donne la direction de la force et dont la longueur figure l’intensité de la force.

Notion de pression.
Une pression est une force répartie sur une surface. Par exemple, on dit que la pression atmosphérique au sol est typiquement de l’ordre de 1 013 hectopascals. Cela veut dire que l’atmosphère exerce à la surface de tout corps une force de 10,13 newtons sur une surface de 1 cm2 ; cette force équivaut au poids d’un corps dont la masse est 1,033 kilogramme. Sur une surface de 1 m2, la force exercée est de 101 300 newtons.
En général, ces forces passent inaperçues car elles se compensent. Par exemple, une feuille de papier est soumise sur chacune de ses faces à la même pression, de sorte que tout se passe comme si les forces de pression n’existaient pas.
 

Dans l’eau, la notion de pression est plus apparente. L’oreille d’un plongeur qui descend dans la mer est sensible à la variation de pression car, dans l’oreille interne, la pression n’est pas en équilibre avec celle de l’eau. D’autre part, la pression dans l’eau en un point est directement liée au poids de la colonne d’eau qui est au-dessus. Ces variations de pression sont très sensibles ; on sait en effet que la pression augmente d’environ 1 000 hectopascals tous les 10 mètres, ce qui veut dire qu’à une profondeur de 100 mètres, la pression est à peu près dix fois plus forte que la pression atmosphérique. Autour d’un objet plongé dans l’eau, l’ensemble des forces de pression exercées par l’eau représente la poussée d’Archimède : suivant la formule célèbre, tout corps plongé dans l’eau reçoit une poussée verticale de bas en haut égale au poids de l’eau déplacée. Cet énoncé est valable pour n’importe quel fluide. Dans l’air, la pression atmosphérique est également liée au poids de la colonne d’air qui est au-dessus du point considéré. Les variations de pression existent aussi, puisqu’à la montagne la pression est plus faible qu’à la mer ; mais pour avoir des différences de pression sensibles, il faut des différences de niveaux importantes car la masse volumique de l’air est très faible comparée à celle de l’eau.

À quoi sont dues les forces aérodynamiques ?

Un corps se déplaçant dans l’air crée autour de lui un mouvement de l’air que l’on appelle un écoulement. Ce mouvement est très complexe car la vitesse de l’air n’est pas partout la même. L’écoulement induit aussi des variations de la pression appliquée au corps ainsi que des forces de frottement entre l’air et la surface du corps. L’étude de ces mouvements et de leurs effets est une branche de la physique qui s’appelle l’aérodynamique.
Un principe de physique veut que lorsque le mouvement est créé par le déplacement d’un corps à vitesse constante, il est équivalent d’étudier l’écoulement créé par un courant d’air qui se déplace autour du corps immobile. Ce qui importe est donc le mouvement relatif du corps par rapport à l’air. Ce principe est utilisé dans les souffleries, dont l’objet est précisément les études aérodynamiques. Une soufflerie est une conduite dans laquelle l’air circule autour d’une maquette. On y mesure, par exemple, les forces aérodynamiques qui s’exercent sur la maquette. D’après le principe de mouvement relatif, ces forces sont les mêmes que celles qu’on aurait si la maquette se déplaçait dans l’air, c’est-à-dire dans les conditions de vol d’un avion.

Imaginons une balle de tennis qui tourne sur elle-même en restant sur place. La rotation de la balle entraîne en son voisinage une rotation de l’air qui l’entoure. Supposons maintenant que cette balle se déplace en même temps qu’elle tourne. C’est ce qui se passe lorsque le joueur de tennis donne un effet de lift. Au lieu de considérer la balle avec son mouvement de déplacement, il est équivalent de considérer un courant d’air qui arrive sur la balle.
La vitesse de ce courant d’air s’ajoute à l’effet de rotation de l’air. Ainsi, sur le dessus de la balle, la vitesse de l’écoulement est plus faible que sur le dessous ; en effet, sur le dessus, la vitesse de déplacement de l’air et la vitesse de rotation de l’air se retranchent alors que sur le dessous elles s’ajoutent.
Or, on sait que la pression et la vitesse sont liées. Imaginons qu’il existe une différence de pression entre deux points voisins dans l’air. À cause de cette différence de pression, l’air est soumis à une force de pression qui tend à l’accélérer vers l’endroit où la pression est plus faible ; en quelque sorte, l’air est poussé par la forte pression. Autrement dit, la vitesse augmente dans la région où la pression est plus faible. On peut donc résumer en disant que la vitesse est plus grande là où la pression est plus faible et, de façon équivalente, que la vitesse est plus petite là où la pression est plus forte.
 

Donc, sur le dessus de la balle, comme la vitesse est plus faible que sur le dessous, la pression y est plus forte. Les différences de pression appliquées à la balle ont par conséquent pour effet de donner une force dirigée vers le bas. C’est bien ce que recherche le joueur ; sa balle monte d’abord assez haut car, pour donner l’effet de rotation, il doit imprimer à la raquette un mouvement de bas en haut et il produit donc une force dirigée vers le haut. Avec sa rotation, la balle subit ensuite une force aérodynamique dirigée vers le bas qui la fait descendre brutalement et elle reste dans le court (en principe).
 

En donnant un effet inverse à la balle de tennis (effet de coupé), on obtient un résultat exactement inverse : les pressions sont plus faibles sur le dessus de la balle que sur le dessous. La force résultante est dirigée vers le haut et la trajectoire est beaucoup plus allongée.

Dans le jeu de football, les coups francs de Michel Platini, restés célèbres, reposent sur le même principe. L’effet de rotation imprimé au ballon crée une force aérodynamique perpendiculaire à sa vitesse, ce qui incurve la trajectoire et permet de contourner le mur formé par les joueurs adverses. La théorie est simple ! Essayez !

On prend une feuille de papier format A4 par deux coins voisins, le bord entre les deux coins étant tendu horizontalement. Bien sûr, le poids de la feuille tend à la faire pendre vers le bas. On souffle sur le dessus de la feuille et on s’aperçoit qu’elle se relève. Que se passe-t-il‑? La vitesse du courant d’air induit une dépression sur le dessus de la feuille alors que le dessous reste soumis à la pression ambiante. Les forces de pression appliquées à la feuille sont donc dirigées vers le haut et la feuille se soulève.

Une expérience voisine peut être menée à l’aide de deux feuilles de papier placées côte à côte. Si l’on souffle entre les deux feuilles, elles se rapprochent l’une de l’autre. La vitesse de l’air entre les feuilles provoque une diminution de la pression. C’est ensuite la différence de pression exercée sur les deux faces de chaque feuille qui produit l’effet observé.
 

Comment fonctionne une aile d’avion ? La forme donnée à l’aile, notamment l’existence d’un bord de fuite assez effilé, ajoute un mouvement circulatoire au mouvement de déplacement relatif de l’air par rapport au profil d’aile. Ce phénomène est comparable à celui créé par la balle de tennis qui tourne sur elle-même. Ainsi, sur le dessus de l’aile, qu’on appelle l’extrados, la vitesse est plus grande qu’à l’intrados. L’extrados est donc le siège d’une dépression par rapport à l’intrados. La différence de pression est à l’origine de la portance.
Il est important de noter que la sustentation est essentiellement provoquée par l’effet de dépression sur l’extrados. C’est comme si l’aile était aspirée vers le haut.
 

La traînée résulte du déséquilibre des forces de pression qui s’exercent sur l’avion, mais aussi des forces de frottement que l’air exerce en s’écoulant autour de l’avion. La répartition entre la traînée de pression et la traînée de frottement dépend du type d’avion, de sa taille, de son régime de vol (subsonique, transsonique ou supersonique). Sur un avion de transport tel qu’un Airbus, les deux causes, pression et frottement, participent à part égale à la traînée. Sur un avion plus petit, la part de la traînée de frottement est plus forte. Sur un avion supersonique comme le Concorde, la pression contribue à la traînée pour environ 70 %.

De quoi dépendent les forces aérodynamiques ?

Une ligne de référence permet de définir la corde du profil d’aile – en gros sa longueur. En outre, cette ligne de référence n’est pas alignée avec la direction de la vitesse de l’avion, mais fait un angle qu’on appelle l’incidence. Par rapport à la trajectoire de l’avion, en vol de croisière, l’aile est légèrement cabrée. Généralement, l’incidence est de l’ordre de quelques degrés.
 

Quand l’incidence de l’aile augmente, la portance augmente (l’incidence est notée a, lettre grecque alpha). Au contraire, quand l’incidence diminue, la portance diminue aussi et peut devenir négative. L’augmentation de la portance avec l’incidence a toutefois une limite ; si l’incidence devient trop forte, la portance chute au-delà d’une incidence limite. Ce régime est appelé le décrochage.
Le décrochage est associé au phénomène aérodynamique de décollement (ci-contre, en haut). Au lieu de suivre correctement le dessin de l’aile, l’écoulement d’air s’en écarte fortement et les performances aérodynamiques s’en trouvent dégradées. On peut observer ce phénomène lorsque l’eau d’une rivière passe autour d’une pile de pont. Sur la partie avant de la pile, l’eau suit régulièrement le contour de la pile alors que sur la partie arrière, elle s’en écarte fortement. Généralement, des gros remous se forment en aval.

Écoulement décollé sur un profil d'aile. Photo ONERA, H. Werlé

Le profil de l’aile spécialement conçu pour donner à l’écoulement la forme souhaitée devient donc totalement inefficace à forte incidence. La portance diminue et la traînée augmente.
L’écoulement est fortement conditionné aussi par le régime laminaire ou turbulent qui règne au voisinage de la paroi. En régime laminaire, comme l’indique l’origine étymologique (laminaire vient du latin lamina, lame), les couches fluides glissent les unes sur les autres, comme des lames.
 

Écoulement laminaire puis turbulent (de gauche à droite)
Photo ONERA, H. Werlé

Un écoulement turbulent a une allure très irrégulière ; il est le siège d’agitations et de remous qui provoquent un brassage vigoureux du fluide. Le régime turbulent crée des forces de frottement plus intenses sur la paroi de l’avion et la traînée de frottement augmente. Autour d’une aile de planeur, l’écoulement est laminaire sur une grande partie de la région amont de la voilure et, de ce fait, la traînée est faible. Les rugosités qui pourraient se former sur l’aile par suite de l’impact d’insectes, par exemple, sont un facteur de déclenchement du régime turbulent, ce qui est très néfaste pour la traînée.
Sur l’aile d’un avion de transport comme un Airbus, il est très difficile d’obtenir un régime laminaire. Cependant des études récentes, confirmées par des essais en vol, ont montré la faisabilité d’un procédé permettant de maintenir le régime laminaire afin de réduire la traînée pour économiser le carburant.
La technique employée consiste à équiper l’aile ou la dérive, par exemple, de parois très finement perforées et à aspirer légèrement l’écoulement à travers ces parois. Les trous ont un diamètre de l’ordre de quelques centièmes de millimètre et sont espacés de quelques dixièmes de millimètre. L’effet de l’aspiration est d’éliminer la turbulence naissante et donc de maintenir le régime laminaire.
En régime turbulent, d’autres études ont montré qu’il est possible de réduire la traînée de frottement à l’aide de parois munies de stries très fines appelées riblets. Ces parois sont obtenues à l’aide de feuilles de plastique autocollantes et les stries ont une dimension de l’ordre de quelques centièmes de millimètre en largeur et en profondeur. Les stries doivent être soigneusement alignées avec l’écoulement. Des essais en vol sur un AirbusA320 recouvert très largement de ces surfaces ont montré un gain de traînée de l’ordre de 1,5 % de la traînée totale de l’avion.

Qu’est-ce que le mur du son ?

Une difficulté majeure à laquelle s’est heurtée l’évolution des avions fut le passage d’une barrière mythique appelée mur du son, qui apparaît quand l’avion vole dans le domaine transsonique.
On appelle nombre de Mach, noté M, le rapport de la vitesse de l’avion v à la célérité du son a dans l’air à l’endroit où vole l’avion. Ce nom a été donné en hommage au physicien autrichien Ernst Mach (1838-1916). La célérité du son représente la vitesse de propagation du son dans l’atmosphère au repos. Elle dépend de la température de l’air et elle augmente quand la température augmente. À une température de 25 °C, elle est voisine de 1 250 km/h alors qu’à -50 °C, température qui règne à l’altitude de vol de nombreux avions (environ 10 km), elle est de 1 080 km/h. Un avion subsonique vole à une vitesse inférieure à la célérité du son, un avion supersonique vole à une vitesse supérieure à la célérité du son. Par exemple l’avion Concorde vole à M = 2. Les avions Airbus volent dans le domaine transsonique, le domaine voisin de M = 1, à des vitesses de l’ordre de 900 km/h.
Les lois de l’aérodynamique sont très différentes en régime subsonique et en régime supersonique. Par exemple, dans une canalisation à section variable, la vitesse d’un écoulement subsonique diminue quand la section de passage augmente‑; l’observation d’un écoulement d’eau confirme cette conclusion. Au contraire, dans un écoulement supersonique, la vitesse augmente lorsque la section de passage augmente.
Une autre différence est liée à la propagation de petites perturbations. Imaginons un petit mobile, une toute petite bille par exemple. Le déplacement de la bille crée une variation de pression qui est localisée à la surface d’une sphère dont le diamètre croît au fur et à mesure du temps. Si la bille a une vitesse subsonique, l’onde de pression devance la bille puisque la bille a une vitesse inférieure. Au contraire, si la bille a une vitesse supersonique, la bille devance toujours la perturbation. C’est la raison pour laquelle on peut entendre arriver un avion subsonique alors qu’on n’entend un avion supersonique que lorsqu’il est passé.
En fait, les perturbations créées en régime supersonique se rassemblent et focalisent souvent pour former des ondes de choc. Au lieu d’une petite perturbation, un bruit faible, une onde de choc crée un bruit qui peut être très intense. Un avion supersonique forme de telles ondes de choc, qui sont liées à l’avion et se déplacent en même temps que lui.
En pénétrant dans l’air, un avion supersonique comme le Concorde engendre une onde de choc dont la forme est à peu près celle d’un cône dont le sommet est attaché au nez de l’avion. Ce cône se déplace avec l’avion. Un observateur au sol entend passer l’avion lorsque ce cône passe sur lui. C’est le bang. En fait, un second bang est émis peu de temps après car une deuxième onde de choc liée à l’arrière de l’avion se forme aussi. C’est le phénomène du double bang.
L’intensité du bruit augmente avec la taille de l’avion et lorsqu’il vole à plus basse altitude. Il faut noter que ces ondes de choc sont très peu atténuées et se propagent sur des distances très grandes. Le bang du Concorde est perçu au sol de façon significative sur une bande large d’une vingtaine de kilomètres, de part et d’autre de sa trajectoire.

Les ronds dans l’eau
Si on lance un petit caillou dans l’eau, il se forme un rond qui grossit avec le temps. Le rond visualise la propagation de la perturbation à la surface de l’eau. Ce rond est l’analogue de la sphère dans l’air qui transporte les variations de pression, c’est-à-dire le son. La vitesse à laquelle grossissent les ronds à la surface de l’eau est assez faible. Un bateau a généralement une vitesse plus grande et il entraîne avec lui deux lignes partant de l’étrave (on peut observer aussi ce phénomène en déplaçant le bout d’un petit bâton à la surface de l’eau d’une baignoire). Ces lignes sont analogues au cône que forme dans l’espace l’onde de choc d’un avion supersonique. L’analogie a des limites, car les ondes que l’on observe à la surface de l’eau ne sont pas des ondes sonores.
Quand l’avion est en régime de vol transsonique, des ondes de choc se forment sur certaines de ses parties, notamment sur l’extrados des ailes. En effet, les dépressions qui règnent à cet endroit sont associées à des survitesses de l’écoulement qui se forme autour de l’avion. Ainsi, même si le nombre de Mach de l’avion est inférieur à 1, l’écoulement sur l’aile peut être en partie supersonique. Les lois de l’aérodynamique étant très différentes en subsonique et en supersonique, il s’ensuit que la portance et la traînée varient rapidement quand l’avion essaie d’entrer dans le domaine transsonique, qui est à la frontière des domaines subsonique et supersonique. En particulier, la traînée augmente et la portance diminue. Le moment de tangage a également des variations rapides. De plus, des instabilités peuvent apparaître quand les ondes de choc se forment sur l’aile. Quand la puissance des moteurs a permis d’envisager de tels vols, ces phénomènes aérodynamiques n’étaient pas connus. Le pilotage était très difficile.
Par la suite, ces phénomènes ont été maîtrisés, grâce notamment à des profils d’ailes particuliers. L’aile supercritique, développée sous l’impulsion de Richard Whitcomb, a un profil dont la loi d’épaisseur procure de bonnes qualités aérodynamiques en régime transsonique. Une autre amélioration aérodynamique consiste à mettre l’aile en flèche : cette dernière ne fait plus un angle droit avec l’axe longitudinal de l’avion. On sait que le comportement de l’aile est lié à la composante de vitesse perpendiculaire au bord d’attaque de l’aile. Cette composante de vitesse représente un des côtés d’un triangle rectangle dont l’hypoténuse est la vitesse. Or, comme le montre la figure ci-dessous, cette composante de vitesse est sensiblement plus faible que la vitesse elle-même. Tout se passe donc comme si le nombre de Mach de l’avion était plus faible, et les troubles transsoniques sont repoussés. Les avions Airbus, par exemple, sont équipés d’ailes en flèche.

Souvent, le double bang est confondu avec le mur du son. Comme on l’a vu, le double bang est le bruit perçu au sol tout au long du parcours d’un avion volant en régime supersonique. Le mur du son est le nom donné aux troubles qui étaient rencontrés par l’avion lors du passage en régime transsonique.

Comment un avion est-il propulsé ?

Un moteur simple
On gonfle un ballon de baudruche et, quand il est bien gonflé, on laisse l’air s’échapper. Le ballon se met à voyager. Que s’est-il passé ?
Une fois le ballon gonflé, la pression à l’intérieur est plus forte que celle qui existe à l’extérieur, mais les forces de pression s’annulent parce qu’elles sont appliquées à un volume fermé. Quand l’embouchure est ouverte, un déséquilibre de ces forces de pression se produit en même temps qu’un jet d’air est éjecté du ballon. On observe que, par un effet de réaction, le ballon se déplace dans un sens exactement opposé à celui du jet d’air. L’air expulsé du ballon est soumis à une force exercée par le ballon et, par réaction, une force opposée est exercée sur le ballon. Le principe d’action et de réaction édicté par Newton est très général‑: si un corps A exerce sur un corps B une force, le corps B exerce en réaction une force exactement opposée sur le corps A.
On montre que la force qui permet au ballon de se déplacer est directement liée à la pression dans le jet et au débit de quantité de mouvement qui s’échappe du ballon, cette quantité étant le produit du débit d’air par sa vitesse.

L’expérience du ballon illustre le principe du moteur à réaction. On utilise d’ailleurs maintenant couramment le mot anglais jet (prononcer à l’anglaise) pour désigner un avion de transport qui utilise des moteurs à réaction.
Les moteurs-fusées sont une application directe de ce principe de réaction. Un tel moteur est composé d’un réservoir où s’effectue la combustion (poudre ou mélange hydrogène-oxygène par exemple). Les gaz de combustion s’échappent de la tuyère et forment un jet à grande vitesse.
Il est important de noter que la force de propulsion est créée par un déséquilibre des forces de pression qui agissent sur la structure du moteur. Si le rejet des gaz à l’extérieur ne crée pas directement la force de propulsion, les deux phénomènes sont cependant étroitement liés, car c’est l’expulsion de gaz à l’extérieur qui est à l’origine du déséquilibre des forces de pression internes. Il serait donc faux de croire que le jet s’appuie sur l’air ambiant pour créer la force de propulsion. En effet, un moteur-fusée fonctionne parfaitement dans le vide.
En fait, tous les moteurs d’avion utilisent le principe de réaction. Deux types de moteurs sont souvent utilisés : le statoréacteur et le turboréacteur.
Le moteur le plus simple est le statoréacteur, car il ne présente aucune partie tournante.

Ce type de moteur est intéressant pour les véhicules à grande vitesse, au-delà de M = 3. La grande vitesse permet en effet une compression quasiment naturelle de l’air qui est admis dans le réacteur. L’énergie dégagée par la combustion du carburant avec l’air est utilisée ensuite pour former un jet à haute vitesse qui s’échappe du moteur au moyen d’une tuyère. Comme pour le ballon, le déséquilibre des forces de pression à l’intérieur du moteur constitue la force de propulsion. Cette force est transmise à l’avion par le système d’accrochage du moteur. La simplicité de ce moteur est attrayante, mais il ne peut pas se mettre en marche tout seul. Il est nécessaire de l’associer à un autre système de propulsion, par exemple un moteur-fusée.

Le turboréacteur est typiquement le moteur à réaction. Il est composé schématiquement d’une entrée d’air, d’un compresseur, d’une chambre de combustion, d’une turbine et d’une tuyère.
 

Dans son fonctionnement, on retrouve les différentes phases d’un moteur de voiture (admission, compression, combustion, échappement). Le compresseur est une partie tournante qui permet d’aspirer l’air et de le comprimer avant d’arriver dans la chambre de combustion. L’énergie produite par la combustion est utilisée en partie pour faire tourner la turbine qui, à son tour, entraîne le compresseur. Enfin, le gaz est accéléré à travers une tuyère. Ce moteur ne démarre pas seul. Il faut utiliser un petit moteur auxiliaire pour entraîner le compresseur au démarrage. La plupart des avions de transport utilisent des moteurs de type turboréacteur.

Avion stable ou instable ?

Comment faire planer une feuille de papier ? Une feuille de papier ou de carton n’a pas tendance à planer très bien. Plions une feuille de papier de format A4 en deux ; on obtient un rectangle de 21 X 14,85 cm, formé des deux replis de la feuille
initiale. Positionnons cette feuille la pliure du papier en avant, et essayons de la lancer pour la faire planer. Même avec beaucoup d’entraînement, on n’y arrive pas car la feuille se déplace dans un mouvement désordonné. Replions alors la partie supérieure sur elle-même deux ou trois fois et agrafons bien le tout ensemble pour éviter de former un accordéon. On obtient un rectangle de 21 X 14,85 cm, dont l’une des parties est formée d’une feuille simple et dont l’autre est le résultat des pliages successifs. Essayons maintenant de la faire planer de la même façon que précédemment : avec un peu d’entraînement, ça fonctionne très bien. Que s’est-il passé‑? L’opération de pliage a eu pour effet de déplacer le poids, plus exactement le centre de gravité, vers l’avant. Le fonctionnement aérodynamique n’a pas été modifié, de sorte que la répartition des pressions n’a pas bougé. Le simple fait d’avancer le centre de gravité a donc permis un vol stable.
 

Pour un avion en vol de croisière, la force de portance équilibre exactement le poids et la force de propulsion équilibre exactement la traînée. Toutes ces forces sont appliquées au centre de gravité.
Imaginons qu’une bourrasque de vent fasse se cabrer un peu l’avion. L’incidence augmentant, la force de portance augmente et l’on montre que la portance supplémentaire ainsi créée est appliquée en un point particulier appelé le foyer. La position du foyer est une caractéristique purement aérodynamique de l’avion, qui dépend de la répartition des forces aérodynamiques et de leur évolution en fonction de l’incidence. La portance supplémentaire a tendance à faire pivoter l’avion autour d’un axe horizontal passant par le centre de gravité, appelé axe de tangage et défini sur la figure ci-dessous.
 

Supposons que le foyer soit en arrière du centre de gravité : la portance supplémentaire a alors tendance à faire piquer l’avion. C’est comme si on tirait l’arrière de l’avion vers le haut. L’avion revient donc vers sa position initiale. On dit qu’il est stable (statiquement) ; c’est le cas du centrage avant. C’est ce qui se passait pour la feuille de papier repliée plusieurs fois. Si, au contraire, le foyer est en avant, tout se passe comme si on tirait l’avant de l’avion vers le haut. Il se cabre encore plus. On dit que l’avion est instable (statiquement) ; c’est le cas du centrage arrière.
On pourrait en tirer la conclusion qu’il vaut mieux que l’avion soit conçu pour être stable. Pour un avion de transport, c’est préférable. Pour un avion militaire, ce n’est pas forcément vrai car l’agilité est meilleure si l’avion est instable. Dans ce cas, le pilotage assisté par ordinateur donne des performances remarquables.
Avant chaque vol, tout pilote doit faire un bilan de masse, c’est-à-dire une étude de la répartition des masses au sein de l’avion pour préciser la position du centre de gravité et s’assurer que le centrage avant est correct ; le décollage est interdit pour tout centrage arrière.
La position relative du foyer par rapport au centre de gravité peut varier en cours de vol parce que du carburant est consommé et aussi parce que le foyer se déplace sensiblement quand l’avion passe du régime subsonique au régime supersonique. Ainsi, sur l’avion Concorde, pour respecter une position correcte du centre de gravité par rapport au foyer, un système de transfert de carburant a été mis en place. Sur certains avions de transport, ce système de transfert a aussi été implanté pour optimiser les performances de l’avion.

Comment un avion est-il manœuvré ?

Un avion classique dispose de différents éléments qui peuvent être commandés par le pilote pour le déplacer dans l’espace :
– La gouverne de profondeur est un volet mobile situé sur l’arrière de l’empennage horizontal, qui lui-même est placé vers la queue de l’appareil. En modifiant l’angle de la gouverne de profondeur, le pilote modifie la force agissant sur l’empennage horizontal et, grâce à un bras de levier important, cette variation de force fait piquer ou cabrer l’avion autour de l’axe de tangage, axe horizontal passant par le centre de gravité de l’avion. Cette commande permet de régler l’incidence de l’avion.
 

– La gouverne de direction est un volet mobile situé sur l’arrière de la dérive, elle-même étant la partie verticale située à l’arrière de l’avion. La commande de direction fait tourner l’avion autour d’un axe vertical appelé axe de lacet.
– Les ailerons sont des volets mobiles placés en bout et vers l’arrière des ailes. La commande de gauchissement actionne les volets des deux ailes en sens inverse, de sorte que les ailes sont soumises à un différentiel de portance qui fait tourner l’avion autour d’un axe longitudinal appelé axe de roulis.
– Une série de volets attachés à l’aile peut être déployée pour modifier la forme de l’aile, sa cambrure, et créer un effet d’hypersustentation (d’augmentation de portance) utilisé à basse vitesse, au décollage ou à l’atterrissage (figure page suivante).
– Des aérofreins, placés sur l’extrados de l’aile, peuvent être sortis pour augmenter la traînée de l’avion.
– Enfin, le moteur peut être commandé pour délivrer différentes valeurs de poussée.
 

En vol stabilisé, si la pente de la trajectoire de l’avion est assez faible, on peut considérer que la portance équilibre le poids de l’avion. La portance augmente quand la vitesse de l’avion augmente ; elle est plus forte aussi lorsque la surface des ailes est plus grande. La portance dépend encore du coefficient de portance, qui est fonction de l’incidence. En fin de compte, si l’incidence est fixée, la vitesse de l’avion est fixée. De plus, l’incidence de l’avion est réglée par le pilote grâce à la commande de profondeur. On peut donc dire que ce dernier règle la vitesse de l’avion en agissant sur la gouverne de profondeur.
La pente de la trajectoire de l’avion dépend alors de la différence entre la poussée et la traînée. Si la vitesse et l’incidence sont fixées, la traînée est fixée. Le pilote peut encore agir sur la poussée du moteur pour modifier la pente de la trajectoire. Si la poussée est augmentée, l’avion aura une pente plus forte. Ces éléments donnent les paramètres utilisés pour faire monter ou descendre l’avion. On pourrait penser que le virage est produit par le pivotement de la gouverne de direction. Cette procédure est très peu efficace, car l’avion dérape plutôt qu’il ne vire ; il se comporte comme un navire dont le gouvernail serait braqué. Cette manœuvre n’est utilisée que pour produire des virages de grand rayon avec une très faible variation de cap.
L’autre solution consiste à agir sur la commande de gauchissement qui fait pivoter l’avion autour de l’axe de roulis. La portance de l’avion pivote en même temps autour de cet axe, ce qui entraîne l’existence d’une force horizontale amenant l’avion dans une trajectoire circulaire, un peu comme un motard qui, à grande vitesse, penche sa moto pour tourner. En même temps, pour compenser un effet de dérapage de l’avion (effet de lacet induit), il faut agir sur la gouverne de direction. On conjugue alors deux commandes, gauchissement et direction, pour maintenir la symétrie du vol et tourner de façon optimale sans déraper.
Au décollage, l’avion acquiert une vitesse suffisante en s’élançant sur le sol pour que la force de portance devienne supérieure au poids de l’avion. Les volets hypersustentateurs peuvent être utilisés pour augmenter la portance. En règle générale, un avion décolle face au vent, ce qui permet d’augmenter sa vitesse relative par rapport à l’air et de diminuer la distance de décollage. Cette question n’a pas toujours été comprise et certains croyaient que, pour s’envoler, il valait mieux avoir le vent dans le dos…
À l’atterrissage, les aérofreins et les systèmes hypersustentateurs sont mis en œuvre. La vitesse d’atterrissage doit être faible ; de ce fait, si rien n’était fait, la portance diminuerait considérablement et l’avion tomberait sèchement sur le sol. Le système hypersustentateur a donc pour objet de maintenir une portance assez forte, légèrement inférieure au poids de l’avion, même lorsque la vitesse est devenue faible. Les aérofreins permettent de ralentir efficacement l’avion sans toucher au régime moteur.
Quelles sont les évolutions possibles des avions ?
Les efforts de recherche portent actuellement sur la réduction des coûts, l’environnement, la sécurité. Des progrès sont attendus grâce à des avancées dans tous les domaines : aérodynamique, propulsion, matériaux, électronique, conception d’ensemble.
Pour ne citer qu’un seul exemple, l’emploi de matériaux composites laisse entrevoir des perspectives particulièrement prometteuses, car ils permettent des gains de masse sensibles. Il s’ensuit que la portance nécessaire est plus faible, la traînée aussi. La puissance délivrée par les moteurs peut donc être plus faible, d’où des gains sur la pollution et le bruit.
Plus que jamais, l’aéronautique a besoin des efforts conjugués des chercheurs, des ingénieurs et des techniciens qui participent à la réalisation d’un rêve encore inaccessible il n’y a qu’un siècle : voler. Aujourd’hui, il s’agit de voler dans les meilleures conditions possibles.

Texte par Jean Cousteix tiré du volume 3 de Graines de sciences (éditions Le Pommier).