Concours C.Génial 2010 Lycée Henri Loritz, Nancy. L'avion éco-logique. Réduction de la consommation par des principes aérodynamiques

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1 Concours C.Génial 2010 Lycée Henri Loritz, Nancy L'avion éco-logique Réduction de la consommation par des principes aérodynamiques Par Maxime Vincent, Vincent Petrarolo et Martin Ferrand.

2 Sommaire 1 Introduction I/ Choix du profil (Vincent) A) Présentation B) Expériences C) Conclusion II/ La Traînée (Martin) A) Effet de sol B) Winglets C) Autres moyens de réduire la traînée III/ Vol à finesse maximale (Maxime) A) Présentation de la polaire B) Visite à l ENSEM / Mesures effectuées C) Conclusion IV/ Conclusion

3 «Le plus beau rêve qui a jamais hanté le cœur des hommes depuis Icare est aujourd'hui réalité.» Louis Blériot. 2 Introduction Il y a quelques semaines s est déroulé le sommet du G8 ayant pour objectif de réduire la pollution de l environnement. C est en accord avec ce but que nous avons développé notre projet, à savoir «Comment réduire la consommation de l engin le plus friand en kérosène, l avion, à l aide de principes aéronautiques.». En effet, sachant que la consommation moyenne d un avion de ligne en vitesse de croisière est de 50 à 60 tonnes de carburant pour un vol comme Paris-New York, un avion libère une quantité importante de dioxyde de carbone. Ce gaz, d après un grand nombre de scientifiques, participe au réchauffement climatique et nuit à l environnement, nous avons donc cru bon de nous intéresser à réduire la consommation en optimisant certains paramètres du vol plutôt que de changer radicalement la manière de voler. Nous avons donc procédé à des expériences à l aide de profil d aile crée par Martin, amateur d aéromodélisme, pour simuler un vol et permettre d améliorer les performances d une aile d avion. Puis nous avons approfondi notre recherche grâce à l ENSEM (l Ecole Nationale Supérieure d Electricité et de Mécanique) et aux connaissances en aérodynamique de Maxime. Nous avons enfin reçu l aide précieuse de Vincent qui a su motiver le groupe et assimiler le vaste domaine qu est l aérodynamique. Nombreuses sont les questions que nous nous poserons à propos des ailes d avions de leurs propriétés, ainsi que de leurs usages. Le groupe est composé de trois élèves : -Martin Ferrand, élève de première S Sciences de l Ingénieur, Champion de France d aéromodélisme en Ambition : Ingénieur en aérodynamisme. -Maxime Vincent, élève de première S Sciences de l Ingénieur, titulaire du BIA (Brevet d Initiation à l Aéronautique) et pilote des avions. Ambition : Pilote -Vincent Petrarolo, élève de première S Sciences de l Ingénieur. Ambition : Ingénieur en aérodynamisme

4 I/ Choix du profil 3 Nous nous sommes tournés dans un premier temps vers l étude de la portance et de tous les moyens pouvant l accroître. Ce choix de chronologie est dû au fait que la portance nous paraissait l élément prioritaire au vol, donc à traiter en premier. Pour augmenter la portance, il nous a paru logique de centrer nos recherches sur l aile puisque son rôle principal est de générer l effet porteur. Nous avons alors remarqué que la portance créée variait en fonction de la forme de l aile, donc du choix de profil d aile. En effet, certaines ailes créeront plus de portance que d autres avec le fait qu elles accélèrent plus les particules à l extrados, d autres généreront une plus grande pression à l intrados (Voir comment vole un avion). Nous avons donc choisit d étudier le choix de profils adéquats, nous avons décidé de créer nous-mêmes un système de mesure de portance et nos propres profils (nous avons repris les schémas déjà existants d un profil dit creux et d un biconvexe symétrique ayant pour code NACA 0015) (Voir Annexe Code NACA) A) Conception de la maquette et construction des profils Nous nous sommes premièrement occupés de la conception et de la construction des profils. Après avoir conçu des plans, nous nous sommes attelé à la construction. Sous les conseils d une école d aéromodélisme, nous avons assemblé les structures en balsa de deux profils différents afin de pouvoir par la suite les comparer. Nous avons ensuite entoilé les structures d un papier japon (sorte de papier crépon) avec un mélange d acétone et d enduit. Nous y avons enfin ajouté des crochets afin de fixer les structures à notre future maquette. (Voir figure 1) Figure 1 «Fraction» d un profil crée par nos soins.

5 Nos profils finis nous avons cherché un moyen simple mais efficace pour mesurer la portance générée. Nous nous sommes donc tournés vers un montage composé d un dynamomètre, d une soufflerie et de nos profils. La fixation à l intrados du profil est reliée au dynamomètre et la structure est maintenue en l air avec diverses fixations et des potences. (Voir figures 2 et 3) Ces fixations nous ont posé de nombreux problèmes. 4 Figure 2 Schéma du montage. Initialement, le profil était raccordé à la potence par deux fils qui se détendaient quand le modèle prenait de la hauteur, rendant le montage instable et les mesures impossibles. Nous avons donc opté pour un système de ressorts restant tendus dans toutes les positions du profil. Seulement là encore le système était instable et la mesure impossible. Finalement, nous avons installé au bout des potences des poulies et avons raccordé les profils à deux masses de 30 grammes chacune, ne laissant qu un seul degré de liberté au profil, l axe vertical. Nous sommes donc passés aux mesures. *Dimensions des profils -Profil plat: Largeur: 10,0 cm -Profil biconvexe symétrique: Largeur: 10,0 cm Longueur: 13,0 cm Longueur: 12,0 cm Corde: 12,3cm Corde: 11,5 cm Surface: 260 c m² Surface: 240 cm² B) Expériences

6 5 *Manipulation 1 : Profil Biconvexe symétrique (NACA 0015) Après avoir installé le profil biconvexe sur notre maquette, nous obtenons, l orsque le système est au repos, une portance égale à 0,31 N qu il ne faudra pas oublier de soustraire à nos futurs résultats. Nous mettons la soufflerie en marche et nous attendons que le profil se stabilise puis nous relevons la force sur le dynamomètre. Et le profil nous donne une portance de valeur 0,37 N. On soustrait à cette valeur celle obtenue avant l expérience et nous obtenons une valeur de portance de 0,06 N (compte tenu de la précision des mesures, la valeur est comprise entre 0,05 N et 0,07 N). Par le calcul, en divisant la valeur de portance obtenue par la surface du profil biconvexe, on obtient une pression portante de 2, N/cm² *Manipulation 2 : Profil plat Nou s changeons de profil en essayant de garder les mêmes conditions à savoir la même position par rapport à la soufflerie et avec des ficelles de mêmes longueurs. La valeur de départ de la force de portance est de 0,36 N. Le profil expérimenté en second est le profil creux. Après expérimentation nous obtenons une portance de 0,46 N, qui, en soustrayant la valeur de départ, nous donne une portance égale à 0,10 N (compte tenu de la précision des mesures, la valeur est comprise entre 0,09 N et 0,11 N).Par le calcul, la pression portante de ce profil est de N/cm². (Précision des résultats à 0,01 N) C) Conclusion Figure 3 Dynamomètre de la maquette Le profil ayant le plus de portance est le profil plat, d après les valeurs issues de l expérimentation. Théoriquement, tout du moins, puisque de nombreux autres facteurs agissent dans le vol. Il reste quand même le profil de prédilection des planeurs, appareils nécessitant une performance de vol optimal puisque le seul moyen de voler est pour eux de perdre de l altitude. Dans cette partie, nous avons donc dépeint le profil idéal au niveau de la création de portance. Cependant il nous faut prendre en compte un autre facteur très important au vol, la résistance à l air de l avion et de l aile, autrement dit la traînée. II) La traînée

7 Dans la seconde partie de notre projet, nous nous intéresserons à la réduction de la traînée, seconde force fondamentale en aérodynamique. La traînée générale se décompose en trois grands types : La traînée de frottement est causée par le frottement de l'air sur toute la surface de l'avion, il règne en effet sur la surface de l'aile une couche limite (voir figure 1), couche où la vitesse du vent relatif commence à diminuer, entraînant donc une résistance de l aile au flux d air. 6 Figure 1 Profil et couche limite Le second type de traînée généré par l aile est la traînée de profil ou de forme. Les particules d air, après avoir parcouru la surface de l aile, se trouvent ralenties par le frottement contre la couche limite (voir figure 1). Au niveau du bord de fuite (Voir annexe), la vitesse de l écoulement est alors trop faible pour contrer la portance qui a tendance à aspirer ces particules loin de l aile, donc le flux d air se décolle et forme une zone turbulente. (Voir figure 2) Cette traînée est elle aussi très difficilement réductible, à moins de voler à une vitesse élevée pour empêcher ce décollement, ce qui entraînerait une augmentation de la consommation. Figure 2 Traînée de forme sur profil Enfin la traînée induite par la portance est créée par la différence de pression régnant à l intrados et à l extrados. D après la loi de dispersion des gaz, l air en zone de surpression, à l intrados, va chercher à rejoindre la dépression à

8 l extrados, et va donc emprunter le chemin des bords marginaux, créant ainsi les vortex ou les tourbillons marginaux. Ces tourbillons nécessitent une quantité importante d énergie, qui ne sera plus utilisée au profit du vol. C est ce type de traînée que nous avons cherché à réduire. (Voir figure 3) 7 Figure 3 Traînée induite et vortex. A) L effet de sol Le premier moyen aéronautique que nous avons étudiée permettant de réduire la traînée se nomme l effet de sol. Ce phénomène est connu par tout le secteur aéronautique et doit être pris en compte par les pilotes et les ingénieurs s ils veulent éviter de mauvaises surprises durant un vol, notamment à l atterrissage quand il devient impossible de poser l avion au moment voulu Pour ma part, mes premières «expériences» de l effet de sol furent lors des concours d aéromodélisme en catégorie planeur. Lorsque mes appareils étaient sur le point d atterrir, il survenait toujours une espèce de rebond à quelques mètres du sol, ce qui avait pour effet d allonger leur durée de vol de quelques précieuses secondes. Ces appareils sont en effet très légers, bénéficient d une grande surface alaire et sont donc très sensibles aux moindres effets aéronautiques, tels les courants ascendants, descendants ou encore l effet de sol.

9 8 Nous nous référerons avant tout à la partie de l annexe Comment vole un avion pour mieux comprendre le principe de l effet de sol. Quand un avion, ou tout autre objet, animal ou engin vole à faible altitude, ses ailes ont tendance à emprisonner une masse d air à leur intrados. C est en présence de cette masse d air, aussi appelée coussin d air que se formera l effet de sol et aura deux principales conséquences: Figure 4 Effet de sol Dans un premier temps, l avion prendra appui sur ce coussin d air et la surpression déjà présente à l intrados sera encore augmentée, créant aussi une portance plus élevée. La seconde conséquence sera que la traînée sera atténuée du fait qu elle n a pas l espace nécessaire pour se développer, le coussin d air occupant toute la place. (Voir figure 4) * Mise en évidence de l effet de sol sur notre maquette Nous avons choisi de mettre en évidence cet effet de sol sur la maquette. Nous vous avons en effet jusqu ici montré que l effet de sol pouvait réduire la consommation, mais seulement de manière théorique. Nous avons donc choisi de mettre en évidence de manière claire et visuelle l effet de sol. Nos profils étant faits à la main, nous obtiendrons une certaine marge d erreur (environ 0,02 N maximum) qu il faudra prendre en compte dans nos résultats. On peut aussi relever un bon nombre de turbulences (les effets de nos fixations), détériorant ainsi la qualité des mesures. Le but de cette manipulation est cependant de mettre en évidence de manière qualitative la «puissance» de l effet de sol, et, accessoirement, les économies de kérosène que cela peut engendrer.

10 9 *Mise en place de la manipulation Pour modéliser la présence du sol à proximité de notre profil nous avons utilisé une planche de bois taillée de façon à laisser passer le dynamomètre. Nous avons aussi dû faire un choix du profil à utiliser (il serait en effet inutile de tous les tester, une seule mesure nous suffit). Nous avons orienté notre choix en fonction de l axe précèdent, et avons sélectionné notre profil plat, ayant obtenu les meilleurs performances. Après avoir façonné notre planche et à la suite de l installation du profil sur la maquette, nous avons pu lancer l expérimentation. *Compte rendu des manipulations Après le premier essai où nous avons placé la planche horizontalement, nous nous sommes rendu compte que la portance n avait augmenté que de 0,05 N sur l ensemble du profil, contre 0,10 N lors de la simulation précédente sans effet de sol. (Précision des mesures : 0,01 N) Nous avons donc cherché la cause du problème: à notre avis, la planche étant horizontale, elle ne conférait aucune portance, et créait même de la traînée, annulant en partie l effet porteur de l aile. Figure 5 Manipulation montage effet de sol Pour remédier à ce problème, nous avons choisi de donner à la planche une incidence négative, de façon à ce qu elle crée une surpression à l intrados de l aile. Une seconde hypothèse peut être formulée: dans la pratique, ce n est pas le sol qui s incline mais l aile, les deux systèmes de notre expérience sont donc liés par leur incidence. Ainsi, quand la planche a une incidence négative, le profil est d incidence positive. Quand la planche a un angle d inclinaison nul, le profil lui aussi aura un angle d incidence nul et ne pourra pas voler. Nous avons obtenu, avec cette modification, une portance allant jusqu'à 0,15 N. Après un très bref calcul, il nous est apparu que l effet de sol avait été la cause d une hausse de 30 à 70% de force portante dans le cas de notre profil creux.

11 10 *Analyse des résultats Nous avons choisi de simplifier nos résultats en considérant qu un appareil muni du profil d aile étudié et volant avec l effet de sol et notre profil bénéficiera de 50% de portance de plus qu en vol classique, ce qui n est pas exact puisqu un avion n est pas composé que d ailes, on trouve par exemple le fuselage, qui ne crée aucune portance et aucun effet de sol. Cet appareil pourra donc décoller à une vitesse plus faible, ou pourra transporter une masse plus importante pour une même consommation de carburant. Il réalisera donc une économie conséquente de carburant. Dans notre démarche, nous nous sommes alors demandés pourquoi jusqu à aujourd hui presque aucun avion n avait utilisé cet effet pour réduire sa consommation. Après quelques recherches, nous avons découvert que l altitude maximale à laquelle un avion pouvait bénéficier de l effet de sol correspondait à 10% de l envergure de l appareil. Autant dire qu un airbus A380 devrait voler à moins de 8 mètres d altitude, vu son envergure de 80 mètres. Voler à cette hauteur serait très dangereux vu le nombre d obstacles présents à la surface du globe. Même au dessus de l océan, l avion risquerait de heurter une vague ou un paquebot. Nous avons cherché un appareil à effet de sol ayant existé et avons trouvé un prototype russe de la guerre froide, l Ekranoplane. Ce géant devait se doter de dix réacteurs pour s élever péniblement à 6 mètre d altitude. Malheureusement pour lui, cette faible altitude de vol lui fut fatale, puisqu il heurta une vague et s abima en mer. Conclusion L effet de sol est un phénomène aéronautique puissant et parfait en ce qui concerne la réduction de la traînée, donc la réduction de consommation de l appareil. Il n est cependant pas adapté au transport aéronautique actuel vu qu il est trop dangereux. Nous avons donc cherché un autre moyen aéronautique réducteur de traînée et l avons trouvé : il est plus fiable, moins efficace mais beaucoup moins dangereux. Il est en plus facile à mettre en œuvre.

12 11 B) Les Winglets * Fonctionnement du winglet et histoire Couramment utilisés aujourd hui dans la majorité des appareils de transport, les winglets représentent un moyen simple et efficace de réduire la traînée. Mais qu est-ce qu un winglet et quel est son principe de fonctionnement? Un winglet est une surface fixe et verticale ajoutée au bord de fuite des bords marginaux, puisque c est le lieu de naissance des vortex et que les winglets ont pour rôle de les réduire (voir figure 6). Le profil du winglet est la plupart du temps similaire à celui de l aile qu il complète, mais la difficulté de sa mise en œuvre réside surtout dans l angle avec lequel il est fixé par rapport à l aile. En effet son implantation, si elle réduit la traînée induite, génère aussi de la traînée de forme si son angle de fixation est trop élevé. Un winglet à pour fonction de réduire la traînée induite d une aile. Mais nous nous sommes posé la question du fonctionnement de ces winglets. Avant tout, il faudra considérer qu un winglet est une aile verticale, donc se comportant exactement comme une aile. Nous avons observé un winglet vu de haut et avons remarqué que celui-ci est fixé avec un angle par rapport à l axe longitudinal de l avion. Puisque le winglet est vertical, cet angle correspondra en fait à l angle d incidence du winglet. Comme toute bonne aile avec une incidence, le winglet va alors créer les deux forces fondamentales du vol, la portance et la traînée, composant la résultante aérodynamique. Avec l angle de fixation du winglet, la résultante créera une traînée négative, donc dans le sens du vent relatif, contrant ainsi la traînée de l aile en partie. (Voir figure 7). Le gain de portance d un appareil équipé de winglet est de l ordre de 5% selon Boeing. Principe du winglet.

13 La question que nous nous sommes posée sur ce sujet est de savoir si ces winglets créent eux aussi des tourbillons marginaux, puisqu ils se comportent comme des ailes. Il serait en effet inutile de limiter les tourbillons si ces rajouts en créent. En fait, les vortex créés par la différence de pression n ont pas lieu d être si cette différence est minime. Dans le cas des winglets, la surface alaire est si petite qu il n y aura pas une grande pression et une grande dépression de chaque coté de la surface. Il n y aura donc pas ou presque pas de vortex aux extrémités des winglets. 12 Nous avons rapproché cette question au fait que tous les avions ne volent pas avec des winglets. Les winglets ne seront implantés que sur les appareils bénéficiant d un bord marginal large, où donc la surface alaire est importante. Les premiers winglets ont donc été développés sur les avions de ligne car la surface alaire en bout d aile est importante (années 1970) puis ont été implantés sur des planeurs, appareils friands des moindres améliorations pouvant être portées sur leurs performances. Ils sont d ailleurs très répandus sur ce type d appareils aujourd hui. C) Les autres moyens permettant de réduire la traînée. L effet de sol et les winglets ne représentent qu une petite partie des solutions pouvant réduire la traînée de l appareil. Nous en avons sélectionné trois autres Profil laminaire Le premier moyen aérodynamique que nous avons choisi de vous présenter est le profil laminaire. Ce type de profil ne confère pas à l avion une portance accrue mais limite la portance créée. La spécialité des profils laminaires réside dans leur revêtement optimisé de façon à limiter l épaisseur de la couche limite. Les particules seront donc moins ralenties que sur une aile classique, et la traînée de frottement ainsi que la traînée de forme seront réduites. Ce type de profil est couramment utilisé sur les planeurs, appareils nécessitant une certaine performance de vol. On peut cependant approcher les performances des profils laminaires en lavant régulièrement les surfaces d aile des avions afin de réduire l épaisseur de la couche limite.

14 La seconde solution pour réduire la traînée est de remplacer le châssis classique des avions par celui des ailes volantes. Les ailes volantes sont des appareils dont le fuselage est inclus dans la voilure, permettant ainsi d'obtenir une nouvelle part de portance et de diminuer les forces de frottements créées par le fuselage. Ces appareils requièrent cependant une maîtrise parfaite de la géométrie des ailes car ces dernières doivent pouvoir faire voler l avion, le diriger et le stabiliser (pas d empennage à l arrière de l appareil). (Voir figure 9) 13 Aile volante NASA Le troisième moyen que nous avons sélectionné se nomme le vol en altitude. Le vol en altitude regroupe les qualités suivantes : - L'air de l'atmosphère subit lui aussi la force de gravitation terrestre, ainsi l'air est moins dense à plus haute altitude, l avion rencontrera donc moins de molécules d air, et réduira donc considérablement sa traînée. - A haute altitude les vents ne se heurtent plus aux reliefs, ils sont plus stables et laminaires ce qui permet un vol plus confortable, limitant les turbulences. Cependant à haute altitude les vents ont souvent des vitesses de plus de 100km/h car ils ne sont pas freinés par le relief. Néanmoins, ils sont réguliers et donc tout à fait prévisibles, les pilotes en tiennent compte pour préparer leurs vols. Par exemple un vol aller Paris - New York sera plus long de 45 min que le vol retour. Figure 10 Vol en altitude

15 III/ Vol à finesse maximale 14 A) Introduction Nous avons vu précédemment qu un profil, s il crée de la portance, crée aussi de la traînée. Le facteur permettant de faire varier ces forces est l incidence de l aile. Il a donc été nécessaire pour notre projet de trouver l incidence optimale d une aile, et si possible de nos profils. Avec notre maquette nous ne pouvions malheureusement pas régler l incidence et mesurer la traînée, nous nous sommes donc tournés vers un laboratoire nommé l ENSEM (École Nationale Supérieure d'electricité et de Mécanique) pour réaliser nos mesures. Nos profils n étant pas adaptés à la soufflerie de l école nous avons utilisé un profil similaire, le NACA Nous allons maintenant calculer à quelle incidence le profil a un meilleur rendement en faisant le rapport de la traînée sur la portance. Pour cela, nous avons décidé de créer la polaire d'un profil car elle permet de visualiser facilement les meilleures performances d'un avion. B) Présentation de la polaire La polaire est une courbe représentant les évolutions des forces de portance et de traînée en fonction de l'incidence (celle-ci n'est généralement pas relevée sur la courbe), et la vitesse du vent relatif reste constante. On utilise la polaire pour nous renseigner sur les performances de l'avion grâce à la finesse : rapport du coefficient de traînée sur le coefficient de portance. La finesse correspond donc à un angle d'incidence, l'incidence de finesse maximale est le rapport minimal de traînée sur la portance, elle a une position remarquable sur la polaire car elle est le point tangent à la courbe passant par l'origine du repère. La finesse maximale est aussi le rapport maximal entre la distance horizontale et la distance verticale (ou de chute) que l'avion peut parcourir en vol plané, c'est à dire sans traction, ni propulsion. C) Visite à l ENSEM Nous avons créé notre propre polaire, pour cela nous avons effectué des mesures, l'année passée, à l'ensem, École Nationale Supérieure d'electricité et de Mécanique. Nous nous étions mis en relation avec cette école disposant de souffleries, dans le cadre de notre Réalisation Personnelle Encadrée de la matière Sciences Appliquées. Nous avons ainsi pu mesurer avec la soufflerie de cette école les forces de portance et de traînée du profil NACA 0015.

16 15 Figure 1 Soufflerie de l ENSEM *Soufflerie de l ENSEM La soufflerie est composée d'un collecteur (l'entrée d'air convergente, à gauche), de la chambre d'expérience, d'un diffuseur (la sortie d'air divergente, à droite) et dans une autre pièce à droite se trouve le moteur qui actionne l'aspiration. (Voir figure 1) La soufflerie est disposée sur trois pièces, et l'air rejeté par le ventilateur au-dessus du faux plafond de la salle d'expérimentation circule en circuit fermé. (Voir figure 2) Les profils utilisés en soufflerie sont spécifiques et possèdent des crans à une de leurs extrémités (il était donc impossible de tester nos profils). Ceux-ci reposent sur une balance et permettent de mesurer les forces qui s'appliquent sur l'aile. (Voir figure 3) Figure 2 Partie motorisée Figure 3 Profil NACA 0015 dans la chambre d essai de la soufflerie.

17 16 *Mesures effectuées Nous avons effectué onze mesures de portance et de traînée pour différentes incidences du profil et une vitesse constante de l'écoulement de 38m/s équivalent à 137km/h (voir figure 4). Lors des mesures les valeurs obtenues étaient affichées avec une précision de 10-5 N. Nous les avons relevées dans notre tableau de mesures, cette fois avec une précision de 10-2 N. Nous avons élargi l incertitude des mesures puisque le profil avait tendance à vibrer, dans la chambre d essai, à incidence élevée. Figure 4 Tableau de valeur Nous avons calculé la finesse du profil en faisant le rapport de la traînée sur la portance et obtenu comme valeur de finesse maximale environ 1/50 pour une incidence de 4,6 entre la corde du profil et l'écoulement du vent relatif Figure 5 Polaire du NACA 0015.

18 17 Nous avons aussi tracé la polaire du profil et retrouvé, par la construction de la tangente à la courbe passant par l'origine, la finesse maximale. En effet, on remarque que le rapport de la force de portance sur la force de traînée d'un des points de la courbe correspond à la pente ou au coefficient directeur de la droite passant par l'origine du repère et par ce point. Or nous cherchons la finesse maximale, donc le coefficient directeur maximal de la droite passant par la courbe et par l'origine du repère. Ce point appartient donc à la tangente à la courbe passant par l'origine. Le repère n'est pas normé, les échelles de portance et de traînée sont différentes (nous avons ici un rapport d'environ 10%) pour une question de présentation et permet d'éviter que la courbe soit aplatie sur l'axe des portances. Conclusion Un avion est étudié de façon à ce qu'il vole à son incidence de finesse maximale durant la phase de croisière, à altitude et vitesse constante. Un angle de calage est alors donné entre la corde de profil et l'axe longitudinal du fuselage. Celui-ci correspond à l'angle incidence de finesse maximale. IV/ Conclusion Au cours de notre projet nous avons étudié les trois paramètres fondamentaux du vol et les avons optimisés. En combinant les différentes solutions apportées, nous avons alors conçu l appareil idéal, qui ressemblerait à une aile volante ayant un profil plat, pouvant voler au ras du sol ou en altitude. Ses ailes serait pourvue d un revêtement «laminaire» et serait terminées par des winglets, avec une incidence correspondant à la finesse maximale du profil utilisé. L appareil affichera sûrement les performances maximales actuelles. Cependant, comme vous avez pu le remarquer, le domaine de l aérodynamique est vaste et il n est pas rare de découvrir une autre astuce à apporter aux appareils existants. C est donc en persévérant sur les recherches que les ingénieurs pourront optimiser la consommation des avions et, pourquoi pas, rendre le vol totalement naturel et en accord avec l environnement.

19 18 Sources et documentation: Effet de sol / Ekranoplane / Traînée induite / Winglets / Ailes Volantes Winglets reportage-meteo-aerienne-le-vol-a-haute-altitude Vol à haute altitude Profils Laminaires Ailes Volantes Manuel du pilote d avion - Editions Cépaduès Ludres Air Modèle. ENSEM Ecole Nationale Supérieure d Electricité et de Mécanique. Jean-François GRANDJEAN Flight Test Support Engineer AIRBUS Sources images : *Image page de présentation : Par Maxime sur Flight Simulator X *I) Choix du profil -Figures 1 et 3 : Photographies de Maxime Vincent -Figure 2 : Schéma montage de Maxime Vincent *II) La Traînée -Figures 1 et 2 : L Encyclopédie Du Petit Aérodynamicien En Herbe -Figure 3 : Manuel Du Pilote D Avion Edition Cépaduès -Figure 4 : -Figure 5 : Photographie de Maxime Vincent. -Figure 6 : -Figure 7 : -Figure 8 : Schéma de Maxime Vincent, Vincent Pétrarolo et Martin Ferrand -Figure 9 : Boeing. -Figure 10 : France 4 «le vol en altitude» *III) Vol à finesse maximale -Photographies de Maxime Vincent à L ENSEM -Courbe de Maxime Vincent et Martin Ferrand *Annexe -Notions essentielles : Schémas de Manuel Du Pilote D Avion Edition Cépaduès -Tube de Pitot : Schéma de Wikipédia. -Ekranoplane : -Pelican : Boeing

20 19 Notions essentielles: Description du profil d aile. Un profil d'aile est une coupe longitudinale de l'aile (nous utiliserons aussi ce terme pour définir nos «fractions» d ailes). Un bord d attaque («à l avant»). Un bord de fuite («à l arrière»). Le bord marginal («à l extrémité de l aile»). L emplanture («partie de l'aile en contact avec le fuselage»). Une partie Intrados («face inférieure de l aile»). Une partie Extrados («face supérieure de l aile»). La corde de profil est la longueur du segment joignant le bord d'attaque au bord de fuite. L'incidence est l'angle formé entre la corde de profil et la direction du vent relatif. Pour qu un avion vole, il doit être soumis à un vent de face, qui peut être créé grâce à la force de traction ou de propulsion de l'avion ou en soufflerie. Dans la réalité l avion doit donc être en mouvement par rapport à la masse d'air pour voler. Ce déplacement d'air est appelé le vent relatif (Vr) en aéronautique.

21 Effet Venturi: Lorsque la section d'un tube de courant diminue la vitesse de l'écoulement augmente. 20 La relation de Bernoulli: Lorsque la pression dynamique (mesurée face à l'écoulement) augmente à cause de l'augmentation de la vitesse du vent relatif, la pression statique (mesurée perpendiculairement à la direction du vent relatif) diminue afin de conserver une pression totale constante (somme de la pression dynamique et de la pression statique). C'est à dire plus la vitesse de l'écoulement de l air augmente, plus la pression statique de l air diminue et inversement. La résultante aérodynamique La portance et la traînée sont les composantes de la force nommée résultante aérodynamique. Autrement dit la résultante aérodynamique est la somme de la portance et de la traînée et a pour origine le centre de poussée de l'aile environ entre 30% et 40% de la profondeur du profil. Le centre de poussée n'est pas fixe car c'est le centre moyen de toutes les origines des forces qui composent la résultante aérodynamique.

22 21 Comment vole un avion? Nous vous avons expliqué les principales notions aéronautiques nécessaires au vol, nous sommes donc en mesure de vous expliquer comment vole une aile. Quand un profil présente une incidence positive, l'air passant à l'extrados de l'aile est contraint à un plus grand parcours, du fait de la forme du profil, donc à une plus grande vitesse. Il règne ainsi une pression statique plus faible sur l'extrados (application de la relation de Bernoulli). A l inverse, à l'intrados, la vitesse d'écoulement de l'air est plus faible donc la pression statique est légèrement plus élevée. En plus, la masse d air localisée à l intrados formera une surpression ayant pour cause le bourrage de cette masse d air. La dépression, sur l'extrados et la surpression, sous l'intrados sont visibles sur le spectre aérodynamique de pression. L action combinée de ces deux forces engendre une force portante sur l'aile, perpendiculaire à la direction du vent relatif en amont de l'aile et dirigée vers le haut: la portance. Cependant l'écoulement dévié autour du profil entraîne une résistance à l'air, cette force s'opposant à l'avancement de l'avion est appelée la traînée, sa direction est parallèle au vent relatif et son sens est vers l arrière de l appareil.