I.M.A Institut de Maintenance Aéronautique Rue Marcel Issartier 33700 MERIGNAC Propriétés de l atmosphère et aéronautique Janvier 2007 O.LOSEILLE
Plan du cours I. Atmosphère réelle I.1 Chimiquement I.2 Physiquement I.3 Structure I.4 Effets de l air II. Atmosphère standard II.1 Généralités II.2 Hypothèses II.3 Caractéristiques III. Autres modèles III.1 Modèle troposphérique III.2 Modèle stratosphérique
I. Atmosphère réelle I.1 Chimiquement Composition théorique de l air constante dans l homosphère (0 à 85 Kms)» Azote : 78 %» Oxygène : 21 %» Argon : 0,9 %» Gaz rares (néon, hélium, krypton, xénon) : très faible quantité» Gaz carbonique, vapeur d eau, poussière: quantité variable» Ozone: entre 15 et 45 kms. Absorbe les UV
I. Atmosphère réelle I.2 Physiquement» Incolore et inodore» Fluide gazeux» Expansible» Compressible» Dilatable» Pesant (12N/m 3 à 1013 hpa et 15 C)» Visqueux
I.3 Structure I. Atmosphère réelle» 50% masse totale contenus dans les 5 premiers Kms» 90% masse totale contenus dans les 20 premiers Kms» 99% masse totale contenus dans les 30 premiers Kms» 99,99% masse totale contenus dans les 60 premiers Kms
I.3 Structure I. Atmosphère réelle 500 Kms 85 Kms 25 Kms 11 Kms 0 Kms
I.3 Structure I. Atmosphère réelle La troposphère (0 à 11 Kms) Couche inférieure de l atmosphère terrestre entre Terre et stratosphère 80% masse totale des gaz de l atmosphère 99% de la quantité totale de vapeur d eau Diminution de température : -6,5 C / 1000 m Lieu des phénomènes météorologiques Échanges de chaleur produits par des turbulences et des courants Échanges d eau par évaporation ou précipitation Nuages les plus élevés à 10 Kms d altitude L intensité des courants augmente avec l altitude
I.3 Structure I. Atmosphère réelle La stratosphère (11 à 25 Kms) Couche supérieure de l atmosphère terrestre entre troposphère et mésosphère Température quasi constante (-55 C / -60 C) dans sa partie inférieure: c est la stratosphère aéronautique Augmentation rapide de la température avec l altitude dans sa partie supérieure par absorption des rayons solaires par l ozone Absence de nuage Absence de phénomènes météorologiques
I.3 Structure I. Atmosphère réelle Au dessus de la stratosphère Au dessous de la thermosphère Entre mésopause et stratopause La mésosphère (25 à 85 Kms) Diminution de température avec altitude Moins de 0,1/1000 masse totale de atmosphère Présence d azote, d oxygène et d ozone (effet serre maximal en partie inférieure) Diminution de concentration ozone chute de température avec altitude Diminution rapide de T C (air peu dense) turbulences (altitude, période) Perturbations du comportement des navettes dues aux vents et courants (effets importants) Réactions chimiques et forte ionisation par interaction entre les rayons solaires et les molécules de l air
I.3 Structure La thermosphère (85 à 500 Kms) Au dessus de la mésosphère, au dessous l exosphère Vaste étendue mais contient une fraction minime de la masse totale atmosphérique Présence d ions et électrons libres qui se prolonge jusqu à 1000 kms (exosphère) Densité très faible (~ tube à vide) = I. Atmosphère réelle Absorption des UV et des RX solaires par les molécules d air raréfié Réactions chimiques de photodissociations des molécules Augmentation de température : de -90 C à 500 C (1200 C max) Rayonnement solaire ionisation atomes formation plasma d électrons libres et d ions (réflexion partielle des ondes radioélectriques des antennes terrestres) 1 ère couche qui rencontre les météorites qui chutent vers La Terre
I.4 Effets de l air I. Atmosphère réelle La compressibilité Onde de choc au-delà du M critique Forte augmentation de la traînée au-delà du M critique Décollements le long du profil Traînée de décollement La viscosité Couche limite Augmentation de la traînée de frottement Décrochage du profil
II. Atmosphère standard II.1 Généralités Atmosphère type Atmosphère standard I.S.A (International Standard Atmosphere) Atmosphère théorique normalisée Paramètres fixés en fonction de l altitude par la Norme Air 0600 (pression, T C, masse volumique, célérité du son, )
II. Atmosphère standard II.2 Hypothèses Air = gaz parfait (incompressible et non visqueux) Air supposé sec Air de composition chimique constante en fonction de l altitude Air au repos (absence de vent)
II. Atmosphère standard II.3 Caractéristiques Au niveau de la mer Température: T o = 15 C = 288 K Pression : P o = 1013,25 hpa = 260 mm de Hg Masse volumique : o = 1,225 kg/m 3 Célérité du son : a o = 340 m/s = 1225 km/h Pesanteur : g = 9,81 m/s 2
II. Atmosphère standard Altitude (Kms) II.3 Caractéristiques 50 40 30 20 10 0 En fonction de l altitude 2.8 K/Km 1 K/Km 20kms : mésopause Isotherme 11kms : tropopause -6.5 K/Km 216 150 200 250 300 Température ( K) 288 Mésosphère Stratosphère Troposphère
II. Atmosphère standard II.3 Caractéristiques En fonction de l altitude 1,2 Dans la troposphère entre 0 et 11 Kms «la pression est divisée par 2 tous les 5000m» 1 0,8 0,6 0,4 0,2 ρ ρ 0 0 2 4 6 8 10 12 Altitude (Kms)
III. Autres modèles III.1 Modèle troposphérique Valable de 0 à 11 Kms Basé sur l hypothèse de faibles échanges de chaleur entre les couches d air adjacentes (échanges adiabatiques) = ( ) P : pression statique à l altitude z P o : pression statique au sol z : altitude en m
III. Autres modèles III.2 Modèle stratosphérique Valable de 11 Kms à 40 Kms Basé sur l hypothèse que la stratosphère est isotherme. En pratique la température augmente dans cette couche mais le modèle reste acceptable jusqu à 40000m = P : pression statique à l altitude z P o : pression statique au sol z : altitude en m
Application n 1 Calcul de température d impact Atmosphère standard ( ISA ) Fluide parfait Écoulement permanent Calculer la température d impact d un aéronef volant au dessus de la tropopause en atmosphère standard ( ISA ) lorsqu il évolue à mach 2,2. Calculer l altitude limite jusqu à laquelle un aéronef volant à une vitesse V = 740 km/h peut évoluer sans risque de givrage en atmosphère standard. Point d arrêt Schématisation du point d arrêt
Application n 2 Déformation de structure Vol en troposphère Rivet métallique : Longueur utile: L u = 25 mm Coefficient de dilatation : = 16 10-6 C -1 Module d Young : E = 120 GPa Contrainte maximale admissible : max = 90 MPa Contrainte de fonctionnement à 15 C : 15 C = 50 MPa Calculer l altitude limite au dessus de laquelle le rivet n assurera plus de tenue mécanique.
Application n 3 Hydraulique Une pompe à huile débite 1500 l / h Viscosité cinématique de fonctionnement de = 25 mm 2.s -1 ±15% Huile minérale de type H 515 : Coefficient a = 1,525 Viscosité cinématique à 40 C : = 15 mm 2.s -1 Viscosité cinématique à 100 C : = 5 mm 2.s -1 Pour un vol en stratosphère très proche de la tropopause, la pompe sera t-elle en mesure de délivrer son débit nominal? Pour un vol en troposphère, calculer l évolution de la viscosité de l huile si on ne tient compte que de l influence de la température (on négligera l influence de la pression en première approximation).
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