VOL - DÉFINITION

On appelle mécanique du vol une application de la mécanique à l’étude du mouvement des appareils qui n’ont pas de contact avec le sol sur toute ou sur partie de leur itinéraire. Une action sur les gouvernes, qu’elle soit humaine ou automatique, influe sur les moments des forces aérodynamiques, faisant ainsi tourner l’appareil autour de son centre de gravité. Les forces aérodynamiques sont alors modifiées en grandeur et en direction, entraînant des modifications de la vitesse et de la trajectoire de l’appareil.

La mécanique du vol s’intéresse à la fois au calcul des performances, lié à la trajectoire du centre de gravité, et à l’étude des qualités de vol, liée au mouvement de l’appareil autour du centre de gravité. De nombreuses informations sont nécessaires pour étudier la mécanique du vol d’un appareil : caractéristiques géométriques, aérodynamiques (vitesse, position des gouvernes…), massiques (centre de gravité par ex) et propulsives (pression, température, humidité…). La mécanique de vol est apparue avec les premiers avions, mais elle s’est développée depuis et concerne tous types de véhicules aérospatiaux.

LES GRANDES LIGNES DE LA MECANIQUE DE VOL

Trois sortes de forces extérieures s’appliquent sur l’avion selon la mécanique du vol : la pesanteur, les forces aérodynamiques et les forces de propulsion. Si l’on applique à l’avion les deux théorèmes fondamentaux de la mécanique rationnelle qui sont la quantité de mouvement et le moment cinétique, on obtient les équations dynamiques qui gouvernent les variations de la vitesse et de la rotation ainsi que les équations cinématiques de l’altitude et de la trajectoire. Le produit des forces aérodynamiques se décompose généralement en traînée, force latérale et portance, et celui du centre de gravité en moments de roulis, de tangage et de lacet.

Il existe une dépendance des forces aérodynamiques par rapport au mouvement : l’incidence influe sur la portance, la résistance, ainsi que le moment de tangage, et le dérapage influe sur la force latérale, le moment de roulis et celui de lacet. L’augmentation de la portance se fait parallèlement à celle de l’incidence, mais elle reste limitée par le phénomène dit de « décrochage », qui entraîne une diminution de la portance en même temps que des vibrations. Pareillement, l’augmentation du moment de tangage se fait parallèlement à celle de l’incidence. Ce dernier a tendance à ramener l’avion vers l’incidence nulle puis à le stabiliser par rapport à la vitesse. L’existence du foyer, qui est le point d’application de la force liée à l’incidence, est prouvée par l’augmentation simultanée du moment de tangage et de la portance. Le centrage d’un avion, qui est la distance entre le bord d’attaque de la corde de référence et le centre de gravité, est un élément essentiel puisqu’un centrage mal positionné rendrait l’avion instable ou peu maniable.

Le centre de gravité

Généralement, le centre de gravité se situe en avant du foyer à faible distance de la corde moyenne. Quant à la résistance, elle est minimale lorsqu’on s’approche de la portance nulle et elle augmente dans le même temps que l’incidence. En position de vol horizontal, la portance effective permet d’équilibrer le poids et la portance maximale peut avoir une incidence sur la trajectoire aussi bien dans un plan vertical que dans un plan horizontal. Le dérapage produit une force latérale et engendre à la fois un moment de lacet qui ramène l’avion vers le dérapage nul, et un moment de roulis qui forme un virage dans le sens opposé au dérapage. Ces deux moments découlent des effets de la dérive, du dièdre et de la voilure et sont proportionnels au dérapage. Les gouvernes aérodynamiques, qui regroupent les ailerons et les gouvernes de profondeur et de direction permettent, en se braquant, de créer des forces aérodynamiques, qui, même si elles sont relativement faibles, consentissent à l’appareil des moments de manœuvre. Les forces et le mouvement sont également liés à l’altitude et à la vitesse. En régime incompressible, la force et le moment sont proportionnels à la pression cinétique mais également à des dimensions caractéristiques de l’avion. La propulsion d’un avion se fait par le biais d’une accélération vers l’arrière d’un débit d’air ambiant auquel il convient d’ajouter le carburant consommé. La propulsion par turboréacteur, utilisée à la fois pour le vol subsonique que le vol supersonique, est la plus fréquente. Le fonctionnement d’un réacteur, essentiellement caractérisé par sa poussée maximale, est lié à l’altitude et à la vitesse. Cette poussée, pour une vitesse donnée, diminue avec l’altitude. La traction pas hélice quant à elle, n’est utilisée que sur des appareils subsoniques à cause des troubles transsoniques qui se produisent au bout des pales lorsque la vitesse augmente.