| Aérodynamique, aérostatique et principes du vol — Cours
Source : Manuel BIA 2021, p. 73-116
Comprendre les forces du vol, la portance et les performances à travers une progression guidée.
▢ Programme et plan du cours
Ce cours couvre l'intégralité du chapitre 1 du programme BIA officiel. — ◯ 2 h 30 – 3 h 00 · 3 × 50 min
◈ Conseil : Faites des croquis des forces et notez les ordres de grandeur (vitesses, Cz, Mach).
1 Les Fondamentaux : Les Forces et le Vol
La Grande Question
Pourquoi un avion peut-il voler ? Qu'en aurait pensé Newton ?
1.1 Qu'est-ce qu'une Force ?
Les deux types de forces
- Forces à distance : gravitationnelle (poids), électrique, magnétique
- Forces de contact : contact direct entre deux objets (exemple : appui au sol, frottement)
Une force est caractérisée par :
- Une intensité mesurée en Newtons (N)
- Une direction (représentée par un vecteur)
- Un point d'application
1.2 Les Quatre Forces qui Agissent sur un Avion
Les forces fondamentales
- Le Poids (W) : Force verticale vers le bas, appliquée au centre de gravité
- La Poussée ou Traction (T) : Force horizontale qui permet à l'avion de progresser
- La Traînée (D) : Force parallèle mais opposée à la trajectoire (résistance de l'air)
- La Portance (L) : Force perpendiculaire à la trajectoire, qui porte l'avion
1.3 L'Air : Un Fluide Mécanique
Propriétés clés de l'air :
- Masse volumique au niveau de la mer : 1,225 kg/m³ (diminue avec l'altitude)
- Pression atmosphérique standard : 1013,25 hPa au niveau de la mer
- Viscosité : L'air oppose une résistance au mouvement (frottement)
Pourquoi c'est important ?
- Re faible : écoulement plutôt laminaire (filets réguliers)
- Re élevé : écoulement plutôt turbulent (mélanges, pertes d'énergie)
- Le profil d'aile et la vitesse influencent le Re et donc la traînée.
2 D'Où Vient la Portance ? (Principes Physiques)
2.1 Géométrie du Profil d'Aile
Vocabulaire du profil
- Bord d'attaque : Partie avant du profil (où l'air arrive)
- Bord de fuite : Partie arrière du profil (où l'air s'échappe)
- Extrados : Surface supérieure de l'aile
- Intrados : Surface inférieure de l'aile
- Corde de profil : Ligne fictive du bord d'attaque au bord de fuite
2.2 L'Effet Venturi : Introduction
2.3 Le Principe de Bernoulli (1738)
Principe de Bernoulli
Énoncé : Dans un fluide en écoulement, plus la vitesse du fluide est élevée, plus la pression y est faible (et réciproquement).
Formule : P + ½ρV² = constante (le long d'une ligne de courant)
Interprétation des termes :
- P : pression statique
- ρ (rhô) : masse volumique du fluide
- V : vitesse du fluide
Conséquence clé : Lorsque V augmente, P diminue (et inversement).
2.4 Comment Fonctionne le Profil d'Aile ?
Lorsque l'air s'écoule autour d'un profil d'aile :
Sur l'Extrados (surface courbe supérieure)
L'air doit parcourir une distance plus longue → vitesse augmente → pression diminue (dépression)
Sur l'Intrados (surface inférieure)
L'air parcourt une distance plus courte → vitesse diminue → pression augmente (surpression)
Résultat
La différence de pression (dépression + surpression) crée une force verticale vers le haut : la PORTANCE.
Répartition de la portance
Approximativement :
- 2/3 de la portance vient du vide créé sur l'extrados
- 1/3 de la portance vient de la surpression sur l'intrados
2.5 L'Angle d'Incidence
Définition
Angle d'incidence (α ou i) : Angle compris entre la corde du profil et la direction du vent relatif (ou la trajectoire de l'avion).
Point clé : La portance augmente avec l'incidence (jusqu'à une limite critique). Le pilote contrôle l'incidence en manœuvrant la gouverne de profondeur.
Angle de Calage
Définition : Angle entre l'axe longitudinal du fuselage et la corde de référence de l'aile.
Rôle : Il fixe l'incidence « naturelle » de l'aile en vol de croisière.
Distinction Importante : Assiette, Pente et Incidence
Trois angles souvent confondus mais qui ont des significations différentes :
| Angle | Symbole | Définition |
|---|---|---|
| Assiette | θ | Axe fuselage / Horizontale (ce que voit le pilote) |
| Pente | γ | Trajectoire / Horizontale (montée ou descente réelle) |
| Incidence | α | Corde / Vent relatif (détermine la portance) |
Relation fondamentale : α = θ - γ
(Incidence = Assiette - Pente)
- Vol horizontal : γ = 0°, θ = +3° → α = 3° (incidence de croisière)
- Montée : γ = +5°, θ = +10° → α = 5°
- Descente : γ = -3°, θ = 0° → α = 3° (nez horizontal mais descente)
- Atterrissage : γ = -3°, θ = +7° → α = 10° (forte incidence)
Pourquoi c'est important ?
L'incidence (α) détermine la portance, pas l'assiette ! Un avion peut avoir le nez levé (assiette positive) mais descendre (pente négative) si la vitesse est trop faible et l'incidence trop forte (proche du décrochage).
En approche : Le pilote contrôle l'assiette (θ) avec le manche. La pente (γ) doit être stabilisée pour toucher le seuil de piste. L'incidence (α) en résulte automatiquement.
2.6 La Couche Limite : Interface Air-Profil
Deux types de couche limite
- Couche limite laminaire : Écoulement ordonné, les filets d'air glissent parallèlement les uns aux autres. Présente vers le bord d'attaque. Épaisseur : quelques millimètres.
- Couche limite turbulente : Écoulement désordonné avec mélanges. Plus épaisse (plusieurs centimètres au bord de fuite), mais plus résistante aux gradients de pression adverses.
La Zone de Transition
Entre le bord d'attaque et le bord de fuite, l'écoulement passe progressivement de laminaire à turbulent. Cette zone de transition dépend de :
- Le nombre de Reynolds (vitesse, taille du profil, viscosité)
- La rugosité de surface (insectes écrasés, givre, peinture écaillée)
- La courbure du profil
Le Décollement de la Couche Limite
Lorsque l'air dans la couche limite perd trop d'énergie (à cause du frottement et d'un gradient de pression défavorable), il ne peut plus suivre le profil : la couche limite décolle.
Conséquence : Formation de tourbillons, perte de portance → c'est le mécanisme du décrochage.
Rôle des becs à fente
Les becs de bord d'attaque déployés ré-injectent de l'air à grande vitesse sur l'extrados à travers une fente. Cet apport d'énergie retarde le décollement de la couche limite, permettant de voler à des incidences plus élevées sans décrocher.
3 Performances Aérodynamiques et Mécanique du Vol
Ce niveau intègre : les performances aérodynamiques (traînée, polaire, finesse) ET la mécanique du vol (équilibre, centrage, facteur de charge, pilotage). C'est le cœur du programme BIA pour comprendre comment piloter un avion.
3.1 Les Forces Aérodynamiques : Portance et Traînée
Décomposition de la force aérodynamique
- Portance (L ou Rz) : Composante perpendiculaire au vent relatif → porte l'avion vers le haut
- Traînée (D ou Rx) : Composante parallèle au vent relatif (sens opposé) → résiste à l'avancement
3.2 Les Formules de la Portance et de la Traînée
Paramètres clés
- ρ (rho) : Masse volumique de l'air (diminue avec l'altitude)
- V : Vitesse de l'avion par rapport à l'air
- S : Surface alaire totale de l'aile
- Cₗ : Coefficient de portance (dépend du profil et de l'incidence)
- Cₐ : Coefficient de traînée (dépend du profil et de l'incidence)
Valeurs Typiques des Coefficients (BIA)
Les coefficients Cz (portance) et Cx (traînée) varient selon la configuration de vol :
| Configuration | Cz | Cx | Finesse (Cz/Cx) |
|---|---|---|---|
| Croisière | ≈ 0,5 | ≈ 0,025 | ≈ 20 |
| Atterrissage (volets + train sortis) |
≈ 2,5 | ≈ 0,2 | ≈ 12,5 |
Observations :
- En atterrissage, Cz est 5 fois plus élevé (forte portance à basse vitesse)
- En atterrissage, Cx est 8 fois plus élevé (volets et train = aérofreins)
- La finesse chute : permet une approche stabilisée avec un bon contrôle
- ρ ≈ 0,41 kg/m³ (vs 1,225 au niveau mer)
- V ≈ 250 m/s (≈ 900 km/h)
- S ≈ 122,6 m²
- Cz ≈ 0,5
- Portance : Rz = ½ × 0,41 × 250² × 122,6 × 0,5 ≈ 785 000 N (≈ 80 tonnes)
- Masse de l'A320 en croisière ≈ 70-80 tonnes → Portance ≈ Poids ✓
- Si on double la vitesse, portance et traînée quadruplent (V²)
- Si on augmente l'altitude, portance et traînée diminuent (ρ diminue)
- Une plus grande surface alaire S génère plus de portance et de traînée
3.3 Formes Aérodynamiques et Résistance
Tous les objets en mouvement dans l'air subissent une résistance (traînée). Mais cette résistance dépend énormément de la forme de l'objet. Voici une progression pédagogique :
Évolution de la résistance selon la forme
| Visualisation | Forme | Résistance | Écoulement |
|---|---|---|---|
|
Disque plat perpendiculaire | 100% (référence) |
Forte surpression avant, forte dépression arrière, tourbillons massifs [AMV-302] |
|
Demi-sphère (avant) |
75% | L'air contourne mieux, surpression réduite, mais dépression arrière subsiste [AMV-303] |
|
Sphère complète | 50% | Écoulement amélioré, zone tourbillonnaire réduite [AMV-304] |
|
Corps fuselé (forme d'œuf) |
15% | Partie arrière étirée, les filets d'air se rejoignent sans tourbillons [AMV-305] |
|
Profil d'aile (optimisé) |
5% ✓ Optimal |
Forme optimisée, bord de fuite pointu, circulation d'air parfaite [AMV-306] |
Pourquoi Fuselé ?
Un profil d'aile correctement conçu a une résistance 20 fois plus faible qu'un disque plat de même section ! C'est pourquoi :
- Les fuselages sont allongés et arrondis
- Les ailes ont un profil aérodynamique optimisé
- Les nacelles moteurs sont fuselées
- Même les antennes et feux sont carénés sur les avions modernes
3.8 Le Décrochage : Un Phénomène Critique
Pourquoi le Décrochage Survient
À très grande incidence, l'air n'a plus assez d'énergie pour rester collé au profil. Les filets d'air se décollent, créant une zone tourbillonnaire. Résultat : la portance chute brutalement, la traînée augmente.
Conséquence : la Vrille
Si le décrochage est dissymétrique (il n'apparaît que sur une aile), alors il y a mise en vrille. L'aile décrochée perd sa portance et s'enfonce tandis que l'autre continue de porter : l'avion entre dans une rotation rapide autour de son axe vertical tout en descendant.
La vrille est une situation dangereuse à basse altitude. La récupération nécessite une procédure spécifique : pied opposé au sens de rotation, manche en avant pour réduire l'incidence, puis sortie de piqué.
3.7 La Polaire : Carte d'Identité Aérodynamique
Points caractéristiques de la polaire
- A : Portance nulle (incidence négative)
- B : Traînée minimale (meilleure efficacité)
- C : Finesse maximale (meilleur rapport Cₗ/Cₐ)
- D : Portance maximale
- E : Décrochage
Polaires Multiples selon la Configuration
Un avion possède plusieurs polaires selon sa configuration :
- Configuration lisse : Aile propre, train rentré, volets rentrés → Meilleure finesse, traînée minimale (croisière)
- Volets sortis : Cz augmente, Cx augmente aussi → Finesse réduite mais portance accrue (décollage)
- Volets + trains sortis : Cz très élevé, Cx très élevé → Finesse fortement réduite, vitesse d'approche faible (atterrissage)
Le fuselage et le train d'atterrissage se comportent comme des aérofreins : ils augmentent la traînée sans apporter de portance.
3.9 Dispositifs Hypersustentateurs
Les Becs (Slats)
Principe : Éléments situés au bord d'attaque de l'aile, qui se déploient pour augmenter l'angle de décrochage.
- Permettent de voler à des incidences plus élevées
- Retardent le décrochage
- Augmentent le Cz max
Les Volets (Flaps)
Principe : Éléments situés au bord de fuite de l'aile, qui se déploient vers le bas pour augmenter la courbure du profil.
- Augmentent la portance (Cz plus élevé)
- Augmentent également la traînée
- Permettent de voler plus lentement
- Réduisent la distance de décollage/atterrissage
• Décollage : Volets en position intermédiaire (10-15°) → plus de portance, décollage plus court
• Atterrissage : Volets complètement sortis (30-40°) → vitesse d'approche réduite, meilleur contrôle
• Croisière : Volets rentrés → traînée minimale, vitesse maximale
3.6 La Finesse : Le Rapport Magique
Qu'est-ce que la finesse ?
La finesse représente combien de mètres horizontalement l'avion peut parcourir pour chaque mètre perdu en altitude (en vol plané sans moteur).
- Avion de tourisme : finesse ≈ 10 (10 m horizontaux pour 1 m vertical)
- Avion de transport civil : finesse ≈ 22 (performances optimisées)
- Planeur performant : finesse ≈ 40-70 (ailes très longues, surfaces très lisses)
3.4 Les Sources de Traînée
Traînée Induite
Force de résistance à l'avancement induite par la portance. C'est le "prix à payer" pour soulever l'avion. Théorisée par Ludwig Prandtl en 1918.
Mécanisme de la traînée induite
Pour générer de la portance, il faut une surpression à l'intrados et une dépression à l'extrados. Cette différence de pression provoque deux types de tourbillons :
1. Tourbillons de Bord de Fuite
Sous l'intrados, le flux d'air est légèrement dévié vers l'extrémité de l'aile. Sur l'extrados, il est dévié vers le centre. Lorsque ces deux flux se rejoignent au bord de fuite, ils se croisent et forment de petits tourbillons en aval de l'aile.
2. Tourbillons Marginaux (Wingtip Vortices)
L'air passe directement de l'intrados (haute pression) à l'extrados (basse pression) en contournant l'extrémité de l'aile. Il se forme ainsi deux tourbillons puissants aux bouts d'aile :
- En sens anti-horaire autour de l'extrémité droite (vue de l'arrière)
- En sens horaire autour de l'extrémité gauche
Ces tourbillons sont appelés Tourbillons de Prandtl. Ils sont particulièrement intenses lors des phases de fort coefficient de portance (approche, atterrissage).
Facteurs influençant la traînée induite
- Portance : La traînée induite varie avec le carré du coefficient de portance (Cz²). Plus on a besoin de portance, plus la traînée induite est forte.
- Vitesse : Elle varie inversement avec le carré de la vitesse (1/V²). Plus l'avion vole lentement, plus l'incidence est grande et plus les vortex sont puissants.
- Allongement (λ) : La traînée induite diminue quand l'allongement augmente (λ = envergure² / surface). C'est pourquoi les planeurs ont des ailes très longues (λ ≈ 25-35) pour minimiser cette traînée.
- Effet de sol : Près du sol, le développement complet des vortex est empêché, réduisant temporairement la traînée induite.
avec Cₓᵢ = Cz² / (π·λ)
Traînée de Frottement
Résistance due au frottement de l'air sur les surfaces (couche limite). Dépend de :
- La surface totale du revêtement (aile, fuselage, empennages)
- Le type de couche limite (laminaire = faible frottement, turbulente = frottement plus élevé)
- La rugosité des parois : givre, salissures, insectes, peinture écaillée augmentent considérablement cette traînée
Pour un avion de transport, la traînée de frottement représente environ 50% de la traînée totale, dont la moitié provient des ailes seules.
Traînée de Forme
Liée à la forme du profil et au décollement des filets d'air. La pression au bord d'attaque est plus forte qu'au bord de fuite (zone de décollement), créant une force des hautes vers les basses pressions = traînée de forme.
Le décollement de la couche limite entraîne une forte augmentation de cette traînée (zone tourbillonnaire). C'est pourquoi elle augmente fortement près du décrochage.
Traînée d'Interférence
Traînée supplémentaire aux jonctions entre composants où des écoulements de directions/vitesses différentes se rencontrent (aile/fuselage, nacelle moteur/aile). Les carénages lisses permettent de réduire cette traînée en assurant une transition douce entre les formes.
Traînée Totale et Vitesse
La traînée totale d'un avion est la somme :
Traînée totale = Traînée induite + Traînée parasite
Avec Traînée parasite = Traînée de frottement + Traînée de forme + Traînée d'interférence
- À basse vitesse : La traînée induite domine (forte incidence, vortex puissants)
- À haute vitesse : La traînée parasite domine (frottement proportionnel à V²)
- Traînée minimale : Atteinte quand traînée induite = traînée parasite
Pour un rappel visuel des becs et volets, se référer à la section 3.9.
3.5 Réduction de la Traînée : Les Winglets
Étude de cas : Boeing 737 avec Winglets
Caractéristiques : 2,4 m de haut, +100 kg par winglet
Bénéfices en croisière :
- Réduction de puissance moteur : 4%
- Économie de carburant : jusqu'à 6%
- Réduction des émissions NOx : jusqu'à 5%
Conclusion : Petit ajout → grandes économies de carburant et réduction environnementale.
3.10 Caractéristiques Géométriques de la Voilure
| Caractéristique | Définition | Impact |
|---|---|---|
| Envergure (2b) | Distance entre les extrémités des ailes | Plus grande → moins de traînée induite |
| Surface alaire (S) | Surface totale de la voilure | Plus grande → plus de portance |
| Allongement (A) | A = envergure² / surface | Plus grand → meilleure finesse (planeurs A ≈ 25, avions combat A ≈ 5) |
| Dièdre | Angle entre le plan des ailes et l'horizontale | Apporte stabilité en roulis |
| Flèche | Angle d'orientation des ailes vers l'arrière | Permet vols supersoniques, apporte stabilité |
3.10 L'Équilibre des Forces en Vol
Comprendre l'Équilibre
En vol, l'avion est soumis à 4 forces. Leur équilibre détermine si l'avion monte, descend ou reste en palier.
3.10.1 Vol Horizontal (Palier)
Équilibre en Palier
Équilibre : Portance = Poids Traction = Traînée
L'avion vole à altitude constante, ni montée ni descente.
3.10.2 Montée
Équilibre en Montée
Équilibre : Portance équilibre la composante principale du poids, Traction doit être plus importante qu'en palier pour vaincre la traînée ET la composante du poids en arrière.
Besoin : Plus de puissance moteur qu'en palier.
3.10.3 Descente
Équilibre en Descente
Équilibre : Portance équilibre la composante principale du poids, Traction réduite (peut être zéro en pente de descente naturelle).
Pour un planeur : Traction = 0, la pente de descente est déterminée par la finesse.
3.11 Centrage et Stabilité Longitudinale
Pourquoi le Centrage est Critique ?
La position du centre de gravité (CG) par rapport au foyer (F) détermine si l'avion est stable, neutre ou instable. Un centrage incorrect peut rendre l'avion incontrôlable.
Règle d'Or de la Stabilité
Le centre de gravité (CG) doit toujours être en avant du foyer (F).
Distance de sécurité (marge statique) : Au minimum 5% de la corde moyenne de l'aile.
Le Moment de Tangage
Lorsque l'incidence augmente (par exemple, rafale de vent ou cabré), la portance augmente et s'applique au foyer (F). Si le CG est en avant du foyer, cette portance supplémentaire crée un moment piqueur qui ramène l'avion à son incidence initiale : c'est la stabilité longitudinale.
Formule simplifiée : Moment = (Force de portance) × (Distance CG-Foyer)
Si CG = F : Aucun moment = avion neutre (très difficile à piloter)
Si CG derrière F : Moment cabreur = instabilité = danger ×
L'Enveloppe de Centrage
Chaque avion possède une enveloppe de centrage définie par le constructeur. C'est la zone autorisée pour la position du CG en fonction de la masse.
- Limite avant : Position CG la plus en avant autorisée
- Limite arrière : Position CG la plus en arrière autorisée (critique pour stabilité)
- Masse maximale : Enveloppe réduite aux masses élevées
Calcul obligatoire : Avant chaque vol, le pilote (ou dans le transport, l'agent de chargement) doit calculer le centrage et vérifier qu'il est dans l'enveloppe. Hors enveloppe = vol interdit.
- Peser chaque élément (avion vide, occupants, bagages, carburant)
- Calculer le moment de chaque masse (masse × distance au point de référence)
- Additionner tous les moments et toutes les masses
- Position CG = Moment total / Masse totale
- Vérifier que le point (Masse, CG) est dans l'enveloppe
Optimisation du Centrage pour l'Environnement
Un centrage plus arrière (mais sûr) réduit la traînée de l'empennage et diminue la consommation de carburant. Les compagnies aériennes optimisent le chargement pour trouver le meilleur équilibre entre stabilité et économies de carburant.
3.12 Facteur de Charge et Mécanique du Virage
Le Facteur de Charge : Au-delà de 1g
Le facteur de charge mesure la "charge" ressentie par la structure et les occupants. Crucial pour la sécurité : dépasser les limites = rupture structurelle.
3.12.1 Définition du Facteur de Charge
Situations caractéristiques
- Vol horizontal stabilisé : n = 1 (un seul "g", poids normal)
- Ressource (cabré rapide) : n > 1 (sensation d'écrasement dans le siège)
- Poussée négative : n < 1 (sensation de légèreté, voire apesanteur si n = 0)
- Vol dos : n = -1 (tête en bas, sang afflue à la tête)
Limites Structurelles
Chaque avion possède des limites de facteur de charge à ne pas dépasser sous peine de rupture structurelle :
- Catégorie Normale (transport, tourisme) : +3,8 g / -1,5 g
- Catégorie Utilitaire : +4,4 g / -1,8 g
- Catégorie Acrobatique : +6,0 g / -3,0 g
- Catégorie Voltige avancée : jusqu'à +9 g / -6 g
Important : Ces limites se réduisent avec la vitesse (diagramme de manœuvre).
3.12.2 Facteur de Charge en Virage
Pourquoi le Facteur de Charge Augmente en Virage ?
En virage, l'avion s'incline d'un angle φ (phi). La portance doit alors :
- Équilibrer le poids (composante verticale)
- Créer la force centripète pour tourner (composante horizontale)
Résultat : La portance augmente, donc le facteur de charge aussi !
où φ = angle d'inclinaison
Facteurs de charge selon l'inclinaison
| Inclinaison φ | Facteur n | Augmentation portance | Vitesse décrochage |
|---|---|---|---|
| 0° (vol droit) | 1,00 g | — | Vs |
| 30° | 1,15 g | +15% | 1,07 × Vs |
| 45° | 1,41 g | +41% | 1,19 × Vs |
| 60° | 2,00 g | +100% | √2 × Vs ≈ 1,41 × Vs |
| 70° | 2,92 g | +192% | 1,71 × Vs |
3.12.3 Rayon et Taux de Virage
où V = vitesse, g = 9,81 m/s², φ = inclinaison
Qu'est-ce que cela signifie ?
- Plus la vitesse est grande → Rayon plus grand (virage plus large)
- Plus l'inclinaison est forte → Rayon plus petit (virage plus serré)
- Pour un virage serré : réduire la vitesse ET augmenter l'inclinaison
- Avion à 100 kt (≈ 51 m/s) en virage à 30° : R ≈ 456 m
- Même avion en virage à 60° : R ≈ 152 m (3 fois plus serré !)
Risques en Virage
1. Décrochage en virage : La vitesse de décrochage augmente (× √n). En virage serré à basse altitude (atterrissage, tour de piste), le risque est maximal.
2. Spirale engagée : Si l'inclinaison dépasse 60-70°, l'avion descend en spirale avec facteur de charge croissant. Difficile à récupérer sans perdre beaucoup d'altitude.
3. Limite structurelle : Un virage trop incliné peut dépasser les limites +3,8 g d'un avion de tourisme.
Optimisation du virage
Les pilotes de voltige et de chasse utilisent des inclinaisons extrêmes (jusqu'à 90°) pour des virages très serrés, mais cela nécessite :
- Une structure renforcée (catégorie acrobatique)
- Un entraînement spécifique aux facteurs de charge élevés
- Une altitude de sécurité suffisante
En aviation de transport, les virages sont limités à 25-30° pour le confort des passagers et la sécurité structurelle.
3.13 Les Gouvernes et les Trois Axes de Rotation
Comment Piloter un Avion ?
L'avion peut tourner autour de 3 axes. Chaque axe est contrôlé par une gouverne spécifique. Maîtriser ces commandes est essentiel pour piloter.
3.13.1 Vue d'Ensemble des Trois Axes
Transmission des Commandes
Entre le manche/palier et les gouvernes, on trouve principalement :
- Avions légers : Câbles et poulies (simple et fiable)
- Avions lourds : Systèmes hydrauliques (réduit les efforts au manche)
- Avions modernes : Commandes électriques "fly-by-wire" (Airbus, Boeing)
3.13.2 Axe de Tangage (Axe Transversal)
La Gouverne de Profondeur
Composition : L'empennage horizontal a une partie fixe (stabilisateur) et une part mobile (gouverne).
Commande : Manche d'avant en arrière
- Manche tiré → gouverne monte → l'avion cabre (nez monte)
- Manche poussé → gouverne descend → l'avion pique (nez descend)
- Manche neutre → vol stabilisé
À retenir : Pas d'effet secondaire avec la gouverne de profondeur.
3.13.3 Axe de Roulis (Axe Longitudinal)
Les Ailerons
Localisation : Surfaces horizontales situées à l'extrémité des ailes, côté bord de fuite (pour maximiser le bras de levier).
Commande : Manche de gauche à droite (ou volant sur certains avions)
Principe : Les ailerons fonctionnent de sens opposé : quand l'un monte, l'autre descend.
- Manche à gauche → aileron gauche monte (↑), aileron droit descend (↓) → portance gauche diminue, portance droite augmente → aile gauche s'enfonce
- Manche à droite → aileron droit monte (↑), aileron gauche descend (↓) → portance droite diminue, portance gauche augmente → aile droite s'enfonce
- Manche au neutre → ailerons au neutre → portances égales → ailes horizontales
Important : Le mouvement de roulis se poursuit tant que les ailerons sont braqués. En ramenant le manche au neutre, le mouvement cesse et l'inclinaison se stabilise.
Effet Secondaire : Le Lacet Inverse
Problème : Quand on braque les ailerons, l'aile qui monte (aileron baissé) crée plus de traînée que l'aile qui descend. Cette différence de traînée fait pivoter le nez de l'avion du côté opposé au virage.
Solution : Le pilote doit appuyer sur le palonnier dans le sens du virage pour compenser.
Ailerons différentiels : Sur certains avions, l'aileron qui monte se braque plus que celui qui descend, ce qui réduit le lacet inverse.
3.13.4 Axe de Lacet (Axe Vertical)
La Gouverne de Direction
Localisation : Partie mobile de l'empennage vertical (dérive).
Commande : Palonniers (pédales) devant les pieds
Action :
- Pied gauche → nez tourne à gauche
- Pied droit → nez tourne à droite
Important : Cette gouverne ne sert pas à tourner l'avion (comme un gouvernail de bateau), mais surtout à maintenir la symétrie du vol et compenser les effets secondaires.
Utilisations de la Gouverne de Direction
- Compenser le lacet inverse lors des virages
- Garder l'axe de la piste au décollage/atterrissage (vent de travers)
- Contrer la dissymétrie en cas de panne moteur (multimoteur)
- Maintenir un vol symétrique (coordonné)
Pilotage Coordonné en Virage
Principe fondamental : On ne peut pas tourner à plat comme une voiture. Un virage aérien nécessite :
- Incliner l'avion avec le manche (ailerons) → crée une composante horizontale de la portance
- Appuyer sur le palonnier du même côté → compense le lacet inverse
- Tirer légèrement le manche → compense la perte de portance verticale
- Augmenter un peu la puissance → compense la traînée supplémentaire
À retenir : Un bon virage nécessite la coordination des trois commandes : manche (ailerons + profondeur) ET palonniers.
3.13.5 Le Lacet Induit en Virage
Quand l'avion vire, l'aile extérieure parcourt un plus grand chemin et va plus vite que l'aile intérieure. Elle porte donc davantage, ce qui tend à incliner encore plus l'avion vers l'intérieur du virage.
Ce phénomène est appelé lacet induit : il amplifie le virage et doit être compensé par le pilote.
3.13.6 Dérapage et Effet Girouette
L'Effet Girouette
La stabilité en lacet est assurée par la présence de la dérive (empennage vertical) à l'arrière de l'appareil : c'est l'effet girouette.
En cas de vent latéral, la dérive génère un effort aérodynamique latéral qui ramène l'axe de l'avion dans la direction du vent relatif, corrigeant ainsi le dérapage automatiquement.
C'est le même principe qu'une girouette : la surface arrière (la dérive) aligne l'ensemble dans la direction du vent.
3.14 Décollage et Atterrissage
Les Phases Critiques du Vol
Le décollage et l'atterrissage sont les phases les plus critiques : vitesse faible, proximité du sol, configuration changeante. Une bonne maîtrise est vitale.
3.14.1 Le Décollage
Les 4 phases du décollage
- Roulement : L'avion accélère sur la piste jusqu'à atteindre la vitesse de décollage
- Rotation : Le pilote augmente l'incidence pour générer plus de portance
- Envol : La portance dépasse le poids, l'avion quitte le sol
- Montée initiale : L'avion poursuit sa montée jusqu'à 15 m (50 ft) de hauteur
3.14.2 L'Atterrissage
Les 5 phases de l'atterrissage
- Approche finale : Descente stabilisée à la vitesse d'atterrissage
- Arrondi : Réduction de la pente de descente près du sol
- Coupure des gaz : Réduction progressive de la puissance moteur
- Flare : Cabrage pour poser en premier le train principal
- Roulement : Décélération sur la piste avec freins et spoilers
+ Bonus : Aérostation et Vol Spatial
Hors programme aérodynamique : Ces sections complètent le programme BIA sur d'autres modes de vol (ballons, fusées).
Aérostation : Les Ballons et la Flottabilité
Le Principe d'Archimède
Condition de flottabilité
- Si le corps est moins dense que le fluide → il flotte (monte)
- Si le corps est aussi dense que le fluide → équilibre (suspension)
- Si le corps est plus dense que le fluide → il coule (descend)
Les Ballons à Air Chaud
L'air chaud est moins dense que l'air froid. En chauffant l'air intérieur, le ballon devient moins dense que l'air ambiant, et la poussée d'Archimède le soulève.
Contrôle du ballon à air chaud
- Montée : Activer les brûleurs → air plus chaud → plus léger
- Descente : Laisser refroidir l'air ou ouvrir une soupape
- Lest : Déjeter du lest (sable, eau) pour alléger rapidement
Les Ballons à Gaz
Le dihydrogène (inflammable, rarement utilisé) et l'hélium (ininflammable, préféré) sont beaucoup moins denses que l'air. Ils créent une poussée d'Archimède naturelle.
Contrôle de la Trajectoire
Mouvement Vertical
Contrôlé par les brûleurs, le lest et la soupape (voir ci-dessus).
Mouvement Horizontal
Le ballon est entièrement entraîné par le vent. Cependant, en montant ou descendant, on peut trouver des vents de direction différente et ainsi changer de cap.
Altitude Maximale
Existe une altitude limite : la densité de l'air diminue, donc la poussée d'Archimède diminue. À l'altitude maximale, poussée = poids total.
Vol Spatial : Orbites et Vitesses
Contraintes du vol spatial
Environnement spatial
- Vide : pression quasi nulle → structures pressurisées indispensables
- Absence d'air : pas de portance aérodynamique → propulsion par fusées
- Températures extrêmes : alternance chauffage/refroidissement rapide
Les orbites principales
Types d'orbites
- Orbite basse (LEO) : satellites d'observation, station spatiale
- Orbite géostationnaire : satellite « fixe » au-dessus d'un point de l'équateur
- Orbite héliosynchrone : passage à heure solaire constante (observation)
Vitesses remarquables
Ordres de grandeur
- Orbite basse : environ 7,9 km/s
- Vitesse de libération : environ 11,2 km/s
Au-delà de la vitesse de libération, la trajectoire devient ouverte : on quitte l'attraction terrestre.
◇ Le vocabulaire anglais aéronautique est désormais regroupé dans un module dédié.
✓ Résumé et Points Clés à Retenir
Les 4 Forces de l'Avion
- Portance (L) : Née de la différence de pression autour du profil → porte l'avion vers le haut
- Traînée (D) : Résistance de l'air → ralentit l'avion
- Poids (W) : Force gravitationnelle → agit vers le bas
- Traction (T) : Force motrice → pousse l'avion en avant
Les Origines de la Portance
- Géométrie du profil d'aile (extrados convexe, intrados moins bombé)
- Effet Venturi : accélération de l'air sur l'extrados
- Principe de Bernoulli : dépression sur l'extrados, surpression sur l'intrados
- Résultat : force nette vers le haut ≈ 2/3 extrados + 1/3 intrados
Les Formules Essentielles
- L = ½ρV²SCₗ : Portance augmente avec la vitesse au carré
- D = ½ρV²SCₐ : Traînée augmente avec la vitesse au carré
- Finesse f = Cₗ/Cₐ : Rapportance/Traînée (indicateur d'efficacité aérodynamique)
Phénomènes Critiques
- Décrochage : Perte brutale de portance au-delà de ~15-20° d'incidence (dépend du profil)
- Traînée induite : Causée par les tourbillons marginaux → winglets la réduisent
- Facteur de charge : En virage à 60°, l'avion supporte 2× son poids
Principes de Pilotage
- Tangage : Gouverne de profondeur (manche avant/arrière)
- Roulis : Ailerons (manche gauche/droite)
- Lacet : Gouverne de direction (palonniers)
- Virage : Manche + palonnier du même côté + augmentation d'incidence et puissance
Enjeux Environnementaux
- Réduction de la traînée (winglets, centrage optimal) = moins de carburant
- Utilisation de volets réduits au décollage/atterrissage quand possible = moins de bruit
- Réduction des émissions : CO₂ et NOx
△ Sources et Attributions
Images et illustrations :
- Images AER-174 à AER-188 : Illustrations pédagogiques inspirées de lavionnaire.fr © 2010-2025 - Utilisées dans un cadre éducatif pour la préparation au BIA
- Autres illustrations : Wikimedia Commons, sources libres, créations originales
Nous remercions lavionnaire.fr pour ses ressources pédagogiques de qualité dédiées à la formation aéronautique.