| Atelier 2 — Voilure, stabilité et commandes de vol
Des formes aérodynamiques aux gouvernes de vol, en passant par le décrochage et la stabilité — tu sauras comment un avion est conçu pour voler… et rester contrôlable.
1 Formes aérodynamiques et sources de traînée
Toute forme plongée dans un flux d'air subit une résistance (traînée). Mais certaines formes résistent beaucoup moins que d'autres !
Classement par Cx : du pire au meilleur
| Forme | Cx relatif | Résistance | Pourquoi ? |
|---|---|---|---|
| Disque plat | 100 % | Maximale | L'air bute frontalement, gros sillage turbulent |
| Demi-sphère (creuse) | ≈ 75 % | Très forte | Le creux piège l'air (comme un parachute) |
| Sphère | ≈ 50 % | Forte | L'air contourne mieux mais décolle derrière |
| Corps fuselé | ≈ 15 % | Modérée | L'arrière effilé retarde le décollement |
| Profil d'aile | ≈ 5 % | Minimale | Forme optimisée, écoulement laminaire maximal |
À retenir : Un profil d'aile a une traînée 20 fois plus faible qu'un disque plat de même section ! C'est pour ça que la forme aérodynamique est si importante en aviation.
Les 4 sources de traînée
Sur un avion, la traînée totale est la somme de plusieurs composantes :
Traînée totale = Traînée induite + Traînée de frottement + Traînée de forme + Traînée d'interférence
| Type | Cause | Quand elle domine | Comment la réduire |
|---|---|---|---|
| Traînée induite | « Prix à payer » pour la portance. Tourbillons aux extrémités d'ailes | Basse vitesse (forte incidence) | Grand allongement, winglets |
| Traînée de frottement | Viscosité de l'air sur les surfaces | Grande vitesse, grandes surfaces | Surfaces lisses, peinture lisse |
| Traînée de forme | Décollement de l'air derrière les objets | Train sorti, angles vifs | Carénages, formes profilées |
| Traînée d'interférence | Jonctions aile-fuselage, empennage-fuselage | Toujours présente | Congés de raccordement, karman |
Les winglets réduisent les tourbillons marginaux → moins de traînée induite (−4 % carburant sur B737)
[AMV-323]
Exercice 1 — Identifier les traînées
Pour chaque situation, identifie le type de traînée principal :
- Un avion de tourisme vole à 100 kt, train sorti. Le pilote rentre le train et la traînée diminue de 20 %. Quel type de traînée a été réduit ?
- Un planeur de compétition a un allongement de 30, un avion de chasse a un allongement de 5. Lequel subit le plus de traînée induite ? Pourquoi ?
- Après un orage, l'aile d'un Cessna est couverte d'insectes écrasés. Le pilote constate que l'avion consomme plus de carburant. Quel type de traînée a augmenté ?
- Un Airbus A380 utilise de grands carénages aux jonctions aile-fuselage. Quelle traînée est visée ?
- Traînée de forme — Le train d'atterrissage est un objet non profilé exposé au flux, il crée un sillage turbulent important.
- L'avion de chasse (allongement 5) subit plus de traînée induite. La traînée induite est inversement proportionnelle à l'allongement. C'est pour ça que les planeurs ont de très longues ailes fines.
- Traînée de frottement — La rugosité des insectes perturbe la couche limite laminaire et la rend turbulente plus tôt → plus de friction.
- Traînée d'interférence — Les carénages (« fairings ») lissent la transition entre deux surfaces perpendiculaires.
2 Le décrochage et les dispositifs hypersustentateurs
Le décrochage — l'ennemi n° 1 du pilote
Quand l'angle d'incidence dépasse la valeur critique (≈ 15–18°), l'air décolle de l'extrados. La portance chute brutalement : c'est le décrochage.
Au-delà de l'incidence critique, l'air décolle de l'extrados → chute brutale de portance
[AMV-308]
Signes avant-coureurs
- Buffet : vibrations de la cellule (l'air décollé frappe l'empennage)
- Mollesse des commandes : les gouvernes perdent en efficacité
- Avertisseur de décrochage : alarme sonore (ou palette vibrante sur le manche)
- Vitesse proche de Vs : indication au badin (arc blanc / début arc vert)
× Vrille = décrochage dissymétrique : Si une aile décroche avant l'autre (lacet, dérapage…), l'avion part en vrille. C'est la cause majeure d'accidents en tour de piste. Récupération : manche au neutre, pied opposé au sens de rotation, puis piquer doucement.
Les dispositifs hypersustentateurs
Pour pouvoir voler lentement (décollage, atterrissage) sans décrocher, on utilise des dispositifs qui augmentent le Cz max :
Becs (slats) au bord d'attaque et volets (flaps) au bord de fuite — ré-énergisent la couche limite
[AMV-213]
Effet des volets sur la polaire : le Cz max augmente, la courbe se décale vers le haut
[AMV-311]
| Dispositif | Position | Effet principal | Utilisé quand ? |
|---|---|---|---|
| Volets (flaps) | Bord de fuite | ↑ Cz max + ↑ traînée | Décollage (un cran), atterrissage (plein volets) |
| Becs (slats) | Bord d'attaque | ↑ incidence critique (retarde le décrochage) | Basse vitesse (auto sur gros avions) |
| Aérofreins (spoilers) | Extrados | ↓ portance + ↑↑ traînée | Descente rapide, atterrissage |
Exercice 2 — Configurations de vol
Un Airbus A320 a une vitesse de décrochage Vs = 110 kt en configuration lisse (volets/becs rentrés). Avec les volets et becs sortis, Vs descend à 95 kt.
- Pourquoi la vitesse de décrochage diminue-t-elle quand on sort les volets ?
- En approche finale, le pilote vole à Vref = 1,3 × Vs. Calcule Vref en configuration lisse et avec volets sortis.
- Le pilote est en croisière à 250 kt. Pourquoi ne sort-il pas les volets ? (deux raisons)
- Juste après le toucher des roues, le pilote déploie les spoilers (destructeurs de portance). Quel est l'intérêt ?
- Les volets augmentent le Cz max. Comme la portance L = ½ρV²SCz, si Cz max est plus grand, on peut obtenir la même portance (= poids) à une vitesse V plus faible.
- Config. lisse : Vref = 1,3 × 110 = 143 kt. Volets sortis : Vref = 1,3 × 95 = 123,5 kt. Soit 20 kt de différence → piste plus courte avec volets !
- Raisons : (1) les volets augmentent beaucoup la traînée → surconsommation de carburant ; (2) ils sont limités en vitesse (VFE) car la pression aérodynamique pourrait les endommager.
- Les spoilers tuent la portance résiduelle → tout le poids de l'avion repose sur les roues → les freins sont beaucoup plus efficaces → distance de freinage réduite.
À retenir : Les volets augmentent Cz max (et la traînée). Les becs retardent le décrochage en augmentant l'incidence critique. Les aérofreins détruisent la portance pour descendre ou freiner.
3 Les trois axes et les gouvernes — piloter l'avion
L'avion tourne autour de trois axes. Chaque axe a sa gouverne et sa commande. Le BIA adore poser des questions d'association !
Les 3 axes : tangage (transversal), roulis (longitudinal), lacet (vertical)
[AMV-332]
| Axe | Direction de l'axe | Mouvement | Gouverne | Commande |
|---|---|---|---|---|
| Tangage | Transversal (aile à aile) | Cabré ↑ / piqué ↓ | Gouverne de profondeur | Manche avant/arrière |
| Roulis | Longitudinal (nez → queue) | Inclinaison gauche/droite | Ailerons | Manche gauche/droite |
| Lacet | Vertical (haut → bas) | Nez gauche/droite | Gouverne de direction | Palonniers (pieds) |
Gouverne de profondeur (empennage horizontal) → contrôle du tangage
[AMV-335]
Les couplages : le lacet inverse et le lacet induit
En avion, les mouvements sont couplés — agir sur un axe provoque des effets sur un autre :
| Effet | Ce qui se passe | Cause | Comment corriger |
|---|---|---|---|
| Lacet inverse | En inclinant à droite → le nez part à gauche | L'aileron baissé (gauche) crée plus de traînée que le relevé | Mettre du pied dans le sens du virage |
| Lacet induit | En virage établi → le nez tend à rentrer dans le virage | L'aile extérieure va plus vite → plus de portance → dissymétrie | Réduire légèrement le pied dans le virage |
Astuce pilotage : La « bille » sur le tableau de bord te dit si tu es coordonné. Bille au centre = parfait. Bille à gauche = « mets du pied à gauche ». Règle simple : le pied chasse la bille.
Exercice 3 — Qui fait quoi ?
Associe chaque action du pilote à l'effet aérodynamique correspondant :
- Le pilote tire le manche vers lui. Que fait l'avion ? Quelle gouverne a bougé ?
- Le pilote appuie sur le palonnier droit. Quel mouvement en résulte ? Autour de quel axe ?
- Le pilote pousse le manche à gauche. Que font les ailerons ? Que fait l'avion ? Quel effet parasite apparaît et comment le corriger ?
- L'avion vole en palier droit. Le pilote veut virer à droite. Décris la séquence complète de commandes (entrée en virage, maintien, sortie).
- Le nez de l'avion se cabre (monte). La gouverne de profondeur se braque vers le haut, créant une force aérodynamique vers le bas à l'arrière de l'avion → rotation autour de l'axe de tangage.
- Le nez de l'avion part vers la droite. C'est un mouvement de lacet, autour de l'axe vertical. La gouverne de direction s'est braquée à droite.
- L'aileron gauche se lève (↓ portance aile gauche), l'aileron droit se baisse (↑ portance aile droite) → l'avion s'incline à gauche (roulis). L'effet parasite est le lacet inverse : le nez part à droite à cause de la traînée différentielle des ailerons. Correction : mettre du pied gauche (palonnier gauche).
- Entrée : manche à droite + pied droit (coordonner le roulis et le lacet) + léger cabrage (pour compenser la perte de portance verticale). Maintien : neutraliser les ailerons une fois l'inclinaison atteinte, maintenir le pied dosé. Sortie : manche à gauche pour revenir à plat + pieds au neutre + réduire la profondeur.
À retenir : Tangage = profondeur (manche AV/AR). Roulis = ailerons (manche G/D). Lacet = direction (palonniers). Le pilotage est coordonné : on utilise presque toujours pieds et manche ensemble.
4 Stabilité, centrage et phases de vol
Centre de gravité et foyer : la clé de la stabilité
Deux points déterminent si l'avion est stable :
| Point | Définition | Rôle |
|---|---|---|
| Centre de gravité (CG) | Point d'application du poids total | Dépend du chargement (passagers, carburant, bagages) |
| Foyer (F) | Point d'application de la portance | Fixe pour un avion donné (≈ 25 % de la corde) |
CG devant F → stable (l'avion se redresse seul). CG derrière F → instable !
[AMV-329]
Règle d'or : CG doit être devant le Foyer → avion stable
| Centrage | Effet | Conséquence pour le pilote |
|---|---|---|
| CG trop avant | Très stable, mais lourd à cabrer | Avion « piqueur », profondeur inefficace |
| CG correct | Stable et maniable | Pilotage normal, bon compromis |
| CG trop arrière | Instable → dangereux ! | L'avion « part en cabré » tout seul, irrécupérable |
Décollage et atterrissage — les phases critiques
Les 4 phases du décollage :
- Roulement : pleine puissance, accélération sur la piste
- Rotation : à VR, le pilote tire le manche → le nez se lève
- Envol : portance > poids → les roues quittent le sol
- Montée initiale : prise d'altitude jusqu'à 50 ft (15 m), train rentré
Les 5 phases de l'atterrissage :
- Approche finale : plan de descente, Vref = 1,3 × Vs, volets sortis
- Arrondi : le pilote redresse le nez pour réduire le taux de descente
- Palier de décélération : l'avion ralentit à quelques centimètres du sol
- Toucher (flare) : les roues principales touchent en premier
- Freinage : reverse, aérofreins, freins — sur roues
Pourquoi décoller et atterrir face au vent ? Le vent de face augmente la vitesse de l'air sur les ailes → la portance est atteinte plus tôt → la distance de roulement est réduite. Par vent arrière, l'inverse se produit : piste trop courte → accident !
Exercice 4 — Centrage et décollage
- Un pilote charge l'arrière de son Cessna 172 avec 80 kg de bagages. Comment cela affecte-t-il le centrage ? Quel risque cela fait-il courir ?
- Pourquoi les avions ont-ils un empennage horizontal à l'arrière ? Quel est son rôle principal ?
- Un avion a une Vs = 55 kt. Le vent de face est de 15 kt. À quelle vitesse-sol l'avion décollera-t-il (approximativement) ?
- Le même avion décolle avec un vent arrière de 10 kt. À quelle vitesse-sol décollera-t-il ? Pourquoi est-ce dangereux ?
- Le CG recule, se rapprochant du foyer → l'avion devient moins stable (voire instable si CG passe derrière F). Risque : l'avion « part en cabré » de manière incontrôlable. Le pilote doit vérifier le devis de masse et centrage avant chaque vol.
- L'empennage horizontal crée un couple de rappel : si le nez monte (perturbation), la portance sur l'empennage augmente → force vers le bas → le nez redescend. C'est le « stabilisateur ». Sans empennage, l'avion serait incontrôlable en tangage.
- L'avion a besoin de 55 kt de vitesse-air. Avec 15 kt de face, la vitesse-sol au décollage = 55 − 15 = ≈ 40 kt. Piste plus courte nécessaire.
- Vitesse-sol = 55 + 10 = ≈ 65 kt. La distance de roulement est plus longue, et si la piste est courte, l'avion risque de ne pas pouvoir décoller à temps. C'est pour ça qu'on décolle toujours face au vent.
À retenir : CG devant le foyer = avion stable. Décollage et atterrissage se font face au vent. Le pilote vérifie le centrage avant chaque vol avec le devis de masse et centrage.
5 Synthèse — tout ce qu'il faut retenir
| Concept | Formule / Valeur | À retenir pour le BIA |
|---|---|---|
| Formes aéro | Cx disque (100 %) → profil (5 %) | Facteur 20 entre le pire et le meilleur |
| Traînée totale | Induite + frottement + forme + interférence | Induite domine à basse vitesse, parasite à haute vitesse |
| Décrochage | α > 15° environ | Détachement de l'air → chute de portance |
| Volets (flaps) | Bord de fuite | ↑ Cz max + ↑ traînée → Vs diminue |
| Becs (slats) | Bord d'attaque | ↑ αmax (retarde le décrochage) |
| Tangage | Profondeur + manche AV/AR | Autour de l'axe transversal |
| Roulis | Ailerons + manche G/D | Autour de l'axe longitudinal |
| Lacet | Direction + palonniers | Autour de l'axe vertical |
| Stabilité | CG devant Foyer | CG arrière = instable = dangereux |
| Décollage | Face au vent toujours | Vent de face = distance de roulement réduite |
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Pour aller plus loin
△
Cours — Formes aérodynamiques (§ 3.3)
△
Cours — Le décrochage (§ 3.8)
△
Cours — Hypersustentateurs (§ 3.9)
△
Cours — Gouvernes et axes (§ 3.13)
△
Cours — Centrage et stabilité (§ 3.11)
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