| Atelier 2 — Structure et cellule
Identifie les parties d'un avion (fuselage, voilure, empennage, train, feux de navigation), puis découvre les forces structurales, les matériaux de cellule, les types de fuselage, la géométrie des ailes, les gouvernes de vol et le train d'atterrissage — le programme § 1.2 du BIA.
1 Anatomie générale d'un aéronef
Avant d'étudier les matériaux et la structure interne, il faut savoir nommer les parties visibles d'un avion. Voici les éléments à connaître pour le BIA :
Composition générale d'un aéronef [ANF-201]
| Partie | Rôle | Vocabulaire associé |
|---|---|---|
| Fuselage | Corps principal, abrite l'équipage et la charge utile | Cabine (habitacle), verrière (partie vitrée) |
| Voilure (ailes) | Génère la portance en vol | Extrados (dessus), intrados (dessous), emplanture (jonction aile-fuselage) |
| Empennage | Stabilise l'avion en vol | Horizontal (stabilisateur) + vertical (dérive) |
| Train d'atterrissage | Supporte l'avion au sol, absorbe l'impact | Roulette de nez, trains principaux, fixe ou escamotable |
| Groupe motopropulseur | Fournit la traction pour avancer | GMP, moteur + hélice ou réacteur |
| Gouvernes | Surfaces mobiles pour contrôler l'avion | Ailerons, gouverne de profondeur, gouverne de direction |
| Volets (flaps) | Augmentent la portance au décollage et à l'atterrissage | Hypersustentateurs, bord de fuite de l'aile |
| Spoilers (aérofreins) | Cassent la portance à l'atterrissage pour plaquer l'avion au sol | Destructeurs de portance, sur l'extrados, gros avions uniquement |
| Haubans | Tiges reliant l'aile au fuselage (avions légers) | Renforcent la structure, visibles sur les avions à aile haute |
Feux de navigation
Comme les bateaux, les avions portent des feux réglementaires qui permettent de déterminer leur trajectoire de nuit :
| Position | Couleur | Repère |
|---|---|---|
| Aile gauche (bâbord) | Rouge | Même convention que la marine |
| Aile droite (tribord) | Vert | Même convention que la marine |
| Arrière (queue) | Blanc clignotant (strobe) | Plus puissant que les feux latéraux, visible de loin |
| Anticollision | Rouge clignotant (beacon) | Sur le ventre et/ou le dos du fuselage |
Astuce : Si tu vois un avion de nuit avec le feu rouge à gauche et le feu vert à droite, il vient vers toi. Si c'est l'inverse, il s'éloigne. C'est la même convention que la navigation maritime (bâbord = rouge).
Vocabulaire avancé
- Emplanture : zone de jonction entre l'aile et le fuselage — point de concentration des contraintes.
- Saumon : extrémité (bout) de l'aile — c'est sur le saumon que sont placés les feux de navigation (rouge à gauche, vert à droite).
- Karman : petit carénage aérodynamique en forme de goutte, placé à la jonction aile-fuselage sur les gros avions pour limiter les turbulences locales.
- Winglets (appelés sharklets chez Airbus) : petites surfaces verticales en bout d'aile, recourbées vers le haut, qui réduisent les tourbillons marginaux et la traînée induite — font aussi économiser du carburant.
- APU (Auxiliary Power Unit) : petit moteur auxiliaire à l'arrière des gros avions (kérosène), fournit l'électricité au sol et en secours en vol.
× Piège BIA fréquent : Ne pas confondre voilure (les ailes) et volets (les surfaces mobiles sur le bord de fuite). La voilure est l'ensemble de l'aile ; les volets n'en sont qu'une partie mobile.
Exercice 1 — Nommer les parties d'un aéronef
À partir de l'image ci-dessus [ANF-201], nomme les 8 éléments suivants :
- Le corps principal de l'avion.
- Les surfaces qui génèrent la portance.
- Les surfaces stabilisatrices à l'arrière.
- Les roues et supports au sol.
- Les tiges obliques reliant l'aile au fuselage (avion léger).
- Le feu situé à l'extrémité de l'aile gauche.
- Le carénage aérodynamique à la jonction aile-fuselage d'un gros avion.
- Les petites surfaces verticales recourbées en bout d'aile.
- Fuselage. C'est le corps de l'avion qui abrite la cabine et l'ensemble des équipements.
- Voilure (les ailes). Elles génèrent la portance grâce à leur profil aérodynamique.
- Empennage (horizontal + vertical). Le stabilisateur horizontal et la dérive assurent la stabilité.
- Train d'atterrissage. Roulette de nez + deux trains principaux sur un avion tricycle.
- Haubans. Structures de renfort typiques des avions à aile haute (Cessna 172, Piper J-3).
- Feu rouge. Convention maritime : bâbord (gauche) = rouge, tribord (droite) = vert.
- Karman. Carénage en forme de goutte qui réduit les turbulences à la jonction aile-fuselage.
- Winglets. Ils réduisent les tourbillons marginaux et améliorent l'efficacité aérodynamique.
À retenir : Un avion se compose de 5 éléments principaux : fuselage, voilure, empennage, train d'atterrissage et GMP (groupe motopropulseur). Les feux de navigation reprennent la convention maritime : rouge à gauche, vert à droite, blanc à l'arrière.
2 Forces et contraintes structurales
En vol, la cellule d'un avion subit des contraintes physiques intenses. Elle doit résister à cinq types de sollicitations :
| Contrainte | Description | Exemple sur l'avion |
|---|---|---|
| Traction | Force qui étire un matériau | Intrados de l'aile en vol (tiré vers le bas) |
| Compression | Force qui écrase un matériau | Extrados de l'aile en vol (comprimé par la portance) |
| Flexion | Force qui courbe une pièce | Ailes qui fléchissent sous la portance (jusqu'à 3 m en bout d'aile !) |
| Torsion | Force de vrillage / rotation | Fuselage soumis aux commandes des ailerons |
| Cisaillement | Forces opposées glissant l'une sur l'autre | Emplanture de l'aile (jonction aile-fuselage) en turbulence |
Composition générale d'un aéronef
[ANF-201]
Astuce : En vol, l'extrados (dessus) de l'aile est en compression et l'intrados (dessous) est en traction. C'est l'inverse de ce qu'on pourrait croire !
Facteur de charge (g) : C'est le rapport entre la portance et le poids. En palier, facteur de charge = 1g. En virage serré ou en ressource, il peut monter à 2-3g (avion de ligne) voire 12g (avion acrobatique). La cellule doit être dimensionnée pour supporter ces charges.
À retenir : Les 5 contraintes structurales sont traction, compression, flexion, torsion et cisaillement. Le facteur de charge exprime l'intensité des forces subies en multiples de g.
Exercice 2 — Identifier les contraintes
Pour chaque situation, indique la contrainte principale subie par la structure :
- L'aile fléchit vers le haut sous l'effet de la portance en croisière.
- L'emplanture (jonction aile-fuselage) lors d'un passage en turbulence sévère.
- L'extrados de l'aile pendant un facteur de charge de 2g.
- Le fuselage lorsque le pilote braque les ailerons en sens opposé.
- Le câble de remorquage d'un planeur au moment du décollage.
- Flexion. L'aile se courbe vers le haut sous la portance — c'est une déformation de flexion classique.
- Cisaillement. Des forces opposées s'exercent de part et d'autre de la jonction, tendant à « couper » latéralement.
- Compression. L'extrados (surface supérieure) est comprimé quand la portance augmente.
- Torsion. Les ailerons créent des forces asymétriques qui vrillent le fuselage autour de son axe longitudinal.
- Traction. Le câble est étiré entre le planeur qui résiste et l'avion remorqueur qui tire.
3 Matériaux aéronautiques
Les matériaux aéronautiques ont évolué du bois et toile des pionniers aux composites des avions modernes. Chaque famille a ses avantages et ses limites.
1. Bois — le matériau des pionniers
| Essence | Densité | Usage |
|---|---|---|
| Épicéa (Spruce) | 0,45 kg/dm³ | Matériau n°1 historique (Blériot, Wright) — très léger, excellent ratio résistance/poids |
| Pin Oregon | 0,55 kg/dm³ | Structures monocoques bois |
| Frêne | 0,69 kg/dm³ | Train d'atterrissage, pièces soumises aux chocs |
Avantages : Léger, absorbe les chocs, économique. Inconvénients : Sensible à l'humidité, aux insectes, fatigue à long terme.
2. Toiles — l'enveloppe des cellules légères
Le lin et le coton ont été utilisés jusqu'à la Seconde Guerre mondiale. Aujourd'hui, le Dacron (polyester synthétique, ~50 g/m²) les remplace. Une enduction de polyuréthane assure l'étanchéité. Le bois-toile reste utilisé sur les ULM et lors de restaurations d'avions historiques.
3. Métaux — l'ère industrielle
| Alliage | Densité | Usage principal |
|---|---|---|
| Duralumin (Al-Cu) | 2,8 kg/dm³ | Matériau principal 1920-2000 — fuselage, ailes (Cessna, Piper) |
| Zicral (Al-Zn-Mg-Cu) | 2,8 kg/dm³ | Structures critiques avions modernes (737, A320) |
| Acier | 7,85 kg/dm³ | Train d'atterrissage, pièces très sollicitées |
| Titane (Ti-6Al-4V) | 4,5 kg/dm³ | Compresseur réacteur (>600 °C), militaire haute performance |
4. Composites — l'aviation du XXIe siècle
| Matériau | Densité | Caractéristique |
|---|---|---|
| Fibre de carbone | 1,6 kg/dm³ | Meilleur ratio résistance/poids — A350 et 787 à 50 % composite |
| Aramide / Kevlar | — | Excellent en résistance aux impacts — blindage, rotors hélico |
| Nid d'abeille | 0,5-1 kg/m² | Sandwich ultra-léger et rigide (peaux carbone + cœur alvéolé) |
× Piège BIA fréquent : Le duralumin n'est PAS de l'aluminium pur — c'est un alliage aluminium-cuivre mis au point en 1918. C'est lui qui a permis la généralisation des structures métalliques en aviation.
Exercice 3 — Matériaux : qui fait quoi ?
Associe chaque caractéristique au bon matériau :
- « Je suis un alliage d'aluminium-cuivre utilisé depuis 1918, matériau principal des avions jusqu'aux années 2000. »
- « Je résiste à plus de 600 °C et je suis utilisé dans les compresseurs de réacteurs. »
- « Je suis la fibre utilisée par les frères Wright et Louis Blériot pour construire leurs avions. »
- « L'A350 et le Boeing 787 sont composés à 50 % de moi. »
- « On m'utilise pour le blindage et les rotors d'hélicoptères grâce à ma résistance aux chocs. »
- « Je suis un tissu synthétique de 50 g/m² qui a remplacé le lin et le coton sur les entoilages. »
- Duralumin. Alliage Al-Cu, densité 2,8 — révolution de l'aviation métallique.
- Titane (Ti-6Al-4V). Résiste aux très hautes températures — compresseurs, Concorde.
- Épicéa (Spruce). Bois très léger (0,45 kg/dm³), matériau n°1 des pionniers.
- Fibre de carbone. Composite ultraperformant (1,6 kg/dm³), meilleur ratio résistance/poids.
- Aramide / Kevlar. Fibre souple qui absorbe les impacts, utilisée en protection balistique.
- Dacron (polyester). Tissu synthétique moderne pour entoilage, remplace le lin/coton historique.
À retenir : Chronologie des matériaux : bois-toile (pionniers) → duralumin (1918-2000) → composites carbone (XXIe siècle). Le duralumin est un alliage Al-Cu, pas de l'aluminium pur. L'A350 et le 787 sont à 50 % composite.
4 Structures fuselage et voilure
Les trois structures de fuselage
| Structure | Principe | Avantage | Inconvénient |
|---|---|---|---|
| Treillis | Barres bois/acier triangulées | Très léger, rigide | Énorme traînée aérodynamique |
| Semi-monocoque | Longérons + nervures + revêtement travaillant | Léger, rigide, peu de traînée | Plus complexe à fabriquer |
| Monocoque | Enveloppe seule porte toutes les charges | Ultra-lisse, haute performance | Revêtement épais, réparation difficile |
Structure treillis [ANF-202]
Structure monocoque [ANF-205]
La structure semi-monocoque est le standard actuel (95 % des avions). Elle se compose de :
- Longérons (Spars) : Poutres horizontales qui reprennent la flexion
- Nervures (Ribs) : Cadres transversaux qui maintiennent le profil
- Revêtement (Skin) : Tôle alu ou composite — porte les charges aérodynamiques
- Membrures (Stringers) : Raidisseurs qui empêchent le flambement du revêtement
Semi-monocoque [ANF-203]
Caisson semi-monocoque [ANF-204]
Structure interne de l'aile
L'aile reprend les mêmes principes : 2 à 3 longérons avant-arrière absorbent la flexion, 20 à 40 nervures maintiennent le profil aérodynamique, et le revêtement travaille en membrane. Les réservoirs de carburant sont intégrés directement dans la voilure (Boeing, Airbus).
Structure interne de la voilure
[ANF-206]
Géométrie des ailes — les paramètres clés
| Paramètre | Définition | Effet |
|---|---|---|
| Envergure | Distance d'un bout d'aile à l'autre | Plus grande → plus de portance (B747 = 68 m) |
| Corde | Profondeur de l'aile (bord d'attaque → bord de fuite) | Définit le profil aérodynamique |
| Surface ailaire | Aire projetée de l'aile (S) | Avion léger ~15-20 m², A380 = 845 m² |
| Allongement | Envergure² / Surface (AR) | AR > 7 = très efficace (planeur ~20-30) |
| Dièdre | Angle des ailes vers le haut (+5 à +15°) | Stabilité en roulis |
| Flèche | Inclinaison des ailes vers l'arrière | Retarde les effets de compressibilité (Mach 0,7+) |
| Vrillage | Torsion géométrique de l'aile | Modifie l'incidence du pied vers le bout d'aile |
Formes d'ailes [ANF-207]
Géométrie des ailes [ANF-208]
Astuce : Plus l'allongement est grand, plus l'aile est efficace. Un planeur (AR ~25) plane beaucoup mieux qu'un chasseur (AR ~3). Mais une aile très allongée est aussi plus fragile et plus lente à manœuvrer.
Exercice 4 — Planche technique annotée
Sur le schéma d'un avion (type Cessna 172), identifie et légende les 15 éléments suivants :
- Fuselage
- Aile (voilure)
- Longéron
- Nervure
- Aileron
- Volet
- Empennage horizontal (stabilisateur)
- Gouverne de profondeur
- Empennage vertical (dérive)
- Gouverne de direction
- Train principal
- Roulette de nez
- Hélice
- Bord d'attaque
- Bord de fuite
Vérifie ta planche en t'aidant de l'image ANF-201 ci-dessus. Les éléments clés :
- Le fuselage est le « corps » de l'avion, il abrite le cockpit et les passagers.
- Les longérons et nervures sont à l'intérieur de l'aile (structure semi-monocoque).
- Les ailerons sont sur le bord de fuite de l'aile, vers l'extérieur. Les volets sont sur le bord de fuite, vers l'intérieur (emplanture).
- La gouverne de profondeur est articulée sur le stabilisateur horizontal, la gouverne de direction sur la dérive (empennage vertical).
- Le bord d'attaque est le bord avant de l'aile (arrondi), le bord de fuite est le bord arrière (fin).
- Le Cessna 172 a un train tricycle : roulette de nez avant + deux roues principales sous les ailes.
À retenir : La structure semi-monocoque = longérons + nervures + revêtement + membrures. Les paramètres géométriques de l'aile (envergure, allongement, dièdre, flèche) déterminent les performances de vol.
5 Empennages et gouvernes de vol
Les 5 configurations d'empennage
| Configuration | Description | Exemple |
|---|---|---|
| Classique | Stab. horizontal + dérive verticale, tout à l'arrière | Cessna 172, Boeing 737 — 99 % des avions |
| Cruciforme | Empennage en croix (+) | Certains avions expérimentaux |
| En T | Stab. horizontal placé au sommet de la dérive | Fokker, ATR, certains Airbus |
| V-papillon | Deux surfaces obliques remplacent les 3 surfaces | Beechcraft Bonanza V35 |
| Canard | Petit plan horizontal placé à l'avant du fuselage | Rafale, Eurofighter Typhoon, Saab Gripen |
Astuce : Le canard est facile à repérer au BIA : c'est le seul empennage placé à l'avant du fuselage. Le Rafale français est un chasseur à configuration canard-delta.
Les 3 axes de contrôle
Chaque gouverne commande la rotation de l'avion autour d'un axe :
| Gouverne | Axe | Mouvement | Commande au cockpit |
|---|---|---|---|
| Profondeur (elevator) | Tangage (pitch) | Nez monte / nez descend | Manche avant-arrière |
| Ailerons | Roulis (roll) | L'avion s'incline à gauche ou à droite | Manche gauche-droite |
| Direction (rudder) | Lacet (yaw) | Nez pivote à gauche ou à droite | Pédales (palonnier) |
Les ailerons fonctionnent en sens inverse (asymétrique) : quand l'aileron droit s'abaisse (portance augmente à droite), l'aileron gauche se relève (portance diminue à gauche) → l'avion s'incline à gauche.
À l'inverse, les volets se déploient toujours en symétrique (les deux ensemble, au même angle) : leur rôle n'est pas de tourner l'avion mais d'augmenter la portance globale au décollage et à l'atterrissage.
Compensateurs (Trim)
Les tabs compensateurs sont de petites surfaces articulées sur les gouvernes. Ils permettent de soulager l'effort du pilote en vol prolongé. Le trim de profondeur est le plus courant : il maintient l'assiette sans que le pilote n'ait à pousser ou tirer en permanence sur le manche.
× Piège BIA fréquent : Les ailerons contrôlent le roulis (pas le lacet !). Le palonnier (pédales) contrôle le lacet. Ne pas confondre : manche gauche-droite = roulis, pédales = lacet.
Exercice 5 — Gouvernes : qui commande quoi ?
Pour chaque action du pilote, indique la gouverne activée, l'axe de rotation et le mouvement de l'avion :
- Le pilote tire le manche vers lui.
- Le pilote appuie sur la pédale droite du palonnier.
- Le pilote pousse le manche vers la gauche.
- Le pilote règle le trim de profondeur vers le « nez haut ».
- Sur un Rafale, les petites surfaces avant du fuselage s'inclinent vers le haut.
- Gouverne de profondeur → axe de tangage (pitch) → le nez monte (assiette cabrée).
- Gouverne de direction (rudder) → axe de lacet (yaw) → le nez pivote vers la droite.
- Ailerons → axe de roulis (roll) → l'aileron gauche se relève, l'aileron droit s'abaisse → l'avion s'incline à gauche.
- Tab compensateur de profondeur → maintient une assiette cabrée sans effort continu du pilote sur le manche.
- Plans canard → ils jouent le rôle de gouverne de profondeur à l'avant → le nez monte (tangage). C'est la configuration canard.
À retenir : Profondeur = tangage (manche avant/arrière). Ailerons = roulis (manche gauche/droite). Direction = lacet (pédales). Les tabs compensateurs soulagent l'effort pilote. Les ailerons fonctionnent toujours en sens inverse l'un de l'autre.
6 Train d'atterrissage — synthèse et quiz
Le train d'atterrissage
Le train d'atterrissage assure quatre fonctions : supporter le poids au sol, absorber l'impact à l'atterrissage, permettre le roulement (décollage, atterrissage, taxi) et minimiser la traînée en croisière (train escamotable).
| Configuration | Description | Usage |
|---|---|---|
| Tricycle | Roulette de nez + 2 roues principales | Standard 95 % des avions modernes |
| Classique (conventionnel) | 2 roues principales + roulette de queue | Avions anciens, avions de brousse |
| Monotrace | Roues alignées sur l'axe longitudinal | Planeurs, certains chasseurs |
| Boggie | 4+ roues par jambe (en tandem ou paires) | Gros porteurs (B747 = 16 roues !) |
| Patins / Skis / Flotteurs | Pas de roues — adaptations spéciales | Hélicoptères, avions polaires, hydravions |
Configs train [ANF-209]
Composants du train [ANF-210]
Amortisseurs oleo-pneumatiques : une chambre remplie d'azote (gaz) et d'huile absorbe l'énergie à l'atterrissage. Freins à disque : plaquettes hydrauliques avec système anti-skid (anti-dérapage) automatique.
Fixe vs Escamotable : le train fixe est simple et léger (avions légers, ULM) ; le train escamotable se rétracte dans le fuselage en croisière pour réduire la traînée (avions de ligne, chasse).
À retenir : Le train tricycle (roulette de nez + 2 principales) est le standard. Les amortisseurs sont oleo-pneumatiques (azote + huile). Le train escamotable réduit la traînée en croisière. Le Boeing 747 possède 16 roues réparties en boggies.
Synthèse générale — tout ce qu'il faut retenir
| Concept | Détail | À retenir pour le BIA |
|---|---|---|
| Anatomie | Fuselage, voilure, empennage, train, GMP, spoilers | Feux : rouge à gauche, vert à droite, blanc clignotant arrière |
| 5 contraintes | Traction, compression, flexion, torsion, cisaillement | Extrados = compression, intrados = traction |
| Matériaux | Bois → Duralumin → Composites | Duralumin = alliage Al-Cu, A350/787 = 50 % composite |
| 3 structures | Treillis, semi-monocoque, monocoque | Semi-monocoque = standard actuel |
| Semi-monocoque | Longérons + nervures + revêtement + membrures | 4 éléments à connaître |
| Géométrie aile | Envergure, corde, surface, allongement, dièdre, flèche | Allongement élevé = efficace (planeurs) |
| 5 empennages | Classique, cruciforme, en T, V-papillon, canard | Canard = plan avant (Rafale) |
| 3 gouvernes | Profondeur/tangage, ailerons/roulis, direction/lacet | Manche av/ar, manche G/D, pédales |
| Train | Tricycle (standard), classique, monotrace, boggie | Oleo-pneumatique, freins disque, anti-skid |
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Pour aller plus loin
△
Cours — Forces et contraintes structurales
△
Cours — Matériaux aéronautiques
△
Cours — Structures fuselage et voilure
△
Cours — Empennages et gouvernes (§ 2)
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Prochain atelier : En atelier 3, tu étudieras les moteurs et la propulsion : moteurs à pistons, turbopropulseurs, turboréacteurs et les instruments moteur.