Mécanique du vol

La mécanique du vol est l'étude du mouvement d'un véhicule en environnement aérien ou spatial. Pour comprendre la mécanique du vol, la première étape consiste à l'analyse des forces et moments auxquels l'aérodyne est soumis.

Forces et moments

Un aérodyne est soumis à la gravitation (le poids). Quand il est en mouvement dans un fluide il reçoit le vent lié à sa vitesse ou « vent relatif » qui détermine des forces et moments aérodynamiques. Quand il est motorisé, il y a aussi une force de propulsion. On a donc :

• le poids, vertical ;
• la résultante des forces aérodynamiques ou RFA (forces de pression et de frottement), variant approximativement comme le carré de la vitesse et composée de :
  • la traînée, parallèle au vent relatif ;
  • la portance, perpendiculaire au vent relatif.
• la poussée des moteurs (hélice, turboréacteur, moteur-fusée, etc.), généralement parallèle à l'axe de l'avion ;

Vol en montée, vol en palier

Les forces agissant sur l'avion sont :

• Le poids ;
• La traînée;
• La portance dont la composante verticale est opposée au poids, et dont la composante parallèle au vent relatif s'ajoute à la traînée;
• La poussée.

La particularité du palier, comparativement à la montée et à la descente, est que la portance — perpendiculaire au vent relatif — est alors verticale, égale et opposée au poids.

Dans le cas d'un vol en palier à vitesse constante, la poussée générée par le ou les moteurs compense les forces de trainées générée par l'ensemble de l'avion (fuselage, ailes empennages...)

Le contrôle du palier s'effectue en gardant une assiette affichée à l'aide de références extérieures, ou de l'horizon artificiel.

Vol en descente, sans moteur

Les forces agissant sur l'avion ou le planeur sont :

• Le poids ;
• La traînée;
• La portance dont la composante verticale est opposée au poids, et dont la composante parallèle au vent relatif est une poussée opposée à la traînée

Repères et angles

Chaque discipline a ses propres conventions ; on peut passer d'un type de conventions à un autre à l'aide de formules de conversion. Nous distinguerons ici :

• le repère absolu ${\big (}G,x_{0},y_{0},z_{0}{\big )}$ ($x_{0}$ est orienté nord, $y_{0}$ ouest et $z_{0}$ verticalement ; en pratique c'est le repère lié au sol)
• le repère lié à l'avion ${\big (}G,x_{b},y_{b},z_{b}{\big )}$ ($x_{b}$ est orienté vers l'avant, $y_{b}$ vers l'aile gauche)
• le repère lié à la vitesse (au vent relatif) ${\big (}G,x_{v},y_{v},z_{v}{\big )}$ ; ce repère est commode pour l'écriture des forces aérodynamiques ($x_{v}$ supporte le vecteur vitesse)

À partir de quoi nous définissons (dans l'ordre) :

• Dans le plan $\pi _{x}=(x_{0},y_{0})$ (vue de dessus), dit Lacet :

1. le cap $\Psi$ de l'avion définit son orientation par rapport au nord : $\Psi ={\widehat {(x_{0},x)}}$
2. le dérapage $\beta$ définit l'orientation de l'avion par rapport à sa direction : $\beta ={\widehat {(x_{v},x)}}$

• Dans le plan $\pi _{x}=(x_{0},z_{0})$ (vue latérale), dit Tangage :

1. l'incidence $\alpha$ entre le vent relatif et la corde de référence du profil : $\alpha ={\widehat {(x_{v},x_{b})}}$
2. la pente $\gamma$ entre l'axe de déplacement et l'horizontale : $\gamma ={\widehat {(x_{v},x_{0})}}$
3. l'assiette $\theta$ entre l'axe de l'avion et l'horizontale : $\theta ={\widehat {(x_{b},x_{0})}}$

• Dans le plan $\pi _{x}=(y,z)$ (vue arrière), dit Roulis :

1. l'inclinaison $\Phi$ entre l'axe transversal de l'avion et l'horizontale : $\Phi ={\widehat {(y_{0},y_{b})}}$

L'angle $\alpha$ est également appelé incidence ou angle d'attaque.

Remarque : l'incidence est l'angle formé entre la corde de référence du profil de l'aile et le vent relatif, alors que l'assiette est l'angle formé entre l'axe de l'avion et l'horizon.