L'avion éco-logique Réduction de la consommation par des principes aérodynamiques - Olympiades de ...

Olympiades de physique 2010
                 Lycée Henri Loritz, Nancy

  L'avion éco-logique
  Réduction de la consommation par des
       principes aérodynamiques

Par Maxime Vincent, Vincent Petrarolo et Martin Ferrand.

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                             Présentation: Avion éco-logique

                               Lycée Henri Loritz, NANCY

         Face au contexte actuel visant à préserver notre environnement, nous avons
cherché un moyen pour sauvegarder le monde environnant. Passionnés d’aéronautique,
nous nous sommes tournés vers les principes aérodynamiques permettant de réduire la
consommation des avions. Après une brève étude du fonctionnement d’un avion, nous
avons choisi de décomposer notre recherche sur trois grands principes réducteurs de
consommation, à savoir l’augmentation de la portance en choisissant un profil adapté,
la réduction de la traînée au moyen d'effets aérodynamiques ou aménagements sur
l’aile, et enfin le choix d’un angle d’incidence d’aile optimal. En théorie, la combinaison
de ces méthodes permettrait à un appareil, de réaliser une économie conséquente de
carburant, respectant ainsi la planète.

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                     Sommaire
• Introduction

• I/ Choix du profil
    • A) Présentation
    • B) Expériences
    • C) Conclusion

• II/   La Traînée
    •   A) Effet de sol
    •   B) Winglets
    •   C) Autres moyens de réduire la traînée

• III/ Vol à finesse maximale
    • A) Présentation de la polaire
    • B) Visite à l’ENSEM / Mesures effectuées
    • C) Conclusion

•   IV/ Conclusion

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      « Le plus beau rêve qui a jamais hanté le cœur des hommes depuis Icare est
aujourd'hui réalité. » Louis Blériot.

                                 Introduction
      Il y a quelques semaines s’est déroulé le sommet du G8 ayant pour objectif de
réduire la pollution de l’environnement. C’est en accord avec ce but que nous avons
développé notre projet, à savoir « Comment réduire la consommation de l’engin le plus
friand en kérosène, l’avion, à l’aide de principes aéronautiques. ». En effet, sachant
que la consommation moyenne d’un avion de ligne en vitesse de croisière est de 50 à
60 tonnes de carburant pour un vol comme Paris-New York, un avion libère une
quantité importante de dioxyde de carbone. Ce gaz, d’après un grand nombre de
scientifiques, participe au réchauffement climatique et nuit à l’environnement, nous
avons donc cru bon de nous intéresser à réduire la consommation en optimisant
certains paramètres du vol plutôt que de changer radicalement la manière de voler.

       Nous avons donc procédé à des expériences à l’aide de profil d’aile crée par
Martin, amateur d’aéromodélisme, pour simuler un vol et permettre d’améliorer les
performances d’une aile d’avion. Puis nous avons approfondi notre recherche grâce à
l’ENSEM (l’Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique) et aux
connaissances en aérodynamique de Maxime. Nous avons enfin reçu l’aide précieuse de
Vincent qui a su motiver le groupe et assimiler le vaste domaine qu’est
l’aérodynamique.

       Nombreuses sont les questions que nous nous poserons à propos des ailes
d’avions de leurs propriétés, ainsi que de leurs usages.

Le groupe est composé de trois élèves :

     -Martin Ferrand, élève de première S Sciences de l’Ingénieur, Champion de
     France d’aéromodélisme en 2007.

     Ambition : Ingénieur en aérodynamisme.

     -Maxime Vincent, élève de première S Sciences de l’Ingénieur, titulaire du BIA
     (Brevet d’Initiation à l’Aéronautique) et pilote des avions.

     Ambition : Pilote

     -Vincent Petrarolo, élève de première S Sciences de l’Ingénieur.

     Ambition : Ingénieur en aérodynamisme

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                             I/ Choix du profil
      Nous nous sommes tournés dans un premier temps vers l’étude de la portance
et de tous les moyens pouvant l’accroître. Ce choix de chronologie est dû au fait que la
portance nous paraissait l’élément prioritaire au vol, donc à traiter en premier.

       Pour augmenter la portance, il nous a paru logique de centrer nos recherches
sur l’aile puisque son rôle principal est de générer l’effet porteur. Nous avons alors
remarqué que la portance créée variait en fonction de la forme de l’aile, donc du choix
de profil d’aile. En effet, certaines ailes créeront plus de portance que d’autres avec
le fait qu’elles accélèrent plus les particules à l’extrados, d’autres généreront une plus
grande pression à l’intrados… (Voir comment vole un avion). Nous avons donc choisit
d’étudier le choix de profils adéquats, nous avons décidé de créer nous-mêmes un
système de mesure de portance et nos propres profils (nous avons repris les schémas
déjà existants d’un profil dit creux et d’un biconvexe symétrique ayant pour code
NACA 0015)

(Voir Annexe Code NACA)

A) Conception de la maquette et construction des profils
       Nous nous sommes premièrement occupés de la conception et de la construction
des profils. Après avoir conçu des plans, nous nous sommes attelé à la construction.
Sous les conseils d’une école d’aéromodélisme, nous avons assemblé les structures en
balsa de deux profils différents afin de pouvoir par la suite les comparer. Nous avons
ensuite entoilé les structures d’un papier japon (sorte de papier crépon) avec un
mélange d’acétone et d’enduit. Nous y avons enfin ajouté des crochets afin de fixer
les structures à notre future maquette. (Voir figure 1)

Figure 1 « Fraction » d’un profil crée par nos soins.

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      Nos profils finis nous avons cherché un moyen simple mais efficace pour
mesurer la portance générée. Nous nous sommes donc tournés vers un montage
composé d’un dynamomètre, d’une soufflerie et de nos profils. La fixation à l’intrados
du profil est reliée au dynamomètre et la structure est maintenue en l’air avec
diverses fixations et des potences. (Voir figures 2 et 3) Ces fixations nous ont posé
de nombreux problèmes.

Figure 2 Schéma du montage.

       Initialement, le profil était raccordé à la potence par deux fils qui se
détendaient quand le modèle prenait de la hauteur, rendant le montage instable et les
mesures impossibles. Nous avons donc opté pour un système de ressorts restant
tendus dans toutes les positions du profil. Seulement là encore le système était
instable et la mesure impossible. Finalement, nous avons installé au bout des potences
des poulies et avons raccordé les profils à deux masses de 30 grammes chacune, ne
laissant qu’un seul degré de liberté au profil, l’axe vertical. Nous sommes donc passés
aux mesures.

*Dimensions des profils
-Profil plat: Largeur: 10,0 cm         -Profil biconvexe symétrique: Largeur: 10,0 cm
              Longueur: 13,0 cm                                    Longueur: 12,0 cm
              Corde: 12,3cm                                         Corde: 11,5 cm
              Surface: 260 cm²                                     Surface: 240 cm²

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B) Expériences
*Manipulation 1 : Profil Biconvexe symétrique (NACA 0015)
      Après avoir installé le profil biconvexe sur notre maquette, nous obtenons,
lorsque le système est au repos, une portance égale à 0,31 N qu’il ne faudra pas
oublier de soustraire à nos futurs résultats. Nous mettons la soufflerie en marche et
nous attendons que le profil se stabilise puis nous relevons la force sur le
dynamomètre. Et le profil nous donne une portance de valeur 0,37 N. On soustrait à
cette valeur celle obtenue avant l’expérience et nous obtenons une valeur de portance
de 0,06 N (compte tenu de la précision des mesures, la valeur est comprise entre 0,05
N et 0,07 N).
      Par le calcul, en divisant la valeur de portance
obtenue par la surface du profil biconvexe, on
obtient une pression portante de 2,5.10-4 N/cm²

*Manipulation 2 : Profil plat
       Nous changeons de profil en essayant de
garder les mêmes conditions à savoir la même
position par rapport à la soufflerie et avec des
ficelles de mêmes longueurs.

      La valeur de départ de la force de portance
est de 0,36 N. Le profil expérimenté en second est
le profil creux. Après expérimentation nous
obtenons une portance de 0,46 N, qui, en
soustrayant la valeur de départ, nous donne une
portance égale à 0,10 N (compte tenu de la précision
des mesures, la valeur est comprise entre 0,09 N et
0,11 N).Par le calcul, la pression portante de ce profil
est de 3.85.10-4 N/cm². (Précision des résultats à 0,01 N)
                                                   Figure 3 Dynamomètre de la maquette

C) Conclusion
        Le profil ayant le plus de portance est le profil plat, d’après les valeurs issues
de l’expérimentation. Théoriquement, tout du moins, puisque de nombreux autres
facteurs agissent dans le vol. Il reste quand même le profil de prédilection des
planeurs, appareils nécessitant une performance de vol optimal puisque le seul moyen
de voler est pour eux de perdre de l’altitude. Dans cette partie, nous avons donc
dépeint le profil idéal au niveau de la création de portance. Cependant il nous faut
prendre en compte un autre facteur très important au vol, la résistance à l’air de
l’avion et de l’aile, autrement dit la traînée.

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                                   II) La traînée
       Dans la seconde partie de notre projet, nous nous intéresserons à la réduction
de la traînée, seconde force fondamentale en aérodynamique.

      La traînée générale se décompose en trois grands types :

      La traînée de frottement est causée par le frottement de l'air sur toute la
surface de l'avion, il règne en effet sur la surface de l'aile une couche limite (voir
figure 1), couche où la vitesse du vent relatif commence à diminuer, entraînant donc
une résistance de l’aile au flux d’air.

      Figure 1 Profil et couche limite

       Le second type de traînée généré par l’aile est la traînée de profil ou de
forme. Les particules d’air, après avoir parcouru la surface de l’aile, se trouvent
ralenties par le frottement contre la couche limite (voir figure 1). Au niveau du bord
de fuite (Voir annexe), la vitesse de l’écoulement est alors trop faible pour contrer la
portance qui a tendance à aspirer ces particules loin de l’aile, donc le flux d’air se
décolle et forme une zone turbulente. (Voir figure 2) Cette traînée est elle aussi très
difficilement réductible, à moins de voler à une vitesse élevée pour empêcher ce
décollement, ce qui entraînerait une augmentation de la consommation.

 Figure 2 Traînée de forme sur profil

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       Enfin la traînée induite par la portance est créée par la différence de
pression régnant à l’intrados et à l’extrados. D’après la loi de dispersion des gaz, l’air
en zone de surpression, à l’intrados, va chercher à rejoindre la dépression à
l’extrados, et va donc emprunter le chemin des bords marginaux, créant ainsi les
vortex ou les tourbillons marginaux. Ces tourbillons nécessitent une quantité
importante d’énergie, qui ne sera plus utilisée au profit du vol. C’est ce type de traînée
que nous avons cherché à réduire. (Voir figure 3)

Figure 3 Traînée induite et vortex.

A) L’effet de sol
       Le premier moyen aéronautique que nous avons étudiée permettant de réduire
la traînée se nomme l’effet de sol. Ce phénomène est connu par tout le secteur
aéronautique et doit être pris en compte par les pilotes et les ingénieurs s’ils veulent
éviter de mauvaises surprises durant un vol, notamment à l’atterrissage quand il
devient impossible de poser l’avion au moment voulu…

      Pour ma part, mes premières «expériences» de l’effet de sol furent lors des
concours d’aéromodélisme en catégorie planeur. Lorsque mes appareils étaient sur le
point d’atterrir, il survenait toujours une espèce de rebond à quelques mètres du sol,
ce qui avait pour effet d’allonger leur durée de vol de quelques précieuses secondes.
Ces appareils sont en effet très légers, bénéficient d’une grande surface alaire et
sont donc très sensibles aux moindres effets aéronautiques, tels les courants
ascendants, descendants ou encore l’effet de sol.

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       Nous nous référerons avant
tout à la partie de l’annexe Comment
vole un avion pour mieux comprendre
le principe de l’effet de sol.

       Quand un avion, ou tout autre
objet, animal ou engin vole à faible
altitude, ses ailes ont tendance à
emprisonner une masse d’air à leur
intrados. C’est en présence de cette
masse d’air, aussi appelée coussin
d’air que se formera l’effet de sol et
aura deux principales conséquences:

                                                   Figure 4 Effet de sol

      Dans un premier temps, l’avion prendra appui sur ce coussin d’air et la
surpression déjà présente à l’intrados sera encore augmentée, créant aussi une
portance plus élevée.

       La seconde conséquence sera que la traînée sera atténuée du fait qu’elle n’a
pas l’espace nécessaire pour se développer, le coussin d’air occupant toute la place.
(Voir figure 4)

* Mise en évidence de l’effet de sol sur notre maquette
       Nous avons choisi de mettre en évidence cet effet de sol sur la maquette. Nous
vous avons en effet jusqu’ici montré que l’effet de sol pouvait réduire la
consommation, mais seulement de manière théorique. Nous avons donc choisi de
mettre en évidence de manière claire et visuelle l’effet de sol. Nos profils étant faits
à la main, nous obtiendrons une certaine marge d’erreur (environ 0,02 N maximum)
qu’il faudra prendre en compte dans nos résultats. On peut aussi relever un bon
nombre de turbulences (les effets de nos fixations), détériorant ainsi la qualité des
mesures. Le but de cette manipulation est cependant de mettre en évidence de
manière qualitative la «puissance» de l’effet de sol, et, accessoirement, les économies
de kérosène que cela peut engendrer.

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*Mise en place de la manipulation
       Pour modéliser la présence du sol à proximité de notre profil nous avons utilisé
une planche de bois taillée de façon à laisser passer le dynamomètre. Nous avons aussi
dû faire un choix du profil à utiliser (il serait en effet inutile de tous les tester, une
seule mesure nous suffit). Nous avons orienté notre choix en fonction de l’axe
précèdent, et avons sélectionné notre profil plat, ayant obtenu les meilleurs
performances. Après avoir façonné notre planche et à la suite de l’installation du
profil sur la maquette, nous avons pu lancer l’expérimentation.

*Compte rendu des manipulations
       Après le premier essai où nous avons
placé la planche horizontalement, nous
nous sommes rendu compte que la portance
n’avait augmenté que de 0,05 N sur
l’ensemble du profil, contre 0,10 N lors de
la simulation précédente sans effet de sol.
(Précision des mesures : 0,01 N)

      Nous avons donc cherché la cause du
problème: à notre avis, la planche étant
horizontale, elle ne conférait aucune
portance, et créait même de la traînée,
annulant en partie l’effet porteur de l’aile.

                                            Figure 5 Manipulation montage effet de sol

      Pour remédier à ce problème, nous avons choisi de donner à la planche une
incidence négative, de façon à ce qu’elle crée une surpression à l’intrados de l’aile.

        Une seconde hypothèse peut être formulée: dans la pratique, ce n’est pas le sol
qui s’incline mais l’aile, les deux systèmes de notre expérience sont donc liés par leur
incidence. Ainsi, quand la planche a une incidence négative, le profil est d’incidence
positive. Quand la planche a un angle d’inclinaison nul, le profil lui aussi aura un angle
d’incidence nul et ne pourra pas voler.

      Nous avons obtenu, avec cette modification, une portance allant jusqu'à
0,15 N. Après un très bref calcul, il nous est apparu que l’effet de sol avait été la
cause d’une hausse de 30 à 70% de force portante dans le cas de notre profil creux.

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*Analyse des résultats
      Nous avons choisi de simplifier nos résultats en considérant qu’un appareil muni
du profil d’aile étudié et volant avec l’effet de sol et notre profil bénéficiera de 50%
de portance de plus qu’en vol classique, ce qui n’est pas exact puisqu’un avion n’est pas
composé que d’ailes, on trouve par exemple le fuselage, qui ne crée aucune portance et
aucun effet de sol. Cet appareil pourra donc décoller à une vitesse plus faible, ou
pourra transporter une masse plus importante pour une même consommation de
carburant. Il réalisera donc une économie conséquente de carburant.

       Dans notre démarche, nous nous sommes alors demandés pourquoi jusqu’à
aujourd’hui presque aucun avion n’avait utilisé cet effet pour réduire sa consommation.
Après quelques recherches, nous avons découvert que l’altitude maximale à laquelle un
avion pouvait bénéficier de l’effet de sol correspondait à 10% de l’envergure de
l’appareil. Autant dire qu’un airbus A380 devrait voler à moins de 8 mètres
d’altitude, vu son envergure de 80 mètres. Voler à cette hauteur serait très
dangereux vu le nombre d’obstacles présents à la surface du globe. Même au dessus
de l’océan, l’avion risquerait de heurter une vague ou un paquebot (voir annexe
« prototypes d’appareils ayant existés »).

Conclusion
       L’effet de sol est un phénomène aéronautique puissant et parfait en ce qui
concerne la réduction de la traînée, donc la réduction de consommation de l’appareil.
Il n’est cependant pas adapté au transport aéronautique actuel vu qu’il est trop
dangereux. Nous avons donc cherché un autre moyen aéronautique réducteur de
traînée et l’avons trouvé : il est plus fiable, moins efficace mais beaucoup moins
dangereux. Il est en plus facile à mettre en œuvre.

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B) Les Winglets

                                     Couramment utilisés aujourd’hui dans la majorité
                               des appareils de transport, les winglets représentent
                               un moyen simple et efficace de réduire la traînée.
                               Mais qu’est-ce qu’un winglet et quel est son principe de
                               fonctionnement ?

                                      Un winglet est une surface fixe et verticale
                               ajoutée au bord de fuite des bords marginaux, puisque
                               c’est le lieu de naissance des vortex et que les
                               winglets ont pour rôle de les réduire (voir figure 6). Le
                               profil du winglet est la plupart du temps similaire à
                               celui de l’aile qu’il complète, mais la difficulté de sa
                               mise en œuvre réside surtout dans l’angle avec lequel il
                               est fixé par rapport à l’aile. En effet son implantation,
                               si elle réduit la traînée induite, génère aussi de la
                               traînée de forme si son angle de fixation est trop
                               élevé.

* Fonctionnement du winglet et histoire
       Un winglet à pour fonction de réduire la traînée induite d’une aile. Mais nous
nous sommes posé la question du fonctionnement de ces winglets. Avant tout, il faudra
considérer qu’un winglet est une aile verticale, donc se comportant exactement comme
une aile. Nous avons observé un winglet vu de haut et avons remarqué que celui-ci est
fixé avec un angle par rapport à l’axe longitudinal de l’avion. Puisque le winglet est
vertical, cet angle correspondra en fait à l’angle d’incidence du winglet. Comme toute
bonne aile avec une incidence, le winglet va alors créer les deux forces fondamentales
du vol, la portance et la traînée, composant la résultante aérodynamique. Avec l’angle
de fixation du winglet, la résultante créera une traînée négative, donc dans le sens du
vent relatif, contrant ainsi la traînée de l’aile en partie. (Voir figure 7). Le gain de
portance d’un appareil équipé de winglet est de l’ordre de 5% selon Boeing.

Principe du winglet.

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        La question que nous nous sommes posée sur ce sujet est de savoir si ces
winglets créent eux aussi des tourbillons marginaux, puisqu’ils se comportent comme
des ailes. Il serait en effet inutile de limiter les tourbillons si ces rajouts en créent.
En fait, les vortex créés par la différence de pression n’ont pas lieu d’être si cette
différence est minime. Dans le cas des winglets, la surface alaire est si petite qu’il n’y
aura pas une grande pression et une grande dépression de chaque coté de la surface.
Il n’y aura donc pas ou presque pas de vortex aux extrémités des winglets.

       Nous avons rapproché cette question au fait que tous les avions ne volent pas
avec des winglets. Les winglets ne seront implantés que sur les appareils bénéficiant
d’un bord marginal large, où donc la surface alaire est importante. Les premiers
winglets ont donc été développés sur les avions de ligne car la surface alaire en bout
d’aile est importante (années 1970) puis ont été implantés sur des planeurs, appareils
friands des moindres améliorations pouvant être portées sur leurs performances. Ils
sont d’ailleurs très répandus sur ce type d’appareils aujourd’hui.

C) Les autres moyens permettant de réduire la traînée.
      L’effet de sol et les winglets ne représentent qu’une petite partie des solutions
pouvant réduire la traînée de l’appareil. Nous en avons sélectionné trois autres

                                                                    Profil laminaire

       Le premier moyen aérodynamique que nous avons choisi de vous présenter est le
profil laminaire. Ce type de profil ne confère pas à l’avion une portance accrue mais
limite la portance créée. La spécialité des profils laminaires réside dans leur
revêtement optimisé de façon à limiter l’épaisseur de la couche limite.

       Les particules seront donc moins ralenties que sur une aile classique, et la
traînée de frottement ainsi que la traînée de forme seront réduites. Ce type de profil
est couramment utilisé sur les planeurs, appareils nécessitant une certaine
performance de vol. On peut cependant approcher les performances des profils
laminaires en lavant régulièrement les surfaces d’aile des avions afin de réduire
l’épaisseur de la couche limite.

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       La seconde solution pour réduire la traînée est de remplacer le châssis
classique des avions par celui des ailes volantes. Les ailes volantes sont des appareils
dont le fuselage est inclus dans la voilure, permettant ainsi d'obtenir une nouvelle
part de portance et de diminuer les forces de frottements créées par le fuselage.
Ces appareils requièrent cependant une maîtrise parfaite de la géométrie des ailes
car ces dernières doivent pouvoir faire voler l’avion, le diriger et le stabiliser (pas
d’empennage à l’arrière de l’appareil). (Voir figure 9)

                                                       Aile volante NASA

       Le troisième moyen que nous avons sélectionné se nomme le vol en altitude. Le
vol en altitude regroupe les qualités suivantes :

- L'air de l'atmosphère subit lui aussi la force de gravitation terrestre, ainsi l'air est
moins dense à plus haute altitude, l’avion rencontrera donc moins de molécules d’air, et
réduira donc considérablement sa traînée.

- A haute altitude les vents ne se heurtent plus aux reliefs, ils sont plus stables et
laminaires ce qui permet un vol plus confortable, limitant les turbulences.

                                                            Cependant à haute altitude
                                                     les vents ont souvent des vitesses
                                                     de plus de 100km/h car ils ne sont
                                                     pas    freinés    par le relief.
                                                     Néanmoins, ils sont réguliers et
                                                     donc tout à fait prévisibles, les
                                                     pilotes en tiennent compte pour
                                                     préparer leurs vols. Par exemple
                                                     un vol aller Paris - New York sera
                                                     plus long de 45 min que le vol
                                                     retour.

                                                     Figure 10 Vol en altitude

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                    III/ Vol à finesse maximale
A) Introduction
       Nous avons vu précédemment qu’un profil, s’il crée de la portance, crée aussi de la
traînée. Le facteur permettant de faire varier ces forces est l’incidence de l’aile. Il a
donc été nécessaire pour notre projet de trouver l’incidence optimale d’une aile, et si
possible de nos profils. Avec notre maquette nous ne pouvions malheureusement pas
régler l’incidence et mesurer la traînée, nous nous sommes donc tournés vers un
laboratoire nommé l’ENSEM (École Nationale Supérieure d'Electricité et de Mécanique)
pour réaliser nos mesures. Nos profils n’étant pas adaptés à la soufflerie de l’école nous
avons utilisé un profil similaire, le NACA 0015. Nous allons maintenant calculer à quelle
incidence le profil a un meilleur rendement en faisant le rapport de la traînée sur la
portance. Pour cela, nous avons décidé de créer la polaire d'un profil car elle permet de
visualiser facilement les meilleures performances d'un avion.

B) Présentation de la polaire
      La polaire est une courbe représentant les évolutions des forces de portance et
de traînée en fonction de l'incidence (celle-ci n'est généralement pas relevée sur la
courbe), et la vitesse du vent relatif reste constante.

       On utilise la polaire pour nous renseigner sur les performances de l'avion grâce
à la finesse : rapport du coefficient de traînée sur le coefficient de portance. La
finesse correspond donc à un angle d'incidence, l'incidence de finesse maximale est le
rapport minimal de traînée sur la portance, elle a une position remarquable sur la
polaire car elle est le point tangent à la courbe passant par l'origine du repère. La
finesse maximale est aussi le rapport maximal entre la distance horizontale et la
distance verticale (ou de chute) que l'avion peut parcourir en vol plané, c'est à dire
sans traction, ni propulsion.

C) Visite à l’ENSEM
      Nous avons créé notre propre polaire, pour cela nous avons effectué des
mesures, l'année passée, à l'ENSEM, École Nationale Supérieure d'Electricité et de
Mécanique. Nous nous étions mis en relation avec cette école disposant de souffleries,
dans le cadre de notre Réalisation Personnelle Encadrée de la matière Sciences
Appliquées. Nous avons ainsi pu mesurer avec la soufflerie de cette école les forces
de portance et de traînée du profil NACA 0015.

16

Figure 1 Soufflerie de l’ENSEM

*Soufflerie de l’ENSEM
       La soufflerie est composée d'un collecteur (l'entrée d'air convergente, à
gauche), de la chambre d'expérience, d'un diffuseur (la sortie d'air divergente, à
droite) et dans une autre pièce à droite se trouve le moteur qui actionne l'aspiration.
(Voir figure 1)

       La soufflerie est disposée sur trois pièces, et l'air
rejeté par le ventilateur au-dessus du faux plafond de la
salle d'expérimentation circule en circuit fermé. (Voir
figure 2)

       Les profils utilisés en soufflerie sont spécifiques et
possèdent des crans à une de leurs extrémités (il était
donc impossible de tester nos profils). Ceux-ci reposent
sur une balance et permettent de mesurer les forces qui
s'appliquent sur l'aile. (Voir figure 3)

                                                                Figure 2 Partie motorisée

                                                                Figure 3 Profil NACA
                                                                0015 dans la chambre
                                                                d’essai de la soufflerie.

17

*Mesures effectuées

      Nous avons effectué onze mesures de portance et de traînée pour différentes
incidences du profil et une vitesse constante de l'écoulement de 38m/s équivalent à
137km/h (voir figure 4).
      Lors des mesures les valeurs obtenues étaient affichées avec une précision de
   -5
10 N.
      Nous les avons relevées dans notre tableau de mesures, cette fois avec une
précision de 10-2N. Nous avons élargi l’incertitude des mesures puisque le profil avait
tendance à vibrer, dans la chambre d’essai, à incidence élevée.

Figure 4 Tableau de valeur
      Nous avons calculé la finesse du profil en faisant le rapport de la traînée sur la
portance et obtenu comme valeur de finesse maximale environ 1/50 pour une
incidence de 4,6° entre la corde du profil et l'écoulement du vent relatif.

                   11.7
               9.7
                7.4                        12.
           4.6°                                      16.

              1.8°

               0.3
                -1.9°

                          -4.6°

      Figure 5 Polaire du NACA 0015.

18

       Nous avons aussi tracé la polaire du profil et retrouvé, par la construction de la
tangente à la courbe passant par l'origine, la finesse maximale.
       En effet, on remarque que le rapport de la force de portance sur la force de
traînée d'un des points de la courbe correspond à la pente ou au coefficient directeur
de la droite passant par l'origine du repère et par ce point.
       Or nous cherchons la finesse maximale, donc le coefficient directeur maximal
de la droite passant par la courbe et par l'origine du repère. Ce point appartient donc
à la tangente à la courbe passant par l'origine.
Le repère n'est pas normé, les échelles de portance et de traînée sont différentes
(nous avons ici un rapport d'environ 10%) pour une question de présentation et permet
d'éviter que la courbe soit aplatie sur l'axe des portances.

Conclusion
      Un avion est étudié de façon à ce qu'il vole à son incidence de finesse maximale
durant la phase de croisière, à altitude et vitesse constante. Un angle de calage est
alors donné entre la corde de profil et l'axe longitudinal du fuselage. Celui-ci
correspond à l'angle incidence de finesse maximale.

                               IV/ Conclusion
      Au cours de notre projet nous avons étudié les trois paramètres fondamentaux
du vol et les avons optimisés. En combinant les différentes solutions apportées, nous
avons alors conçu l’appareil idéal, qui ressemblerait à une aile volante ayant un profil
plat, pouvant voler au ras du sol ou en altitude. Ses ailes serait pourvue d’un
revêtement « laminaire » et serait terminées par des winglets, avec une incidence
correspondant à la finesse maximale du profil utilisé. L’appareil affichera sûrement
les performances maximales actuelles. Cependant, comme vous avez pu le remarquer,
le domaine de l’aérodynamique est vaste et il n’est pas rare de découvrir une autre
astuce à apporter aux appareils existants. C’est donc en persévérant sur les
recherches que les ingénieurs pourront optimiser la consommation des avions et,
pourquoi pas, rendre le vol totalement naturel et en accord avec l’environnement.

19
      Sources et documentation:

http://fr.wikipedia.org/wiki/ Effet de sol / Ekranoplane / Traînée induite / Winglets
/ Ailes Volantes

http://planeur.limoges.free.fr/winglets.htm Winglets

http://www.curiosphere.tv/video-documentaire/36-culture-scientifique/106250-
reportage-meteo-aerienne-le-vol-a-haute-altitude Vol à haute altitude

http://aerodynamique.chez.com/ecoulement.html Profils Laminaires

http://www.onera.fr/daap/ailes-volantes/index.php Ailes Volantes

Manuel du pilote d’avion - Editions Cépaduès

Ludres Air Modèle.

ENSEM Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique.

Sources images :
*Image page de présentation : Par Maxime sur Flight Simulator X

*I) Choix du profil

-Figures 1 et 3 : Photographies de Maxime Vincent
-Figure 2 : Schéma montage de Maxime Vincent

*II) La Traînée

-Figures 1 et 2 : L’Encyclopédie Du Petit Aérodynamicien En Herbe
-Figure 3 : Manuel Du Pilote D’Avion Edition Cépaduès
-Figure 4 : http://airbuz31.unblog.fr/2009/10/06/leffet-de-sol/
-Figure 5 : Photographie de Maxime Vincent.
-Figure 6 : http://gooseton.com/
-Figure 7 : http://planeur.limoges.free.fr/winglets.htm
-Figure 8 : Schéma de Maxime Vincent, Vincent Pétrarolo et Martin Ferrand
-Figure 9 : Boeing.
-Figure 10 : France 4 « le vol en altitude »

*III) Vol à finesse maximale

-Photographies de Maxime Vincent à L’ENSEM
-Courbe de Maxime Vincent et Martin Ferrand
*Annexe

-Notions essentielles : Schémas de Manuel Du Pilote D’Avion Edition Cépaduès
-Tube de Pitot : Schéma de Wikipédia.
-Ekranoplane : http://www.fromrss.com/espace/ekranoplanes/
-Pelican : Boeing

20

                               Annexe.

Sommaire :

*Notions essentielles, description du profil d’aile   Page 21

*Effet Venturi                                        Page 22

*Relation de Bernoulli                                Page 22

*Résultante aérodynamique                             Page 22

*Comment vole un avion ?                              Page 23

*Etude du tube de Pitot                               Page 24

*Etude de prototype d’appareils à effet de sol        Page 25-26

*Le code NACA                                         Page 27

21

    Notions essentielles:

    Description du profil d’aile.
•   Un profil d'aile est une coupe longitudinale de l'aile (nous utiliserons aussi ce terme
    pour définir nos « fractions » d’ailes).

•   Un bord d’attaque («à l’avant»).

•   Un bord de fuite («à l’arrière»).

•   Le bord marginal («à l’extrémité de l’aile»).

•   L’emplanture («partie de l'aile en contact avec le fuselage»).

•   Une partie Intrados («face inférieure de l’aile»).

•   Une partie Extrados («face supérieure de l’aile»).

•   La corde de profil est la longueur du segment joignant le bord d'attaque au bord de
    fuite.

•   L'incidence est l'angle formé entre la corde de profil et la direction du vent relatif.

           Pour qu’un avion vole, il doit être soumis à un vent de face, qui peut être créé
    grâce à la force de traction ou de propulsion de l'avion ou en soufflerie. Dans la
    réalité l’avion doit donc être en mouvement par rapport à la masse d'air pour voler. Ce
    déplacement d'air est appelé le vent relatif (Vr) en aéronautique.

22

Effet Venturi:
Lorsque la section d'un tube de
courant diminue la vitesse de
l'écoulement augmente.

La relation de Bernoulli:
Lorsque la pression dynamique (mesurée face à l'écoulement) augmente à cause de
l'augmentation de la vitesse du vent relatif, la pression statique (mesurée
perpendiculairement à la direction du vent relatif) diminue afin de conserver une
pression totale constante (somme de la pression dynamique et de la pression statique).
C'est à dire plus la vitesse de l'écoulement de l’air augmente, plus la pression statique
de l’air diminue et inversement.

La résultante aérodynamique
  La portance et la traînée sont les composantes de la force nommée résultante
aérodynamique. Autrement dit la résultante aérodynamique est la somme de la
portance et de la traînée et a pour origine le centre de poussée de l'aile environ entre
30% et 40% de la profondeur du profil. Le centre de poussée n'est pas fixe car c'est
le centre moyen de toutes les origines des forces qui composent la résultante
aérodynamique.

23

Comment vole un avion ?
  Nous vous avons expliqué les principales notions aéronautiques nécessaires au vol,
nous sommes donc en mesure de vous expliquer comment vole une aile.

        Quand un profil présente une incidence positive, l'air passant à l'extrados de
l'aile est contraint à un plus grand parcours, du fait de la forme du profil, donc à une
plus grande vitesse. Il règne ainsi une pression statique plus faible sur l'extrados
(application de la relation de Bernoulli). A l’inverse, à l'intrados, la vitesse
d'écoulement de l'air est plus faible donc la pression statique est légèrement plus
élevée. En plus, la masse d’air localisée à l’intrados formera une surpression ayant pour
cause le bourrage de cette masse d’air. La dépression, sur l'extrados et la
surpression, sous l'intrados sont visibles sur le spectre aérodynamique de pression.
L’action combinée de ces deux forces engendre une force portante sur l'aile,
perpendiculaire à la direction du vent relatif en amont de l'aile et dirigée vers le haut:
la portance.

      Cependant l'écoulement dévié autour du profil entraîne une résistance à l'air,
cette force s'opposant à l'avancement de l'avion est appelée la traînée, sa direction
est parallèle au vent relatif et son sens est vers l’arrière de l’appareil.

24

Étude du tube de Pitot

      Nous avons, avant de démarrer la soufflerie une nouvelle fois, essayé de
mesurer la vitesse de l’écoulement de la soufflerie lancée au maximum pour pouvoir
affiner nos calculs. Le premier moyen qui nous est venu à l’esprit est le système du
tube de Pitot, fréquemment utilisé en aéronautique, et mis en évidence avec le crash
du vol AF-447. Ce tube est doté de deux trous. Quand le tube est placé face à un
écoulement, deux types de pression s’exercent dans chacun des deux trous. La
pression statique, mesurée par le trou sur le coté du tube, alors que la pression
dynamique, aussi appelée pression totale, est relevé par le trou au bout du tube. La
différence entre ces deux pressions, ou pression différentielle peut être convertie
                                2(Pt − Ps )
en vitesse avec la relation v =
                             2

                                    ρ       , grâce à laquelle notre tube est d’ailleurs
gradué en m/s.

       Après avoir assimilé son fonctionnement, nous avons pu passer à la mesure de la
vitesse du vent. Malheureusement, nous n’avons pas pu trouver une valeur très
exploitable, et nous avons du nous référer à un autre système. Une cellule de mesure
de pression a été mise à notre disposition, et nous avons pu répéter les mesures de
pression statique puis dynamique avec un montage de générateur, de voltmètre et de
la cellule. Cependant, nous n’avons relevé aucune variation de la tension affichée, nous
en avons donc déduit que la vitesse est trop faible pour être mesurée, voilà donc
pourquoi le tube de Pitot n’a pas fonctionné.

25

Etude de prototype d’appareil à effet de sol
       Le premier du genre fut l’Ekranoplane, immense appareil russe développé
pendant la guerre froide. Ce géant aussi appelé Monstre de la Caspienne devait se
doter de dix réacteurs pour s’élever à six mètres d’altitude maximale. Construit en
trois exemplaires, il fut abandonné faute de financement après s’être abîmé en pleine
mer à la suite d’une collision avec une vague. Son seul défaut, mis à part sa
consommation excessive, était qu’il ne pouvait en aucun cas prendre de l’altitude.

      Nous avons alors étudié la voilure de cet appareil et avons conclu qu’elle avait
été conçue pour profiter au maximum de l’effet de sol, créant ainsi beaucoup de
traînée induite. Le coussin d’air anéantissait cependant la majorité de ces tourbillons,
mais devenait indispensable pour le vol. L’altitude de vol était donc limitée.

      Nous avons vérifié notre étude avec le logiciel Flight Simulator X, l’Ekranoplane
ne pouvait en effet pas voler au-dessus de 20 pieds, après quoi il entrait en
décrochage et sombrait dans les profondeurs de la Caspienne.

26
       Nous avons alors cherché un appareil volant à effet de sol mais pouvant prendre
de l’altitude, puisque là est le point faible de l’Ekranoplane. Nous nous sommes
renseignés sur les travaux de la NASA et de Boeing. En consultant le site de ce
dernier, nous avons découvert le projet Pélican. Son constructeur a lui aussi misé sur
sa taille (il sera en effet long de plus de 200 mètres, comportera une envergure de
150 mètres et pèsera environ 300 tonnes). Cet avion a été conçu pour assurer le futur
moyen de transport de troupes américaines.

      Le Pélican volera en vitesse de croisière à 600 Km/h avec une altitude
nettement plus élevée que celle de l’Ekranoplane (environ six mille mètres) si besoin
est.

       Nous avons étudié la voilure de cet appareil pour comprendre comment il
parviendra à atteindre cette altitude. D’après le site de Boeing, le Pélican utiliserait
une voilure hybride entre les avions classiques et les voilures spécialement étudiée
pour l’effet de sol, comme celle de l’Ekranoplane. Nous n’avons cependant pas pu
obtenir plus de renseignements sur ce projet encore secret. Néanmoins, nous avons pu
répéter le test effectué sur l’Ekranoplane avec Flight Simulator X, et nous obtenons
les résultats espérés: la consommation de carburant est nettement plus faible en vol à
effet de sol, l’avion peut cependant prendre de l’altitude en cas d’urgence, à la grande
différence de l’Ekranoplane.

27

Code NACA
       Par curiosité, nous avons cherché la signification du codage NACA, rencontré
avec le profil biconvexe.
Ces profils sont caractérisés par leur code NACA: « National Advisory Committee for
Aeronautic. »
Quatre chiffres décrivent la géométrie du profil. Ils utilisent la longueur de la corde
de l'aile comme unité:
* Le premier chiffre donne la cambrure du profil en pourcentage de la longueur de la
corde.
* Le second chiffre donne la position de la cambrure maximale en dixième de la corde.
* Les deux derniers chiffres donnent l’épaisseur maximale du profil en pourcentage
de la corde.

      Ainsi, ce système a l’avantage de simultanément dénommer un profil et décrire
sa forme. Malheureusement ce système ne permet que de couvrir une infime
proportion des profils possibles, c’est pourquoi les profils NACA sont peu nombreux
dans le secteur aéronautique malgré leur facilité de classement.