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Baptiste Laurent Nicolas Boulieu Malik Kasmi Julien Rineau
1°6
Pourquoi le concorde a des ailes delta alors que les autres avions de ligne en ont en flèches ?
2015/2016
2
Introduction
Pour notre TPE nous avons choisi d’étudier le thème de l’aérodynamisme. Notre travaille consistera plus précisément a étudier des ailes d’avion de type delta, présent sur les avions notamment militaire cependant nous nous baserons sur le Concorde, en opposition avec des ailes en fèche, présent sur les avions commerciaux dit « normaux », afn de démontrer certains principes d'aérodynamisme et de mécanique des fuides.
« Pourquoi le Concorde a des ailes delta alors que les autres avions de ligne ont des ailes en fèche ? »
Dans
cette
étude
nous
nous
baserons en majeure partie sur les spécifcités du Concorde, le premier avion de ligne ayant pour but de transporter vitesses
des
passagers
à
supersoniques.
des
Pouvant
atteindre deux fois la vitesse du son il réalisait un vol Paris - New York en moins de 4 heures. Utilisé par Air France
et
British
Airways
(deux
Décollage du Concorde à l'aéroport Paris Charles de Gaulle en 2001
compagnies Européennes) de 1969 à 2003. Son utilisation a été interrompue en raison d’une mauvaise rentabilité, et de la pollution sonore qu’entraînait l'avion. Il reste cependant l'une des plus grandes prouesses en terme d’innovation technique. Pour répondre a notre problématique nous allons commencer par défnir les forces qui s’appliquent sur un avion lors de son vol en les démontrant par une manipulation. Puis nous répondrons directement à la problématique en expliquant diférent principes
d'aérodynamisme.
3 .Sommaire
I - Introduction II – Explication des force qui s’exercent sur l'avion 1. La notion de mach. 2. La force de traînée et de portance . 3. Notre expérience. 4. Le décrochage III - Spécifcité des ailes fèche : 1. Explication de la forme. 2. Principales utilisations. IV - Spécifcité des ailes delta : 1. Explication de la forme. 2. Principales utilisation. V - Réponse directe à la problématique : 1. Explications onde de chocs. 2. Explication inconvénients des ailes en fèche à des vitesse. supersonique et avantage des ailes delta. 3. Explication inconvénients des ailes delta à des vitesse. subsonique et avantage des ailes en fèche. VI - Élargissement sur l’hypoxie : VII -Sources :
4 En aéronautique, le « kilomètre heure » n’est pas utilisé comme unité de vitesse : c’est le Mach. Un mach correspond à la vitesse du son, soit approximativement à 340 m/s (1 224 km/h) dans l'air à 15 °C.
- Un avion volant à une vitesse inférieure au mach vol donc moins vite que le son : il est à une vitesse dite subsonique. - Un avion volant au mach est à une vitesse transsonique. - Un avion volant à une vitesse supérieure au mach est à une vitesse supersonique.
La spécifcité de cette unité de mesure est qu'elle varie en fonction de l'altitude de l'appareil. En efet plus on prend de l'altitude moins l'air est dense. La vitesse des sons dépend uniquement des propriétés du milieu environnant ; on peut les résumer en deux points :
Si les particules d’air sont très lourdes, elles se déplaceront plus lentement que si elles sont légères, et donc le temps nécessaire à la transmission du mouvement à la particule voisine sera plus grand, et l'onde ira donc moins vite. Si les particules sont très proches, la distance qu'elles doivent parcourir pour aller heurter leurs voisines est plus faible et l'onde ira plus vite.
Les sons se déplacent plus vite dans les liquides et les solides (où les particules se touchent) que dans les gaz (où les particules peuvent être éloignées les unes des autres
Étant une onde mécanique le son se déplace moins vite dans un air peu dense. La vitesse du son diminue donc en fonction de l’altitude : un avion allant mach 1 à 20000 pieds (6000 m) au-dessus du niveau de la mer va donc plus vite qu'un avion allant à mach 1 à 50000 pieds au-dessus du niveau de la mer (environ 15000 mètres).
Pour aborder les notions suivantes il est nécessaire d'avoir quelque base sur le nom des diférentes parties d'une aile d'avion :
5 •
L'extrados : La face du dessus.
•
L'intrados : face du dessous.
•
Le bord d'attaque : le point le plus avant de l'aile.
•
Le bord de fuite : le point le plus à l’arrière de l'aile.
•
La corde : segment reliant le bord d'attaque et le bord de fuite
•
Le vent relatif : la circulation de l'air ressentit par le pilote en vole, il est le plus souvent horizontale et pouvant être appelé « axe longitudinal »
•
L'incidence : l'angle que forme la corde de l'aile et le vent relatif.
Une aile d'avion se caractérise par son profl. C'est le contour obtenu par la section transversale de cette aile. Nous obtenons ce profl si nous « coupons » l’aile et que l’on regarde la découpe. Les diférents types de profls sont classés parmi 6 familles suivant la forme générale qu'ils ont.
Biconvexe symétrique
L’intrados et l’extrados sont symétriques par rapport à la corde. Ces profls sont utilisés sur les empennages (ailes à l'arrière de l'avion).
Biconvexe dissymétrique
La courbure de l’extrados est plus accentuée que celle de l’intrados. Ces profls sont les plus employés.
Plan convexe
Il s’agit d’un profl ayant un intrados relativement plat et un extrados cambré (convexe).
6
Plan creux
L’extrados est convexe et l’intrados concave. Ces profl
entraîne
une
forte
portance
mais
au
détriment d'une augmentation de la traînée.
Double courbure
La ligne moyenne est à double courbure. Ce profl peu répandu est surtout utilisé pour les ailes volantes.
Pour se déplacer un pilote peut agir sur trois axe en lien avec le centre de gravité de l'avion :
•
L'axe de tangage est actionné par les gouvernes de profondeur
• • D'une manière générale, les avions sont caractériser par la forme de leur voilure. Les 6 formes les plus connues sont :
7 Aile droit : Les ailes droites forment un angle droit avec l'axe du fuselage. Ce type d'ailes est utilisé uniquement pour les aérodynes ayant une vitesse relativement faible (inférieur à Mach 0.7). Exemple: MH-1521 Broussard
Aile elliptique : L'avantage de l'aile elliptique est la diminution de la courbure à son extrémité entraînant un écoulement aérodynamique homogène sur toute sa longueur et une
traînée
minimale
en
vol
subsonique.
L'inconvénient d'une telle aile est le vol à basses vitesses avec un décrochage
(voir page X ) plus
rapide et plus brutal. Exemple: Speed Spitfre
Aile trapézoïdale : Cette aile très performante se caractérise par un bord d'attaque avec un angle en fèche relativement faible, et un bord de fuite ayant un angle en fèche « inversé ». Ça s’appelle un angle à négative. Comme l'aile elliptique, l'aile trapézoïdale a un écoulement aérodynamique homogène sur toute sa longueur mais à basses vitesses
le
décrochage
est
plus
rapide.
Exemple: Lockheed F-22 Raptor
Aile volante : L'aile volante ne possède ni fuselage, ni empennage horizontal. Certaine comme le bombardier stratégique Northop B2 n'a plus de dérive. Exemple: Northop B2
8
La Flèche : Caractérisée par l'inclinaison de l'aile par rapport au fuselage de l'avion Exemple: Airbus A320
Aile delta : L'aile delta est un type d'aile en forme de triangle. Ce type d'aile est bien adapté au vol
supersonique,
c'est
pourquoi
de
nombreux avions de chasse ont des ailes delta. Exemple: Dassault Mirage
Un avion vole et avance grâce aux force qui lui sont exercées. Celle qui permet d'avancer est la traction qui est en opposition avec la traînée qui attire l'avion vers l'arrière. La portance est la force qui permet de faire décoller l'avion, elle est donc logiquement en opposition avec le poids qui attire l'avion vers le sol. Pour expliquer les phénomènes qui vont suivre il nous faudra défnir la portance et la traînée.
9 La portance est une force qui n'est pas encore totalement défnie, plusieurs théories se contredisent car incomplètes et provoquent des débats actuelle sur le sujet même aux sein des écoles d'aviation qui n'enseignent pas toutes les mêmes principes. Pour nôtre TPE nous allons utiliser les trois principes de Venturi, Bernoulii et Newton qui son le plus couramment utilisés pour expliquer les phénomènes simple de portance.
Une partie du phénomène de portance est expliqué par la troisième loi de Newton : « L'action est toujours
égale à la réaction ; c'est-à-dire que les actions de deux corps l'un sur l'autre sont toujours égales et dans des directions contraires », tiré de livre Philosophiae naturalis principia
mathematica. En efet les ailes des avions ne sont pas parallèles au sol, elles
sont
conçues
pour
être
légèrement inclinées vers le haut
Résultat de la simulation d'une souferie par ordinateur : Nous pouvons remarquer le rapprochement des flet d'air au niveau du bord la d'attaque et une augmentation des la vitesses des flets d'air sur l'extrados par rapport au décalage de ceux-ci avec leur opposé de l'intrados.
donc quand l'avion avance, l'aile pousse l'air devant et vers le bas avec sa forme qui accentue l'efet, et celui-ci réagit donc en poussant l'aile vers le haut.
Le principe de portance est complété par les principes de Bernoulli et celui de l'efet venturi. Grâce à la forme de l'aile la pression est plus forte sur l'intrados que sur l'extrados, c'est le résultat du rapprochement des flets d'air (voir schéma si dessus), et soumit à une forte pression un fuide se déplace plus vite qu'un soumit à une basse pression, c'est l'efet venturi. Et d'après le principe de Bernoulli l’accélération d'un fuide se produit simultanément avec une diminution de pression, celle-ci va donc « aspirer » l'aile vers le haut permettant donc à l'avion de voler. Donc plus la vitesse de l'avion est élevé, plus la portance est importante.
10 La traînée quand à elle est essentiellement du au frottement de l'air sur l'appareil. Plus un avion sera volumineux, plus il créera de traînée, et au contraire plus un avion sera « mince », moins il créera de traîné.
L'expérience avec les résultats (1) Nous allons mettre en évidence les théorèmes cité précédemment à l'aide d'un montage reproduisant les conditions de vole théoriques d'une aile en mouvement :
Une vidéo de l'expérience a été mise sur YouTube. l'URL est le suivant : https://www.youtube.com/watch?v=HOwxNlKzdAE
11 Nous disposons de:
•
Une aile en polystyrène que nous avons construit à l'aide de plusieurs blocs de polystyrène récupéré dans des emballages et que nous avons taillé sur un modèle biconvexe à l'aide d'une scie. Nous l'avons par la suite équipé d'un crochet.
•
D'un soufeur à feuille de jardin qui va nous permettre d'imiter l'air qui afuerai sur une ail en vol. Pour ne pas être déviée l'aile sera guidée par deux fl de nylon qui la guideront.
12 •
De 4 dynamomètre qui vont nous servir à calculer l'intensité de la portance exercée sur l'aile en Newton (N). Ils seront relié à l'intrados de l'aile un par un avec des crochets.
•
D'un pressiomètre qui va nous permettre de mettre en évidence les diférence de pression entre l'intrados et l'extrados. Lorsque que l'aile sera rendu à son altitude « maximale » nous prendrons manuellement les deux mesures qui seront exprimée en hectopascal (hPa).
13 A la suite de notre expérience nous avons obtenu les résultats suivant :
(La pression atmosphérique environnante a été mesuré à 1022 hPa). Incidence
Portance
Pression
Pression
Intrados
Extrados
0°
〜1N
〜 1018 hPa
〜 950 hPa
5°
〜 3,5 N
〜 1018 hPa
〜 962 hPa
8°
〜5N
〜 1017 hPa
〜 962 hPa
11°
〜7N
〜 1017 hPa
〜 975 hPa
14°
〜 8,5 N
〜 1015 hPa
〜 980 hPa
17°
〜 8 N puis 0 N après quelques secondes
〜 1013 hPa
〜 1011 hPa
Portance (N)
0
5
8
11
14
17
Incidence (°)
Nous constatons à la suite de cette expérience que les théorie cité tout à l'heure s'applique à notre aile, nous pouvons confrmer que dans notre cas la pression est plus importante sur l'intrados que sur l'extrados. En revanche nous remarquons aussi que plus l'incidence est importante , plus la portance est élevé jusqu'à un stade ou elle ne décolle plus, la portance redevient nul. Cette inclinaison est appelé le point de décrochage. Celui ci varie d'une aile à l'autre mais reste globalement le même à quelque degré prêt. (Pour établir notre graphique nous avons regarder sur internet le
point de décroche de notre aile
14 II – Explication des force qui s’exercent sur l'avion Le décrochage
Le décrochage est le phénomène non mécanique qui cause le plus d'accident. Quand un avion décroche les ailes perdent toutes l’adhérence à l'air quelle ont acquises avec la vitesse et l'incidence en entraînant l'avion dans une chute libre. Il est bien-sur possible de reprendre le contrôle d'un avion après qu'il ait décroché, mais le plus souvent cela arrive au décollage, et l'avion étant trop près du sol, le pilote n'a pas le temps de faire les manœuvres nécessaires.
Nous avons remarqué précédemment que le décrochage apparaît à la suite d'une incidence trop importante. En efet comme tout fuide l'air à une viscosité c'est pour cela qu'il suit la courbure de l'extrados de l'aile, c'est l'efet Coanda, on dit qu'il y a « une bifurcation stationnaire d'un écoulement fuide ». Lorsqu'il y a une trop forte incidence l'écoulement du fux d'air qui suit l'extrados n'adhère plus à la paroi de l'aile. L'efet Coanda n'est plus justifé, il se crée alors une zone de tourbillons au niveau de l'extrados et le phénomène de sustentation (portance) devient nul.
Schéma représentatif d'une phase de décrochage
15 Il n'y a alors plus de diférence de pression en l'intrados et l'extrados de l'aile, ce qui entraîne la chute libre de l'avion.
Le décrochage est l'une des principales raison de l’emploi d'ailes delta au lieu d'aile en fèche sur certain avions.
Nous allons maintenant expliquer ces raisons en étudiants les formes de ces deux types d'aile dans un premier temps, puis dans dans un second temps en comparant les diférentes mécanique de vol (A CHANGER!!) lié à ces ailes.
III - Spécifcité des confguration en fèche et delta 1. Explication de la forme et principale utilisations
L'aile en fèche est la confguration la plus utilisé. Les modèles d'avion les plus connus comme l'Airbus A380 ou le Boeing 747 ont une telle confguration.
Ces ailes sont utilisées pour des avions allants à des vitesse subsonique ou transsonique car cette confguration
n'est
pas
adaptée
aux
voles
supersoniques. Toute leur efcacité réside dans la valeur de l'angle en fèche des ailes. C'est l'angle formé entre le lieu des points situés au quart avant de la corde moyenne et l'axe transversal.Plus un
Axe transversal
avion vole vite, plus son angle en fèche dois être élevé jusqu'au cas des transsonique ayant un angle
Corde moyenne
de fèche si important que ces ailes pourrait se confondre avec une confguration delta.
Angle en fèche
16 2. Explication de la forme et principale utilisations
L'aile delta est caractérisé par la sa voilure en forme de triangle isocèle, d'où le nom delta venant de la lettre grec Δ. La forme isocèle n'est qu'une basique, il existe des nombreuse sortes de confguration delta, les plus utilisé étant l'aile delta gothique qui est aussi la plus complexe qui est utilisé sur le concorde et l'aile delta tronqué qui est utilisé dans l’aviation militaire car elle permet d’accrocher en bout d'aile des missiles « air-air ou des réservoirs de carburant.
En efet les confguration delta sont majoritairement utilisés sur les avions de chasse, sauf dans le cas exceptionnel des deux avions civil Concorde et Tupolev Tu144 qui en ont aussi. Ces ailes sont conçues spécialement pour les avions devants voler à Mach 1 ou plus et ofre une très grande maniabilité qui est très rechercher dans la conception de futur avions de chasse.
Delta Tronqué
Delta Simple
Delta Gothique
Contrairement à un tronçon d'aile en fèche, l'aile delta n'est pas convexe mais symétrique et possèdent un bord d'attaque pointue qui va permettre une meilleur utilisation de l'avion à des vitesse supersoniques.
Nous allons maintenant voir en quoi les ailes en fèches ne sont pas adaptées au vol supersoniques.
17 Dans un premier temps, nous allons utiliser un
exemple
simple
pour
répondre
à
notre
problématique. Prenons une voiture qui roule vite, 2 casques mis chacun leur tour sur une tête vont symboliser les ailes. La notion essentielle qui sera abordée ici est l’aérodynamisme et donc aussi la
Casque 1
traînée.
Plus une aile est aérodynamique et moins elle ofre de résistance dans l’air lors de son avancée, donc entraîne une plus faible traînée. Imaginons qu'une
personne
enfle
un
casque
très
Schématisation du chemin des flets d'air arrivant sur la face avant du casque aérodynamique.
aérodynamique en forme de fèche dans une voiture qui roule à 200 km/h et qu'elle sorte sa tête par la fenêtre, face au vent. Elle ressentira une force très élevé sur son coup mais pourra encaisser le choc sans problème. Maintenant cette même personne, dans la même voiture, à la même vitesse, enfle un casque qui n'est pas du tout aérodynamique avec une surface frontale plate. Au moment de sortir sa
Casque 1
tête par la fenêtre on peut imaginer que cette personne va s'en doute ressentir une force exercée sur
sa
nuque
beaucoup
plus
importante
que
précédemment au point de se briser le cou …
Schématisation du chemin des flets d'air arrivant sur la face avant du casque plat.
En efet les molécules composant l'air ne sont pas évacuées assez facilement par le dessus ou les côtés et stagne au même endroit.
C'est comme si notre cobaye se trouvait face à un mur qui devient de plus en plus dur et qu’il lui faut absolument traverser. C'est exactement ce qui se passe dans le cas d'un avion. Remplaçons les casques par des ailes et la force que fourni le cobaye pour tenir sa tête droite par la force des réacteur d'un avion.
18 Nous comprenons maintenant que pour aller plus vite il est nécessaire d'augmenter l'angle en fèche de façon à atteindre la vitesse voulue, ou plus simplement pour limiter la consommation de
carburant. En diminuant
l'angle en fèche on arrive à la limite où les ailes se retrouve presque collés au reste de l'avion, c'est la confguration delta. C'est ce qui se
passe
sur
le
F-14
Tomcat
qui
a
la
particularité d'avoir des ailes à géométrie variables.
Dans certains cas, à force d’augmenter la fèche de l’aile, on en vient à l’extrême en l’enlevant carrément, et on ne garde que le
Un F-14 Tomcat avec ses ailes dépliées puis repliées.
fuselage et les gouvernes de contrôle : c’est un missile. La forme les plus aérodynamique. Les avions n'adoptent pas une telle forme car elle n'est pas faite pour devoir se poser. Le X15 par exemple qui ressemble à un missile volant se posait à des vitesses de l’ordre de 400 km/h.
X-15 de la NASA
L'avantage du concorde, ou des autres avions militaire à aile delta, est qu'il a assez de fèche pour garantir une vitesse maximale, mais aussi une surface alaire sufsamment importante qui ofre la possibilité de se poser à des vitesses raisonnables, compatibles avec la longueur des pistes des aéroports.
Il faut savoir que les objet qui vibrent et agitent l'air autour d'eux font du bruit, les réacteur d'avion en font partis.
19 A l’arrêt les ondes sonores se déplacent en formant des cercles autour de l'avion. Quand l'avion est en vol il se déplace en même temps que les ondes sonores, celle-ci apparaissent donc logiquement plus resserrées à l'avant de l'appareil et plus éloigné à l'arrière. À vitesse transsonique et supersoniques il est impossible au ondes sonores de s’éloigner par l'avant de l'appareil, celle-ci s'y accumulent donc puis créent une onde de choc extrêmement puissante qui est appelé « Bang Supersonique ». Le mot « Bang » vient aussi de la forte intensité du bruit que dégage une tel onde. Elle peut être perçue tant que l'avion vole à une vitesse supérieure ou égale à mach 1 et pas seulement au moment où l'avion dépasse cette limite.
Le bang supersonique met à rude épreuve tout la structure de l'appareil. Notamment celle des avions ayant une confguration d'aile en fèche.En efet le bang se manifeste sous la forme d'un cône appelé « Cône de Mach » don la pointe se situe à l'avant de l'avion et qui se prolonge vers son arrière :
Un avion en vol supersonique et la visualisation du cône de Mach que l'on peut voir grâce à la condensation de la Cône de Mach
vapeur d'eau contenue dans l'air.
20 Comme les ailes en fèche n'ont que très peut de surface comparé aux ailes delta elle doivent la compensé en augmentant leur longueur, donc la largeur de l'avion. Or en allongeant la largeur de l'avion, le cône de mach va se heurter contre les ailes. Dans certain cas l'avion est démembré :
Pour expliquer le fait que les ailes en fèche sont moins adaptée aux vitesses supersonique il faut s'intéresser l'équation de la théorie de l'énergie cinétique dans un gaz et celle permettant de calculer la vitesse du son dans un gaz parfait.
Nous savons que les frottements et températures sont liée. Une augmentation de la vitesse des corps en contactes entraîne une intensifcation des frottements, donc une hausse de température. Dans le cas des avions, le phénomène s'explique par la théorie de l'énergie cinétique des gaz dont l'équation est:
21 où : Ec est l'énergie cinétique du gaz v est la vitesse (m.s-1) T est la température en Kelvin (C° + 273) kB est la constante de Boltzmann (1,38 * 10-23 J . k-1) m est la masse
D'après la première partie de l'équation, une augmentation de la vitesse mène à une augmentation de l'énergie cinétique de l'air. Or, d’après la seconde partie de l'équation, une augmentation de l'énergie mène à une augmentation de la température.
Ce phénomène peut s'expliquer par la lois de conservation de l'énergie. En efet l'énergie cinétique ne pouvant être stockée par l'air se transforme en énergie thermique.
22 Nous allons considéré que l'air peut être assimiler à un gaz parfait dans notre étude car c'est le cas des principaux gaz composant l'air, le diazote et le dioxygène :
où : v est la vitesse (m.s-1) γ est le rapport des chaleurs spécifques, T est la température en Kelvin (C° + 273) k est la constante de Boltzmann (1,38 * 10-23 J . k-1) m est la masse d'une molécule (à ne pas prendre en compte dans notre cas car l'air est composé de diférentes molécules) R est la constante des gaz parfaits (produit du nombre d’Avogadro et de k : 8,3144621 J⋅mol-1⋅K-1) M est la masse molaire du gaz.
Nous pouvons remarquer que dans cette équation il y a la variable de la température qui se trouve au niveau du numérateur. Donc nous pouvons en conclure que plus la température est élevé, plus la vitesse du son est élevé.
Si nous reprenons un schéma représentant la direction des flet d'air sur une aile en vole nous pouvons remarquer que les zone exposé aux frottement d'air les plus importants sont le bord d'attaque et le bord de fuite.
En efet si nous considérons que le flet d'air principale a une valeur de 100 sur 100, les flets d'air sur l'extrados et l'extrados auront alors une valeur théorique de 50 sur 100.
23 Comme les flets d'air provenant de l'extrados et de l'intrados se regroupe sur le bord de fuite, la valeur y est de nouveau de 100 sur 100. Tout comme sur le bord d'attaque. Nous savons aussi que les frottements peut importe leur nature sont une source de la chaleur. En vol les zone les plus chaudes sont alors le d'attaque et le bord de fuite, la vitesse du son y est donc plus importante. Les ondes de chocs si produiront donc plus tard que sur l'extrados et l'intrados. On peut dire d'une certaine manière que des parties de l'avions peuvent donc aller à des vitesses supersoniques alors que d'autres sont encore à des vitesses subsoniques.
C'est zones de chocs vont « cassés » l'écoulement laminaire de l’air au niveau de l'extrados. Cela donne
lieu
tourbillonnaire
à
un
comme
Ecoulement supersonique
Onde de choc importante
écoulement lors
d'une
phase de décrochage. Si c'est chocs se produisent trop à l'avant de l'aile
Voilure conventionelle
Écoulement toubillonaire
où avec une intensité importante un décrochage peut avoir lieu car l'air n'aura
pas
eu
le
temps
de
sufsamment adhéré à l'aile.
Le
Onde de choc affaiblie
physicien et ingénieur aéronautique Richard T. Whitcomb a étudier le
Profle supercritique
problème et a obtenue le profl supercritique.
Du fait de sa faible courbure sur l'extrados, les zone de frottement intensif avec l'air sont plus larges. L'onde de choc ne pouvant être évité, se produira plus en arrière avec une intensité plus faible qu'avec un profl conventionnelle. Ceci permet d'assurer une adhérence sufsante de l'air à l'extrados en permettant à l'avion d'aller à des vitesses supersonique durant de courtes distances. En efet, du fait de la forme d'une confguration en fèche, une vitesse supérieur à Mach 1 ne peut être tenue longtemps à cause des frottements de l'air qui induisent une forte traînée.
24 Au contraire si l'avion est destinée à faire de long trajet en vitesse supersonique il doit adopter un confguration en aile delta. Avec ce genre d'aile les ondes de chocs ont peut d'infuence.
En efet si nous regardons la voilure du concorde nous pourrons voir qu'elle est courbée de toute part :
Nous pouvons voir que l'avant de l'aile est courbé vers le bas. Et que l’arrières l'est aussi latéralement.
Cela permet à l'air de « s'accrocher » plus facilement à l'aile en suivant sa courbure.
De plus si nous revenons à ce qui a été dit précédemment nous remarquons que les ondes de chocs provenant du nez de l'avion ont peut de chance de heurter la voilure de l'avion.
Une confguration delta a une largeur beaucoup moins importante et un angle en fèche plus important que sur confguration en fèche. L'onde de choc passe alors à côté de l'aile sans la touché.
25
Maintenant une question logique survient : « Pourquoi est ce que tous les avions n'ont
pas
d'aile
delta
car
cette
confguration
comporte
apparemment
peut
d'inconvénient par rapport à une confguration en fèche ? ».
Pour répondre à cette question il faut que nous nous souvenions des principes fondamentaux : pour augmenter la portance exercée sur un avion il faut, soit augmenter sa vitesse, soit augmenter son incidence.
Comparons le concorde avec l'avion le plus utilisé au monde, le Boeing 747. Le Boeing 747 a bien sûr une confguration en fèche mais une envergure de 60 mètres contrairement au concorde qui en a une de seulement 25 mètres.
A une même vitesse (ex : Mach 0,6) le concorde devra avoir une incidence beaucoup plus importante que le 747 pour avoir une portance sufsante. D'autant plus que celle-ci n'est pas proportionnelle à l'incidence mais évolue de façon exponentielle.
26 En efet de part son envergure le Boeing 747 aura à sa disposition une plus large « bande d'air »
~ 25 m
que le concorde pour créer de la portance, il n'aura donc pas besoins d'avoir une incidence aussi importante que sur ce dernier. Mais plus une aile à une
incidence
importante
moins
elle
est
aérodynamique car l'envergure de la face bloquant l'écoulement l'air est plus grande. Cela est d'autant plus vrai pour les avions à aile delta qui on une surface de voilure beaucoup plus importante que chez les avions à ailes en fèche. Logiquement moins d'aérodynamisme entraîne une intensifcation en
la
traînée
qui
nécessite
d'augmenter
la
puissance des réacteur donc de consommer plus de carburant. C'est justement ce que les constructeurs et les compagnies aériennes veulent éviter. Pour être utilité de manière optimisé, le concorde doit donc voler à des vitesses supersoniques qui lui
~ 60 m
permettront d'avoir une portance convenable.
C'est ce qui fait la particularité de cette avion: « Plus il va vite, moins il consomme ! »
Nous avons vu au début du dossier sur les mach que plus l’altitude augmente, moins il y a de pression et donc plus les gaz se dilatent. Donc pour atteindre sa vitesse de croisière pouvant être de Mach 2, le concorde devait augmenter son altitude pour limiter les frottements avec l'air de façon à diminuer l'intensité de la traînée.
Cependant cette augmentation
d’altitude amène encore a un inconvénient de l’aile delta, en efet sur le plan humain une augmentation de l’altitude de vol provoque aussi des risques liés à la sécurité des personnes présente a bord de l’appareil.
27 En efet il faut savoir que l’air que nous respirons est composé, quel que soit l’altitude et la pression atmosphérique, d’oxygène (21%) d’azote (78%) et de gaz rare (1%). Pour garder un niveau d’oxygène dans le sang sufsant, il faut donc à haute altitude inhaler un volume d’air plus important qu'à basse altitude. Le palier maximal pour que l’on puisse respirer normalement (sans aucun trouble respiratoire) est de 2500 mètres. Cependant les vols commerciaux dépassent largement ce palier en volant à des altitudes avoisinants les 10000-12000 mètres et le concorde a plus de 20000 mètres. Il a alors été mis en place un système de pressurisation de l’air. Ce système maintient une pression atmosphérique cabine équivalente au palier de 2500 mètres.
Sans ce système les personnes à bord soufriraient d’hypoxie, un problème lié a une sous oxygénation des cellules qui peut mener à une perte de connaissance ou au décès.
Ce phénomène survient suite a une décompression lente ou explosive (rapide) liée a des problèmes mécaniques ou accidentels.
Pour en revenir au sujet des ailes,
une
dépressurisation
a
20000 mètres avec des passages est
beaucoup
qu’une
plus
dangereuse
dépressurisation
a
un
niveau inférieur. En efet le temps de conscience utile passe de 1 minute pour un vol normal à 30 secondes pour un vol à bord du concorde. C'est la période pendant laquelle un individu dispose de facultés
intactes,
notamment
intellectuelle. C’est donc un critère supplémentaire qui s’ajoute sur la balance en défaveur a l’aile delta pour usage commercial.
28
29 VII -Sources :
•
http://www.cnrs.fr/ (centre national de recherche scientifque )
•
https://www.nasa.gov/ (la nasa)
•
http://www.onera.fr/ (centre français de recherche aérospatial)
•
http://www.lavionnaire.fr/ (site sur les principes aéronautiques)
•
http://accrodavion.be/Accrodavions/index.html (idem)
•
https://fr.wikipedia.org/wiki/Aile_delta (Wikipédia)
•
https://fr.wikipedia.org/wiki/Angle_de_f%C3%A8che (Wikipédia)
•
http://cockpit.francois.pagesperso-orange.fr/actualite36.html
(site
de
Mr François qui nous a aidé au sujet du concorde)
•
http://www.aerobigorre.org/bia/download/tome_2_aerodynamique_mec anique_du_vol.pdf
(document sur les mécaniques de vol destiné au pilotes
voulant passer leur permit de vol) •
Science&Vie Junior, MONDADORI FRANCE, numéro 316, Janvier 2016, Dossier Science STAR WARS, 99p (Revue)
•
Science&Vie, MONDADORI FRANCE, numéro 32, Avril 1992, Les avions supersoniques, 43p (Revue)
•
Science&Vie,
MONDADORI
FRANCE,
numéro
250,
Juillet
2010,
Concorde, l'avion qui ft rêver la France, 43p (Revue)
•
PRINCIPES MATHÉMATIQUES DE LA PHILOSOPHIE NATURELLE. Titre original: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Londres, 1687. TOME I. Paris: Dessaint & Saillant et Lambert, Imprimeurs, 1759, Tome I,
437p
(Traduction
française du livre Philosophiae Naturalis Principia
Mathematica de Newton) •
Concorde : La véritable histoire, Sparaco Pierre, Clichy (Hauts-deSeine) : Larivière, 2002, Docavia, 207p. (un passionné raconte l'histoire du
concorde sans trop prendre de temps pour les principes physiques et mécaniques)