MECANIQUE ET PRINCIPE DU VOL ULM
(Contenu exact de ce document accessible en compte Premium )- Le poids : c'est la charge combinée de l'aéronef lui-même, le pilote et ses passagers, le carburant, les bagages. Le poids tire l'ULM vers le bas en raison de la gravité. Il s'oppose à la portance, et agit vers le bas verticalement au travers du centre de gravité (CG).
a) le facteur de charge : Le facteur de charge est le rapport de la portance sur le poids.
Une partie de la puissance du moteur est principalement absorbée par la traînée de l'hélice et l'inertie de l'hélice en mouvement.
1 - Les forces qui agissent sur l'ulm :
On retiendra que plus l'hélice a de pales, plus la puissance absorbée augmente.
Les variations de la puissance du moteur provoquent des effets secondaires qui imposent des manoeuvres correctives. Les effets moteur vont agir sur :
En s'abaissant, il augmente la courbure de l'aile, et en reculant il en augmente la surface. Notez que les volets Fowler sont aussi équipés de fente pour redonner de l'énergie aux filets d'air de l'extrados.
Sur les avions légers, ce phénomène est pratiquement inexistants vu leurs faibles envergures.
Retenez que les valeurs de la portance et de la traînée sont proportionnelles au carré de la vitesse.
IV - Stabilité et maniabilité
Le rayon de virage : Le rayon mesure la taille du cercle décrit par un avion pour une inclinaison et une vitesse données. En palier, à inclinaison constante, vous augmentez votre vitesse en virage, le rayon de virage va augmenter.
2- le lacet : l'hélice souffle de l'air sur l'empennage vertical, influant ainsi sur les mouvements de lacet de l'avion.
en bleu clair, la surface 'alaire'
Le rendement d'une hélice est défini par le rapport : Puissance utile / puissance absorbée.
On parle de 'pas' pour une hélice, pour faire référence à son angle d'incidence.
b) la traînée : La traînée est la force qui résulte de la résistance du mouvement de l'aéronef dans l'air. Il y a deux types de traînée : la traînée parasite et la traînée induite. La première est appelée parasite car elle n'est pas due à la génération de portance pour aider au vol. La seconde est la traînée induite car elle résulte de la génération de portance nécessaire au vol (elle est induite par la portance, d'où son nom).
a) les volets : Les dispositifs hypersustentateurs (volets) sont utilisés pendant les phases de décollage et d'atterrissage.
La pente : angle entre le vent relatif et l'horizontale.
La traînée engendrée par l'aile dépend donc de la masse volumique de l'air, de la vitesse du vent relatif, de la surface alaire, de l'incidence de l'aile et de la forme du profil d'aile.
Dièdre (d'une aile) : angle des ailes avec l'horizontale (plus précisément, pour l'examen, c'est l'angle que forme le plan horizontal avec l'axe longitudinal de l'aile).
- VNO (Velocity Normal Operating) : vitesse à ne pas dépasser en atmosphère turbulente.
Par contre, on notera que braquer les ailerons pour s'incliner, provoque un effet secondaire appelé lacet inverse. En effet, en inclinant l'ULM à droite, l'aile gauche aura plus de traînée que l'aile droite, et l'ULM va partir en lacet à gauche (direction opposée au virage) :
b) la gouverne de direction : A l'arrière de l'empennage vertical, ou dérive, se trouve la gouverne de direction :
- VNE (Velocity Never Exceed) : vitesse à ne jamais dépasser.
Pour éviter des efforts importants, le compensateur va créer une force aérodynamique directement au niveau de la gouverne de profondeur. En réglant correctement ce compensateur, les efforts au manche seront nuls.
2 - les gouvernes secondaires : Il s'agit des commandes qui ne sont utilisées que pendant certaines phases du vol. Elles comprennent les dispositifs hypersustentateurs (volets et becs de bord d'attaque) ainsi que les aérofreins.
La vrille est un décrochage dissymétrique entretenu. Le virage engagé ressemble un peu à l'autorotation ou à la vrille en ce sens que l'ULM décrit une spirale descendante très serrée, mais ces deux phénomènes sont pourtant radicalement différents.
Pour sortir du virage engagé, il faut réduire les gaz immédiatement, mettre les ailes à plat, puis opérer une ressource souple.
Il en résulte un moment de tangage à piquer, qu'il faudra corriger par une action à cabrer si on veut maintenir le palier.
Si vous volez sur un ULM avec une hélice à pas variable, vous disposez d'une manette spécifique située à côté de la manette des gaz, cette manette est dotée d'une poignée bleue (pour rappel, la commande des gaz est noire et celle de la mixture est rouge), vous permettant de modifier le pas de l'hélice pendant le vol. Vous décollerez en plein petit pas (en poussant la manette bleue à fond vers l'avant), puis en croisière vous mettrez en grand pas (en tirant progressivement la manette bleue vers vous), enfin lors de l'approche, vous reviendrez en petit pas (manette bleue vers l'avant).
n = 1 / 0,5 = 2.
Cz = coefficient de portance, paramètre fonction de la forme du profil et de l'incidence.
VI - Hélice et effets moteurs
d) le vol dissymétrique/dérapé et la vrille (autorotation) : Le vol est dit dissymétrique lorsque le fuselage n'est plus dans l'axe de la trajectoire du vol et offre une plus grande surface au vent relatif. Il augmente donc la traînée.
En aviation générale, la plupart des ULM disposent d'une hélice à calage fixe. Ces hélices peuvent être à 'petit pas' ou à 'grand pas'.
Lors de l'atterrissage l'aile va subir moins de traînée, et l'ULM va perdre moins de vitesse, la distance d'atterrissage va s'allonger. Il faut tenir compte de l'effet de sol dans le cas où vous vous posez sur une piste courte.
Le dièdre est généralement positif, améliorant ainsi la stabilité en roulis.
f) les vitesses caractéristiques d'un ULM :
II - les effets moteurs liés à l'hélice :
- inclinaison 60° --> facteur de charge = 2
I - les hélices :
Notez que si vous passez rapidement d'une montée ou du vol en palier, à une descente, le facteur de charge sera négatif (vous décollez de votre siège !). Le facteur de charge augmente aussi en virage, en fonction de notre inclinaison.
Cet ensemble (aile+volet) aura plus de courbure, ce qui produira plus de portance, mais en même temps génèrera plus de traînée, ce qui permet de réduite la vitesse de décrochage mais diminue également la la distance de plané maximum.
L'effet de sol permet une diminution de la distance de décollage, par contre, comme l'ULM pourra se retrouver en vol à une vitesse faible près du sol, dès qu'il s'en éloignera, il ne bénéficiera plus de l'effet de sol et cette vitesse faible sera insuffisante pour générer suffisamment de portance, l'ULM risquera de décrocher.
Le virage engagé peut survenir au cours d'un vol touristique, notamment au cours d'un virage serré effectué à basse hauteur, où le pilote peut être surpris de se retrouver avec une importante assiette à piquer.
1- le roulis : l'hélice tournant dans un sens, l'avion aura tendance à tourner dans le sens opposé. Une modification du régime, entraînera un roulis
La limite de centrage correspond à la limite d'efficacité de la gouverne de profondeur.
Les 3 axes d'un ULM :
Par exemple, si vous devez en permanence pousser sur le manche pour ne pas monter, alors vous agirez sur le compensateur dans le même sens, vous le pousserez pour annuler l'effort aux commandes.
Puissance utile : puissance fournit par l'hélice
Un ULM centré arrière sera peu stable, mais très maniable.
On note aussi que si, en vol rectiligne horizontal, on appuie sur le palonnier droit, cela entraîne une rotation autour de l'axe de lacet vers la droite (le nez part vers la droite). Comme l'ULM est maintenant en vol dissymétrique les 2 ailes ne vont pas subir le vent de la même façon. L'aile en avant (gauche) va subir plus de portance que l'aile en arrière (droite). L'ULM va partir en roulis à droite. C'est ce que l'on nomme le roulis induit.
Retenez qu'une hélice ayant un 'petit pas' permet de meilleures performances pour les phases de décollage ou de montée, lorsque l'ULM a une vitesse faible et beaucoup de puissance.
S = surface alaire
Si ensuite vous repassez en vol en palier, vous allez pousser le manche pour diminuer l'incidence afin de diminuer la portance. La traînée va également diminuer, il sera nécessaire de diminuer la traction pour ne plus accélérer.
I - Définitions :
Il est important de retenir que lorsque le facteur de charge augmente, la vitesse de décrochage augmente, mais l'incidence de décrochage ne change pas. L'incidence de décrochage est une valeur fixe pour un profil et une configuration donnée.
Cx = coefficient de traînée, paramètre fonction de la forme du profil et de l'incidence.
III Les gouvernes, volets et le compensateur
En déplaçant le manche d'avant en arrière, on abaisse ou on fait monter la gouverne de profondeur, ce qui permet de faire bouger l'ULM sur l'axe de tangage (à piquer ou à cabrer).
n = 1 / cos inclinaison
L'extension des volets Fowler va augmenter la portance mais aussi déplacer le centre d'application de la résultante de la portance à l'arrière, car la surface de l'aile va augmenter vers l'arrière.
Une caractéristique essentielle qui distingue la vrille du virage engagé est la vitesse.
Lors d'une ressource (passage d'une descente à une montée, comme dans le cas de la descente en vue d'un atterrissage, suivi d'une remise de gaz) le facteur de charge augmente (notre poids apparent va augmenter, c'est ce qu'on appelle le facteur de charge).
p = densité de l'air.
Puissance absorbée : puissance absorbée par l'hélice, ou puissance fournit par le moteur à l'arbre de l'hélice.
- La portance : elle s'oppose au poids, elle est produite par l'effet dynamique de l'air sur un profil (l'aile en l'occurrence), et agit perpendiculairement à la direction de l'écoulement (la direction du vol) au travers du centre de poussée/pression du profil.
- inclinaison 30° --> facteur de charge = 1,15
Comprendre comment ses forces fonctionnent et savoir les contrôler à l'aide de la puissance moteur et des commandes de vol est essentiel pour le vol.
Le facteur de charge en virage est égal à l'inverse du cosinus de l'inclinaison :
'Le pied chasse la bille'.
d) le poids : Le poids se définit comme la masse multipliée par l'accélération de la pesanteur.
Les volets sortis changent le profil de l'ensemble aile+volet, ce qui permet de voler plus lentement. La vitesse de décrochage est diminuée.
La formule de la portance est : 1/2p S V² Cz
Le taux de virage est lié au rayon de virage et à la vitesse de l'avion par la relation suivante:
La bille part à gauche --> on met du pied à gauche
a) les ailerons : Les ailerons, situés en extrémité d'ailes, permettent en bougeant de changer la portance des ailes. Le manche à droite va lever l'aileron droit et diminuer la portance de l'aile droite. L'aileron gauche va se baisser et augmenter la portance de l'aile gauche. Comme l'aile gauche a plus de portance que l'aile droite, l'ULM va partir en roulis (autour de l'axe longitudinal) à droite.
- VFE (Velocity Flaps Extended) : vitesse maximale volets sortis.
L'angle de calage de l'hélice est l'angle entre la corde de référence de la pale et le plan de rotation.
Les palonniers commandent également la roulette de nez (train tricycle) permettant de contrôler l'avion au sol lors du roulage et lors de la course au décollage.
L'allongement (de l'aile) : c'est le rapport de l'envergure de l'aile sur sa corde moyenne.
Afin de limiter cet effet secondaire, la cinématique des tringleries de commandes d'ailerons est conçue de telle sorte que l'aileron qui se baisse, se baisse moins proportionnellement que ne se lève l'autre aileron, ceci afin de limiter la traînée différentielle :
Le volet de courbure à fente combine la rotation due au braquage avec un certain recul qui ménage une fente entre l'aile et l'avant du volet. En plus de l'effet du volet de courbure ordinaire, le volet de courbure à fente consiste à canaliser les filets d'air. L'effet de Venturi présent sur ce volet, permet l'accélération de l'écoulement sur l'extrados du volet de courbure où une turbulence importante se produit. La portance est augmentée en moyenne de 50 %. Cependant, ce type de volet doit avoir un braquage important. A 45°, l'augmentation est seulement de 20 %.
a) la poussée ou traction : Pour qu'un aéronef se déplace, la poussée (ou traction pour un avion à hélice) doit être plus forte que la traînée. L'aéronef continuera se déplacer et à gagner de la vitesse jusqu'à que poussée et traînée s'égalisent.
Vous devez donc tirer le manche vers vous pour cabrer légèrement l'ULM.
n = 1 / cos 60°
d) Le compensateur de profondeur : Le compensateur de profondeur est une petite gouverne 'ajoutée' à la gouverne de profondeur qui permet de diminuer les efforts du pilote sur l'axe de tangage. En fonction de la vitesse de l'avion, la position de la gouverne de profondeur va sensiblement être différente (pour une configuration donnée).
Un ULM centré avant sera très stable et peu maniable.
Le volet de courbure à fente :
Les quatre forces sont définies comme suit :
c) la profondeur : La gouverne de profondeur est la partie mobile de l'empennage horizontal :
Comme l'aile sous le vent est aussi masquée par le fuselage, L'ULM aura moins de portance, il faudra alors augmenter l'incidence de l'ULM pour garder le palier, et la traînée augmentera d'autant plus.
c) la portance : La portance est la composante de la résultante aérodynamique perpendiculaire au vent relatif. Lorsque l'avion avance, la vitesse d'écoulement de l'air est plus importante sur l'extrados que sur l'intrados de l'aile (le dessus et le dessous de l'aile), l'aile subit ainsi une dépression (elle est aspiré vers le haut) et une pression (elle est poussée par le bas).
V² = carré de la vitesse
- inclinaison 45° --> facteur de charge = 1,41
V - Étude du vol
Le taux de virage : Le taux de virage est le nombre de degré parcouru par seconde. Quand vous effectuez un virage au taux 1, vous effectuez un tour complet en 2 minutes (3°/seconde).
II - Aérodynamique du vol :
- La poussée ou traction : c'est la force propulsive produite par l'hélice. Elle s'oppose à la traînée. En règle générale, elle agit parallèlement à l'axe longitudinal.
En effet, lors d'une vrille on observe un décrochage d'une aile et une dissymétrie, tandis que lors d'un virage engagé, l'ULM vole parfaitement normalement à ceci près qu'il est en virage très serré avec une très forte attitude à piquer, et qu'il a de la vitesse (et celle-ci augmente rapidement).
g) l'effet de sol : Près du sol, l'ULM subit l'effet de sol : les tourbillons marginaux sont bloqués par le sol, il se créé une sorte de coussin d'air qui porte l'ULM.
Retenez ceci :
La traînée est la composante de la résultante aérodynamique parallèle au vent relatif.
La portance que va pouvoir générer votre avion varie également en fonction de l'incidence, si vous tirez sur le manche pour augmenter la portance (pour monter par exemple), vous allez également augmenter la traînée. Vous devrez alors augmenter la traction (mettre plus de gaz) pour contrer cet accroissement de traînée.
S'il est centré arrière, cela rendra l'ULM extrêmement sensible au moindre de vos mouvements sur la commande de la gouverne de profondeur. L'ULM est dit instable.
1 - les gouvernes primaires : Les gouvernes primaires sont les commandes utilisées pendant toute la durée du vol, et permettant de contrôler un aéronef. Ce sont les commandes de profondeur (manche), d'inclinaison (manche) et de direction (palonniers) qui assurent le contrôle de l'appareil autour des trois axes (roulis, lacet, tangage).
La maniabilité d'un ULM autour de l'axe de tangage dépend du chargement. En effet, en fonction de son chargement, un ULM sera plus ou moins maniable.
Le volet de courbure ordinaire :
Donc attention : si vous volez à 70 km/h et que vous faites une ressource de 2g, votre ULM va décrocher.
Assiette : angle compris entre l'axe longitudinal de l'aéronef et l'horizontale (c'est la position de l'aéronef sur l'axe de tangage).
Le volet de courbure ordinaire est le plus couramment employé. Il accroît la portance en augmentant la courbure du profil d'aile. Plus son braquage est important, plus le coefficient de traînée (Cx) augmente. La portance est augmentée d'environ 30 %. Enfin le profil d'aile décroche vers 11° ou 12° au lieu d'environ 15°.
2 - Évolutions de la portance et de la traînée :
Il est aussi important de signaler qu'un facteur de charge important va augmenter la valeur de votre vitesse de décrochage. Si votre ULM décroche habituellement à 60 km/h, sous un facteur de charge de 2g (2 fois la gravité), il décrochera à 60 x racine carrée de 2 = 85 km/h.
En descente en planer, une portion du poids est dirigé vers l'avant, et ainsi, agit comme de la poussée.
Dans les formules de portance et traînée du paragraphe précédent, on trouve l'élément V², ce qui signifie que la portance et la traînée varient, entre autre, en fonction du carré de la vitesse. Si la vitesse de l'avion est doublée, la portance et la traînée sont multipliées par 4.
La surface alaire : c'est la surface totale de la voilure y compris celle qui traverse le fuselage.
Plus on va vite dans le virage, plus le rayon du virage va être grand.
b) les becs :
Le risque d'un décrochage dissymétrique est d'entraîner une vrille (autorotation). Se trouver dans cette situation difficile est la conséquence directe d'un mauvais contrôle de la symétrie du vol associé à une forte incidence :
Angle d'incidence : angle compris entre la corde de référence d'un profil et la direction du vent relatif.
Equation de la traînée est : 1/2p S V² Cx
Un vol dissymétrique peut se détecter à l'aide de la bille. L'action à apporter lors d'un vol dissymétrique est une action sur le palonnier :
En revanche, un centrage trop avant vous rendra moins maniable, mais votre ULM sera plus stable.
Poussée, traînée, portance et poids sont les forces agissantes sur tous les aéronefs en vol.
Une hélice avec un 'grand pas' permet de meilleures performances en croisière.
e) le virage engagé :
p = densité de l'air
Si le centre de gravité de votre ULM se situe en avant de la limite avant de centrage le contrôle en tangage est insuffisant même avec un braquage maximal de la gouverne de profondeur.
b) la vitesse de décrochage : Le décrochage se caractérise par une perte de la portance. La vitesse de décrochage est influencée par le facteur de charge, la masse, la configuration de l'ULM. Si vous ajoutez une charge dans votre aéronef (passagers, bagages, essence), la vitesse de décrochage augmente.
Le volet Fowler :
En montée, une portion de la poussée est dirigée vers le haut, et agit comme si c'était de la portance supplémentaire, pendant qu'une portion du poids est dirigé en arrière, et agit comme si c'était de la traînée supplémentaire.
S = surface alaire.
3- le tangage : l'hélice souffle sur l'empennage horizontal. Une augmentation de ce souffle entraînera une déportation plus importante de l'empennage horizontal et un effet à cabrer de l'avion. Le point d'application de la force de traction de l'hélice par rapport au centre de gravité est aussi un facteur d'influence du tangage lors des variations de régime moteur.
Une mise en virage classique exige donc une action conjuguée des ailerons (pour incliner l'ULM), de la gouverne de direction (pour conserver la symétrie du vol) et de la gouverne de profondeur (pour augmenter la portance).
c) les spoilers/aérofreins : Les aérofreins ne sont pas des dispositifs hypersustentateurs. Ils permettent de générer de la traînée pour rapidement perdre de l'altitude et/ou freiner l'ULM. Au sol, ils permettent de détruire la portance pour arrêter l'avion sur une plus courte distance.
Les palonniers actionnent la gouverne de direction, permettant de faire tourner l'ULM autour de son axe de lacet. En appuyant sur le palonnier droit, la gouverne de direction se braque vers la droite, et inversement. La gouverne de direction permet à l'ULM de voler symétriquement.
Ce sont quelques valeurs utiles à connaître :
Taux = vitesse / rayon
En vol en palier stabilisé, la somme de ses forces est toujours de zéro. Cela ne signifie pas que les quatre forces sont toutes égales, mais que les forces qui s'opposent sont égales, et ainsi s'annulent entre elles.
Plus vous allez vite, plus le taux de virage est diminué, pour une même inclinaison.
Si la limite est dépassée, la gouverne de profondeur ne sera plus efficace pour certaines vitesses et phases du vol. L'ULM pourra être incontrôlable.
Les becs sont des dispositifs d'hypersustentation qui sont situés sur le bord d'attaque de la voilure. Ils se déploient vers l'avant et permettent d'augmenter l'incidence (l'angle) de décrochage. La vitesse de décrochage sera ainsi plus faible.
V = vitesse.
- La traînée : elle s'oppose au mouvement des frottements aérodynamiques (la portance). C'est une composante perpendiculaire à la portance. Elle agit donc pour s'opposer au mouvement de l'objet. Dans le cas de propulsion de l'ULM, elle s'oppose à la poussée. Elle s'exerce parallèlement à la direction de l'écoulement de l'air.
Revenons maintenant plus en détails à nos quatre forces :
c) le vol en virage : Pour virer, il faut incliner la portance du côté du virage. Si en plus on veut maintenir le palier (c'est-à-dire ne pas descendre ou monter) il faut augmenter la portance car le facteur de charge augmente en virage (notre poids apparent augmente en virage).
Différents types de volets :
En aviation générale, les spoilers ou aérofreins sont utilisés sur des ULM-motoplaneurs uniquement.
Calage de l'aile : angle formé par la corde du profil de l'aile et l'axe longitudinal de l'avion. Le calage est une position fixe déterminée par les ingénieurs lors de la conception de l'ulm, et indépendant de la position de l'ulm par rapport à l'horizontale.