BM'ULM — Mémo brevet théorique pilote ULM

Principes de physique, mécanique de vol & décrochages

Principes de physique utilisés en aéronautique

Effet Venturi

• Giovanni Battista Venturi (Italien, 1746-1822), physicien
• A découvert la relation entre la vitesse d'un fluide et sa pression
• Dans le cas d'un écoulement d'un fluide, quand la section diminue, la vitesse augmente. Quand la section augmente, la vitesse diminue :

Principe de Bernoulli

• Daniel Bernoulli (Suisse, 1700-1782)
• Mathématicien et physicien, fondateur de l'aérodynamique
• A découvert les principes de base du comportement d'un fluide
• Lorsque la vitesse d'un fluide incompressible augmente, sa pression statique diminue
• L'air est accéléré lors de son passage dans un conduit plus étroit
• Une dépression se crée dans la section réduite
• La température diminue dans la section réduite

Il faut faire attention car cette baisse de la température augmente le risque de givrage dans le carburateur.

Forces en présence

Traction

• La traction est due au groupe moto-propulseur (GMP) qui est composé :
  • Du moteur
  • D'un réducteur
  • De l'hélice
• La traction est orientée selon l'axe de l'hélice et est confondue avec :
  • L'axe longitudinal de l'avion
  • La trajectoire

Portance & polaire

• La portance est une force assurant la sustentation de l'appareil et elle correspond à :

• La masse volumique de l'air est liée :
  • À l'altitude (plus on monte, plus la densité de l'air diminue)
  • À la température de l'air (plus la température de l'air augmente, plus la densité de l'air diminue)
• La surface alaire est la surface totale des ailes (dont la surface du fuselage entre les ailes)
• La vitesse augmente de manière exponentielle la portance
• Le coefficient de portance (Cz) est lié à l'incidence :
  • Plus l'angle d'incidence augmente, plus le coefficient de portance augmente
  • Attention à ne pas dépasser l'angle d'incidence max car quelle que soit la vitesse, le décrochage est inéluctable

Poids

Le poids est une force dirigée vers le sol et elle s'oppose à la portance.

Traînée

La traînée est une force qui va ralentir l'avion (force -). Il existe 3 types de traînées :

• Traînée de profil : frottement dû à la couche limite, aux écoulements turbulents et tourbillonnaires sur l'extrados ainsi que les différents frottements de l'air visqueux sur la surface de l'aile
• Traînée induite : force de résistance à l'avancement induite par la portance et qui dépend de certaines caractéristiques de l'aile. Cette force est la conséquence du tourbillon de Prandtl, appelé tourbillon marginal (vortex)
• Traînée de forme ou parasite : également appelée traînée de pression, résulte de la forme et de la taille de l'objet (trains d'atterrissage, antennes radio, GPS, prises d'air…)

Traînée de profil = traînée de frottement + traînée de forme

Résultante aérodynamique

Assiette & incidence

Facteur de charge

INCLINAISON	FACTEUR DE CHARGE (n)
30°	1.15
45°	1.41
60°	2

À 60°, vous et l'avion allez subir une force égale à 2 fois votre poids.

Plages de vitesse

Équilibre latéral & symétrie de vol

Plan de symétrie : l'avion a été conçu pour être symétrique dans le sens longitudinal :

Le meilleur rendement aérodynamique est obtenu lorsque le vent relatif est dans l'axe de symétrie de l'avion. On parle alors de vol symétrique :

Si l'avion n'est pas dans l'alignement du vent relatif, on parle alors de vol dissymétrique ou vol dérapé :

• Pour savoir si le vol est symétrique, deux moyens simples existent :
  • Le brin de laine : un simple brin de laine fixé sur le devant du pare-brise. Le vol est symétrique quand le brin de laine est dans l'axe de symétrie de l'avion
  • La bille (cf. chapitre sur les instruments)

Correction à apporter selon la position de l'indicateur :

INDICATEUR	À GAUCHE	À DROITE
BRIN DE LAINE	PIED À DROITE	PIED À GAUCHE
BILLE	PIED À GAUCHE	PIED À DROITE

Décrochage

• Le décrochage de l'aile correspond à la perte de la portance au-delà de la valeur limite de l'incidence (15/18° selon les avions). Il s'accompagne en plus d'une forte traînée
• Le décrochage est dû au décollement des filets d'air sur l'extrados :

• L'apparition des tourbillons provoque des vibrations (buffeting) sur les gouvernes et en particulier la gouverne de profondeur
• Vitesses de décrochage :
  • Vs0 : vitesse de décrochage avec train et volets sortis (limite basse de l'arc blanc)
  • Vs1 : vitesse de décrochage avec train et volets rentrés (limite inférieure de l'arc vert)
• Vitesse de décrochage en virage = Vs sans inclinaison × facteur de charge

Facteur de charge (n)	Inclinaison	Augmentation de la vitesse de décrochage (Vs)
1.15	30°	10 %
1.41	45°	20 %
2	60°	40 %

• Incidence de décrochage : 15 à 18° en fonction de l'avion (à voir dans le manuel d'utilisation)
• Facteurs influant sur le décrochage :
  • Masse de l'avion (la vitesse de décrochage augmente avec le poids de l'avion)
  • État de surface de la voilure (givre, glace, pluie ou saleté augmentent la vitesse de décrochage)
• Pour sortir du décrochage :
  • Assiette à piquer en poussant le manche
  • Annuler l'inclinaison et assurer la symétrie
  • Afficher la puissance nécessaire (en contrant les effets moteur)
  • Reprendre une trajectoire adaptée (ressource souple)

Second régime

Le second régime se définit par un écart disproportionné entre la puissance nécessaire au vol et la puissance délivrée par le moteur.

• Dangers au moment de l'atterrissage et du décollage :
  • Vitesse faible
  • Énergie cinétique insuffisante
  • Sol très proche
  • Décrochage quasi-obligatoire si passage en second régime
• Solutions pour éviter le passage au second régime et regagner de l'énergie cinétique :
  • Au décollage : palier d'accélération, après la perte de contact avec le sol et avant d'effectuer la montée initiale
  • À l'atterrissage : pousser le manche et/ou remise des gaz

Vrille

• Une vrille comporte 4 phases :
  • Départ du décrochage
  • Mise en vrille
  • Stabilisation
  • Sortie
• La perte d'altitude peut être très importante suivant le nombre de tours de la vrille
• Si aucune action corrective n'est réalisée, la vrille peut provoquer la perte complète de l'appareil et de ses occupants
• Il existe 3 types de vrilles :
  • Vrille piquée : on la qualifie de « calme », la rotation est régulière
  • Vrille plate : assiette plus faible, vitesses de rotation en roulis et en lacet plus élevées, sortie plus longue
  • Vrille dos : facteur de charge négatif, le pilote est tête en bas

Virages engagés

• Virage à grande inclinaison, où sans action du pilote, l'avion va prendre une assiette à piquer et son inclinaison va augmenter. La trajectoire du virage engagé ressemble à une spirale
• La différence avec la vrille est que dans un virage engagé, les ailes n'ont pas décroché

Ressource trop brutale

• Si l'avion effectue une descente rapide et que le pilote tente une assiette à cabrer trop prononcée, l'aéronef va pivoter sur lui-même et par effet d'inertie, aura tendance à avoir une trajectoire plus rectiligne en direction du sol et non pas décrire l'arc de cercle souhaité. C'est ce que l'on appelle le décrochage dynamique.
• Cet effet est dû à un angle d'incidence trop élevé car supérieur à l'incidence de décrochage
• Le risque majeur d'une ressource brutale est l'augmentation du facteur de charge pouvant dépasser les limites structurelles de l'avion et amener à sa destruction
• Les problèmes lors d'une ressource trop brutale arrivent généralement au point bas du rayon de la ressource. Voici la formule simplifiée :

Plus la vitesse est importante et plus le rayon de la ressource est petit, plus le facteur de charge sera important.

Type d'ailes et manœuvrabilité

Forces et contraintes en vol

• Les principales forces agissant sur l'avion en vol sont :
  • Le poids de l'appareil
  • La portance et la traînée sur les ailes
  • Les efforts aérodynamiques sur les gouvernes
  • La traction du moteur et de l'hélice
• Les contraintes en vol sont :
  • Traction (câbles, bielles des commandes de vol, cellule, boulons, pales de l'hélice)
  • Compression (bielles, commandes de vol, fuselage)
  • Cisaillement (fixations, charnières, boulons, pales de l'hélice près du noyau)
  • Flexion (longerons, nervures, jambes de train d'atterrissage, pied de manche)
  • Torsion (axes du palonnier, fuselage, ailes, ailerons, empennage)

Effets moteur

• La rotation du GMP (Groupe Motopropulseur) qui est constitué du moteur, d'un réducteur et de l'hélice, provoque des effets moteurs
• Ces effets moteurs sont plus ou moins forts en fonction de :
  • La puissance fournie par le moteur
  • La vitesse de rotation de l'hélice
  • La vitesse de l'avion
• Dans les explications ci-après l'hélice a un pas à droite, c'est-à-dire qu'elle tourne dans le sens horaire vu de la place du pilote
• Effet du couple de renversement ou couple moteur en vol :
  • 3ème loi de Newton (action/réaction : toute action produit une réaction égale et de sens opposé)
  • Par réaction à la rotation de l'hélice (action), un couple antagoniste tend à provoquer une rotation de l'avion en sens opposé (réaction)
  • Effet plus important dans les phases de vol où le moteur est utilisé à plein régime, au décollage ou lors de la remise des gaz

• Effet du couple de renversement ou couple moteur au sol :
  • Le couple va appuyer le poids de l'avion sur l'amortisseur gauche (écrasement)
  • Le frottement et l'usure du pneu gauche seront plus intenses (changer régulièrement les pneus de sens pour équilibrer l'usure)
  • L'avion aura tendance à partir à gauche au décollage, moment de lacet (appuyer à droite pour compenser)

• Effet du souffle hélicoïdal :
  • La masse d'air refoulée par l'hélice tourne dans le même sens (souffle hélicoïdal)
  • La rotation de l'hélice accélère l'air qui la traverse et produit un écoulement qui s'enroule autour du fuselage, ce qui occasionne une augmentation de pression, notamment sur l'empennage vertical
  • Là encore, l'avion aura tendance à partir à gauche au décollage (appuyer à droite pour compenser)

Attention : la traction dissymétrique augmente proportionnellement avec l'incidence.

Pour une hélice qui tourne dans le sens horaire (vue du pilote) :

ACTION	RÉACTION AVION	ACTION À FAIRE POUR COMPENSER
VIRAGE À DROITE	CABRAGE	JE POUSSE
VIRAGE À GAUCHE	PIQUAGE	JE TIRE