Il existe différentes approches pour vol. Si un objet a une densité inférieure à celle de l’air, il est flottant et est capable de flotter dans l’air sans dépenser d’énergie. Un engin plus lourd que l’air, connu sous le nom d’aérodyne, comprend des animaux et des insectes volants, des avions à voilure fixe et des giravions. Parce que l’engin est plus lourd que l’air, il doit générer une portance pour surmonter son poids. La résistance au vent causée par le déplacement de l’engin dans l’air est appelée traînée et est surmontée par une poussée propulsive, sauf dans le cas du vol à voile.
Certains véhicules utilisent également la poussée pour le vol, par exemple les fusées et les jets Harrier Jump.
Enfin, l’élan domine le vol des objets volants balistiques.
ForcesEdit
Les forces pertinentes au vol sont
- Poussée propulsive (sauf dans les planeurs)
- Portance, créée par la réaction à un flux d’air
- Traînée, créée par le frottement aérodynamique
- Poids, créé par la gravité
- Flottabilité, pour un vol plus léger que l’air
Ces forces doivent être équilibrées pour que le vol soit stable.
ThrustEdit
Un avion à voilure fixe génère une poussée vers l’avant lorsque l’air est poussé dans la direction opposée au vol. Cela peut être fait de plusieurs manières, notamment par les pales tournantes d’une hélice, ou par un ventilateur rotatif expulsant l’air de l’arrière d’un moteur à réaction, ou en éjectant des gaz chauds d’un moteur-fusée. La poussée vers l’avant est proportionnelle à la masse du courant d’air multipliée par la différence de vitesse du courant d’air. La poussée inverse peut être générée pour faciliter le freinage après l’atterrissage en inversant le pas des pales d’hélice à pas variable ou en utilisant un inverseur de poussée sur un moteur à réaction. Les aéronefs à voilure tournante et la vectorisation de poussée Les aéronefs V / STOL utilisent la poussée du moteur pour supporter le poids de l’aéronef, et la somme vectorielle de cette poussée à l’avant et à l’arrière pour contrôler la vitesse d’avancement.
LiftEdit
Dans le contexte d’un flux d’air par rapport à un corps volant, la force de portance est la composante de la force aérodynamique perpendiculaire à la direction de l’écoulement. La portance aérodynamique se produit lorsque l’aile provoque la déviation de l’air environnant – l’air provoque alors une force sur l’aile dans la direction opposée, conformément à la troisième loi du mouvement de Newton.
La portance est généralement associée à l’aile d’un aéronef, bien que la portance soit également générée par les rotors des giravions (qui sont effectivement des ailes en rotation, remplissant la même fonction sans nécessiter que l’aéronef avance dans les airs). Alors que les significations courantes du mot « portance » suggèrent que la portance s’oppose à la gravité, la portance aérodynamique peut être dans n’importe quelle direction. Lorsqu’un avion est en croisière, par exemple, la portance s’oppose à la gravité, mais la portance se produit sous un angle lors de la montée, de la descente ou de l’inclinaison. Sur les voitures à grande vitesse, la force de portance est dirigée vers le bas (appelée « force de descente ») pour maintenir la voiture stable sur la route.
DragEdit
Pour un objet solide se déplaçant à travers un fluide, la traînée est la composante de la force aérodynamique ou hydrodynamique nette agissant à l’opposé de la direction du mouvement. Par conséquent, la traînée s’oppose au mouvement de l’objet et, dans un véhicule motorisé, elle doit être surmontée par poussée. Le processus qui crée une portance provoque également une certaine traînée.
Rapport de portance à traînée
La portance aérodynamique est créée par le mouvement d’un objet aérodynamique (aile) dans l’air, qui, en raison de sa forme et de son angle, dévie l’air. Pour un vol continu en ligne droite et en palier, la portance doit être égale et opposée au poids. En général, les ailes longues et étroites sont capables de dévier une grande quantité d’air à une vitesse lente, alors que les ailes plus petites ont besoin d’une vitesse vers l’avant plus élevée pour dévier une quantité d’air équivalente et générer ainsi une portance équivalente. Les gros avions cargo ont tendance à utiliser des ailes plus longues avec des angles d’attaque plus élevés, tandis que les avions supersoniques ont tendance à avoir des ailes courtes et dépendent fortement de la grande vitesse vers l’avant pour générer une portance.
Cependant, ce processus de portance (déviation) provoque inévitablement une force de retard appelée traînée. Comme la portance et la traînée sont toutes deux des forces aérodynamiques, le rapport portance/traînée est une indication de l’efficacité aérodynamique de l’avion. Le rapport portance/traînée est le rapport L /D, prononcé « Rapport L sur D ». »Un avion a un rapport L / D élevé s’il produit une grande portance ou une petite traînée. Le rapport portance/traînée est déterminé en divisant le coefficient de portance par le coefficient de traînée, CL/CD.
Le coefficient de portance Cl est égal à la portance L divisée par la (densité r fois la moitié de la vitesse V au carré fois la surface de l’aile A). Le coefficient de portance est également affecté par la compressibilité de l’air, qui est beaucoup plus grande à des vitesses plus élevées, de sorte que la vitesse V n’est pas une fonction linéaire. La compressibilité est également affectée par la forme des surfaces de l’avion.
Le coefficient de traînée Cd est égal à la traînée D divisée par la (densité r fois la moitié de la vitesse V au carré fois la zone de référence A).
Les rapports portance/traînée pour les avions pratiques varient d’environ 4:1 pour les véhicules et les oiseaux aux ailes relativement courtes, jusqu’à 60:1 ou plus pour les véhicules aux ailes très longues, tels que les planeurs. Un angle d’attaque plus important par rapport au mouvement vers l’avant augmente également l’étendue de la déflexion et génère ainsi une portance supplémentaire. Cependant, un angle d’attaque plus grand génère également une traînée supplémentaire.
Le rapport portance/traînée détermine également le rapport de glisse et la plage de glisse. Étant donné que le rapport de plané est basé uniquement sur la relation des forces aérodynamiques agissant sur l’avion, le poids de l’avion ne l’affectera pas. Le seul effet de la masse est de faire varier le temps pendant lequel l’avion planera – un avion plus lourd planant à une vitesse anémométrique plus élevée arrivera au même point de toucher des roues dans un temps plus court.
FlottancEdit
La pression de l’air agissant contre un objet dans l’air est supérieure à la pression ci-dessus poussant vers le bas. La flottabilité, dans les deux cas, est égale au poids du fluide déplacé – le principe d’Archimède tient pour l’air comme il le fait pour l’eau.
Un mètre cube d’air à la pression atmosphérique ordinaire et à la température ambiante a une masse d’environ 1,2 kilogramme, son poids est donc d’environ 12 newtons. Par conséquent, tout objet de 1 mètre cube dans l’air est propulsé avec une force de 12 newtons. Si la masse de l’objet de 1 mètre cube est supérieure à 1.2 kilogrammes (de sorte que son poids soit supérieur à 12 newtons), il tombe au sol lorsqu’il est relâché. Si un objet de cette taille a une masse inférieure à 1,2 kilogramme, il s’élève dans les airs. Tout objet dont la masse est inférieure à la masse d’un volume d’air égal s’élèvera dans l’air – en d’autres termes, tout objet moins dense que l’air s’élèvera.
Rapport poussée/poids
Le rapport Poussée/poids est, comme son nom l’indique, le rapport de la poussée instantanée au poids (où le poids signifie le poids à l’accélération standard de la Terre g 0 {\displaystyle g_{0}}
). C’est un paramètre sans dimension caractéristique des fusées et autres moteurs à réaction et des véhicules propulsés par de tels moteurs (typiquement les lanceurs spatiaux et les avions à réaction).
Si le rapport poussée/poids est supérieur à la force de gravité locale (exprimée en gs), le vol peut se produire sans qu’aucun mouvement vers l’avant ni aucune portance aérodynamique ne soient nécessaires.
Si le rapport poussée/poids multiplié par le rapport portance/traînée est supérieur à la gravité locale, le décollage par portance aérodynamique est possible.
Flight dynamicsEdit
La dynamique de vol est la science de l’orientation et du contrôle des véhicules aériens et spatiaux en trois dimensions. Les trois paramètres critiques de la dynamique de vol sont les angles de rotation en trois dimensions autour du centre de masse du véhicule, connus sous le nom de tangage, roulis et lacet (Voir rotations de Tait-Bryan pour une explication).
Le contrôle de ces dimensions peut impliquer un stabilisateur horizontal (c’est-à-dire « une queue »), des ailerons et d’autres dispositifs aérodynamiques mobiles qui contrôlent la stabilité angulaire, c’est-à-dire l’assiette de vol (qui à son tour affecte l’altitude, le cap). Les ailes sont souvent légèrement inclinées vers le haut – elles ont un « angle dièdre positif » qui permet une stabilisation inhérente du roulis.
Efficacité énergétiquemodifier
Créer une poussée de manière à pouvoir gagner en hauteur, et pousser dans l’air pour surmonter la traînée associée à la portance, tout prend de l’énergie. Différents objets et créatures capables de voler varient dans l’efficacité de leurs muscles, de leurs moteurs et dans la mesure où cela se traduit par une poussée vers l’avant.
L’efficacité propulsive détermine la quantité d’énergie générée par les véhicules à partir d’une unité de carburant.
RangeEdit
La portée que les articles de vol motorisés peuvent atteindre est finalement limitée par leur traînée, ainsi que par la quantité d’énergie qu’ils peuvent stocker à bord et l’efficacité avec laquelle ils peuvent transformer cette énergie en propulsion.
Pour les avions motorisés, l’énergie utile est déterminée par leur fraction de carburant – quel pourcentage de la masse au décollage est du carburant, ainsi que l’énergie spécifique du carburant utilisé.
Rapport poids/puissance
Tous les animaux et appareils capables de voler en continu ont besoin de rapports puissance/poids relativement élevés pour pouvoir générer suffisamment de portance et/ ou de poussée pour réaliser le décollage.