| Un avion vole grâce à l'écoulement de l'air autour de son aile. Cet écoulement crée une force ascendante de "portance" opposée à la pesanteur, qui protège l'avion de la chute.
Flux d'air et portanceLa section transversale ("profil") d'une aile d'avion doit satisfaire à deux conditions. D'abord, sa partie arrière doit s'affiner vers le bas en un bord mince, comme un coin. A ce niveau, les deux circulations d'air se réunissent, provenant du dessus et du dessous de l'aile. Cette disposition permet la fusion des deux courants sans à-coup, sans tourbillons générateurs de résistance de l'air. Au contraire, un parachute ouvert, dont le haut est une moitié de sphère, crée de nombreux tourbillons au dessus de lui et présente une grande résistance ; Les camions dont la structure est " carrée " rencontrent également une résistance à l'air assez élevée.
L'écoulement linéaire réduit la résistance de l'air
("drag" dans l'aviation). On a montré expérimentalement que la force de résistance à l'avancement
D (le caractère gras n'est pas employé ici pour désigner des vecteurs) augmentait en relation avec la vitesse v , en fait comme
v2. Elle est également proportionnelle à la densité d
de l'air et à d'autres facteurs pouvant être regroupés en un coefficient A lui même en rapport avec la forme de l'aile, à son profil (siège de l'écoulement de l'air) et à l'"angle d'attaque" vis à vis de cet écoulement (angle=zéro quand l'aile est alignée sur la circulation).
Que la résistance de l'air soit proportionnelle à v2 pour un profil d'aile a été constaté expérimentalement, mais on peut aussi le déduire du raisonnement approximatif suivant, à suivre attentivement ! . Une aile d'avion luttant contre un courant d'air perd le plus souvent de l'énergie en rejetant de côté l'air de l'espace qu'elle vient occuper. En admettant un écoulement constant autour de l'aile à vitesse basse ou élevée (vraisemblable), lorsque v double , la vitesse de rejet double également, et de ce seul fait, l'énergie (cinétique) qui en découle, (proportionnelle à mv2, augmente 4 fois. . Et m ? En doublant sa vitesse, l'aile avance de deux fois la distance initiale, donc la masse m de l'air repoussé double également . Donc, la somme totale de l'énergie donnée par l'aile à l'air environnant augmente de 8 fois. Ce taux entraîne un travail mécanique effectué par une force D (chaque seconde, c.-à-d. à la puissance requise) qui doit aussi augmenter de 8 fois. Pour une distance parcourue à vitessev , le travail effectué dans le même temps est égal à Dv. Si v double Dv augmente 8 fois, D croît de 4 fois par rapport v2. l'Effet ascensionnelLa seconde condition : L'aile doit être un ascenseur , et produire une force ascendante maintenant l'avion dans les airs. Pour cela, l'aile doit être dissymétrique, plate sur sa face inférieure mais incurvée sur le dessus, Cette forme accélérant la circulation supérieure de l'air crée une dépression atmosphérique à ce niveau, et la pression sous l'aile devient plus grande qu'au dessus.Le résultat final est une force ascendante. [Une aile aux faces symétriques, rencontrant le jet d'air sous un angle d'attaque modéré, satisfait également à cette condition de non symétrie.]Depuis les frères Wright les chercheurs ont utilisé des souffleries pour tester des modèles de différents profils d'aile, et ont ainsi identifié les coupes adaptées à divers types de vol. Ils ont également observé que la force ascensionnelle produite par une aile était directement proportionnelle à la densité d de l'air et à vitesse v de l'écoulement supérieur de l'air :
Ici L est " l'ascenseur " (lift) exprimé en Newton d la densité d'air (environ 1.3 kg/mètres3 au niveau de la mer) et v la vitesse en mètres/sec, M/H ou kilomètre par heure, au choix. Le facteur B dépend du profil de l'aile, de sa longueur et de sa largeur: une aile plus importante conduit évidemment à un plus grand pouvoir ascensionnel. Bien sur, celui ci est proportionnel à la résistance de l'air :les avions volent habituellement selon un "angle d'attaque" (défini plus haut) qui rend l'opération d'autant plus économique que le rapport " effet ascensionnel / résistance de l'air " est maximal. Cette valeur, "optimisée" en fonction de la conception de l'aile, peut s'étendre de 10 (même moins pour les avions de combat) à 50 (pour certains planeurs à rendement élevé). On peut augmenter la force ascensionnelle en augmentant l'angle d'attaque (c' est ce qu'on fait avec un cerf-volant), mais au prix d'une résistance de l'air beaucoup plus grande. En outre, si l'angle est trop raide, l'écoulement du vent au-dessus est perturbé et l'aile "se cabre," soudainement perdant une grande partie de ses possibilités de sustentation. Beaucoup d'accidents d'avion ont été provoquées par ce phénomène.
Quelle hauteur, quelle vitesse ?Supposons qu'un avion de ligne pèse W kilogrammes (en Newton = 10W . Naturellement ,en vol horizontal, la force ascensionnelle équilibre le poids de l'avion
En d'autres termes, la valeur W étant liée à B, l'aile doit être assez longue, assez large et assez efficace pour maintenir dans les airs le poids W de l'avion en charge. Quelle hauteur et quelle vitesse pour un avion de ligne? Les passagers veulent atteindre leur destination rapidement, donc les concepteurs visent une "vitesse de croisière élevée." Mais les passagers désirent également des atterrissages sûrs, donc la vitesse d'atterrissage doit être lente. La rapidité est la raison principale pour faire voler les avions de ligne à une altitude supérieure à 30.000 pieds (près de 10 kilomètres). La densité de l'air diminue d'environ de moitié par 5 kilomètres d'altitude supplémentaire : à 10 kilomètres,d vaut environ le quart de sa valeur au niveau de la mer. A ce niveau, un avion peut doubler sa vitesse avec le même effet de sustentation , et la même résistance D (qui, on l'a vu, se développe également comme dv2). Dans ce but, on pressurise les carlingues des avions de ligne afin de leur permettre de voler plus haut et plus rapidement. Rapidement ? La limite pratique semble être d'environ 600 M/H (960 km/heure). En s'approchant de la vitesse du son (1200 km/h = 746 M/H, variable selon la température) la circulation de l'air au-dessus des ailes est perturbée par des chocs frontaux qui augmentent la résistance de l'air et réduisent "l'ascenseur". Si on veut obtenir quand même une très grande vitesse, des ailes inclinées vers l'arrière sont nécessaires.
Atterrissage sans risqueUne vitesse de 600 M/H à une altitude de 10 kilomètres semble impliquer une vitesse d'atterrissage au niveau de la mer de 300 M/H(d étant 4 fois plus grand, v peut chuter de moitié). C'est beaucoup trop rapide. On sait que la navette spatiale atterrit à 270 M/H. Il faudrait pouvoir voler à 70.000 pieds (environ 20 kilomètres) comme l'avion de reconnaissance U-2 , et atterrir (sans changer l'angle d'attaque) à 150 M/H. Mais pour maintenir la force ascensionnelle nécessaire dans l'air, raréfié à cette hauteur, B doit être beaucoup plus grand ,c' est à dire que l'aile doit être beaucoup plus vaste, ou le poids W doit être réduit (ou les deux). Cela a été fait pour l'U-2, un avion léger avec une aile très longue et très efficace, mais une telle conception est impossible pour un avion de ligne.La solution pratique consiste à augmenter l'angle d'attaque pendant les atterrissages, et à augmenter temporairement la taille de l'aile. Si vous êtes assis près du hublot d'un avion de ligne en cours d'atterrissage, vous pouvez remarquer le glissement au dehors de surfaces supplémentaires sur l'aile, à l'approche finale, pour fournir plus "d'ascenseur" -- et en observant l'avion de la terre, vous verriez que ces surfaces se prolongent vers le bas de l'aile, avec un angle plus raide. Tout ceci augmente considérablement la résistance de l'air, mais l'avion doit aussi se débarrasser de sa vitesse excédentaire à l'atterrissage. Cela permet d'atterrir à environ 150 M/H. L'atterrissage est réellement une manœuvre de précision, et, idéalement, l'avion de ligne ne doit plus être soumis au vent au moment ou ses roues touchent terre. Des radars surveillent la pente de l'approche, d'autres aident à la navigation, la rendant possible des milliers de fois chaque jour.
Au début, on espérait voler à 25.000 pieds, avec une carlingue pressurisée, mais cela a été exclu pour des raisons de surcharge. De sorte que le vol, plus lent et moins haut, a duré 9 jours. La masse au décollage de "Voyager" était de 9700 livres. Pour soulever un avion si lourd, il a fallu deux moteurs, l'un poussant, l'autre tirant, pour atteindre la vitesse anémométrique exigée de 138 M/H.
La réserve de carburant ayant diminuée à mi-chemin du vol, moins de force ascensionnelle était nécessaire. Un moteur a donc pu être coupé, ce qui a permis de ramener la vitesse anémométrique à 79 M/H . Pour éviter de la réduire encore plus, l'altitude de vol a été montée à 11-12.000 pieds. Finalement, la deuxième moitié du vol fut beaucoup plus lente que la première, et beaucoup plus dure pour les pilotes, privés de sommeil. Ils n'y avait pas cependant d'autre choix -- un vol plus rapide aurait exigé un angle d'aile moins efficace, et aurait gaspillé trop de carburant.
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