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L’aérodynamique : L’aérodynamique : L’aérodynamique : L’aérodynamique : du vol

L’aérodynamique : L’aérodynamique : L’aérodynamique : L’aérodynamique : du vol à voile à du vol à voile à du vol à voile à du vol à voile à la navette spatiale la navette spatiale la navette spatiale la navette spatiale Travail de Maturité rédigé par Deborah Mueller Mentor M. Eduardo Principi Session de Maturité 2005 Classe Pyam 3MG4 Lycée Denis-de-Rougemont 10.12.2004 X Remerciements Tout d’abord, je désire remercier certaines personnes qui m’ont beaucoup aidé à créer ce travail de maturité : • À M.Claude Nicollier qui a pris le temps de répondre à mes questions • À M.Hans-Klaus Rummler qui a eu la gentillesse d’effectuer les corrections au niveau mathématique et physique. • À M.Andrin Landolt et à M.Lukas Prochazka qui a eu l’amabilité de me présenter ses expériences en soufflerie à l’ETHZ. • À M.Beer qui m’a grandement aidé notamment en répondant à mes questions. • À M.Eduardo Principi, mon mentor, qui m’a accompagné pendant la rédaction de ce TM. Un grand Merci à tous et Bonne Lecture…… XX Sommaire TITRE................................................................................................................................................................... REMERCIEMENTS........................................................................................................................................ X SOMMAIRE .................................................................................................................................................. XX I. INTRODUCTION .............................................................................................................................................1 II. HISTORIQUE ...................................................................................................................................................2 III. AERODYNAMIQUE DU PLANEUR .............................................................................................................4 III.1.DOMAINE D’APPLICATION DE L’AERODYNAMIQUE DU VOL A VOILE..................................................................4 III.2.LE PRINCIPE DE BERNOULLI – ÉQUATION DE CONTINUITÉ .................................................................................4 III.3. LES DIFFÉRENTES PARTIES DU PROFIL D’UNE AILE DÉFINIE ..............................................................................7 III.4. LES COEFFICIENTS CZ ET CX..............................................................................................................................8 III.5. LA FORCE DE PORTANCE...................................................................................................................................9 III.6. LA FORCE DE TRAÎNÉE ET LA COUCHE LIMITE.................................................................................................10 III.7. AUGMENTATION DE L’ANGLE D’ATTAQUE .....................................................................................................11 III.8. DIFFÉRENTS PROFILS D’AILES ET PARTIES DU PLANEUR .................................................................................14 III.9. TEST AÉRODYNAMIQUE: LA SOUFFLERIE (WIND TUNNEL) ..............................................................................15 III.10. LA FINESSE D’UN PLANEUR ..........................................................................................................................15 III.11. MÉTHODE DE GAINS D’ALTITUDE UTILISÉE PAR LE PILOTE (PRATIQUE)........................................................16 III.12. ÉCOULEMENT SYMÉTRIQUE OU DISSYMÉTRIQUE..........................................................................................17 III.13. LES AÉROFREINS (DÉPORTEURS)...................................................................................................................17 III.14. L’INVENTAIRE DES FORCES DANS DIFFÉRENTS ÉTATS DE VOL (PRATIQUE) :.................................................18 III.14.a. Loi de Newton......................................................................................................................................18 III.14.b. Les forces aérodynamiques appliquées sur différents états de vol ..................................................19 IV. LA NAVETTE SPATIALE ET SON AÉRODYNAMIQUE .....................................................................22 IV.1. COMPARAISON DES DIMENSIONS ENTRE LA NAVETTE SPATIALE ET UN PLANEUR...........................................22 IV.2.LE FONCTIONNEMENT DE L’AERODYNAMIQUE POUR LA NAVETTE SPATIALE ..................................................24 IV.2.a. Phase de rentrée dans l’atmosphère......................................................................................................24 IV.2.b. Phase d’approche et d’atterrissage.......................................................................................................25 IV.3. MATERIAUX ET AERODYNAMIQUE.................................................................................................................26 V. CONCLUSION..............................................................................................................................................29 ANNEXE .......................................................................................................................................................30 DÉFINITIONS ...........................................................................................................................................................30 LA GLISSADE (AUSSI DIT VOL PLANÉ LATÉRAL = SLIDE SLIP) ..................................................................................33 LE FONCTIONNEMENT D’UNE SOUFFLERIE...............................................................................................................33 BIBLIOGRAPHIE ..................................................................................................................................XXX 1 I. Introduction S’ENVOLER…. ….un rêve aussi ancien que l’humanité existe. L’air tourbillonne sous votre avion, le paysage défile tel un tableau d’art. L’air pénètre dans vos vêtements et vous sentez la fraîcheur de la nature pure autour de vous. Vous planez à travers les airs, l’ambiance change de temps en temps, de jour en jour, de lieu en lieu…. C’est une sensation de liberté extraordinaire. Le vol à voile est un vol plané sans aide moteur qui utilise les courants d’airs chauds ascendants (thermiques) et les vents de colline pour gagner de l’altitude. Le premier vrai vol plané d’une heure a été accomplit par Otto Lilienthal en 1891. Le sentiment de paix engendré par la possibilité de se mouvoir dans toutes les directions voulues et par-dessus tous les obstacles est une sensation que tout le monde apprécierait. Le vol à voile est non seulement un sport silencieux mais également invisible, où les spectateurs sont impossibles. On peut observer les atterrissages, les décollages et parfois, si le pilote n’est pas trop haut et trop loin dans le ciel, un virage. Qui a-t-il entre le décollage et l’atterrissage ? Du combat et du jeu, du drame et du romantisme, de la fascination et de la beauté. Tout ceci est ce qu’un pilote peut vivre et apprécier. Là haut, au-dessus, en dessous ou entre les nuages, chaque situation de vol amène une paix et une tranquillité dans notre esprit. Le grand pouvoir des nuages majestueux et immenses nous impressionne et nous tire à nos limites. Le vol plané est la chose la plus belle et la plus sensationnelle qui existe. Nous avançons grâce et avec la nature, sans même l’endommager ou la polluer. L’aviation nous permet de l’observer, de découvrir la Terre et ses phénomènes avec la perspective d’un oiseau. Il n’est pas très difficile de comprendre pourquoi des êtres vivants, des objets ou animaux spécifiques ont la capacité de voler et d’autres pas. Alors très vite, nous allons comprendre pourquoi notre espèce ne sera jamais capable de dépasser la force de pesanteur sans aide extérieure de poussée mécanique. L’aérodynamique est un domaine de la physique très précis qui étudie les différents phénomènes naturels qui se déroulent lorsqu’un corps se déplace dans un espace contenant de l’air ou un autre fluide. En d’autres termes, l’aérodynamique est la « science du mouvement de l’air ». Cela implique une bonne connaissance de la dynamique des fluides. Après une vue d’ensemble historique du vol, j’en présenterai de manière spécifique les aspects liés au vol à voile. Ensuite, je ferai un parallèle avec la navette spatiale, thème très abordé de nos jours. J’aimerais être capable, après avoir effectué ce travail, de mieux comprendre pourquoi un avion peut voler sans moteur. 2 II. Historique Les connaissances actuelles nous viennent des pionniers et de l’engagement de scientifiques dans la recherche de pointe comme l’aérodynamique. Nous pouvons donc appliquer nos connaissances sur l’aérodynamique à des buts beaucoup plus hauts, comme l’aviation militaire, les jets à vitesse supersonique ou l’aérospatial. Pendant des siècles, la science et sa société se sont de plus en plus développées pour arriver à ce qu’on obtient de nos jours. Depuis le temps des Grecs, le rêve d’imiter les oiseaux fut la base des essais de vol qui perdura pendant des siècles. Il faudra attendre le Moyen-Âge pour que les premières expériences concluantes voient le jour. En 1420, le vénitien Giovanni da Fontana lança un modèle d’oiseau propulsé par fusée, qui fit un vol vertical de 30 mètres. Ce n’est cependant qu’à la Renaissance que la théorie aérodynamique s’installe, avec les premières expériences sur ce thème orchestré par Galilée. Ce dernier cherchait «le principe de la nature de la résistance de l’air en étudiant le mouvement d’un pendule»1. A cette même période Leonardo de Vinci, obsédé par le mécanisme de vol des oiseaux, terminait des recherches détaillées et basiques sur la physiologie de ces derniers. Il découvrit que les oiseaux planaient à travers des couches d’air assez étanches pour les porter, puis mit en évidence la différence de pression autour du profil d’une aile, différence qui produit la poussée nécessaire au vol. Les découvertes fondamentales de Leonardo da Vinci n’ont été reprises que cent ans plus tard, notamment par Bernoulli. Au sortir de la renaissance, les premières équations physiques sur l’aérodynamique se mettent en place. A la fin du 17ème, Newton fait une découverte d’importance, appelée principe de Newton : « Si une force extérieure agit sur un corps, son état de mouvement change. On appelle accélération la variation de vitesse survenant alors, par unité de temps. L’accélération intervient dans la même direction que celle vers laquelle agit la force extérieure. Elle est proportionnelle à l’intensité de cette force. »2 . Ce principe a notamment été utilisé pour la construction des souffleries. Le suisse Daniel Bernoulli (1700-1782) établit le théorème de l’écoulement des fluides incompressibles, théorème sur lequel on reviendra dans la suite de ce travail. Suite à cela, les découvertes s’enchaînent : Euler (1707-1783) établit pour sa part une théorie sur la résistance d’un fluide au mouvement d’un corps basé sur les effets de pression et Laplace (1749-1829) formule la vitesse de propagation du son dans l’air. Parallèlement à ces recherches, les scientifiques se consacrent à l’étude des phénomènes supersoniques, qui s’élèvent à des vitesses pouvant aller jusqu’à 1500 m/sec. A la fin du 19ème, le physicien autrichien, Mach, découvre les ondes de choc accompagnants un corps en mouvement se déplaçant à des vitesses supersoniques. Il met en place des techniques d’observation des écoulements supersoniques, nommés méthode strioscopique, encore utilisée aujourd’hui. A ces théories générales, d’autres chercheurs se concentrent plus spécifiquement sur le vol. L’anglais Sir George Cayley développe le premier profil d’aile en s’appuyant sur une coupe transversale d’une truite. Dès lors, le profil de l’aile prend de l’importance dans l’aérodynamique. L’intérêt pour le vol se généralise alors et commence à conquérir le grand public. L’aérodynamique n’est plus l’affaire de quelques passionnés, mais atteint le statut de science à part entière. Diverses souffleries sont construites partout en Europe, d’abord en Angleterre par Wenham (1871) puis par Phillips (1891), en Russie par Joukowski et en France par Rateau et 1 LACHNITT Jacques, L’aérodynamique, Ch.1 p.7 2 GUGGIARI Bruno et WEICHELT Peter, Principes du vol, Ch.2-1-2 p.1 3 Eiffel. En effet, la tour Eiffel est une construction faisant suite à des mesures de résistance de l’air sur des plaques planes, en fer dans ce cas. Mais l’histoire du vol à voile débute réellement avec Lilienthal (1848-1896). Il comprend, que reproduire le battement des ailes des oiseaux pour voler n’est pas nécessaire, mais qu’il faut utiliser l’énergie potentielle du lieu de départ pour décoller (flans d’une montagne, etc.). Se basant sur des « parapentes » - une couverture de cire et de uploads/Science et Technologie/ introduction-a-l-aerodynamique.pdf