MAGAZINE, LES COURS D'AEROMODELISME > MATERIEL : n°20 Imprimer l'article

PROFILS ET NOTIONS D’AERODYNAMIQUE   Après de nombreuses mises à jour hebdomadaires, les auteurs ont pensé qu'il était temps que leurs lecteurs connaissent avec une certaine exactitude les raisons pour lesquelles leur avion vole et, surtout, pourquoi certains aéromodèles volent mieux que d'autres apparemment semblables.  Nous vous avons expliqué à plusieurs reprises qu'un avion, quelles que soient ses dimensions, consiste en principe en une paire d'ailes (deux, dans le cas d'un biplan) qui assurent la portance ou force de sustentation, c'est-à-dire la force permettant à l'ensemble de s'élever. Le fuselage (indispensable pour supporter la charge et/ou le système de propulsion) et le système de contrôle, que forment les ailerons et les gouvernes d'empennage, constituent le reste de l'avion. Nous aborderons, ici, principalement les principes de fonctionnement de l'aile et certains points relatifs à son contrôle.      Le bon choix du profil améliore grandement les qualités de vol de nos aéromodèles.   Comment fonctionne une aile ?  Une aile est un objet solide, à section ou à profil déterminé qui, lorsqu'elle se déplace au travers d'un fluide (l'air pour les avions ou l'eau dans le cas des pales d'une hélice marine qui, somme toute, est une aile rotative), génère une force de sustentation. Nous évoquerons les profils et leurs caractéristiques; nous vous apprendrons aussi quelques notions rudimentaires quant à la manière dont cette portance est générée.  Sachez que la sustentation peut s'opérer vers le haut ou vers le bas. La sustentation dirigée vers le bas est surtout mise à profit dans le cas des voitures; le but est de les maintenir fermement appuyées au sol. L'exemple le plus évident est celui des ailerons (et autres accessoires) équipant les voitures de Formule 1 qui, comme vous le savez, sont testées en soufflerie, à l'instar des avions. Disons que la sustentation est une force que nous pouvons diriger à notre guise.  La sustentation se produit quand l'aile se déplace au sein du fluide (à partir de maintenant, nous parlerons d"'air", pour simplifier). La sustentation est proportionnelle à une série de facteurs dont les plus évidents sont la vitesse de l'air et la surface de l'aile (plus la vitesse et/ou la dimension de l'aile sont importantes, plus grande est la sustentation). Prenons le cas d'une aile avec un profil "normal", comme celui d'un entraîneur radiocommandé : la surface inférieure (intrados) est plane et la surface supérieure (extrados), courbée. L'air heurte l'aile au niveau du bord d'attaque, en général arrondi, et, après avoir circulé des deux côtés, s'éloigne en passant par le bord de fuite, effilé.  Pour simplifier, disons que l'air parcourt plus d'espace sur la partie courbée du profil que sur la partie plane (inférieure). Résultat: l'air circule plus rapidement sur la partie supérieure que sur la partie inférieure. L'effet de cette augmentation de vitesse est une diminution de pression sur la partie courbée du profil qui l’ ''aspire" vers le haut. Bien que cela puisse sembler contraire aux lois de la physique, la vérité est qu'une aile vole "aspirée" par le haut; ce phénomène génère 60- 70% de la sustentation. Et les 30-40% de sustentation restants ? Il s'agit d'un phénomène plus "naturel", généré par la poussée exercée par le courant d'air au moment de heurter la partie inférieure de l'aile. Le profil d'une aile en vol présente un certain angle - l'angle d'incidence - par rapport à la direction du courant d'air; on le mesure par rapport à l'axe du profil et non à la partie inférieure, si le profil est plat.  1) "Slats" (dispositif permettant d’augmenter la portance) sur le bord d’attaque d’une maquette. 2) Aile complète d'une maquette de Fiesseler Storch. Observez les slats, les flaps et les ailerons, ainsi que le curieux système de charnières. Angle d'incidence  L'angle d'incidence est capital pour le comportement de notre aile. En général, plus il est grand, plus l'aile produit de sustentation; en même temps, plus l'incidence est importante, plus le profil offre de résistance, c'est-à-dire que nous aurons besoin de plus de force pour parvenir à le faire avancer à une vitesse déterminée. Ces deux effets ne sont pas linéaires et il existe un point où le profil atteint son meilleur rendement, où l'on obtient le meilleur rapport entre la résistance aérodynamique de l'aile et la sustentation. Bien que le sujet soit plus compliqué qu'il n'y paraît à première vue, disons qu'en introduisant le profil d'une aile dans un tunnel aérodynamique (soufflerie où l'on peut mesurer avec précision les paramètres de résistance et sustentation, ainsi que la vitesse de l'air et l'angle d'incidence), on peut obtenir une série d'informations qui permettent d'établir des courbes, lesquelles nous donnent le rendement du profil pour chaque angle d'incidence.    1) Profil symétrique convenant aux modèles acrobatiques. 2) Marginal sophistiqué d'un planeur.   Nombre de Reynolds  Quand on feuillette une revue traitant d'aérodynamique, on trouve, en général, de nombreuses références au "Nombre de Reynolds". De quoi s'agit-il ? Dès les débuts de l'aéronautique, les chercheurs se sont rendu compte de l'existence d'un curieux phénomène : deux ailes de même profil pouvaient présenter des comportements différents. L'un d'eux (Reynolds, il fallait s'y attendre !) élabora une formule qui, en introduisant certaines données relatives à l'aile, donnait une valeur permettant de prévoir le comportement du profil. Ce chiffre, ou nombre de Reynolds, est surtout lié aux dimensions de l'aile. Chaque profil est testé en soufflerie selon différents nombres de Reynolds.  Les modélistes intéressés par le nombre de Reynolds de nos appareils doivent savoir qu'il oscille entre 30000 ou moins pour les petits modèles et 150000-200000 pour les plus grands. Les avions grandeur nature ont des nombres de Reynolds de plusieurs millions. Il faut savoir que plus le nombre de Reynolds est réduit (plus l'aile ou sa corde sont petites), plus le rendement d'un profil est bas. Jusqu'il y a peu, nous devions utiliser des profils qui fonctionnaient franchement mal, par rapport aux vrais avions; mais depuis quelques années, nous disposons de profils conçus expressément pour notre nombre de Reynolds et qui supposent de meilleurs rendements.    La mauvaise réputation de certaines maquettes (leur tendance au décrochage) est due à leur charge alaire élevée et au besoin, parfois, de respecter les proportions du modèle d'origine. Principales caractéristiques d’un profil Avant d'aborder les principaux groupes de profils et leur utilité, nous voudrions vous présenter certaines de leurs caractéristiques.  L’une des plus importantes est sans aucun doute son épaisseur. On la mesure en pourcentage de sa longueur ou corde; ainsi, un profil d'une épaisseur de 15% implique que, pour une corde de 20 cm, l'épaisseur maximum sera de 20X0,15, c'est-à-dire 3 cm. L’épaisseur maximum se situe aux alentours des 30-35% de la corde, toujours à partir du bord d'attaque. Les profils les plus épais, de plus de 12%, opposent généralement plus de résistance aérodynamique (leur section frontale est plus importante). D'un autre côté, il est très simple de construire une aile épaisse dont la structure soit résistante et légère. Les profils peuvent également être très fins ( 7-8% d' épaisseur) , mais il est difficile de concevoir une aile longue et fine qui, de plus, résiste bien aux fortes contraintes. La "courbure" ou "camber" du profil constitue une autre donnée importante. Ce paramètre, moins intuitif, se réfère à la courbe formée par les point médians des lignes unissant l'intrados et l'extrados du profil (à distance égale du bord d'attaque). Ainsi, un profil symétrique a une courbure équivalant à zéro; les profils utilisés pour les planeurs en vol libre (concaves dans la partie inférieure) ont une courbure importante. Plus la courbure est grande, plus la sustentation du profil l'est également. Le bord d'attaque constitue la zone critique d'un profil. En général, le concepteur étudie soigneusement cette zone, où le courant d'air se divise pour passer des deux côtés du profil. Nous trouvons, à nouveau, des bords d'attaque très effilés et d'autres très émoussés. Ces derniers opposent davantage de résistance aérodynamique, mais sont plus tolérants aux changements d'attitude en vol; c'est pourquoi ils résistent mieux au décrochage. Les profils "effilés" se comportent mieux en vol rapide.     Profil plan-convexe typique à haute sustentation et bord d'attaque émoussé, fréquemment utilisé sur les entraîneurs et les modèles à vol lent. Décrochage  Comme nous l'avons indiqué, la sustentation d'une aile est proportionnelle à la vitesse de vol et à un rapport direct avec l'angle d'incidence de l'aile. Ainsi, lorsque nous souhaitons réduire la vitesse de vol, si nous tenons à garder la même altitude, nous tirerons sur la profondeur vers le haut et augmenterons l'incidence de l'aile. Rappelons qu'il existe, dans la partie supérieure de l'aile, un certain "vide" qui la maintient suspendue dans les airs. Bien: si nous essayons de maintenir l'aile en vol à une vitesse trop faible et avec un angle d'attaque ou d'incidence trop élevé, il arrivera un moment où l'aile cessera littéralement de fonctionner : l'air des côtés passe au centre de l'aile, où la pression est plus basse, la couche d'air qui doit entourer la partie supérieure de l'aile se détache de la surface, et le modèle cesse d'être "suspendu" par l'aile. À ce moment-là, on perd toute sustentation (c'est le "décrochage") et l'avion tombe, littéralement. Si l'une des ailes décroche et l'autre pas (ou si une aile décroche avant l'autre), l'avion laisse tomber l'aile sans sustentation: il "bat de l'aile" ou, pire encore: le modèle descend en vrille, l'aile qui décroche faisant office de frein et l'autre tournant autour; la chute de l'appareil prend la forme d'une spirale. Situation idéale pour crasher son avion !    1) Profil de type Wortmann : intrados concave à haut rendement, utilisé sur un planeur de grand format. 2) Plus les profils sont fins, moins il est facile d'obtenir une aile résistante. L'épaisseur de la baïonnette donne une idée des contraintes auxquelles est soumise l'aile. Prévenir le décrochage  Le décrochage représente un grave problème pour le pilote (sauf si nous réalisons des descentes en vrille acrobatiques). L’avion cesse tout simplement de voler et perd rapidement de l'altitude. La solution (si l'altitude est suffisante) consiste à faire en sorte que le modèle pique du nez et récupère assez de vitesse pour que l'aile retrouve son efficacité. Certains moments sont plus propices au décrochage que d'autres: lors du décollage, si l'on tire trop tôt sur la profondeur et que l'on fait grimper l'appareil avec trop peu de vitesse et un angle d'incidence important; au moment de l'atterrissage: si nous forçons trop le vol plané en tirant sur la profondeur, nous risquons que l'avion demeure "suspendu", provoquant un battement d'aile, très près du sol...  Quels sont les modèles sujets au décrochage ? Un avion à charge alaire élevée décrochera plus facilement qu'un autre, plus léger. Certains profils, au bord d'attaque très effilé, tolèrent moins bien le vol lent; un profil mal conçu nous donnera plus de soucis qu'un autre, dont les caractéristiques sont bonnes; les plus employés en modélisme ont été sélectionnés en partie selon ce critère.      1) Fixation d'un aileron à l'aile au moyen de charnières : l'absence d'espace entre les deux éléments optimise leur fonctionnement. A sceller avec du ruban adhésif. 2) Stabilisateur d’un modèle. On utilise fréquemment, sauf dans le cas d’une maquette, des plaques de bois à profil plan. Trucs aérodynamiques  Outre le fait de construire un modèle léger au profil reconnu pour ses qualités, il existe deux méthodes qui, bien qu'elles n'empêchent pas le décrochage, le rendent moins brutal. Ces techniques consistent simplement à éviter que toute l'aile décroche en même temps; on essaie généralement d'obtenir que la partie centrale de l'aile le fasse en premier lieu, la portance se concentrant alors sur les extrémités.  Le système le plus utilisé en modélisme est la déformation aérodynamique de l'aile: on la construit "tordue", de façon à ce que les extrémités de l'aile aient une incidence de 2-3 degrés inférieure au centre. Une autre méthode consiste à faire varier le profil de l'aile depuis le centre jusqu'aux extrémités: on utilise, au centre, un profil peu tolérant au vol lent et, aux extrémités de l'aile, un autre plus épais et/ou au bord d'attaque plus arrondi. Enfin, dans certains cas, on utilise les "stall strips" (en bois, sur nos aéromodèles) que l'on place sur le bord d'attaque de la partie centrale de l'aile et qui donnent à celui-ci un profil en pointe, ce qui favorise le décrochage. De ces trois techniques, cette dernière est la seule à pouvoir être installée assez facilement a posteriori, au cas où notre modèle aurait une nette tendance aux décrochages brutaux.  Les trois systèmes décrits ci-dessus proviennent de l'aviation; ils sont utilisés seuls ou combinés, surtout dans le cas des avions de moyenne ou de petite taille.