vol

L’aviation désigne la sustentation et le déplacement aériens d’appareils plus denses que l’air. Le vol de ces aérodynes est donc assuré sans l’utilisation d’un gaz de densité plus faible que celle de l’air. Le terme aviation rassemble de nombreux moyens et techniques différents et possède des applications diverses. Les formes du vol sont également multiples.

Les tentatives de vol humain furent très nombreuses, et ce dès l’antiquité. Les hommes cherchent alors à imiter les oiseaux au moyen d’ailes artificielles et s’élancent dans le vide, du haut de tours ou de points élevés, se blessant ou se tuant dans la majorité des cas. On notera la tentative d’un serrurier du Maine qui parvint à effectuer un vol grâce à des châssis à charnières mues par les bras et les jambes de ce dernier.

Le vol à voile
Le vol à voile a été découvert en 1863 par le comte d’Esterno et pratiqué notamment par les pionniers Lilienthal et Orville Wright. La démonstration définitive du vol à voile a eu lieu le 18 août 1922, lorsque Martens est parvenu à se maintenir dans les airs sur son planeur pendant une heure. La pratique du vol à voile, si elle n’a pas véritablement d’utilité pour le perfectionnement des pilotes de ligne ou des aviateurs militaires, constitue cependant un sport fascinant qui offre de belles sensations.

Le vol en hélicoptère
L’hélicoptère et l’ornithoptère ont quant à eux un passé lointain, puisqu’il existait déjà des moulinets volants actionnés par la traction d’une ficelle au XVè siècle. En 1784, Launoy et Bienvenu parviennent à faire voler un prototype d’hélicoptère : c’est la première démonstration de vol vertical. Au XIXè siècle, l’engouement pour l’hélicoptère est énorme, et les essais sont innombrables. Les premiers voyages en hélicoptère ont lieu en 1937 en Allemagne.

Le vol en aéroplane
C’est à George Cayley que l’on doit la conception complète de l’aéroplane au début du XIXè siècle. Il en a établi la théorie, avec les principes de la stabilité, celui de la direction et celui de la propulsion. En 1853, il accomplit le premier vol plané sur une distance de plus de 3km. Le premier vol dans l’atmosphère a été effectué en 1853 et en 1854 par Letur sur un planeur équipé d’ailes propulsives. En 1843, Henson réalise le brevet d’un aéroplane monoplan, marquant ainsi l’avènement de l’ère des avions à moteur, même si ce modèle ne produit finalement que des résultats médiocres. Ader jouera un rôle particulier puisque beaucoup le considèrent aujourd’hui comme le véritable inventeur de l’avion. Il réalisa en effet lui même un aéroplane complet qu’il désigna avion et baptisa Eole. Ce dernier, en forme de chauve souris, était équipé d’une machine à vapeur. En octobre 1890, Ader parvient, à bord de sa machine, à quitter le sol sur une cinquantaine de mètres. En 1893, l’allemand Lilienthal, passionné par le vol, met en œuvre la méthode du planement qui finira par aboutir au vol mécanique. Il finit par construire un aéroplane monoplan qui lui permit de parcourir plus de 300 mètres dans les airs. Le vol mécanique rassemble plusieurs difficultés : l’envol, la commande des mouvements verticaux, la stabilité longitudinale et latérale, la direction et enfin l’atterrissage. Les pionniers évoqués précédemment sont donc parvenus à résoudre partiellement ces différents éléments, mais seuls les frères Wright ont résolu dans son ensemble le problème du vol mécanique. Grâce à leurs expériences menées dans les premières années du XXè siècle, ces deux américains ont bouleversé le monde de l’aviation. On leur doit entre autre la réalisation du premier vol mécanique, le 17 décembre 1903 sur la plage de Kitty-Hawk, en Caroline du Nord, à bord d’un biplan à essence qu’ils avaient eux-mêmes dessiné et construit. Le 25 juillet 1909, Blériot réalise l’exploit de la traversée de la Manche à bord d’un Blériot XI en 37 minutes, créant ainsi un engouement populaire sans précédent.

La portance
En 1889 l’allemand Otto Lilienthal publie le Vol des oiseaux, base de l’aviation, dans lequel il démontre que la forme des ailes des oiseaux possède des caractéristiques aérodynamiques naturelles qui doivent être appliquées à la construction des aéronefs. On s’est alors inspiré de cette théorie, mais on ne parvint finalement à effectuer un véritable vol qu’en se pliant aux principes de base de l’aérodynamique et en tirant profit de l’évolution des technologies. La portance de l’avion en vol est assurée par la totalité de la surface de la section de l’aile et agit perpendiculairement à l’écoulement d’air. La provenance de cette force est double : les deux tiers viennent de l’extrados (le dessus de l’aile) et le tiers restant de l’intrados (le dessous de l’aile). On peut vérifier ce postulat en soufflant le long de la face supérieure d’une feuille de papier tenue entre le pouce et l’index. Cette « aile miniature » se soulèvera alors, aspirée par le courant d’air. L’intensité de la portance varie avec la vitesse et la densité de l’air, avec la courbure et la surface de l’aile mais également avec l’angle formé par l’aile et le flux d’air. Cet angle, même lorsqu’il est léger, a pour conséquence une augmentation de la portance à l’intrados de l’aile qui, combinée avec la succion, créé une portance positive appelée sustentation. Pendant le vol, le pilote peut, grâce à la manette des gaz, faire varier la vitesse et la portance de son appareil. Ainsi, en doublant la vitesse, il quadruplera la portance. La portance augmente proportionnellement à l’angle d’attaque de l’aile, jusqu’au seuil de 15° environ. Au delà, la portance chute, pouvant aller jusqu’au phénomène de décrochage. La portance peut également diminuer à cause de la baisse de densité de l’air qui survient lors d’un vol effectué à haute altitude, de la température ou de l’humidité. Elle change également en fonction de la forme de l’aile et de celle de son profil. Ces dernières sont déterminées par les ingénieurs lors de la réalisation du projet d’un avion selon le type de vol que devra effectuer ce dernier. Ainsi, les avions lents seront équipés d’ailes larges au profil épais et les avions très rapides de petites ailes au profil mince.

La poussée et la traînée
Le moteur permet d’assurer la portance d’un avion en vol mais également l’arrivée d’un flux d’air continu autour des ailes, nécessaire à l’avancement de l’appareil. Toutes les parties d’un avion créent une résistance à l’air durant le vol, c’est pourquoi il est nécessaire de supprimer toutes les protubérances inutiles dans le but de parvenir à un appareil aussi pur que possible qui pénétrera plus facilement dans l’air. Les traînées, qui ralentissent les avions en vol, sont au nombre de trois : la traînée de forme provient de la silhouette de l’appareil, la traînée de surface provient de la rugosité des revêtements, et la traînée induite provient des différences de pression de l’air entre le dessus, le dessous et les extrémités de l’aile. Le but, lors de la construction d’un aéronef, est évidemment de réduire au maximum ces différentes traînées qui, additionnées, forment la « traînée totale ». La traînée de forme provoque des tourbillons d’air derrière l’avion. La traînée de surface survient quand les couches d’air qui entourent les surfaces supérieure et inférieure de l’avion ne parviennent plus à glisser l’une sur l’autre à cause d’une imperfection du revêtement qui perturbe la couche d’air la plus proche de celui-ci. La traînée induite est liée aux facteurs qui permettent d’assurer la portance de l’avion en vol : les pressions basses du dessus de l’aile et les pression hautes du dessous. La pression atmosphérique, lorsqu’elle est proche de ces zones de basses et hautes pressions, a tendance à pousser vers l’intérieur l’écoulement de l’air du dessus de l’aile et vers l’extérieur l’écoulement du dessous. Des tourbillons se forment alors lorsque les deux écoulements se rencontrent sur les bords de fuite.

L’équilibre de l’avion en vol
L’équilibre de l’avion est un autre problème fondamental auquel sont confrontés aussi bien le créateur de l’avion que le pilote. L’avion est susceptible de se déséquilibrer relativement facilement lorsque les forces opposées qui agissent sur lui, à savoir la portance, la poussée et la traînée, ne s’appliquent pas à l’endroit exact sur lequel elles devraient s’appliquer. La traînée totale joue le rôle d’un centre de pression, la poussée agit sur une ligne située dans l’axe du réacteur et allant du nez à la queue, et le poids s’applique verticalement vers le bas, au centre de gravité. La traînée totale agit de façon horizontale en direction de l’arrière, et elle est parallèle à l’écoulement de l’air et à la ligne d’action qui varie selon le dessin de l’avion. L’équilibre de l’appareil est évidemment modifié en vol lorsque le pilote agit sur les commandes, faisant ainsi varier la vitesse ou l’angle d’attaque. Le poids de l’avion change également en fonction du niveau de carburant restant dans l’appareil. Ces éléments ont donc tendance à entraîner une instabilité qui pourra être compensée en partie par un plan fixe arrière. Il faut ajouter à ce plan une gouverne mobile qui permet, en augmentant ou en diminuant la portance, de faire monter ou descendre l’avion. De la même manière, les ailerons ajoutés à la voilure permettent d’incliner l’avion dans un sens ou dans l’autre et le gouvernail de l’orienter vers la droite ou la gauche.