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Construisez facilement votre avion personnel

Vous voulez construire votre avion pendant votre temps libre ?...

Voici quelques bases pour le construire vous-même et à peu de frais
Dans ces pages vous apprendrez à construire vous-même votre avion personnel pendant votre temps libre, assez facilement et à peu de frais.Informez-vous auprès de: gilbert.pernot@aliceadsl.fr

Calcul et Construction d'un Avion

Chapitre 1 - Les bases pour construire un avion

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Si des erreurs se sont glissées dans le texte n'hésitez pas à me contacter...
Les liens ci-dessous vous renverront au chapitre correspondant.


5 Traînées

5.1 Traînée induite par la portance

... Tourbillon marginal, Dispositifs pour le minimiser

5.2 Traînées de pression

... Sillage, Décollement turbulent, Traînée de culot et recirculation, Minimiser la traînée de pression

5.3 Traînées de frottement

... Couche limite, Gradient de vitesse, Relation vitesse-pression, Transition laminaire - turbulent, Bulle laminaire, Minimiser la traînée de frottement

5.4 Traînées d’onde


Ici, nous examinons essentiellement les traînées qui affectent les avions légers : Le tourbillon marginal induit par la portance, ainsi que les traînées de pression et de frottement. Les traînées d'onde qui affectent les avions supersoniques ne sont qu’évoquées.

f5-1
Les phénomènes décrits ci-dessous affectent bien entendu le fuselage et les profils verticaux ou horizontaux. Au niveau des ailes ils affectent principalement l’extrados mais plus rarement l’intrados.


5.1 Traînée induite par la portance



5.1.1 Tourbillon marginal
f5.1.1-1

Le tourbillon marginal est généré par une traînée parasite induite par la portance au saumon de l'aile. La traînée induite est le résultat de ce vortex qui freine non seulement les ailes mais l'avion entier, c'est d'ailleurs la plus importante traînée de l'avion.

Formation du tourbillon marginal au saumon de l'aile



Comme le montre la figure ci-dessous, sur l’extrados, les filets d’air sont "aspirés" vers le fuselage alors que sur l’intrados ils ont tendance à s’en éloigner. Il en résulte un tourbillon marginal au saumon de l’aile.

f5.1.1-2


f5.1.1-3


La turbulence créée par le tourbillon marginal est très dangereuse. Derrière un gros porteur, un avion léger qui ne respecterait pas une distance de sécurité suffisante peut être retourné brutalement comme une feuille morte et s’écraser au sol.

f5.1.1-4


Comment un avion léger peut-il éviter la turbulence de sillage des gros porteurs ?

f5.1.1-5


Figures extraites de la revue "EXPERIMENTAL"

5.1.2 Minimiser le tourbillon marginal

Voici quelques dispositifs anti-vortex qui peuvent minimiser les effets du tourbillon marginal :
- un grand allongement
- un léger vrillage
- des ailes aux extrémités pointues (saumons)
- des saumons horizontaux
- des winglets aux extrémités de l’aile
- des cylindres à fente hélicoïdale aux extrémités de l’aile


5.1.2.1 Vrillage
Un léger vrillage de l'aile (6 à 7° aux extrémités) diminue la traînée induite (tourbillon marginal) et améliore les qualités de décrochage. Par exemple, sur l'aile Horten H-IV, pour une inclinaison de 0° au centre, les extrémités de l'aile étaient inclinées de 7,1° à piquer.
f5.1.2.2

5.1.2.2 Saumon horizontal
Des saumons horizontaux en bout d’aile d’un "Learjet" http://www.raisbeck.com réduiraient la traînée induite de 10% en croisière d’après Raisbeck.



5.1.2.3 Winglet
Un Winglet est une rallonge relevée en bout d’aile. Ici, sur un motoplaneur "Silent 2" f5.1.2.3 http://www.alisport.com le winglet est emboîté sur deux axes et fixé par un tour de ruban adhésif.





5.1.2.4 Cylindre à fente hélicoïdale f5.1.2.4-1
Christian Hugues a inventé ce cylindre à fente hélicoïdale placé ici en bout d'’aile. Ce cylindre nommé "Minix" minimise I, l'induction et X, la traînée. Cette technologie est le résultat de 12 ans d'essais sur 22 prototypes différents en soufflerie numérique et soufflerie EIFFEL ; elle a débouché sur des brevets nationaux et internationaux.
Plus de détails sur http://www.minix.fr                                                               Ci-contre à droite, le prototype Minix 2003




f5.1.2.4-3
                                                                                             Ci-dessus, le prototype Minix 2011

A noter : les derniers essais ont montré que le procédé MINIX réduit la traînée induite, augmente la portance et la finesse du même coup ce qui donne 6% d'économie de carburant ou 6% de distance en plus !
f5.1.2.4-2
Sans dévoiler les secrets de Christian Hugues, qui bien évidemment protège son savoir-faire, nous pouvons deviner que le principe de son invention consiste à recoller les filets d'air sur le cylindre, dont les fentes hélicoïdales tournent dans le même sens que le vortex à traiter. Ceci évite la dispersion des filets d'air au sein d'un vortex, et permet d'obtenir ainsi un écoulement presque laminaire moins consommateur d'énergie. Cependant les paramètres à prendre en compte sont si nombreux, que seuls de multiples tests en soufflerie permettront de réaliser un prototype.

Ces paramètres sont, pour l'essentiel, les suivants :
- Le poids de l'avion : plus il est lourd plus le vortex est puissant ;
- La surface alaire : plus elle est grande plus le vortex est puissant ;
- Le profil d'aile ...
- L'incidence de vol : plus elle est grande plus le vortex est puissant ;
- La vitesse : plus elle est grande plus le vortex est puissant ;
- La météorologie et en particulier le vent de travers.
Bien, ceci dit, pour aller plus loin il faudrait maintenant se lancer dans une étude physique approfondie du procédé, ce qui n'est pas le but de ces pages de vulgarisation. Vous pouvez aussi contacter Christian Hugues qui se fera un plaisir de communiquer avec vous.

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5.2 Traînées de pression



5.2.1 Sillage
On visualise très bien le phénomène de sillage à l’arrière d’un bateau qui avance. A chaque instant le bateau en mouvement propage autour de lui une onde élastique (circulaire) à la limite eau - air. L’instant d’après le cercle précédent s’est agrandi et le bateau génère une nouvelle onde dont le centre est décalé dans le sens de la marche puisque le bateau continue d’avancer. Le sillage est l’enveloppe de tous ces cercles excentrés.
Le sillage est dû à un comportement élastique de l’air.

5.2.2 Décollement turbulent
Le décollement des filets d’air provoque des turbulences qui dégradent les performances aérodynamiques d’un avion. On diminue ces traînées parasites en ajoutant des raccords de Karman dans les zones concernées qui sont les jonctions aile - fuselage, les raccords des jambes de train et des haubans.

Dans le flux de l’hélice le régime d’écoulement de l’air est toujours turbulent.

De même on minimise les traînées de culot (voir ci-après) en adoucissant les formes d’un fuselage tronqué, du rétreint arrière de verrière ou des diverses protubérances telles que les écopes d’air, les sorties d’air de refroidissement, les venturis, les antennes.

5.2.3 Traînée de culot, recirculation
Ordres de grandeur des traînées :
Pour une aile de 1 m2 ayant une épaisseur maximum de 0,15 m, le Cx laminaire est de 0,004 et le Cx turbulent de 0,007.
f5.2.3-1

Profil tronqué :
Si le profil ci-dessus est tronqué au niveau de l'épaisseur maximum, le Cx turbulent s'élève à 1,1 !...
f5.2.3-2
A l’arrière d’un profil tronqué, on observe un décollement turbulent massif des filets d’air ou "turbulence de sillage" ainsi qu’un "culot de recirculation". Le culot de recirculation est une zone de décompression au sein de laquelle l’air cherche à combler le vide laissé derrière ce profil tronqué.
f5.2.3-3
On observe aussi une zone de recirculation à l’arrière des profils normaux au voisinage de l’incidence de décrochage.

Séparation et recirculation de l'écoulement général après décollement laminaire à 50% de la corde sur un profil NACA 64A015 en incidence 5° (Cliché Onéra Werlé 1974)

f5.2.3-4

Le décrochage du bord de fuite montre que le décollement des filets d'air est proportionnel à l'incidence de l'aile.

Décollement des filets d’air et décrochage au bord de fuite en fonction de l’incidence de l’aile.

f5.2.3-5

Visualisation de ce décollement à l’aide de fils de laine (tiré de la revue Experimental, archives Air presse)

f5.2.3-6


f5.2.3-7


f5.2.3-8


5.2.4 Minimiser la traînée de pression
Pour minimiser les traînées de pression il convient donc d’éviter les profils tronqués – préférer un fuselage effilé a des formes "modernes" anguleuses. Il faut caréner les roues, les jambes de train et les haubans. Eviter les écopes dans le flux de l’hélice ou sous le fuselage. Il convient aussi de minimiser les traînées d’interaction dues au cumul de deux zones de recompression - c’est le rôle des raccords de Karman à la jonction aile - fuselage, jambes de train - fuselage.

f5.2.3-9
Une verrière à bulle provoque en arrière de son maître couple des décollements aérodynamiques alternés ainsi qu’une traînée de culot. Un profilage en dos de tortue "razor-back" de l’arrière de la bulle corrige ce problème. On peut aussi profiler tout l’arrière du fuselage vers un point de fuite situé en queue de l’appareil comme sur un Caudron ou comme sur le Me-262 ci-dessous.

f5.2.3-10

Dans cet exemple, visualisé (ici encore) à l’aide de fils de laine, on minimise les traînées de culot sur un Me-262 en adoucissant les formes du rétreint arrière de la verrière.





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5.3 Traînées de frottement



Le frottement de la paroi de l’avion dans l’air induit un comportement laminaire ou turbulent des filets d’air.

Considérons un profil symétrique comme celui d’un empennage vertical par exemple. Tant que sa vitesse dans l’air (vent relatif) est faible, l’écoulement des filets d’air est laminaire autour de ce profil. Tout contre la paroi : En réalité l’air est visqueux et les molécules d’air collent à la paroi du profil, elles sont immobiles par rapport au profil ou si l’on préfère, elles sont entraînées par lui à la même vitesse puisqu’elles sont collées au mobile. Plus loin de la paroi : Alors que loin de la paroi les molécules d’air se déplacent par rapport au mobile à la même vitesse que le vent relatif.

5.3.1 Couche limite
La vitesse des molécules d’air par rapport au mobile est nulle tout contre la paroi et égale au vent relatif plus loin de la paroi. Cette zone où la vitesse des molécules d’air varie s’appelle la couche limite. C’est la couche où le mobile perturbe les molécules d’air du fait de la viscosité de l’air.

Ecoulement de l'air sur un profil d'aile proche de l'incidence de décrochage : laminaire / turbulent / frottements
f5.3.1-1

Si nous prenons notre avion comme référentiel, et si nous observons le déplacement relatif des molécules d’air par rapport à notre avion nous constatons les faits suivants :
- Assez loin de l’avion, l’air se comporte comme s’il n’était pas visqueux et l’écoulement des filets d’air reste laminaire. Les frottements sont réduits au minimum et les filets d’air sont parallèles. La vitesse de l’écoulement général est alors appelée "vitesse amont infinie"
- A proximité immédiate de l’avion, sur une épaisseur de quelques millimètres à quelques centimètres de la paroi, les effets de la viscosité de l’air sont prépondérants. Cette zone s’appelle la "couche limite".
La couche limite est liée au comportement visqueux de l’air.
La couche limite se développe à partir du point d’arrêt jusqu’à l’arrière du profil où elle encadre le sillage.

5.3.2 Gradient de vitesse
Dans la couche limite, le gradient de vitesse varie de 0 à 99% de la vitesse amont infinie. En effet on a vu qu’assez loin de l’avion, les molécules d’air se déplacent à la vitesse de l’écoulement général (à la vitesse amont infinie), alors que plus près, elles ont tendance à coller à la paroi par frottement.

On peut observer de la même façon que l’eau d’un fleuve semble coller à ses berges par frottement, alors qu’en s’éloignant des rives le courant est clairement plus fort.

Evolution du gradient de vitesse lors du décollement sur un profil
f5.3.2-1

5.3.3 Relation vitesse-pression
Dans de l’Air immobile on définit une pression P constante.
Dans de l’Air mobile la pression P chute car elle est absorbée par l’énergie cinétique.

• Accélération de l'air => détente
• Ralentissement de l'air => compression

Lorsqu’un profil se déplace, il écarte d’abord les filets d’air, ce qui produit une accélération donc une détente, ensuite en arrière du profil l’air ralentit en reprenant sa place, ce qui produit une compression.

Maître couple : Le maître couple c’est l’emplacement où l’on passe en recompression.
La figure ci-dessus montre que le mouvement des molécules d’air au voisinage du profil s’accélère en avant du profil (dv/dx > 0), depuis le point d’arrêt où la vitesse est minimum jusqu’au maître couple du profil où la vitesse est maximum (dv/dx = 0). Puis la vitesse diminue du maître couple au point de décollement (freinage : dv/dx < 0), pour rester stable ensuite.

Parallèlement la pression est maximum au point d’arrêt et diminue jusqu’au maître couple car les filets d’air s’écartent du profil, puis la pression augmente dans la "zone de recompression" où les filets d’air se rapprochent du profil. Enfin la pression se stabilise après le point de décollement.

5.3.4 Transition laminaire - turbulent
En avant du profil : Pour des profils turbulents comme les profils porteurs courants, la couche limite reste laminaire en avant du profil : jusqu’à 15% de la corde environ (15% en arrière du bord d’attaque). Pour des profils laminaires comme par exemple les empennages verticaux, la couche limite reste laminaire jusqu’à 50 ou 60% de la corde
– rappel : la corde c’est la largeur de l’aile (ou longueur du profil).

En arrière du profil les frottements sont prépondérants, alors la couche limite devient turbulente et en même temps plus stable que la couche limite laminaire.

Pour les ailes d’avion, on choisit donc des profils porteurs plutôt turbulents : en effet ils traînent deux fois plus mais ils sont plus stables.

Transition laminaire - turbulent
f5.3.4-1

5.3.5 Bulle laminaire
Ce phénomène affecte plus particulièrement l’extrados de l’aile.

On constate que les frottements, assez forts au point d’arrêt, deviennent rapidement très faibles au sein de la couche limite laminaire. Juste après la transition laminaire-turbulent, les frottements sont très importants et diminuent ensuite progressivement.

Principe de la visualisation à l'huile
f5.3.5-1

Si la couche limite est encore laminaire après le maître couple profil, c’est à dire dans la zone de recompression des filets d’air, l’écoulement laminaire peut décoller du profil car la pression est encore très basse à ce moment. Dans ce cas, soit la couche limite transite en régime turbulent et décroche, soit elle recolle au profil en formant une bulle laminaire de recirculation.

5.3.6 Minimiser la traînée de frottement
On peut minimiser les traînées de frottement en modifiant le profil d’aile ou en plaçant des turbulateurs sur l’aile en amont de la zone de transition.

Un turbulateur est une bande crantée rugueuse adhésive (papier de verre) qu’on place idéalement à 6 mm environ en amont de la zone de transition pour éviter la formation de la bulle de décollement laminaire.

Le turbulateur a pour effet de forcer précocement la transition laminaire - turbulent. Il recolle les culots en redynamisant la couche limite. Son épaisseur doit être supérieure au quart de l’épaisseur de la couche laminaire. A 150 Km/h la couche laminaire a une épaisseur de 1,5 mm à moins de 15 % de la corde (soit par exemple à 15 cm en arrière du bord d’attaque d’une aile d’un mètre de large)

Dans l’exemple ci-dessous (tiré de la revue Expérimental) l’effet du turbulateur est visualisé à l’aide d’huile (1 volume de noir de fumée pour 10 à 15 volumes d’huile 10W40) appliquée moins de 30 minutes avant le vol. Pendant le vol, l’huile s’écoule plus rapidement dans la zone turbulente où la contrainte pariétale (contrainte de frottement sur la paroi) est plus importante. La zone laminaire où le film d’huile reste plus épais apparaît plus foncée. On nettoie au chiffon, à la lessive, ou avec un solvant qui ne dissout pas la peinture.

Sans turbulateurs

f5.3.6-1


Turbulateurs à 25 mm en arrière de la bulle laminaire

f5.3.6-2


Turbulateurs à 6 mm en arrière de la bulle laminaire

f5.3.6-3


Turbulateurs placés sur le début de la bulle laminaire

f5.3.6-4


Turbulateurs à 6 mm en avant de la bulle laminaire

f5.3.6-5

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5.4 Traînées d’onde



Ces traînées apparaissent uniquement aux vitesses transsoniques et supersoniques. Bien en dehors des limites des avions d’amateurs, elles ne seront donc pas détaillées ici.

Remarquons simplement que, tout comme la traînée de couche limite, la traînée d'onde est partie intégrante de la traînée de choc.

Très schématiquement, dans les ondes de choc, la vitesse de l'écoulement chute brutalement, de telle sorte que sa composante normale au choc passe du supersonique au subsonique. Ceci se traduit par un nouveau type de traînée correspondant à une nouvelle consommation d'énergie.

Dans la phase transsonique, l'onde de choc située sur l'extrados est à l'origine d'un phénomène analogue au décollement qui, outre l'augmentation de la traînée, cause une instabilité.

Dans la phase supersonique, ce phénomène disparaît mais il est remplacé, pour un profil d'aile classique à bord d'attaque arrondi, par un nouveau terme de traînée lié à une onde de choc détachée.

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