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Les composantes de la traînée

Phraséologie Anglaise

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Nous avons vu que la traînée est la composante parallèle au vent relatif de la réaction aérodynamique.

Si la portance est essentiellement créée par les ailes, la traînée est constituée de l'ensemble des forces qui s'opposent à l'avancement de l'avion et qui agissent non seulement sur les ailes mais également sur toutes les parties de l'avion exposées au vent relatif (fuselage, moteur, train d'atterrissage, empennages, antennes, mâts, haubans ...).

Il est d'usage, en aérodynamique de décomposer la traînée totale d'un avion en deux grandes catégories :

  • la traînée parasite (Dp) que l'on décompose elle-même en :
    • une traînée de frottement
    • une traînée de forme
    • une traînée d'interférence
  • la traînée induite par la portance (Di)

On désigne souvent par "traînée de profil" la somme de la traînée de frottement et de la traînée de forme.

La traînée de frottement

Dans l'écoulement d'un fluide autour d'un corps quelconque se produit un phénomène d'adhérence du fluide à la paroi du corps. On constate qu'il existe, le long de la surface, une mince couche dans laquelle la vitesse de l'écoulement est freinée. Cette couche s'appelle la couche limite (Fig. 2.21).

Les molécules d'air en contact avec la surface d'un profil sont freinées par les forces de frottement. Ces forces sont telles que la vitesse des filets d'air est nulle au contact du profil. Ce n'est qu'à une certaine distance du profil que la vitesse des filets devient uniforme. Dans l'épaisseur de cette couche, la vitesse des filets d'air varie progressivement en raison de la viscosité de l'air, qui correspond à un frottement moléculaire interne.


Fig 2.21

La figure 2.22 montre les différentes parties de cette couche sur la paroi supérieure d'un profil placé dans un écoulement. Le même schéma existe également sur la paroi inférieure. Au fur et mesure que l'on s'éloigne du bord d'attaque, la somme des forces de frottement augmente en raison de l'augmentation de la surface du profil et l'épaisseur de la couche limite augmente. On observe deux zones distinctes dans cette couche limite, en fonction de la vitesse de l'air et de la distance au bord d'attaque : une première zone où l'écoulement est laminaire et une seconde où l'écoulement est turbulent

L'épaisseur de la couche limite varie de quelques dixièmes de mm en écoulement laminaire à ±10 mm en écoulement turbulent.


Fig 2.22

Le point de la surface du profil où la couche limite laminaire devient turbulente, sans quitter la surface du profil, s'appelle le POINT DE TRANSITION. Ce point se situe approximativement au point de cambrure maximum du profil, là où la vitesse des filets d'air est maximum et la pression statique minimum. Entre ce point et le bord de fuite, la vitesse diminue et la pression statique augmente, ce qui a pour effet d'augmenter la résistance à l'avancement. L'écoulement dans la couche limite devient turbulent.

Dans certaines conditions de vitesses et de pressions au sein de la couche limite, le mouvement désordonné des particules provoque la formation de tourbillons au travers de la couche et son décollement de la paroi. C'est le décrochage qui se produit lorsque l'angle d'attaque atteint une valeur critique (fig. 2.15)

Le point où la couche turbulente se déchire aux grands angles s'appelle le POINT DE SEPARATION.

La traînée de frottement concerne toutes les parties de l'avion. Sa grandeur augmente :

  • avec la surface totale du revêtement de l'avion ;
  • avec la turbulence dans la couche limite ;
  • avec la rugosité des parois (la présence de glace, de poussières, de toute aspérité... augmente la rugosité et donc la traînée de frottement) ;
  • avec la vitesse du vent relatif ;
  • avec l'épaisseur du profil ;
  • avec l'angle d'attaque.

La traînée de forme

La figure 2.23 illustre la variation de la résistance à l'écoulement de l'air autour d'un corps dont on affine progressivement les formes tout en gardant la même surface frontale (maître-couple), en passant d'un disque plat à une sphère puis à une forme en goutte d'eau et enfin un profil plus effilé.


Fig 2.23

La traînée est d'autant plus importante que la séparation des filets d'air autour du corps est plus brutale; plus la séparation est abrupte, plus le sillage est turbulent. La dépression qui règne dans cette zone de turbulence, à l'arrière du corps, contribue à augmenter la résistance à l'avancement.

L'expérience montre que le carénage des roues et le profilage des jambes du train d'atterrissage, par exemple, permettent d'augmenter de plusieurs Noeuds la vitesse de croisière d'un avion léger.

La traînée d'interférence

La traînée d'interférence est celle qui apparaît à la rencontre de deux écoulements de directions et/ou de vitesses différentes. C'est le cas notamment à l'emplanture de l'aile (fig. 2.24) et à la jonction empennage - fuselage où se rencontrent l'écoulement sur le fuselage et l'écoulement sur l'aile ou l'empennage. L'entrecroisement des filets d'air y provoque de la turbulence génératrice de traînée, que l'on peut atténuer en arrondissant les angles aux jonctions des différentes parties de la structure.


Fig 2.24

La traînée induite

La traînée induite est une traînée résultant de l'existence même de la portance des ailes. On sait que l'écoulement de l'air autour d'un profil d'aile produit une dépression sur l'extrados et une surpression sur l'intrados (v. § 2.5.3 et fig. 2.13).

On sait par ailleurs que l'air a toujours tendance à s'écouler d'une zone de haute pression vers une zone de basse pression. La figure 2.25 montre que l'air en surpression aux extrémités des ailes tend à s'écouler de l'intrados vers l'extrados en contournant les bouts d'ailes et en créant deux tourbillons appelés tourbillons marginaux (vortex).




Fig 2.25,2.26,2.27

Vu de l'arrière, le tourbillon marginal de l'aile gauche tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et celui de l'aile droite en sens inverse (fig. 2.26).

De plus, la pression régnant sur l'extrados étant inférieure à la pression atmosphérique qui règne à l'extérieur de l'aile, il s'établit un courant qui dévie la trajectoire des filets d'air vers le fuselage. L'inverse se produit sous l'intrados ; la trajectoire des filets d'air est déviée vers l'extrémité de l'aile. Lorsque ces filets d'air s'entrecroisent le long du bord de fuite, ils produisent une nappe de petits tourbillons appelés "tourbillons élémentaires" qui rejoignent les tourbillons marginaux à l'arrière de l'avion.

L'énergie propre de ces mouvements secondaires est nécessairement empruntée à celle de l'écoulement général ; tout se passe comme si une traînée supplémentaire, appelée traînée induite, agissait sur l'avion.

Les tourbillons élémentaires induisent dans l'écoulement d'air une composante verticale de vitesse (Vi) dirigée vers le bas (vitesse induite). Celle-ci provoque une déflexion de l'écoulement vers le bas (downwash). La vitesse relative (Vr) qui existe en amont du bord d'attaque devient V1 (Fig. 2.28). Par suite, l'angle réel d'incidence diminue d'un angle (a), généralement faible. La portance L1, qui est normale à V1, présente donc une composante verticale qui assure la sustentation de l'aile et une composante horizontale (la traînée induite) qui n'est pas forcément négligeable et qui s'ajoute à celle d'un écoulement bidimensionnel (v. § 2.8).


Fig 2.28

La traînée induite (Di) augmente avec l'intensité des tourbillons marginaux et des tourbillons élémentaires. Elle est proportionnelle à la différence des pressions qui leur donnent naissance. Elle augmente donc avec la portance, et par conséquent avec le poids de l'avion.

L'expérience montre également qu'elle est inversement proportionnelle à l'allongement () de l'aile et au carré de la vitesse : Di = K / V². , autrement dit la traînée induite est d'autant plus grande que la vitesse est faible et que l'allongement de l'aile est faible.

Les tourbillons marginaux constituent la TURBULENCE DE SILLAGE, particulièrement importante derrière les gros porteurs. Le fait qu'elle augmente avec le poids de l'avion et avec une diminution de la vitesse explique le danger qu'il y a, pour un avion léger, d'atterrir ou de décoller dans le sillage d'un gros porteur.

Il existe trois catégories de turbulences de sillage, définies en fonction de la masse maximum de l'avion (voir fascicule 4 - Réglementation) :

    L (Light) : jusqu'à 7 tonnes
    M (Medium) : plus de 7 tonnes et moins de 136 tonnes
    H (Heavy) : 136 tonnes et plus

Certaines précautions doivent être prises derrière un gros porteur (fig. 2.29 et 2.30) :

  • AU DECOLLAGE : en l'absence de vent, la turbulence subsiste sur la piste et ne se dissipe que lentement. Il faut attendre au moins 3 minutes avant de décoller. S'il y a du vent transversal, la turbulence est entraînée hors de la piste et l'attente peut être réduite.
  • APRES LE DECOLLAGE : adopter une trajectoire différente de celle de l'avion qui précède, en tenant compte de la direction du vent.
  • A L'ATTERRISSAGE : il s'agit de situer les turbulences pour définir une pente d'approche et un point d'atterrissage dans une zone favorable.


Fig 2.29,2.30