Une question d'équilibre

Cela fait plusieurs séances que nous faisons des tours de piste avec Michel, mon instructeur et aujourd'hui, avant de venir au terrain, j'ai potassé le manuel de préparation à l'examen théorique pour mieux comprendre le pourquoi du comment de la portance, en espérant que cela m'aidera à stabiliser correctement la vitesse de mon appareil en finale. 

Et ça tombe bien, je suis tombé droit sur la formule magique : 

Régime moteur + incidence = vitesse

La photo au début de l'article résume bien ce principe mais mérite quelques explications. 

J'avais déjà compris que l'appareil était soumis à différentes forces : le poids (lié à la gravité terrestre), la trainée (liée à la résistance de l'air et l'aérodynamisme de l'avion), la traction (lié à la motorisation) et... la portance. 

Mais comment générer la portance ? 

"La nature n'aime pas le vide", commence Michel. "L'aile rencontre le vent relatif et le scinde : un flux d'air passe par dessous, l'autre par dessus et les deux se rejoignent en même temps à l'arrière de l'aile. Le premier tape sous le dessous de l'aile, il est freiné, un 'embouteillage' d'air se forme, une surpression se crée, qui pousse l'avion vers le haut. Le second parcourt plus de distance car le dessus de l'aile est bombé. Pour être 'à l'heure' avec le premier flux, il accélère, 'vidant' l'espace au-dessus de l'aile et créant ainsi une dépression. Encore une fois, la nature n'aime pas le vide, et l'avion est aspiré vers le haut pour combler ce vide, sachant que la dépression est supérieure à la surpression. L'avion est donc davantage aspiré que poussé vers le haut".

J'avais trouvé ça assez clair et avec un schéma, ça donne ça : 

J'étais toujours un peu sceptique sur l'histoire de la dépression alors j'ai jeté un oeil sur le net et j'ai retrouvé cette vieille expérience qui consiste à souffler sur le dessus d'une feuille et à la voir se lever alors qu'on pourrait s'attendre au contraire à la voir descendre, mettant en évidence que la pression diminue dans un milieu où un fluide accélère (loi de Bernouilli) : 

Pour que cela fonctionne, il faut que l'aile 'avance', ou soit du moins confrontée à un air en mouvement (soufflé par exemple). D'ailleurs, au sol et à l'arrêt, l'aile ne génère aucune portance.

Si vous êtes dans une pièce fermée et que vous tournez sur vous-même, le bras tendu, vous allez sentir de l'air sur votre main, un peu comme du vent. Pourtant, il n'y a pas de vent dans cette pièce fermée. Il ne s'agit que de la résistance de l'air que l'on ressent soudain une fois en mouvement, et que l'aile de l'avion ressent quand l'hélice ou le réacteur la fait avancer. C'est ce qu'on appelle le vent relatif, car on ressent du vent qui est relatif à la trajectoire suivie par la main dans l'air. En bref, le sens du vent relatif est contraire au sens de la trajectoire d'un mobile. Pour l'aile, c'est pareil. Même si le vent vient de la gauche de l'avion, le vent relatif vient de devant, dans l'axe de la trajectoire de l'aile. C'est ce vent relatif qui est utile à l'aile pour créer de la portance. 

Mais c'est sans compter sur le poids et la trainée. Si l'on se contentait de la forme bombée de l'aile et du vent relatif, l'avion chuterait, freiné par la trainée générée par la résistance de l'air et attiré vers le sol par la gravité. Un peu comme si vous tendiez la main par la fenêtre en voiture en la gardant bien à plat, perpendiculaire à la route. 

Comment jouer sur la portance pour rester en l'air, monter ou descendre ?

Pour augmenter la portance, il va donc falloir jouer sur l'incidence (l'angle entre la corde de profil de l'aile et le vent relatif). 

Si l'on revient à l'exemple de la main en voiture, cela donnerait ça : 

En inclinant la main, celle-ci monte ! 

Il y a une autre donnée à garder en tête : 

Portance = carré de la vitesse

Donc : moins un avion va vite, moins il génère de portance sur ses ailes. Ou du moins, la portance générée devient moins importante que la force inverse : le poids, qui attire l'avion vers le sol.

En vent arrière, pour pouvoir freiner sans perdre d'altitude, le pilote doit donc augmenter la portance. Il est bien sûr possible d'augmenter la vitesse en jouant sur le régime moteur (celui de la formule au début !), mais ce n'est pas forcément ce qui est recherché avant de se poser. Reste donc l'incidence : le pilote va orienter les ailes pour offrir un profil différent, plus accentué, au vent relatif, ce qui va avoir pour effet d'augmenter la portance. 

Attention, une trop grande différence entre l'angle de l'aile par rapport à la trajectoire de l'avion, l'incidence, aurait pour effet d'empêcher les filets d'air sur la partie supérieure de l'aile (l'extrados) de rester coller dessus, ce qui provoquerait un décrochage. 

Sans aller jusque là, la recherche de portance à faible vitesse explique la posture cambrée des avions (ici, la corde de l'aile est alignée sur l'axe longitudinal, ce n'est pas toujours le cas) : 

Cela explique aussi pourquoi un avion a le nez pointé vers le ciel pour prendre de l'altitude. Plus un avion se cabre, plus il monte vite car il génère beaucoup de portance.

Cela fonctionne tant que l'avion peut empêcher l'angle d'incidence d'augmenter malgré lui... Car en montant, la vitesse diminue sous l'effet du poids et la trajectoire va progressivement passer à plat puis en descente. Si le pilote décide de laisser son avion le nez (et donc les ailes) en l'air au lieu de cesser de monter, voire descendre, alors l'angle d'incidence augmente rapidement et c'est le décrochage (vol Rio-Paris...). Pour retarder ce moment, il faudrait un moteur capable de maintenir la trajectoire en montée de l'appareil. Certains avions de voltige le peuvent : l'avion reste accroché en l'air, non plus grâce aux ailes, mais grâce à l'hélice (qui est formée de plusieurs ailes...). Quant à certains avions de chasse, la seule poussée de leurs réacteurs suffit, à raison d'une forte consommation, à les faire monter à la verticale. 

Tout ceci pour me permettre de rationaliser les gestes que je dois maintenant adopter en vent arrière avant de me poser : opposer à l'air suffisamment de résistance pour freiner l'appareil à 90km/h et prendre une incidence pour augmenter ma portance et ne pas descendre.

Comme ce dernier geste va encore augmenter ma trainée et faire diminuer ma vitesse et donc accentuer l'effet du poids par rapport à la portance, je remets un petit filet de gaz à 3600 tours par minutes pour rester au même niveau avec la même vitesse.

L'équilibre est atteint : j'ai autant de portance que de poids et autant de traction que de trainée. L'avion ne monte pas, ne descend pas. Il n'accélère pas et ne perd pas de vitesse non plus. Rien qu'en ajustant mon incidence et mon régime moteur, je me suis calé à 90km/h comme voulu. C'est le vol stabilisé ! 

Après être passé en base, je peux ensuite débuter ma descente vers la piste, simplement en réduisant les gaz. Normalement, si la machine est bien stable, ça descend tout seul. Et ça marche ! Pour la première fois, à mon 6e vol, je pose l'avion seul ! 

Bientôt, nous verrons que le pilote dispose d'autres outils pour augmenter ou réduire sa portance, ainsi que de commandes pour s'orienter face au vent relatif et stabiliser son appareil tout en limitant son action sur les commandes. Donc restez à l'affût des prochains articles ;-)