LA PORTANCE

La portance résulte de la défléxion vers le bas d'un débit massique d'air (Newton)

L'air, fluide dans lequel évolue les aéronefs est un milieu qui "cède" à la poussée. Autrement dit, l'air se dérobe lorsque l'on cherche à s'appuyer dessus.
Si l'on veut obtenir une portance dynamique (par opposition à la portance aérostatique d'Archimède des ballons et dirigeables) il faut ejecter en permanence un débit massique de fluide vers le bas (éjection d'une certaine quantité de mouvement), en échange de quoi, d'après une loi de Newton, on récupère une force vers le haut.

En aviation, cette masse à éjecter vers le bas pour voler, on a tout intérêt à ne pas l'embarquer à bord. L'avion baignant dans l'air, on éjectera de l'air, tout simplement !

La « machine » servant à éjecter de l'air vers le bas s'appelle « aile ».

Elle « prend » de l'air en avant de l'avion (en fait, c'est l'air qui arrive dessus « tout seul » à une certaine vitesse horizontale « V ») et défléchit cet air suivant un certain angle en le rejetant vers l'arrière et vers le bas.

Pour réussir cette opération, l'aile s'appuie sur une propriété du fluide (l'air) dans laquelle elle baigne, qu'on nomme viscosité.

La viscosité de l'air impose à celui-ci d'épouser la paroi intrados et extrados (Effet COANDA).

Au « démarrage » de l'aile sur la piste, l'air commence à contourner le bord de fuite, en raison de la faiblesse des forces d'inertie par rapport aux forces de viscosité. Ce rapport de forces s'appelle le nombre de Reynolds et il est très faible, au démarrage du mouvement.

L'augmentation des forces d'inertie rend à un moment le contournement du bord de fuite difficile puis impossible. Se détache alors un tourbillon qu'on appelle libre (parce qu'il reste sur la piste quand l'avion décolle). Ce tourbillon libre est la cause de la déflexion de l'air par l'aile. Ou la conséquence, on ne peut pas savoir ! Le pourquoi du comment est finalement secondaire, il faut voir les choses globalement :

Une chose est sûre finalement, l'aile éjecte de l'air vers le bas (défléxion d'un débit massique : Newton) grâce à la viscosité de l'air (effet Coanda). Ceci engendre une survitesse à l'extrados et une sous-vitesse à l'intrados qui trahissent l'apparition d'une circulation du tourbillon lié à l'aile (Magnus - Prandtl)à l'origine de l'effet Bernouilli

COMMENT L'AILE DEVIE L'AIR VERS LE BAS ?
L'EFFET COANDA :

Quand on place une cuillère sous un robinet d'eau comme sur la figure ci-jointe, on s'aperçoit que les filets d'eau suivent la courbure de la cuillère.

Ce comportement du fluide est dû à des forces agissant entre les molécules d'eau, des forces intermoléculaires à l'origine de la viscosité.

Il s'explique au premier ordre et pour simplifier par une « attirance » d'une première couche de molécules d'eau à la paroi de la cuillère, puis entre couches suivantes et successives d'eau.

Ecoulement autour d'un cylindre en rotation

L'EFFET MAGNUS, naissance du modèle de TOURBILLON LIE ou CIRCULATION :

Cette animation montre l'effet Magnus à l'origine de l'apparition de la deflexion et donc de la portance.

Cette animation montre le décollement du tourbillon libre, à l'origine de l'apparition de la deflexion et donc de la portance du profil.

Prandtl devant la cuve à fluide avec laquelle il fit les photos ci dessus

Nul besoin de codes de calculs et d'ordinateurs surpuissants pour élaborer des théories et produire des résultats concrets

APOCALYSPE ?...no ! déflexion et vortex derrière un C130 Hercules

Superbe photo de la déflexion et des tourbillons marginaux qui apparaissent en aval de l'aile.

(photo U.S. Coast Guard.)

Une belle visualisaton des tourbillons marginaux derrière un avion de ligne.

Notez les ronds de fumées qui se forment dans les tourbillons marginaux. ils résultent d'une instabilité de ces derniers.

(photo Tyler ROGOWAY.)

Visualisation de la Deflexion

Un visualise parfaitement sur ces magnifiques photos de Paul BOWEN la tranchée creusée dans les nuages par le passage d'un avion d'affaire. On perçoit mieux l'ejection de gaz (déflexion de l'air) vers le bas à l'origine du phénomène de portance.
Merci à François BESSE, magazine PILOTER

Déflexion sur un Caudron Rafale

On visualise la trace de l'écoulement de l'air au dessus de l'aile et par conséquent la déflexion du flux d'air grâce à une trainée d'huile qui s'achappe du moteur sur un Caudron Rafale.

(photo aimablement transmise par Mr Airy Millet.)

Visualisation de la Deflexion et des tourbillons marginaux, dans le sillage d'un C130

Ces petites vidéos exceptionnelles permettent de mettre en évidence la déflexion dans le sillage d'un C130 Hercules qui tire une volée de leures thermiques. On voit également l'enroulement de la nappe tourbillonnaire en deux grands tourbillons marginaux (vortex).
Sur la photo de droite, un C17 apraprs un tir de leurs thermiques.

Déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Rue de déflexion derrière un transport de troupe C17.
La même chose derrière un magnifique TU95.

Rue de déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Rue de déflexion derrière un Saab et un Learjet.

Déflexion et Tourbillons marginaux (vortex)

Très belle photographie d'un liner perçant la couche de brume et d'un autre en approche.

(www.airliners.net.)

Deflexion, tourbillons, vortex, repartition elliptique

Très belle visualisation des effets de la portance extraite du film "Pearl Harbor". Deux avions P40 traversent un mur de fumée et mettent en évidence la déflexion et les tourbillons marginaux.

Tourbillon marginal (vortex)

Visualisation particulièrement spéctaculaire du Tourbillon marginal (vortex) engendré par le passage d'un Piper Pawnee dans une nappe de fumigènes.
(Gracieuseté de la NACA.)

Catapultage d'un F18.
(http://www.patricksaviation.com/)

Tourbillon marginal (vortex)

Très belles photos d'un vol de patrouille de F18. On notera l'instabilité des tourbillons marginaux qui ont tendances à se déliter sous la forme de petits tores.

(http://www.patricksaviation.com/)

Tourbillon marginaux (vortex)

Visualisation des vortex engendrés par l'hypersustentation d'un avion de ligne. On distingue très nettement l'enroulement des tourbillons marginaux en aval de l'avion.

(Merci Airy Millet)

Tourbillon marginaux (vortex)

Au soleil couchant, les deux tourbillons des volets et la répartition élliptique de la portance matérialisé par la condensation de l'humidité de l'air.

(Merci Airy Millet)

Tourbillon marginaux (vortex)

.

(Merci Airy Millet)

Tourbillon marginaux (vortex)

Essais en soufflerie d'une maquette de 747 catapultée à travers un voile de fumées.

Visualisation en tunnel hydrodynamique du tourbillon marginal.

Cette très belle photo prise par Mr Werlé, célèbre aérodynamicien de l'ONERA permet de bien visualiser l'écoulement qui forme le tourbillon marginal sur le saumon.

(Gracieuseté ONERA).

Visualisation en tunnel hydrodynamique du tourbillon marginal.

L'enroulement de la nape de tourbillons qui se détache le long du saumon d'une aile droite en incidence est un exemple classique d'un vortex concentré stable. Le sens de rotation, le diamètre et le pas de la ligne de courant hélicoïdale du tourbillon sont révélées par traceurs liquides de différentes couleurs. Henri Werlé.

(Gracieuseté ONERA).

vortex-aile

Très belle vue de l'écoulement autour d'une aile de faible allongement.

(ONERA).

Répartition elliptique de la portance

Visualisation particulièrement spectaculaire de la répartition elliptique de la portance sur une aile de F18.

(www.steehouwer.com)

Répartition élliptique de la portance sur une aile de F18.

(Gracieuseté de www.steehouwer.com).

Une belle vue des tourbillons marginaux et de la dépression d'extrados.

(Ces deux dernière photos sont extraites du site : www.steehouwer.com)

Répartition élliptique de la portance, tourbillons marginaux, nappe tourbillonnaires....

(www.steehouwer.com)

Une photo particulièrement démonstrative.
On y voit concumitamment la déflexion de l'aile, les tourbillons marginaux et la répartition élliptique de la portance.

(Gracieuseté de M. Scott Eberhardt).

Répartition élliptique de la portance!!! :-)

("Le grand cirque", Pierre CLosterman).

L'hypersustentation du Breguet 940 & 941.

L'entreprise Breguet a poussée très loin les recherches sur les ailes hypersustentées par soufflage. Le Breguet 940 puis 941 démontrèrent l'extrème efficacité de ces systèmes qui nécéssitent néanmoins une complication mécanique pour en assurer la fiabilité.
Le principe de base est de dévier le souffle des hélices pour créer une poussée verticale. La portance maximale est multipliée par un facteur de trois à quatre. S'inspirant du concept développé par Breguet la NASA a procédée à des essais présentés dans le rapport D TN-4448.
Ce rapport montre qu'une combinaison d'hélices couvrant la majeure partie de l'envergure de l'aile permet d'augmenter jusqu'à 4 fois le coefficient de portance maximal. Combinées à des volets le Czmax peut être augmenté d'un facteur 8. Evidement au prix d'un très fort moment de tangage à piquer qu'il faut pouvoir équilibrer.

Systèmes d'hypersustentation sur un Boeing C17.

Le cahier des charges du Boeing C17 imposait l'usage de pistes courtes et donc la nécessité d'une hypersustentation efficace. Le centre de recherche de Langley avait développé des systèmes hypersustentateurs soufflés : les flux des moteurs sont dirigés directement sur des systèmes de volets à fentes multiples ce qui accroît considérablement le Cz max. L'utilisation de turboréacteurs à simple flux de l'époque engendrait des problèmes thermiques conséquents et des risques important en cas de panne d'un des moteurs. Mais l'apparition des réacteurs à double flux avec l'abaissement des températures des gaz éjectés et l'augmentation des débits d'air disponibles a permis le développement des ces techniques.

(Gracieuseté NASA-LANGLEY).

Les dispositifs hypersustentateur du Boeing 747.

Visualisation du décollement de la couche limite à l'approche du décrochage.

(Gracieuseté de l'ONERA).

Visualisation du décollement de la couche limite à l'approche du décrochage.

Visualisation du puissant tourbillon de retour lors d'un décrochage dynamique.

Visualisation du décrochage sur une aile de BD5 modifiée. Noter comment le gonflement des bords d'attaque sur le reste de l'aile protège les zones concernées d'un décrochage anticipé..

(Gracieuseté de Sport Aviation; aout & septembre 1986; Seth Anderson.)

Visualisation sur une plage d'incidence

Compilation d'images prises lors d'un essai aux fils de laine sur une plage d'incidence de 0 à 26°. Les photos ont été prises dans la soufflerie de Kirsten en utilisant des minis fils de laine fluorescents. Notez comment le décollement commence à l'extérieur de l'aile et progresse vers l'intérieur. Notez aussi comment le decollement est retardé en arrière de la nacelle. .

Ecoulement tourbillonnaire derrière une paire d'aérofreins déployés.

A noter les tourbillons alternés qui s'organisent en rue conforméments aux prédiction de Von Karman.

Aile en flèche

Vue de l'écoulement sur une aile en flèche.

(ONERA).

Aile en flèche à Mach 0,85

Visualisation de l'écoulement transversal de la couche limite et de la séparation induite par l'onde de choc sur la partie externe de l'aile.

(NASA).

Ecoulement sur une aile delta

Notez la puissance des deux tourbillons marginaux..
(Gracieuseté ONERA.)

Ecoulement sur une aile delta

Visualisation des tourbillons trombes engendrés par la mise en incidence d'une aile delta dans un écoulement.
(ONERA.)

Etudes des écoulements sur une aile delta en vol libre.

Visualisation par filets de fumées.
(Gracieuseté NACA)

Eclatement de vortex sur une aile delta à haute incidence.

Sur une aile delta, les tourbillons trombes (vortex) eclatent naturellement à forte incidence et une chute de portance consécutive est observée sur la partie de la voilure affectée par ce phénomène. Cette rupture du système tourbillonnaire peut compromette la stabilité en tangage (apparition de vibrations, tremblement), en particulier à des angles d'attaque supérieur à celui normalement utilisé pour l'atterrissage.
Cette visualisation dans un tunnel à l'eau est assez similaire à celle observée par la NASA au cours des essais en vol.

(Henri Werlé, ONERA)

Essais en tunnel hydrodynamique d'une maquette de Concorde

(Source ONERA.)

Tourbillons qui se forment, à l'atterrissage, au bord de fuite sur Concorde

(Source ONERA.)

Vidéo des essais en tunnel hydrodynamique d'une maquette de Concorde

Un grand merci au ouaibemaître de l'ONERA qui par son humble travail de mise en ligne, compense le souverain mépris de cette organisation vis à vis de ceux qui la finance !
(Source ONERA.)

Concorde à l'incidence d'atterrissage

(Source Werlé ONERA.)

Visualisation des écoulements d'apex sur un F18 aux grands angles

On notera l'écoulement particulièrement erratique sur l'aile, matérialisé par des fils de laine.
(Gracieuseté NASA)

Visualisation en tunnel à eau des écoulements sur le fuselage et la voilure d'un F18

Une maquette au 1/48 est placé dans un tunnel à eau. Des colorants sont injectés à différents niveaux de la maquette pour visualiser les écoulements. On remarque la très forte interaction des tourbillons d'apex sur la voilure.
(Gracieuseté NASA).

Visualisation en tunnel à eau des écoulements sur le fuselage et la voilure d'un F18

(Gracieuseté NASA).

Visualisation en tunnel à eau des écoulements sur le fuselage et la voilure d'un F18

Notez l'incidence 2 alpha des filets fluides sur le nez.
(Gracieuseté NASA).

Tourbillon d'apex (vortex)

Tourbillons d'apex sur F16 et F18.
Sur la plupart des chasseurs modernes, des apex ou des plans canards sont disposés en amont de la voilure principale. Cette dernière tend à réduire sa flèche afin d'améliorer les performances à basses vitesses. Du coup la voilure principale risque d'avoir une incidence de décrochage plus faible qu'une aile delta avec une perte de portance brutale. Les surfaces placées en amont de la voilure, en générant de puissants tourbillons, permettent de maintenir une portance tourbillonnaire même à grande incidence, aux dépends bien sûr de la trainée qui augmente fortement.

Naissance des tourbillons d'apex sur un F18 des Blue Angels. Notez sur la photo de droite le bel enroulement des tourbillons d'apex qui viennent redynamiser fortement la couche limite sur l'extrados de l'aile.

Materialisation des champs de pression

Materialisation des champs de pression sur une aile de F14. Notez l'influence des accidents locaux de forme sur les champs de pression en particulier au niveau des supports d'armement sur l'aile.

(http://www.patricksaviation.com/).

Vol du papillon

Très belle vidéo du vol du papilon dans une boite à fumées. On visualise la deflexion à l'origine de la portance.

(photo aimablement transmise par M. Jérémy DURAND.)

Vol des oiseaux

Récupération de la déflexion ascendante en bout d'aile du volatile précédent.
L'oiseau de tête viendra reprendre sa place dans la formation au bout d'un certain temps. Les Grecs y voyaient un modèle de démocratie.

(photo aimablement transmise par M. Paul LUCAS.)

Vol des oiseaux - animations

Visualisation du sillage laissé par une hélice conçu pour un avion volant à 700 km/h.

(Gracieuseté de l'ONERA).

Tourbillons en marge d'une hélice qui tourne. Ils sont, ici, matérialisés par des fumées allant de droite à gauche. En haut et à droite, on apperçoit une pale de l'hélice.

Système tourbillonnaire derrière une hélices (vortex)

Visualisation de la contraction de la veine d'air

(Gracieuseté de Ratier Figeac).

Système tourbillonnaire

Système tourbillonnaire derrière les hélices d'un AIRBUS A400M.

Système tourbillonnaire derrière les hélices d'un C130 Hercules (Merci à Jeremy Durand).
Sur la photo de droite; un C130 des Blue Angels au décollage.

La condensation de l'eau contenue dans l'air provient de la violente chute de pression au coeur du tourbillon marginal qui prend naissance au saumon de la pale d'hélice. Ce vortex dont l'intensité va croissante plus on se rapproche de son centre (comme un cyclone) centrifuge l'air et donc fait diminuer la pression de manière adiabatique (sans échanges de de chaleur avec l'extérieur), ce qui engendre une baisse de la température (comme quand on décapsule un soda) et la condensation de la vapeur d'eau.

Système tourbillonnaire derrière les hélices d'un Yak (Merci à Jeremy Durand).

Ligne d'émission, visualisation du tourbillon marginal.
(Source Valensi; Rebuffet)

Système tourbillonnaire mis en évidence dans un tunnel à eau.

Ligne d'émission, visualisation du tourbillon marginal.
(sources Werlé)

Hélicoptère en tunnel hydrodynamique

(Source ONERA)