Physique astronautique et aérodynamisme

1. L‘Aérodynamisme

1. Les fluides

La voilure est une partie d’un corps en vol comme par exemple l'aile ou les stabilisateurs horizontaux et verticaux, conçue pour réagir avec les flux d’air.La ligne d’accord d’une aile est une ligne passant par le bord de l’attaque et le bord de la fuite. L'angle d’attaque est l’angle entre la ligne d’accord et l’horizon. La composition de la voilure est montré sur le Schéma 4 ci dessous:

1. Le comportement de flux d’air

Un objet présente un obstacle à l'airdonc le flux d’air passant à proximité d’une aile sera retardé par rapport à l'air non perturbé passant plus loin comme on peut le voir dans le Schéma 5. La ligne de séparation entre l’air que s’écoule sur le dessus de l’aile et l’air qui circule sous le dessous de l’aile s’appelle ligne de stagnation. Sur les avions, il y a deux lignes de stagnation. Une qui court le long de l’envergure (sur les schémas ici elle n'est représentée que par un point unique), et l’autre qui est au milieu où les deux flux d’air séparés par l’aile se rencontrent. Avec un angle d’attaques modéré, la ligne de stagnation se trouve en dessous et en arrière du bord d'attaque de l'aile. Lorsque l’angle d’attaque augmente, la ligne de stagnation en arrière s’éloigne de l’aile. Pour les angles d’incidence supérieures à 15°,  la séparation des flux apparait lorsque la viscosité de l’air entraîne le décollement de la couche limite. Ce phénomène est visible sur le Schéma 6.

Lors d’une perception de l’air par une aile, quelques phénomènes se créent. Le mouvement de l’air n’est pas dirigé que de gauche à droite mais également vers le haut et le bas. La descendance est la déflexion vers le bas devant de l’aile, appelée “downwash” en anglais est un des processus créant la portance. L’ascendance est la déflexion vers le haut appelée “upwash” en anglais. Le Schéma 7 ci dessous nous montre la position de Upwash et Downwash par rapport à la voilure:[pic 4]

La circulation de flux autour de l’aile est très symétrique. La circulation de flux est plus intense près de l'aile , mais elle est négligeable loin de l'aile et n’influence pas la masse d’air dans l'ensemble. Lorsque un vent de face donne à l'avion stationné une vitesse, les champs de vitesse vont s’ajouter à chaque point de l’espace. La vitesse sera produite grâce à l’adjonction de flux de la masse d’air et l’écoulement circulatoire au-dessus de l'aile. Par contre, le flux de masse d’air en dessous de l'aile sera partiellement annulé par le flux circulatoire, que va produire une faible vitesse.Lorsque deux objets solides interagissent dans un processus mécanique, les forces sont transmisesau niveau du point de contact. Mais quand un objet solide interagit avec un fluide, le fluide peut changer sa forme et la modélisation devient plus complexe. Pour un objet solide immergé dans un fluide, le point de contact est sur tous les points de la surface de l’objet. Le fluide peut se mouvoir autour de l’objet et maintenir le contact dans tous les points de la surface. La transmission ou application des forces mécaniques entre un corps solide et un fluide agit donc sur tous les points de la surface. La transmission agit à travers la pression du fluide.L’air est un fluide; il exerce aussi une pression sur lui-même. Ainsi, la pression atmosphérique influence fortement l'action de l’air autour de l‘aile.

1. La pression autour de l’aile

La pression est une quantité scalaire liée à la force qu'exercent les molécules d’un fluide sur une surface. La direction de la pression sur la surface d’un objet solide lui est perpendiculaire. Pour un fluide en mouvement, la vitesse a des valeurs différentes dans des lieux différents autour de l’objet. La pression locale est alors reliée à la vitesse locale, donc la pression varie aussi autour de la surface et une force nette est produite.Lorsqu’un objet traverse un fluide, sa vitesse varie autour de la surface de l’objet. Le changement de la vitesse produit un changement de la pression sur la surface. La force aérodynamique est exprimé par le produit de la pression autour du corps par unitéde surface. Cette force unique peut-être considéré agissant sur un point qui est l’emplacement moyen de la pression sur la surface de l’objet. L’emplacement moyen de la variation de pression est appelée le centre de la pression

de la même manière qu’est appelée l’emplacement moyen du poids le centre de gravité. Les forces aérodynamiques sont la traînée et la portance qui agissent à travers le centre de la pression pendant le vol.

        Pour un objet volant il est très important de déterminer le centre de pression. Pour équilibrer l’avion ou maintenir la stabilité d’une fusée il est nécessaire de connaître le centre de la pression de l’aéronef en entier. Pour déterminer le centre de la pression il faut bien maitriser les calculs et avoir d’importangtes connaissances sur la distribution de la pression autour d’un corps. La désignation de centre de la pression d’une voilure comprend plusieurs problèmes importants. Lorsque l’angle d’attaque change, la pression sur chaque point de la voilure change aussi comme le démontre le Schéma 8. Dans ce schéma les régions  rouges correspondent aux pressions positives et les régions bleues correspondent aux dépressions. Par conséquent le centre de pression change aussi. Ce mouvement de centre de pressionétait le problème majeur pour les premiers fabriquants automobiles parce que l’importance du changement et quelquefois le mouvement était différent pour les différentes conceptions. Pour résoudre quelques-uns de ces problèmes de conception, les ingénieurs aéronautiques caractérisent les forces agissant sur la voilure par une force aérodynamique accouplée par un moment aérodynamique pour tenir compte de la torsion. La force aérodynamique est appliqué sur l’emplacement d’un quart de la queue du bord d’attaque. L’ordre de grandeur de moment aérodynamique reste presque constant avec l’angle d’attaque. Les ingénieurs appellent l’emplacement où le moment aérodynamique reste constante le centre aérodynamique de la voilure. En utilisant le centre aérodynamique comme l’endroit où la force aérodynamique agit ressoude le problème de mouvement de centre de la pression avec  l’angle d’attaque. Pendant le vol supersonique le centre aérodynamique se situe plutôt au milieu de la queue. Pour les calcules de l’équilibre de l’avion les forces aérodynamiques sont appliquées d’habitude comme agissant sur le centre aérodynamique de la voilure.

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