MÉCANIQUE DU VOL

VOL EN HAUTE ALTITUDE


Notion de base du vol en haute altitude

Les avions à turboréacteurs sont des avions assez rapides volant à des altitudes élevées. Intéressons nous donc aux caractéristiques aérodynamiques d'un avion équipé d'aile subsonique.
Les avions équipés d'aile supersonique ne seront pas traités dans cette section.
Il peut être intéressant d'exprimer les équations de vol en fonction du nombre de Mach M au lieu de la vitesse V .
Pour les avions volant à un Mach inférieur au Mach critique le Cz max reste constant car la compressibilité est négligeable. Le Mach critique Mc correspond au Mach à partir duquel apparaissent les premiers phénomènes soniques autour de l’aile, il peut varier de 0.7 à 0.9 suivant le type d'avion.
Equation de sustentation en fonction du Mach : Equation Sustentation GTR Mach
S = surface allaire de l'avion
Cz = coefficient de portance
Cp = Chaleur spécifique à pression constante
Cv = Chaleur spécifique à volume constant
Ps = Pression statique
M = Point de Mach

Courbe Cz maxi Mach

De cette courbe Cz max = F (M) il est possible de déduire une courbe Cz max M 2 = ƒ (M) .
Cete courbe croît d'abord paraboliquement, passe par un maximum au Mach critique et s'annule au Mach de Cz max = 0 .

Courbe Rz maxi Mach

En changeant les coordonnées, il est possible de transformer la courbe Cz max M2 en Rz max.
La portance maximale, est donc pour chaque valeur de Mach, proportionnelle au produit Cz max M2.
Lorsque la masse de l’avion diminue (cas du délestage du à la consommation de carburant) son incidence diminue et le plafond de sustentation augmente, le Mach de décrochage bas diminue, le Mach de décrochage haut augmente et le domaine de vol s’agrandit.

Stabilité et instabilité en fonction du Mach

En portant sur un même graphique les courbes de Tn et Tu nous constatons qu'il est possible de voler à différents Mach.

Courbe Tu  Mach

Ms   c'est le Mach de séparation des deux régimes de vol, il se situe au point de tangence de la courbe de Tu disponible à la courbe de Tn . Il peut être soit légèrement inférieur, soit légèrement supérieur au Mach de finesse max.
Mf   Mach de finesse maximale, c'est à ce Mach que l'on obtient la poussée minimale.
Mv   Mach visé est le Mach de croisière choisi. C'est la solution stable du 1er régime de vol. Une diminution du Mach provoque un excédent de poussée et une augmentation du Mach provoque un déficit de poussée, ce qui ramène le Mach à Mv.
Mc   Mach critique Mc. C'est la seconde solution instable du 2éme règime de vol. Une diminution en Mach provoque un déficit de poussée ce qui éloigne le Mach de Mcet entraine l'avion dans la zone critique. Une augmentation en Mach provoque un excédent de poussée qui entraine une nouvelle augmentation du Mach.
MMO   Mach maximal opérationnel. Ne doit normalement jamais être dépassé.
Mb   Mach du buffeting basse vitesse, il est dû au décollement local des filets d'air sur l'extrados de l'aile lorsque l'incidence augmente et provoque une vibration avertissant de la proximité du décrochage.
Mh   Mach du buffeting haute vitesse, il se produit lorsque le Mach continue d’augmenter après l’apparition de l’onde de choc sur l’extrados. Il y a alors décollement de la couche limite à l’arrière de l’onde de choc.

Plafond de sustentation

Le Plafond de sustentation est l’altitude maximale à laquelle peut voler le planeur au facteur de charge = 1 (n = 1 pour un poids mg donné). Il dépend uniquement des qualités aérodynamiques de l’avion et de son poids.
A ne pas confondre avec le plafond de propulsion, qui dépend de la poussée des réacteurs.
Le plafond de sustentation augmente si le poids diminue, et inversement. Il est obtenu à un Mach précis, Mach optimal Mo qui rend le produit Cz M2 maximal.
Les courbes donnant la variation de la portance en fonction du Mach et de l’altitude pression figurent dans les manuels d’utilisation de chaque compagnie aérienne.
Ci-dessous les courbes caractéristiques planeur pour un B 747-200 à une masse de 320 tonnes. Les marges par rapport aux Mach de buffeting bas et de buffeting haut, c’est à dire le domaine de vol, se réduisent quand Zp augmente.
Donc plus l’altitude de vol choisie est élevée et plus l’écart entre Mach mini et Mach maxi va se réduire. Lorsque l’altitude de vol est proche du plafond de sustentation, l’écart devient très faible et cette zone peut devenir vite dangereuse.

Courbe caract avion 747

L'altitude maximale en vol stabilisé sera limitée par le plafond de propulsion qui est toujours inférieur au plafond de sustentation.

Vitesses et Mach limites

1 - Vne, Vno avion en configuration lisse
Vne : vitesse à ne jamais dépasser
Vno : vitesse maximale structurale en croisière.
Ces deux vitesses ne sont pas utilisées pour les avions de catégorie commuter ou transport.
Voir Domaine de vol
2 - Vmo, Mmo avion en configuration lisse
Vmo : vitesse maximale limite en utilisation (maximum operating limit speed)
Mmo : mach maximal limite en opération
Vmo et Mmo ne doivent jamais être dépassés, sauf pour vol d'essai et entrainement sur autorisation.
Vmo ne doit pas dépasser Vc (vitesse de calcul). Vc étant ≤ 0,8 de VD.
Mmo ne doit pas dépasser Mc (mach de calcul). Mc étant ≤ 0,8 de MD.
Lorsque Zp (altitude pression) augmente VV augmente, Vmo est constant et le Mach augmente. Quand la valeur de Mmo est atteinte, la montée se poursuit à Mmo

Courbe vitesse VmoMmo

Le point de conjonction Vmo et Mmo se trouve à l'altitude à partir de laquelle l'avion est limité par la compressibilité. Ce point est appelé en anglais "coffin corner" ou "coin du cerceuil" en raison des dangers dus à la double limitation Vmo et Mmo.


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