CELLULE DES AÉRONEFS
LES GOUVERNES DE VOL
Introduction
Pour piloter un avion, il est nécessaire de pouvoir contrôler en permanence ses évolutions dans l’espace suivant trois directions ou axes :- Axe de lacet
- Axe de roulis
- Axe de tangage
Les gouvernes de vol
Pour cela, le pilote agit sur les gouvernes de vol de l’avion par l'intermédiaire des commandes de vol.
Ces commandes de vol primaires sont utilisées pendant tout le vol et permettent de contrôler l’évolution de l’avion autour de ses axes de référence :
- la gouverne de direction ou gouvernail pour le lacet,
- les ailerons et les spoilers pour le roulis,
- les gouvernes de profondeur et le plan horizontal réglable pour le tangage.
Schéma de principe du fonctionnement du manche sur avion léger.
Dans un système à câbles où les entrées et les sorties nécessitent un mouvement rotatif, les câbles sont attachés à une chaîne qui passe sur un pignon.
Ci-dessous, schéma de principe de la commande des ailerons.
On peut utiliser un système de câbles et de poulies de commande, des tubes Push-Pull, un système hydraulique, électrique ou une combinaison de ces éléments.
Les avions simples et légers n'ont généralement pas de commande d'aileron hydraulique ou électrique de type fly-by-wire. On les trouve sur les avions lourds et à hautes performances.
Effets primaires des gouvernes
L'axe de tangage
Le tangage est contrôlé par l'empennage horizontal.
Celui-ci est composé généralement de deux parties :
- Une partie fixe appelée aussi stabilisateur. Le calage du stabilisateur peut être réglable en vol (Airbus, Fokker), il sert alors de compensateur.
- Une partie mobile appelée gouverne de profondeur, elle est actionnée par le manche.
La stabilité de l'aérodyne, ainsi que les empennages porteurs ou déporteurs seront traités dans la partie Mécanique du vol - Stabilité longitudinale.
Dans ce chapitre, ne sera étudiée que l'action primaire de la gouverne de profondeur. Par contre, la majorité des aérodynes (sauf ceux pilotés à travers des ordinateurs) ont des empennages déporteurs pour augmenter leur stabilité. Dans ce cas,le braquage de la gouverne de profondeur provoquera une déportance plus ou moins forte. Les exemples ci-dessous sont basés sur des empennages déporteurs.
Ci-dessous, le manche est au neutre, l'avion est en vol rectiligne horizontal stabilisé. Le plan fixe est légèrement déporteur.
Le manche est tiré en arrière, la gouverne de profondeur se "relève" augmentant la déportance de l'empennage horizontal. L'aérodyne pivote autour de l'axe de tangage en cabré, son assiette (Voir Mécanique du vol) augmente.
Le manche est poussé en avant, la gouverne de profondeur se "baisse" diminuant la déportance de l'empennage horizontal. L'aérodyne pivote autour de l'axe de tangage en piqué. L'assiette (Voir Mécanique du vol) diminue.
L'axe de roulis
Le roulis est contrôlé par la commande des ailerons.
Les ailerons sont des surfaces horizontales généralement situées à l'extrémité des ailes, côté bord de fuite pour augmenter le bras de levier. Sur certains avions de ligne
Voir Cellule des avions - Aile Airbus 300 ,
des ailerons supplémentaires sont situés près de l'emplanture de l'aile et utilisés aux grandes vitesses.
Les ailerons sont au neutre, les deux ailes ayant la même portance sont horizontales.
Le déplacement du manche latéralement provoque la rotation simultanée et de sens opposé des deux ailerons.
Ci-dessous, le manche a été déplacé à droite ou le volant a été tourné à droite. Cette action a modifié le profil des deux demi-ailes, donc leur portance, et l'aérodyne s'incline à droite.
L'action de roulis se poursuivra tant que les ailerons seront braqués.
En ramenant le manche au neutre, les ailerons reviennent également au neutre, les portances des deux ailes s'équilibrent et le mouvement de roulis cesse. L'inclinaison se stabilisera à la valeur atteinte.
Ailerons différentiels
Avec les ailerons différentiels, un aileron est relevé d'une plus grande distance que l'autre aileron est abaissé pour un mouvement donné du volant ou du manche. Ceci produit une augmentation de la traînée sur l'aile descendante. La plus grande traînée résulte de la déflexion de l'aileron supérieur de l'aile descendante à un angle plus grand que l'aileron inférieur de l'aile ascendante. Bien que le lacet défavorable soit réduit, il n'est pas complètement éliminé.
À noter que l'action des ailerons peut être combinée avec celle des spoilers (Airbus 320).
L'axe de lacet
Le lacet est contrôlé par la gouverne de direction à l'aide du palonnier. La gouverne de direction n'a pas les mêmes fonctions que le gouvernail d'un bateau, elle ne dirige pas l'avion, mais sert surtout à contrôler la symétrique du vol en ligne droite ou en virage, ainsi qu'en cas de panne moteur sur un avion multimoteur.
Il serait donc plus juste de l'appeler gouverne de symétrie.
Cette commande sert également à garder l'axe de la piste pendant les phases de décollage et d'atterrissage, principalement par vent de travers. Elle est aussi utilisée en voltige, par exemple pour arrêter une vrille (autorotation).
L'utilisation de cette gouverne se fait en appuyant sur l'une ou l'autre pédale du palonnier.
Le vol est symétrique lorsque l'axe longitudinal de l'aéronef est parallèle au vent relatif. (Le vent relatif est le vent généré par le déplacement de l'aérodyne).
En vol symétrique, le vecteur du vent relatif est par rapport à la vitesse de déplacement de l'aérodyne :
- égal en intensité
- de sens opposé
- parallèle à l'axe longitudinal
Ci-dessous, la pédale droite du palonnier a été enfoncée. Cette action par l'intermédiaire de la gouverne de direction va créer une rotation autour de l'axe de lacet et engendrer une résultante aérodynamique vers la gauche sur l'empennage vertical.
Le vent relatif fait un angle (angle de dérapage) avec l'axe longitudinal de l'aéronef, le vol est alors dissymétrique.
Cette situation entraîne une différence de vitesse entre les deux demi-ailes, d'où une diminution de portance de l'aile intérieure (dans le cas ci-dessus, l'aile droite), accompagnée d'une augmentation de traînée due au fuselage. En outre, pour les aéronefs à ailes basses, une partie de l'aile se trouve masquée par le fuselage et risque de ne plus être alimentée correctement par les filets d'air.
Effets secondaires des gouvernes
Ces effets secondaires sont des effets "parasites" lors du braquage des ailerons ou de la gouverne de direction. Il n'y a pas d'effets secondaires avec la gouverne de profondeur.
Les effets secondaires sont :
- Le lacet inverse
- Le lacet induit
- Le roulis induit
Le planeur ayant une envergure importante sera pris comme support pour les exemples ci-dessous.
Le lacet inverse
Lors d'une mise en virage, le braquage des ailerons entraîne une variation de portance, mais également une variation de traînée.
La traînée de l'aileron baissé est plus importante que celle de l'aileron levé. Cette différence de traînée crée un couple qui fait pivoter l'aéronef autour de son axe de lacet, en sens opposé au sens du virage.
Une action sur le palonnier dans le sens du virage neutralisera cet effet.
Pour diminuer ces effets secondaires, les aéronefs sont équipés d'un système de braquage différentiel. Le braquage de l'aileron levé est plus important que le braquage de l'aileron baissé, de façon à diminuer la différence de traînée.
Cet effet sera d'autant plus important que le braquage des ailerons sera important.
Et il sera d'autant plus important que la distance entre la gouverne et le centre de gravité sera importante.
La vitesse de braquage des ailerons jouera aussi un rôle. L'effet sera plus important pour un braquage rapide.
À noter que le lacet inverse n'existe que pendant la phase de braquage des ailerons.
Le lacet induit
Sur les aéronefs à grande envergure comme les planeurs, dans un virage, l'aile extérieure (aile haute) parcourt une distance supérieure à l'aile intérieure (aile basse) dans le même laps de temps. Ceci provoque une différence de vitesse entre les deux ailes, donc une différence de portance et de traînée.
L'aile haute traînant davantage est retenue en arrière. Elle crée un couple de lacet qui entraîne le nez de l'aérodyne vers l'extérieur du virage.
Pour contrer ce lacet induit, le pilote devra mettre un peu de palonnier à l'intérieur du virage.
Le roulis induit
Dans un virage, l'aile extérieure (haute) a une portance supérieure à l'aile intérieure (basse). Cette portance plus forte engendre une augmentation de l'inclinaison. Pour contrer ce roulis induit et stabiliser l'aérodyne à l'inclinaison désirée, le pilote devra maintenir en permanence un peu d'aileron à l'extérieur du virage.
Sur les avions légers, ces phénomènes sont pratiquement inexistants, voire pas du tout, vu leurs faibles envergures.
Pour les avions de transports à grande envergure (Airbus 330, plus de 60 mètres), le braquage des ailerons est faible, et est souvent associé au braquage de spoilers.
Quant à la gouverne de direction, elle est utilisée uniquement pendant les phases de décollage et d'atterrissage pour garder l'axe de la piste, ou pour contrer la dissymétrie lors d'une panne moteur.
