MÉCANIQUE DU VOL

LA STABILITÉ D'UN AÉRONEF



- Différents types de stabilité

- Stabilité longitudinale

- Stabilité latérale

- Stabilité verticale

Introduction

La stabilité est essentiellement définie comme la capacité d'un aéronef à revenir à l'état de vol stable initial après une petite perturbation. La stabilité permet aux aéronefs de corriger les conditions qui agissent sur lui, comme les turbulences ou les commandes de vol et de réduire au minimum la charge de travail du pilote.
Les axes de l'aéronef sont des lignes imaginaires qui traversent l'aéronef :
- axe longitudinal : s'étend du nez à la queue, à travers le fuselage
- axe latéral : s'étend de l'extrémité d'une aile à l'extrémité de l'autre aile
- axe vertical : passe par le centre du fuselage, du haut vers le bas

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Dans un vol équilibré la somme des forces opposées est toujours nulle. En termes simples : la poussée est égale à la traînée et la portance égale au poids. Un aéronef est considéré comme stable lorsqu'il n'y a pas de mouvement de rotation ou de tendance par rapport à l'un de ses axes.

Stabilite Arrow Profil
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Différents types de stabilité

Pour les avions, il existe deux types de stabilité : statique et dynamique.

Stabilité statique

La stabilité statique est la tendance initiale de l'avion. Elle peut être décrite comme positive, négative ou neutre.
Statique positive
Tendance à revenir à la position d'origine. Si après une turbulence l'incidence augmente légérement (nez vers le haut), immédiatement après l'incidence revient à sa position d'origine.

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Statique neutre
Tendance à rester dans sa nouvelle attitude après changement. Par exemple si après une turbulence l'incidence augmente et reste à cette nouvelle incidence.

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Statique négative
Tendance à continuer à s'éloigner de son attitude initiale après changement du à une turbulence par exmple.

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Stabilité dynamique

La stabilité dynamique est la façon dont un avion réagit au fil du temps à une perturbation.
Dynamique positive
La stabilité dynamique positive est la tendance d'un avion à amortir les variations vers la position d'origine. Après une perturbation par exemple l'incidence augmente puis diminue, avec le temps l'incidence augmente à nouveau mais moins que la première fois, puis rediminue etc, etc... et au fil du temps le tangage s'arrêtera et l'avion reviendra à sa position d'origine.

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Dynamique neutre
Les aéronefs à stabilité dynamique neutre ont des oscillations après une perturbation qui ne s'arrêtent jamais (en théorie).

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Dynamique négative
La stabilité dynamique négative est la tendance d'un avion à s'éloigner de la position d'origine une fois perturbé. Au fil du temps, les oscillations deviennent de plus en plus importantes.

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Stabilité longitudinale

Par stabilité longitudinale, on se réfère à la stabilité de l'aéronef autour de son axe de tangage. Les caractéristiques de l'avion à cet égard sont influencées par trois facteurs:

La position du centre de gravité CG. En règle générale, plus le CG est avancé (vers l'avant), plus l'avion est stable par rapport au tangage. Cependant, des positions CG très éloignées rendent l'aéronef difficilement contrôlable, et l'avion devient de plus en plus "lourd" du nez à des vitesses faibles, comme pendant l'atterrissage. Mais si le CG est déplacé trop vers l'arrière, l'avion devient statiquement moins stable.  Voir variation du centre de gravité. Passé le point critique à partir duquel la stabilité de l'avion devient neutre, tout mouvement vers l'arrière du CG entraîne une stabilité incontrôlable du vol.

La position du centre de poussée CP. Le centre de poussée coïncide rarement avec le CG, des instants de tangage seront donc naturellement induits autour du CG. La difficulté est que le CP n'est pas statique, mais peut se déplacer pendant le vol en fonction de l'angle d'incidence des ailes.   Voir variation du centre de poussée.

La conception de l'empennage horizontal. Le rôle de stabilisateur (plan fixe horizontal) est de contrôler les rotations de tangage de l'aéronef. Ainsi la portance ou la déportance du stabilisateur peut contrer toute rotation de tangage indésirable. En conséquence de l'interaction entre CP et CG, la conception du stabilisateur influence grandement la stabilité du tangage d'un aéronef.

Stabilite longitudinale

Stabilité longitudinale et vitesse

En vol horizontal le flux d'air provenant de l'aile crée une déflexion descendante qui vient frappé l'extrados de l'empennage, provoquant une pression vers le bas qui, à certaine vitesse suffit à équiliber l'avion longitudinalement (Sauf sur les avions avec empennage en T). Le constructeur place la partie fixe de l'empennage horizontal à un angle qui assurera la meilleure stabilité (ou équilibre) de l'avion en vol à la vitesse de croisière nominale et au réglage de puissance.

Stabilite en croisiere

Si après une perturbation par exemple la vitesse de l'avion diminue, la vitesse du flux d'air sur l'aile diminue, provoquant une diminution de la déflection descendante sur l'empennage horizontal entraînant la diminution de la déportance sur l'empennage. L'avion va pivoter autour de CG et diminuer l'incidence permettant à la vitesse d'augmenter.

Stabilite en montee

Mais au fur et à mesure que l'avion poursuit cette nouvelle trajectoire et que sa vitesse augmente, la déportance sur l'empennage horizontal est à nouveau augmentée, provoquant une augmentation de l'incidence puis une nouvelle diminution de la déflection sur l'empennage horizontal, jusqu'à ce que l'incidence diminue une fois de plus. Cependant, comme l'avion est stable de façon dynamique, cette nouvelle diminution d'incidence sera inféreure à la première, ainsi que la nouvelle augmentation d'incidence suivante.

Stabilite en croisiere

Après plusieurs de ces oscillations décroissantes, dans lesquelles l'incidence diminue puis augmente alternativement, l'avion va finalement se caler à une vitesse à laquelle la déportance sur l'empennage contrecarre exactement la tendance de l'avion à descendre. Lorsque cette condition est atteinte, l'avion sera de nouveau en vol équilibré et continuera en vol stabilisé tant que cette attitude et cette vitesse ne seront pas de nouveau modifiées.

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Stabilité latérale

Par stabilité latérale, on se réfère à la stabilité de l'aéronef autour de son axe de roulis.
Si une perturbation force une aile de l'avion à monter et l'autre à baisser, l'avion va s'incliner. Lorsque l'avion est incliné sans tourner, il a tendance à déraper ou à glisser vers le bas en direction de l'aile abaissée. Il y a plusieurs facteurs principaux qui influencent sur la stabilité latérale :
Effet de dièdre : lorsque les ailes ont un dièdre,l'incidence de l'aile descendante augmente et l'incidence de l'aile montante diminue. C'est la différence de l'angle d'attaque, donc la différence de portance entre les deux ailes qui tend à ramener l'avion à son attitude latérale initiale. Il s'agit en fait d'un mécanisme de contrôle passif qui n'a pas besoin d'être initié par le pilote ou par un système électronique de contrôle de stabilisation à bord.

Stabilite diedre

Effet de fléche : lorsque l'aéronef dérape, l'aile pointant vers le bas a une longueur de corde effective plus courte dans la direction du flux d'air que l'aile pointant vers le haut   Voir les profils des ailes. Cette longueur plus courte de la corde augmente le cambrure effective (courbure) de l'aile basse ce qui augmente la portance de l'aile et tend à ramener l'avion à son attitude latérale d'origine.

Stabilite fleche

Position de l'aile : la position haute de l'aile augmente également l'effet dièdre.
Cela conduit aux valeurs de dièdre suivantes :
Aile haute :
- sans flèche arrière : dièdre faiblement positif ou nul
- avec flèche arrière : dièdre négatif de l'ordre de 4 à 6 degrés. ( Galaxy C-5, Antonov An-225, Airbus A400M).
Aile basse :
- sans flèche arrière : dièdre positif, valeur fréquente 4 à 5 degrés.
- avec flèche arrière : dièdre nul ou faiblement positif

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Stabilité verticale

Par stabilité verticale ou directionnelle, on se réfère à la stabilité de l'aéronef autour de son axe de lacet.
La stabilité en lacet est la stabilité la plus facilement atteinte dans la conception d'un avion. La zone de la dérive verticale et les côtés du fuselage à l'arrière du CG sont les principaux contributeurs qui font que l'avion se comporte comme une girouette pointant son nez dans le vent relatif. Pour augmenter cette stabilité verticale il faut que la surface latérale du fuselage soit plus importante à l'arrière du centre de gravité qu'en avant.

Stabilite fleche

Une aile en fléche agit également sur la stabilité directionnelle d'un aéronef.   Voir ailes en fléche

Roulis néerlandais

Le roulis hollandais ou Dutch roll (en anglais) est un mouvement oscillatoire de l'aéronef en lacet et roulis. Les grands mouvements de roulis et de lacet sont d'autant plus important que la vitesse est faible. En général, un roulis hollandais est considéré comme étant dynamiquement stable, ce qui signifie que les oscillations ont tendance à diminuer en amplitude.
Les aéronefs dont les ailes sont placées au-dessus du centre de gravité, les ailes en dièdre et les ailes en fléche ont tendance à augmenter la force de rappel du roulis, ce qui augmente la tendance de l'aéronef à partir en roulis hollandais. La plupart des avions de transport disposent d'un amortisseur de lacet yaw damper (en anglais) qui augmente artificiellement la stabilité.

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