Comment une aile porte un avion
Une aile qui avance dans l’air dévie l’écoulement vers le bas. D’après le principe des actions réciproques de Newton, l’air pousse l’aile vers le haut. Le même phénomène se traduit par une dépression sur l’extrados et une surpression sur l’intrados. Les ingénieurs résument tout cela dans une formule compacte, valable pour les ailes d’avion, les pales d’hélicoptère, les voiles, les foils et même les ailerons de voiture de course, qui appuient vers le bas.
La formule de la portance
Fz = ½ × ρ × V² × S × Cz
- ρ est la masse volumique de l’air : 1,225 kg/m³ au niveau de la mer en atmosphère standard, moins en altitude.
- V est la vitesse vraie.
- S est la surface alaire, vue de dessus.
- Cz est le coefficient de portance, qui dépend du profil et de l’incidence. Les anglophones le notent CL.
Le produit ½ρV² est la pression dynamique. La portance croît comme le carré de la vitesse : à incidence égale, deux fois plus vite donne quatre fois plus de portance.
Vol en palier et vitesse de décrochage
En palier stabilisé, la portance équilibre le poids. On en tire :
- Cz nécessaire = m × g ÷ (½ρV²S), qui augmente quand l’avion ralentit ;
- Vitesse de décrochage = √(2 m g ÷ (ρ × S × Cz max)), la vitesse en dessous de laquelle même le Cz maximal ne suffit plus à porter l’avion.
Exemple
Un avion léger quadriplace de 16,2 m² de surface alaire et 1 040 kg, à 100 kt au niveau de la mer :
- Pression dynamique : 1 621 Pa
- Portance avec Cz = 0,4 : environ 10 500 N, un peu plus que le poids
- Cz nécessaire en palier : 0,388
- Vitesse de décrochage avec Cz max = 1,6 : environ 49 kt
- Charge alaire : 64 kg/m²
À 2 500 m d’altitude, l’air est environ 22 % moins dense : la vitesse vraie de décrochage augmente d’environ 13 %.
Ce qui fait varier le Cz
- L’incidence : le Cz augmente à peu près linéairement, d’environ 0,1 par degré pour une aile classique, jusqu’au décollement des filets d’air et au décrochage, en général vers 15 à 18°.
- Les volets et becs modifient le profil et augmentent le Cz max : l’avion peut voler lentement au décollage et à l’atterrissage.
- La contamination : givre, glace ou même insectes sur le bord d’attaque abaissent nettement le Cz max. C’est pourquoi une aile doit être propre et dégivrée avant le décollage.
Limites
Le calculateur utilise l’atmosphère type internationale jusqu’à 11 000 m et suppose un écoulement incompressible, ce qui est précis en dessous d’environ Mach 0,3. Les performances réelles d’un avion figurent dans son manuel de vol, qui tient compte de la masse, des volets, de l’inclinaison et du centrage.