Avion - La structure de l’avion

Avion - L'aile et sa structure

L’aile est l’élément capital de l’avion et de tous les aérodynes (les plus lourds que l’air), puisque c’est elle qui permet d’assurer sa sustentation dans les airs. Aux débuts de l’aviation, la plupart des avions possédaient deux ou plusieurs ailes superposées faites de bois ou de toile : on appelait ce type d’appareils biplan et triplan. La structure des ailes, qui étaient maintenues grâce à des haubans et des câbles d’acier, avait pour inconvénient d’opposer une résistance aérodynamique importante qui croissait proportionnellement à la vitesse. C’est pour palier à ce désagrément que l’aile unique a été adoptée, montée sur le fuselage et équipée de structures internes rigides. Par la suite, les progrès réalisés dans le domaine de la métallurgie et des techniques de construction ont permis de concevoir des ailes à l’épaisseur réduite permettant aux avions d’atteindre des vitesses subsoniques voire supersoniques.

Une aile d’avion est composée d’une structure interne et d’un revêtement extérieur. La structure interne présente deux éléments principaux : les longerons et les nervures. Les premiers, qui peuvent être au nombre de un, deux ou trois, sont des poutres à section rectangulaire, circulaire ou en double T dont la longueur est la même que celle de l’aile. Les deuxièmes se situent à l’intérieur du caisson et sont assemblées de façon perpendiculaire aux longerons. Leur proximité permet de répartir les forces concentrées (train d’atterrissage, moteurs, réservoirs à carburant…) Quant au revêtement extérieur, s’il a longtemps été réalisé en toile ou en tôle, il est aujourd’hui en alliage léger. Cet élément essentiel doit posséder une surface lisse qui permet l’écoulement de l’air mais également contribuer à la rigidité de la structure. Les principales caractéristiques aérodynamiques de l’aile sont les suivantes :

• le profil est le contour de l’aile
• le bord d’attaque est l’extrémité antérieure du profil
• le bord de fuite est l’extrémité postérieure du profil
• la corde est la ligne qui relie le bord d’attaque au bord de fuite entre leurs points les plus bas
• l’angle d’incidence est l’angle formé par la direction de la corde et celle du déplacement de l’aéronef
• l’envergure est la distance qui sépare les 2 extrémités de l’aile
• la surface alaire est le produit de l’envergure par la corde moyenne
• l’allongement est le rapport entre l’envergure et la corde moyenne
• l’angle de flèche est l’angle formé par une droite parallèle à l’envergure et la ligne qui relie les points situés au premier quart des cordes
• l’angle dièdre est l’angle formé par les demi-ailes et l’horizontale

Avion - Le groupe propulseur

Le groupe propulseur est l’organe de l’avion qui permet de fournir de façon directe (moteurs à réaction) ou indirecte (par le biais d’un dispositif tel qu’une hélice) la poussée indispensable à sa progression dans les airs. La poussée, dont le but est de vaincre la résistance aérodynamique, peut être produite par différents types de propulseurs basés sur le principe de la réaction. Ainsi, le turboréacteur et l’hélice, lorsqu’ils accélèrent dans la direction opposée à celle de l’avion, permettent de créer la force propulsive. Il existe deux catégories de moteurs : le turboréacteur, le statoréacteur, le moteur-fusée et le pulsoréacteur sont des moteurs capables de créer de façon directe une force propulsive alors que le moteur alternatif et le turbopropulseur passent par l’intermédiaire d’une hélice. Ainsi, on équipera un avion de tel ou tel type de moteur en fonction des performances que ce dernier devra réaliser. En effet, les motopropulseurs à hélice ne sont adaptés que pour des vitesses ne dépassant pas 700 km/h, alors qu’on peut utiliser le turboréacteur jusqu’à Mach 3 (Mach 1 correspondant à la vitesse du son), et les statoréacteurs et les combinés turbo-réacteurs pour les vitesses supérieures. Pourtant, d’autres critères interviennent dans le choix d’un type de moteur : le rapport poussée-poids, la consommation de carburant et la poussée nécessaire au décollage. Les nombreuses études effectuées dans le domaine de la propulsion ont permis de concevoir des moteurs au rapport poussée-poids très élevé permettant de fournir de très bonnes performances aux avions. L’aviation commerciale possède une double exigence : elle a besoin de groupes propulseurs qui combinent des performances élevées à une consommation de carburant réduite. La baisse de la consommation de carburant est en effet l’élément majeur qui permet de diminuer le coût du transport aérien. Les recherches vont dans ce sens, avec la mise au point de moteurs toujours plus économiques.

Avion - Les commandes, manœuvres et instruments de bord

Un avion est composé des quatre principales commandes suivantes :

• La manette des gaz, qui sert à faire varier la puissance du moteur, donc la vitesse et l’altitude
• Le levier de commande des gouvernes de profondeur, qui permet de commander les mouvements autour de l’axe transversal de l’appareil
• Le levier de commande des ailerons, qui permet de commander les mouvements autour de l’axe longitudinal
• Le palonnier, qui permet, en faisant tourner le nez de l’appareil à droite ou à gauche, de corriger les mouvements autour de l’axe vertical

Toutes ces commandes sont actionnées par le pilote, qui, quand il accélère ou décélère pendant le vol, ressent physiquement la vitesse de l’avion. La manipulation des dispositifs devient de plus en plus difficile à mesure que la vitesse augmente, à tel point qu’au-delà d’une certaine limite, la force physique du pilote n’est plus suffisante. C’est pour cette raison qu’on équipe les avions très rapides de servocommandes. La particularité des commandes est que, même s’ils est possible de les actionner séparément, une manœuvre correcte ne se fait qu’en coordonnant le mouvement de deux ou plusieurs commandes. Ainsi, en cas de cabrage de l’avion par exemple, le pilote devra augmenter simultanément la vitesse du moteur, sous peine de voir la vitesse de l’appareil diminuer. Pour exécuter des manœuvres de façon précise, le pilote doit, avant d’agir sur les commandes, évaluer la position de l’avion par rapport à l’horizon. Cette vérification peut se faire par simple contrôle visuel en cas de bonne visibilité ou par le biais d’instruments si le point de référence de l’horizon fait défaut.

Les instruments de bord sont de quatre types :

• Les instruments de contrôle de la position et des manœuvres qui regroupent un indicateur de vitesse anémométrique, qui indique la vitesse de l’avion par rapport à l’air, un altimètre, qui indique l’altitude, un indicateur de virage, qui indique si l’appareil se déporte ou glisse lors d’un virage et un variomètre, qui relève la vitesse ascensionnelle de l’appareil. Les indications apportées par ces instruments sont interdépendantes et doivent être confrontées avec la position réelle de l’appareil, qui est évaluée par le pilote
• Les instruments de contrôle du motopropulseur et des différentes installations regroupent le compte-tours de l’hélice, un indicateur de pression et de température de l’huile de graissage, un indicateur de pression du carburant, et des manomètres pour la pression du circuit hydraulique
• Les instruments dédiés à la navigation regroupent un compas magnétique et un gyroscope directionnel qui permet de maintenir l’appareil de façon exacte sur la route voulue.
• Les instruments liés à la mission spécifique de l’avion, qui regroupent les appareils et organes qui varient selon la mission de l’appareil dans lequel ils sont implantés

Tous les instruments de bord ci-dessous sont plus nombreux dans différents cas : un avion de grand tonnage, un avion qui doit voler sans visibilité ou à haute altitude, ou un avion qui a besoin d’une assistance radio ou électronique.

Avion - Développements et perspectives

Le domaine de l’aéronautique est particulièrement prolifique en innovations. Du point de vue de l’aérodynamique, on cherche à augmenter la portance maximale utilisable, à augmenter la distance franchissable et à réduire la traînée. Ainsi, pour les avions civils, des études sont conduites visant à diminuer le nombre de Mach de divergence de traînée afin de permettre aux avions de voler plus vite sans pour autant augmenter leur consommation de carburant. Les commandes de vol électriques permettent aux avions aérodynamiquement instables de voler en recréant une stabilité artificielle. Ce sont ces commandes qui ont permis d’introduire les systèmes antiturbulence améliorant le confort des passagers : les rafales de vent sont ainsi absorbées par le braquage rapide des gouvernes.

Quant aux avions supersoniques, de nombreuses études sont lancées en Europe, aux Etats-Unis et au Japon pour créer un appareil capable de succéder au mythique Concorde. Les nouveaux avions seraient capables de transporter deux fois plus de passagers sur une distance supérieure. Le principal obstacle au développement de tels appareils reste économique : il faudrait en effet construire des centaines d’avions et pouvoir offrir aux passagers un billet au coût à peine supérieur à un billet de première classe sur un avion classique. Les mauvais résultats commerciaux du Concorde rendent les constructeurs frileux. Quant aux avions hypersoniques, qui mettraient Tokyo à deux heures de New York, ils sont plus du ressort de la technologie spatiale. Deux problèmes majeurs doivent être résolus avant une possible concrétisation des recherches : la tenue des matériaux de la cellule face à la à l’échauffement lié au frottement de l’air, et l’élaboration de propulseurs dont le cycle thermodynamique pourrait s’adapter à la vitesse.

Avion - Le train d’atterrissage

Le train d’atterrissage est composé des éléments qui soutiennent l’avion et lui permettent de se déplacer lorsqu’il est au sol. Il a connu avec le temps de nombreuses innovations : d’abord muni d’amortisseurs qui se sont perfectionnés au fil des années pour atteindre les actuels vérins oléopneumatiques, ses roues ont ensuite été équipées de freins. L’innovation majeure reste cependant le train d’atterrissage rétractable qui permet, en limitant la traînée de l’avion, d’augmenter sa vitesse. Sur les avions monomoteurs, le train d’atterrissage se trouve dans l’aile, et sur les multimoteurs, il se trouve entre les nacelles-moteurs. Sur les avions à réaction, il est situé dans l’aile ou dans le fuselage. Aujourd’hui, les trains « tricycle » sont les plus utilisés pour les avions de grand tonnage : ses éléments principaux sont situés à l’arrière du centre de gravité et l’élément secondaire à l’avant de l’appareil. Ainsi, 90 % du poids est soutenu par les éléments arrières, et les 10 % restant par le train avant, qui sert à diriger l’avion au sol. Ce type de train permet de maintenir l’avion dans une position horizontale confortable pour les passagers.