1) Comment se déroule le décollage ?
Le décollage consiste à quitter le sol grâce à l'apport d'une force extérieure comme par exemple un appareil motorisé. Pour qu'un avion s'élève, il faut que les forces qui l'éloignent du sol soient supérieures au poids.
Pour décoller, le pilote doit d'abord signer certains documents qui stipulent le poids total de l'avion (nombre de passagers, poids total bagages, poids carburant etc.). Ensuite, il doit demander les autorisations requises, puis doit allumer différents feux, et activer certains dispositifs (pompe, dégivrages, etc.. ).
Selon le poids de l'avion que le pilote entre dans l'ordinateur de bord, la vitesse à atteindre pour décoller est calculée (V1). Il calcule aussi l'angle d'inclinaison idéale pour atteindre le plus rapidement l’altitude nécessaire. Cela implique souvent une trajectoire courbée de l'avion. Une fois l'altitude de croisière atteinte, le pilote lâche les commandes et passe en mode automatique.
2) Expérience avec les différents profils d'ailes testés dans la première partie, construits en polystyrène
- La construction des ailes et du fuselage
Nous avons vu, grâce à l’expérience du sèche-cheveux, le classement des profils d’ailes s’élevant le plus haut. Nous aimerions ici approfondir les résultats obtenus en fabriquant des ailes plus grandes en polystyrène.
Monsieur Gardelle du Club de l’Hers nous a présenté le matériel nécessaire pour découper les ailes à l’aide d’un fil chaud (scie thermique) et nous a donné une formation sur l’utilisation de celui-ci.
Le matériel consiste en un plateau sur lequel est fixée une scie thermique assistée par un programme informatique (CNC) qui reproduit de manière parfaite les différents choix élaborés sur le micro-ordinateur la pilotant. Le schéma du profil est choisi ainsi que de nombreuses autres caractéristiques (côtes, emplanture, épaisseur relative, découpe du logement de renfort). D’autres paramètres sont utilisés (température du fil de découpe, vitesse de déplacement).
Le bloc de polystyrène est ensuite positionné sur la table, maintenu à l’aide de petites masses, la découpe se faisant ensuite en fonction des paramètres choisis .
Scie thermique reliée à l'ordinateur
Scie thermique découpant une aile
Ordinateur relié à la scie
Découpe d'une aile
Pour rigidifier les ailes, des tiges de bois de diamètre 6mm ont été introduites dans le logement cylindrique de l’aile. Les ailes étant fragiles au niveau du bord d’attaque et du bord de fuite.
En raison de la faible épaisseur en polystyrène, une protection en scotch a été mise en place.
Sur l’aile rectangulaire nous avons collé des éléments de Balsa sur le bord d’attaque et de fuite.
Pour effectuer le fuselage nous nous sommes inspirés d’un modèle trouvé sur internet. Nous avons choisi d’utiliser du Stirodur, matériau léger et suffisamment rigide pour cette utilisation. Nous avons ensuite dessiné sur le bloc, le profil du fuselage choisi. La découpe est faite à l’aide d’une scie à ruban nous obtenons ainsi une première ébauche. La forme définitive est réalisée par ponçage des angles du fuselage avec du papier de verre afin de lui rendre une forme un peu plus homogène. L’arrière du fuselage étant fragile nous devons incorporer une tige de carbone utilisée normalement pour la réalisation des cerfs volants. Cette tige a été installée au dessous de l’avion puis collée avec de la colle polyuréthane. Pour réaliser la dérive et l’empennage qui apporte la stabilité à notre avion nous les avons découpés dans une plaque de Dépron (poids et facilité de réalisation) en respectant les dimensions de l’avion trouvé sur internet. Ceux-ci sont ensuite collés sur le fuselage et renforcés par deux baguettes de Balsa.
L’aile a été fixée au fuselage de façon souple par l’intermédiaire de 2 élastiques :
La découpe sur le fuselage donne une incidence de 0°, celle-ci pourra être modifiée par interposition de petites cales en Dépron.
Il fallait ensuite équilibrer l’avion, nous avons donc mis du poids à l’avant à l’aide de petits plombs calibrés, la valeur théorique du centrage étant approximativement située au 1/3 de la corde de l’aile en partant du bord d’attaque.
Avion posé sur 2 pointes permettant de vérifier le centrage
Fuselage de l'avion et les différents profils d'ailes
- Expérience du lancer
Les avions ont des trajectoires différentes selon leur nature et les profils d’ailes qu’ils possèdent. Par exemple, un avion de chasse atteindra beaucoup plus vite une altitude déterminée qu’un A380.
Nous allons étudier les trajectoires des avions en fonctions des profils d’ailes que nous avons construit en polystyrène. Nous avons placé les profils d’ailes construits sur un fuselage d’avion en polystyrène également fabriqué. Nous allons donc utiliser les mêmes profils d’ailes que lors de la première expérience afin de pouvoir comparer les résultats. Logiquement, les trajectoires devraient pouvoir se comparer et se classer identiquement aux résultats obtenus lors de la première expérience.
Nous avons lancé le fuselage avec les profils d’ailes associés en respectant à chaque fois les autres facteurs :
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le vent a été constant puisque nous avons effectué les lancers à intervalles de temps réduit,
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le lanceur a fait son possible pour donner une même force de lancer,
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l’angle d’incidence des profils d’ailes est identique : 5°. Le seul facteur qui varie est la forme des profils d’ailes.
-> Quelles sont les trajectoires d’un avion au décollage suivant les profils d’ailes testés dans l’expérience du sèche-cheveux ?
Constats :
| Exemple d'un lancer : Avec le profil d'aile triangulaire |
Cliquez sur les différents liens pour avoir les constats des différents profils d'ailes.
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Clark Y Inversé Nous avons assemblé les photos rafales prises lors du lancé :
Dans le référentiel terrestre, le centre de gravité de l'avion avec le profil d'aile Clark Y inversé a une trajectoire curviligne et une vitesse décroissante jusqu'au point le plus haut puis croissante.
Nous avons ensuite tracé sa trajectoire sous Régressi sous forme de courbe en obtenant les coordonnées des différents points. Le point de référence (0,0) correspond au centre de gravité de l'avion à t=0. Nous avons ensuite ajouté :
Le Vecteur Vitesse (c'est la vitesse instantanée d'un point : la distance sur un interval de temps très petit) : en rouge Vecteur accélération (vecteur correspondant à la somme des forces qui s'appliquent à l'avion : même direction, même sens, avec une norme différente) : en bleu
Nous avons ensuite comparé la courbe obtenue avec des fonctions de référence : La courbe se rapproche, à 14 % d'erreur relative de la fonction -0.11x² + 0.27x + 0.01
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Au cours des différents lancers, nous avons obtenu les trajectoires suivantes :
Cela nous a permi d'établir un graphique, avec les différents lancers:
Voici toutes les trajectoires regroupées sous une même photo afin de mieux pouvoir les comparer :
Déductions :
La trajectoire du profil d’aile Clark Y inversé a le coefficient directeur initial le plus élevé (la courbe est la plus croissante). Ensuite, il y a le profil d’aile triangulaire, le profil rectangulaire et enfin le profil d’aile Clark Y inversé.
Interprétation :
Plus le coefficient directeur initial est élevé, plus le profil d’aile de l’avion est propice au vol.
La longueur supérieure du bord d'attaque par rapport au bord de fuite permet à l'air de se plaquer à l'aile, et exerce donc une force d'en bas à en haut, ce qui fait décoller l'avion. Les résultats obtenus correspondent bien aux résultats de l’expérience n°1.
Conclusion :
Pour qu'un profil d'aile permette à un avion de voler, il faut que le bord d'attaque soit plus grand que le bord de fuite, et un extrados et un intrados courbés pour un meilleur vol.
-> Quelles sont les forces applicables à ces profils d’ailes durant le décollage ?