Module 8 : Aérodynamique de base — Matériel d'étude de catégorie B3

1. Aperçu du module

Le module 8, Aérodynamique de base, est une matière fondamentale pour la licence EASA Part-66 B3 (Hélicoptère). Il fournit les principes physiques et aérodynamiques essentiels requis pour comprendre le comportement des avions et des hélicoptères. Pour la catégorie B3, une partie importante de ce module se concentre sur l'aérodynamique des voilures tournantes, qui diffère considérablement des principes des ailes fixes.

Le module est divisé en deux domaines principaux :

8.1 Physique de l'atmosphère : Couvre l'Atmosphère Standard Internationale (ISA), la densité de l'air, la pression, la température et l'humidité, ainsi que leur effet sur les forces aérodynamiques.

8.2 Aérodynamique : Couvre la théorie du vol pour les avions et les hélicoptères, y compris l'écoulement de l'air autour des corps, la génération de portance, la traînée, les forces dans diverses conditions de vol, la stabilité et l'aérodynamique à haute vitesse.

Pour la licence B3, la profondeur de connaissances requise est de niveau 3 (théorie détaillée) pour les sujets spécifiques aux hélicoptères et de niveau 2 (connaissances générales) pour l'aérodynamique générale des avions. Ce matériel d'étude synthétise les connaissances essentielles requises pour atteindre ces objectifs du programme.

2. Concepts clés expliqués en détail

2.1 L'atmosphère et la vitesse anémométrique

Atmosphère Standard Internationale (ISA)

Les performances d'un aéronef sont directement influencées par l'état de l'atmosphère dans laquelle il vole. Pour fournir une référence commune pour les calculs de performance, l'étalonnage des instruments et la conception technique, l'Atmosphère Standard Internationale (ISA) est définie. Elle suppose :

Pression au niveau de la mer : 1013,25 hPa (hectopascals) ou 1013,25 mb.

Température au niveau de la mer : 15 °C (288,15 K).

Gradient de température : 1,98 °C par 1 000 ft (environ 2 °C) jusqu'à la tropopause à 36 090 ft (11 000 m), où la température devient constante à -56,5 °C.

Densité de l'air et ses effets

La densité de l'air (ρ) est la masse d'air par unité de volume (kg/m³). C'est un paramètre critique dans les calculs de forces aérodynamiques. La densité diminue avec l'augmentation de l'altitude et de la température, et augmente avec la diminution de la température et l'augmentation de la pression.

La pression dynamique (q) est l'énergie cinétique de l'écoulement d'air et est définie par la formule :

q = ½ ρ V²

Où :

q = Pression dynamique (Pa ou N/m²)

ρ = Densité de l'air (kg/m³)

V = Vitesse vraie (m/s)

Cette relation est fondamentale. Les forces de portance et de traînée générées par une aile ou une pale de rotor sont directement proportionnelles à la pression dynamique.

Définitions de la vitesse anémométrique

Vitesse indiquée (IAS) : La vitesse lue directement sur l'anémomètre. Elle est fonction de la pression dynamique (q) agissant sur le système pitot-statique.

Vitesse vraie (TAS) : La vitesse physique réelle de l'aéronef par rapport à l'air environnant.

Relation entre IAS et TAS : L'anémomètre est étalonné pour lire correctement au niveau de la mer dans les conditions ISA. En altitude, où la densité est plus faible, l'aéronef doit voler plus vite (TAS plus élevée) pour générer la même pression dynamique (q) et donc la même IAS. Par conséquent, TAS > IAS en altitude. Pour une IAS constante, la pression dynamique (q) reste constante, quelle que soit l'altitude.

Point d'examen important : Si un pilote maintient une IAS constante en montée, la TAS augmente. Si un pilote maintient une TAS constante en montée, la pression dynamique (q) diminue.

2.2 Aérodynamique des ailes fixes (Avion)##### Forces dans une Montée Stabilisée

En montée stabilisée, l'avion est en équilibre, ce qui signifie que la somme de toutes les forces est nulle. Les forces sont décomposées en composantes parallèles et perpendiculaires à la trajectoire de vol.

Parallèle à la trajectoire de vol : La poussée (T) doit équilibrer la traînée (D) plus la composante du poids (W) agissant le long de la trajectoire de vol (W sin γ). Par conséquent, T = D + W sin γ. Cela signifie que la poussée > la traînée en montée.

Perpendiculaire à la trajectoire de vol : La portance (L) doit équilibrer la composante du poids agissant perpendiculairement à la trajectoire de vol (W cos γ). Par conséquent, L = W cos γ. Cela signifie que la portance < le poids en montée.

L'Effet des Changements de Puissance

Considérons un avion en vol horizontal stabilisé. Si le pilote réduit la puissance sans ajuster la profondeur :

37.La poussée diminue, provoquant un déséquilibre des forces le long de la trajectoire de vol.

38.L'avion commence à décélérer.

39.Cette décélération fait que le flux d'air relatif vient légèrement d'en dessous de la corde de l'aile, ce qui augmente l'angle d'attaque (AoA).

40.Cependant, la pression dynamique (q) diminue à mesure que la vitesse diminue. La réduction de la pression dynamique a un effet plus important sur la portance que la faible augmentation de l'AoA, donc la portance totale diminue.

41.Le facteur de charge (n = L/W) diminue en dessous de 1, et l'avion entrera en descente.

Angle d'Attaque et Portance

L'angle d'attaque est l'angle entre la corde de l'aile et le flux d'air relatif. À mesure que l'AoA augmente, la portance augmente proportionnellement (jusqu'à un certain point) parce que le flux d'air est dévié davantage vers le bas. Cela continue jusqu'à ce que l'angle d'attaque critique (angle de décrochage) soit atteint. Au-delà de cet angle, le flux d'air se sépare de la surface supérieure, provoquant une perte rapide de portance et une augmentation de la traînée (décrochage).

2.3 Aérodynamique des Hélicoptères

Vol Stationnaire et Flux Induit

En vol stationnaire, le système rotor accélère l'air vers le bas. Cette vitesse descendante de l'air à travers le disque rotor est appelée flux induit (ou souffle descendant). Ce flux induit est un facteur clé dans l'aérodynamique des pales du rotor.

Le flux d'air relatif à une pale de rotor est une combinaison de :

Le flux d'air relatif rotationnel (dû à la rotation de la pale).

Le flux induit (vers le bas).

Le flux induit est ajouté vectoriellement au flux d'air relatif rotationnel. Cela a pour effet de réduire l'angle du flux d'air relatif résultant, ce qui à son tour diminue l'angle d'attaque effectif de la pale. Pour compenser cette perte d'AoA effectif et maintenir une poussée constante, le pilote doit augmenter le pas collectif.

Effet du Flux Transversal

Pendant un vol stationnaire, le flux d'air à travers la partie arrière du disque rotor n'est pas purement vertical. Il a une composante vers le bas et vers l'extérieur. Cela est dû au fait que la vitesse du flux induit n'est pas uniforme à travers le disque. L'arrière du disque subit un angle d'entrée d'air différent de celui de l'avant. Cela entraîne une portance réduite sur la partie arrière du disque, créant un moment de roulis (typiquement vers la droite pour un rotor principal tournant dans le sens antihoraire vu de dessus). Pour contrer cette dérive, le pilote applique du cyclique à gauche pour incliner le plan de trajectoire des pales vers la gauche.##### Effet de sol

Lorsqu'un hélicoptère stationne près du sol (à moins d'environ un diamètre de rotor), le sol limite le flux d'air descendant. Cette restriction réduit la vitesse du flux induit à travers le disque rotor. Les avantages sont les suivants :

Réduction de la traînée induite sur les pales du rotor.

Amélioration de l'efficacité du rotor.

L'hélicoptère peut stationner à une puissance plus faible qu'il ne le pourrait hors effet de sol (OGE).

Lorsque le pilote augmente le pas collectif en effet de sol (IGE), l'augmentation du pas de pale (angle d'attaque) combinée au flux induit déjà réduit entraîne un angle d'attaque effectif plus élevé, générant plus de portance pour une puissance donnée.

Torsion des pales du rotor

La vitesse de rotation d'une pale de rotor augmente de la racine vers l'extrémité. Par conséquent, le flux d'air relatif rotationnel est beaucoup plus rapide à l'extrémité qu'à la racine. Sans aucune modification de conception, l'extrémité générerait une quantité disproportionnée de portance et décrocherait en premier, tandis que la racine serait inefficace.

Pour résoudre ce problème, les pales du rotor sont vrillées sur toute leur envergure. La pale est conçue avec une torsion négative (décalage négatif), où l'angle d'attaque géométrique est plus élevé à la racine et plus faible à l'extrémité. Cela égalise l'angle d'attaque effectif le long de l'envergure de la pale, produisant une répartition de portance plus uniforme et retardant l'apparition du décrochage en bout de pale.

Conception de l'extrémité de pale

L'extrémité d'une pale de rotor est une zone de forte activité aérodynamique. La différence de pression entre les surfaces supérieure et inférieure provoque un écoulement d'air autour de l'extrémité, créant un tourbillon marginal. Ce tourbillon est une source de traînée induite et de bruit. Les extrémités de pales modernes sont souvent fléchies ou recourbées vers le haut afin de réduire l'intensité de ces tourbillons marginaux, ce qui diminue la traînée induite et améliore les performances globales du rotor.

Conicité des pales

Lorsque le rotor tourne à la vitesse de rotation normale en fonctionnement, les pales sont soumises à deux forces principales :

La force centrifuge (FC) : tire les pales vers l'extérieur, loin du moyeu du rotor.

La portance aérodynamique (L) : agit perpendiculairement à l'envergure de la pale, poussant les pales vers le haut.

Ces deux forces atteignent un équilibre, ce qui fait que les pales se soulèvent selon un léger angle vers le haut, appelé angle de conicité. L'angle de conicité est une condition normale et nécessaire pour un fonctionnement stable du rotor.

Dissymétrie de portance et décrochage de la pale reculante

En vol avant, le flux d'air relatif sur la pale avançante est la somme de la vitesse de rotation et de la vitesse de translation. Sur la pale reculante, il s'agit de la différence entre la vitesse de rotation et la vitesse de translation. Cela crée une dissymétrie de portance, la pale avançante produisant davantage de portance.

Pour équilibrer cela, le système rotor repose sur le battement. La pale avançante bat vers le haut, ce qui réduit son angle d'attaque effectif et sa portance. La pale reculante bat vers le bas, ce qui augmente son angle d'attaque effectif et sa portance. Cependant, à mesure que la vitesse de translation augmente, l'angle d'attaque effectif de la pale reculante doit encore augmenter pour compenser. Finalement, la pale reculante atteint son angle d'attaque critique et décroche. C'est le décrochage de la pale reculante, qui limite la vitesse maximale en vol avant d'un hélicoptère.

Autorotation

L'autorotation est la condition de descente moteur coupé où le rotor est entraîné par les forces aérodynamiques plutôt que par la puissance du moteur. L'hélicoptère descend, ce qui provoque un flux d'air relatif résultant dirigé vers le haut à travers le disque rotor.Le disque rotor est divisé en trois régions :

75.Région de décrochage (interne) : Près de l'emplanture de la pale, l'écoulement d'air est décroché en raison d'un angle d'attaque (AoA) local élevé.

76.Région motrice (intermédiaire) : L'écoulement d'air ascendant produit une force résultante qui possède une composante vers l'avant, laquelle entraîne le rotor et maintient le régime du rotor (RPM).

77.Région entraînée (externe) : La partie externe de la pale produit une force résultante avec une composante vers l'arrière, qui consomme de l'énergie.

En autorotation stable, l'énergie produite par la région motrice équilibre l'énergie consommée par la région entraînée et la région de décrochage, maintenant ainsi un régime de rotor constant.

Effet de l'augmentation du pas collectif sur le régime du rotor

Si le pilote augmente le pas collectif sans ajuster la manette des gaz, le pas de la pale (AoA) augmente. Cela accroît la traînée aérodynamique sur les pales du rotor. Si le moteur ne peut pas maintenir la vitesse du rotor face à cette traînée accrue, le régime du rotor diminuera. Un régime plus faible réduit la vitesse en bout de pale. Sur la pale reculante, l'AoA déjà élevé est encore augmenté par la commande de pas collectif, aggravant la condition de décrochage de la pale reculante.

3. Formules et relations importantes

Concept	Formule	Description
Pression dynamique	`q = ½ ρ V²`	L'énergie cinétique de l'écoulement d'air.
Portance	`L = CL × ½ ρ V² × S`	Force de portance générée par une aile ou une pale de rotor.
Traînée	`D = CD × ½ ρ V² × S`	Force de traînée s'opposant au mouvement.
Facteur de charge	`n = L / W`	Le rapport entre la portance et le poids.
Forces en montée	`T = D + W sin γ` `L = W cos γ`	Équilibre des forces en montée stable.
Niveau de la mer ISA	`P = 1013.25 hPa` `T = 15 °C`	Conditions de référence standard.

4. Relations courantes entre les concepts

Densité ↔ Altitude ↔ Température : À mesure que l'altitude augmente, la densité diminue. À mesure que la température diminue, la densité augmente.

Pression dynamique ↔ VI : La VI est une mesure directe de la pression dynamique. Une VI constante signifie une pression dynamique constante.

VVP ↔ Densité ↔ VI : Pour une VI constante, la VVP doit augmenter à mesure que la densité diminue (avec l'altitude).

Flux induit ↔ AoA effectif ↔ Pas collectif : Une augmentation du flux induit (downwash) diminue l'AoA effectif, nécessitant une augmentation du pas collectif pour maintenir la poussée.

Effet de sol ↔ Flux induit ↔ Puissance : L'effet de sol réduit le flux induit, ce qui réduit la traînée induite et la puissance requise pour le vol stationnaire.

Régime du rotor ↔ Traînée des pales ↔ Pas collectif : Une augmentation du pas collectif augmente la traînée des pales, ce qui, s'il n'est pas compensé par la manette des gaz, entraîne une diminution du régime du rotor.

Vitesse avant ↔ Décrochage de la pale reculante : La nécessité d'équilibrer la portance entre les pales avançante et reculante conduit à une augmentation de l'AoA sur la pale reculante, provoquant éventuellement un décrochage à des vitesses avant élevées.

5. Points d'examen typiques à retenir

Pour l'examen du module 8 de la Partie-66 B3 de l'EASA, les candidats doivent se concentrer sur les domaines suivants :1. Atmosphère et vitesse anémométrique : Être capable d'expliquer la relation entre la vitesse anémométrique (IAS), la vitesse vraie (TAS), la densité et la pression dynamique. Comprendre les conditions de l'ISA.

96.Forces en vol : Être capable de décomposer les forces en montée stabilisée et de comprendre pourquoi la poussée est supérieure à la traînée et la portance inférieure au poids.

97.Vol stationnaire de l'hélicoptère : Comprendre les concepts de flux induit, d'effet de flux transversal et d'effet de sol. Connaître les actions correctives (commandes de pas cyclique et collectif) requises.

98.Conception des pales du rotor : Comprendre l'objectif du vrillage des pales, des formes d'extrémité et du phénomène de cône de rotor.

99.Autorotation : Être capable de décrire les trois régions du disque rotor et la direction de l'écoulement d'air pendant une autorotation stabilisée.

100.Décrochage de la pale reculante : Comprendre la cause, l'effet et les conséquences du décrochage de la pale reculante.

101.Effet des changements de puissance : Être capable de prédire les conséquences aérodynamiques immédiates d'un changement de puissance sur un avion, y compris l'effet sur l'angle d'attaque (AoA) et le facteur de charge.

Module 8 : Aérodynamique de base