Aérofrein

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Page d'aide sur l'homonymie Ne doit pas être confondu avec Aérofreinage.

Un aérofrein est un dispositif générateur de turbulences aérodynamiques servant à augmenter la traînée. Il est doté de surfaces mobiles modifiant l'écoulement du fluide autour du mobile. Même si le principe reste similaire, il se différencie du spoiler par sa faible action sur la portance et un fonctionnement symétrique.

En aéronautique, les aérofreins permettent d'adapter l'avion aux différentes phases de vol par variation de sa finesse. En effet, si une finesse élevée est recherchée en régime de croisière pour économiser le carburant, elle devient un handicap lors des changements d'altitude qui devraient se faire sur de longues distances.

Les aérofreins sont employés en aéronautique de la navette spatiale au planeur, en passant par les avions de ligne, de chasse, et parfois de tourisme.

Cet article ne traitera que de l'utilisation des aérofreins en aéronautique, mais on peut noter que quelques voitures de courses utilisent ce principe (comme par exemple la Mercedes SLR, la Bugatti Veyron, la McLaren F1 ou encore la McLaren MP4-12C), ainsi que les éoliennes pour stopper leurs pales lors de grands vents.

Historique[modifier | modifier le code]

Types d'aérofreins existants[modifier | modifier le code]

Peuvent être considérées comme des aérofreins toutes les surfaces qui induisent une forte augmentation de la traînée de l'avion.

Les aérofreins de fuselage[modifier | modifier le code]

Ce type de freinage se retrouve surtout sur les avions de chasse. L'Eurofighter Typhoon, le Super-Etendard ou encore le F-15 Eagle en sont équipés.

Les aérofreins du cône de queue[modifier | modifier le code]

Les aérofreins de queue se situent souvent sur le fuselage, autour de la tuyère pour les avions de chasse, ou autour de l'APU pour les avions de ligne. La position de ces aérofreins limite les perturbations de l'écoulement de l'air autour de l'appareil. Ils sont utilisés notamment sur le BAe 146, ou le Fokker 70.

Les aérofreins de voilure[modifier | modifier le code]

Ils se situent sur l'extrados, mais aussi souvent sous l'intrados de l'aile. Ils sont courants sur les planeurs, mais tendent à être remplacés sur les avions de ligne par les spoilers, qui assurent en plus une fonction de gauchissement différentiel[1]. Les aérofreins de voilure se divisent en deux catégories : ceux qui ont une influence sur la portance et ceux qui n'en ont pas. A la différence des spoilers, l'action principale des aérofreins a toujours lieu sur la traînée.

Avec modification de la portance[modifier | modifier le code]

Ce type d'aérofrein est reconnaissable par l'absence d'espace entre la plaque résistant à l'écoulement et la voilure. Il y a alors décollement des filets fluides de l'aile, ce qui dégrade la traînée, mais aussi la portance. C'est ainsi que l'on parle de mode aérofrein lorsque les spoilers sont complètement sortis. Contrairement aux spoilers, les aérofreins ne sont pas utilisés en virage pour gauchir les ailes.

Sans modification de portance[modifier | modifier le code]

Ces aérofreins ne perturbent pas l'écoulement de la couche limite sur l'aile et n'influent donc quasiment que sur la traînée. On les reconnaît par l'espace qu'ils laissent entre la surface résistant à l'écoulement et la voilure. Ils sont souvent percés afin de maximiser la traînée. La Caravelle, ou encore la Corvette ont été équipées de ce type d'aérofreins (intrados et extrados). On les retrouve aussi sur une majorité de planeurs.

Le parachute de queue[modifier | modifier le code]

Il a été employé de la navette spatiale au planeur. Ce système de freinage permet une très brusque décélération due à la forte surface déployée. Il a donc majoritairement été utilisé pour les avions de chasse (entre autres Mirage IV, Typhoon F2), qui doivent atterrir à des vitesses particulièrement élevées sur des pistes parfois assez courtes. Les navettes spatiales utilisaient aussi ce type de freinage lors de leur atterrissage.

Parmi les avions de lignes équipés, on peut citer la Caravelle ou les versions d'essai du Concorde[2]. Par la suite, l'apparition des reverses et les progrès réalisés sur les freins de roues ont progressivement fait disparaître les parachutes de queue, trop contraignants à mettre en œuvre.

La sortie du train[modifier | modifier le code]

Le train d'atterrissage offre une surface engendrant une importante traînée. Sa sortie entraîne donc une perte de vitesse qui peut être exploitée par le pilote pour ajuster son angle d'approche.

Principe physique[modifier | modifier le code]

Un avion vole grâce à une dépression qui se forme sur l'extrados de l'aile (voir aérodynamique). Cette dépression génère une force aérodynamique qui peut être décomposée en deux composantes :

  • la portance, perpendiculaire à la direction du mouvement
  • la traînée, parallèle à la direction du mouvement

Les aérofreins agissent principalement sur la traînée et ont une action faible voir nulle sur la portance.

Action sur l'écoulement[modifier | modifier le code]

Un aérofrein est une plaque orientée de manière oblique ou perpendiculaire à l'écoulement. Il en résulte une augmentation de pression d'un côté de la plaque, mais pas de l'autre (de ce côté, la pression aura même tendance à diminuer, les filets fluides étant décollés de la paroi). Cette pression se traduit en une force aérodynamique sur l'avion dont la composante principale aura même sens que la traînée.

Mécanique du vol[modifier | modifier le code]

Schéma simplifié de mécanique du vol

Supposons l'avion à l'équilibre, c'est-à-dire sans accélération. Cette situation correspond à une montée ou une descente à vitesse constante ou à un vol en palier. Le système {avion} est soumis à deux forces équilibrées :

  • son poids \overrightarrow{P}, dirigé verticalement vers le bas
  • la force aérodynamique décomposée en portance et traînée \overrightarrow{F_a} = \overrightarrow{F_z} + \overrightarrow{F_x}
  • la force d'avance \overrightarrow{T} du moteur (si présent), supposée parallèle à l'écoulement de l'air.

Notons \theta l'angle que fait l'écoulement relatif par rapport au sol.

Sachant que F_x = \frac12 \rho S V^2 \times C_x, la loi de Newton nous donne donc en projection selon la direction de l'air relatif : T - F_x +  P \sin\theta = 0
F_x ne dépend que de la vitesse V et du coefficient de traînée C_x.

Cas d'un changement de taux de descente[modifier | modifier le code]

Plaçons-nous dans la situation où le pilote veut modifier son altitude sans modifier sa vitesse (cas de l'approche). On suppose la manette des gaz au plein réduit (T=0). L'équation d'équilibre se réécrit[3] :

K\times C_x =  P \sin\theta

K est constant.

Si le pilote augmente son taux de descente, il augmente \theta. Pour rester à l'équilibre, il faut donc que le coefficient de traînée C_x augmente, ce qui est réalisé par la sortie des aérofreins.

Cas d'un changement de vitesse[modifier | modifier le code]

Plaçons-nous dans la situation où le pilote veut ralentir son appareil sans modifier son altitude. On a alors \theta constant, ce qui permet de réécrire l'équation avec une constante B :

V^2 C_x = B
.

Si V diminue, le pilote doit sortir partiellement ses aérofreins pour augmenter C_x et rester à l'équilibre. Inversement, s'il veut augmenter sa vitesse, il doit les rentrer.

Influence sur la polaire d'Eiffel[modifier | modifier le code]

Schéma d'une polaire d'Eiffel

La polaire d'Eiffel représente la portance en fonction de la traînée. Lors de la sortie des aérofreins, la traînée augmente fortement. La courbe subit donc une unique translation vers la droite. Sur certains modèles, cette forte augmentation de traînée est accompagnée par une légère diminution de portance.

La finesse est la pente de descente permettant à l'avion de parcourir la plus longue distance par rapport au sol depuis une altitude donnée. Sur la polaire d'Eiffel, c'est la tangente à la courbe, de pente croissante, passant par l'origine. La finesse diminue donc lorsque les aérofreins sont sortis puisque la polaire est translatée vers la droite.

On retrouve le phénomène physique utilisé par le pilote : lorsqu'il sort les aérofreins, la vitesse-sol de l'avion diminue mais sa pente de descente reste la même. Il parcourra donc moins de distance pour une même altitude avec les aérofreins sortis. Dans le cas d'un planeur, ce principe permet au pilote de gérer son altitude avant son atterrissage.

Construction des aérofreins[modifier | modifier le code]

Les techniques employées varient selon l'appareil, le critère dominant étant les efforts que la structure aura à encaisser.

Contraintes à encaisser[modifier | modifier le code]

La sortie des aérofreins augmente fortement la traînée (multiplication par 8 à 10 sur un planeur). Cette violente augmentation d'effort se traduit sur la structure par[4] :

  • des contraintes de flexion vers l'arrière sur l'aile
  • un brusque effort tranchant au niveau de l'emplanture aile-fuselage.

Les efforts auxquels doivent tenir la structure sont encadrés par des normes. Pour les planeurs, la JAR 22 stipule que[5] :

  • les aérofreins peuvent être utilisés dans n'importe quelle configuration sous un facteur de charge allant jusqu'à +3,5g et sous une vitesse pouvant monter jusqu'à la vitesse de calcul (Vd)
  • la sortie des aérofreins empêche le planeur de dépasser la vitesse à ne pas dépasser (Vne) sur une pente de 30° par rapport à l'horizontale (45° pour les planeurs acrobatiques)
  • les aérofreins doivent permettre au planeur d'atteindre une finesse inférieure à 7 à 1,3 fois la vitesse de sustentation (Vso).

Matériau[modifier | modifier le code]

Le matériau employé pour les aérofreins est souvent le même que pour le reste de la structure. Il faut qu'il soit à la fois léger et résistant aux impacts. On retrouve des structures en nid d'abeille, du métal...

Actionneurs[modifier | modifier le code]

Il existe principalement deux systèmes d'actionneurs pour aérofreins : les systèmes à tubes et tringlerie pour les petits avions et les planeurs, ou les systèmes électro-hydrauliques pour les avions de chasse, les jets et les avions commerciaux.

Systèmes à tringlerie[modifier | modifier le code]

Les aérofreins sont sortis ou rentrés par la force musculaire du pilote. La manette présente dans le cockpit est souvent une tige, reliée à une biellette, qui transmet le mouvement le long du fuselage par câble ou tube. Selon le type d'aérofrein monté sur l'appareil (simple lame, double lame...), le mouvement est ensuite transformé dans l'aile pour permettre une sortie directement liée à la manette du cockpit[6][7].

Système électro-hydraulique[modifier | modifier le code]

Dans ce cas, le circuit de commande est électrique et le circuit de puissance hydraulique. La manette, dans le cockpit, va envoyer une information au calculateur de l'appareil. Celui-ci peut la comparer avec plusieurs autres données, comme la vitesse, l'altitude ou encore le régime moteur. Dès lors, il transmet la consigne au circuit hydraulique qui va injecter ou retirer de l'huile pour assurer la bonne position du vérin de sortie, relié par un système de biellette aux aérofreins[8].

Références[modifier | modifier le code]

  1. Laetitia Souteyrat, Cours du BIA, FFVV,‎ 2013, 1 p. (lire en ligne), p. 5. Gouvernes secondaires - Winglets
  2. « Forum Airliners »
  3. AF.pptx : Utilisation des aérofreins, FFVV / CNVV,‎ juillet 2006, 1e éd., 48 p. (lire en ligne), p. 10-47
  4. Centre National de vol-à-voile de Saint-Auban, Domaine de vol des planeurs, FFVV,‎ juin 2009, 14 p. (lire en ligne), p. 5
  5. Centre National de vol-à-voile de Saint-Auban, Domaine de vol des planeurs, FFVV,‎ juin 2009, 14 p. (lire en ligne), p. 11
  6. TCI PEGASE, SCHROEDER Aviation SARL,‎ 7 octobre 1998, C éd., 120 p. (lire en ligne), p. 7-15
  7. Manuel d'entretien ASK21, S.N. Centrair,‎ 31 janvier 1984, 2e éd., 64 p. (lire en ligne), p. 11,16,17
  8. (en) Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA,‎ 2008, FAA-H-8083-25A éd., 471 p. (lire en ligne), p. 153 : 6-30, Hydraulic Systems