Aérofrein

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

En aéronautique, sur avion (de ligne, de chasse, et parfois avions légers) ainsi que sur la navette spatiale, les aérofreins sont des surfaces mobiles aérodynamiques servant à augmenter la traînée pour diminuer la vitesse, en particulier lors d'une descente rapide et après l'atterrissage. Sur les aéronefs sans moteur (planeurs, navette spatiale), ils servent en outre de commande de vol pour régler la vitesse et le taux de descente lors de l'approche, puisqu'il n'y a pas de manette des gaz.

Les aérofreins situés sur l'aile modifient la circulation de l'air autour de celle-ci, affectant ainsi la répartition de portance de l'avion :

  • Situés à l'extrados (le plus souvent), les aérofreins diminuent localement la portance. L'incidence de l'avion est alors augmentée par action sur la commande de profondeur, de sorte que sa portance globale reste inchangée, mais la traînée induite augmente. L'efficacité des aérofreins en est renforcée, mais la vitesse de décrochage augmente.
  • Situés à l'intrados (souvent en complément des aérofreins d'extrados), ou en volets de bord de fuite, les aérofreins peuvent au contraire augmenter la portance locale ou ne pas avoir d'effet sur elle.

La plupart des avions de ligne utilisent des dispositifs appelés destructeurs de portance (anglais : spoilers) qui remplissent leur fonction d'aérofreins par braquage symétrique mais peuvent aussi agir comme gouverne de gauchissement en complément des ailerons, par braquage dissymétrique, ou pour diminuer l'effet des turbulences.

Article détaillé : Destructeurs de portance.

Les aérofreins sont parfois également situés sur le fuselage (avions de chasse) ou sur la dérive (navette spatiale)

En course automobile, on peut retrouver ce système sur quelques voitures comme la Mercedes SLR, la Bugatti Veyron, la McLaren F1 ou encore la McLaren MP4-12C.

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

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-Étendard 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 du groupe auxiliaire de puissance 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, le Fokker F70 ou le Blackburn Buccaneer.

Les aérofreins de voilure[modifier | modifier le code]

Ils se situent sur l'extrados, mais aussi parfois sous l'intrados de l'aile. Ils sont les plus courants. Ils sont souvent percés afin de maximiser la traînée. Sur les avions de ligne, ce sont souvent des spoilers, qui assurent en plus une fonction de gauchissement différentiel[1].

Les aérofreins situés sur l'aile modifient la circulation de l'air autour de celle-ci, affectant ainsi la répartition de portance de l'avion :

  • Situés à l'extrados (le plus souvent), les aérofreins diminuent localement la portance. L'incidence de l'avion est alors augmentée par action sur la commande de profondeur, de sorte que sa portance globale reste inchangée, mais la traînée induite augmente. L'efficacité des aérofreins en est renforcée, mais la vitesse de décrochage augmente.
  • Situés à l'intrados (souvent en complément des aérofreins d'extrados), ou en volets de bord de fuite, les aérofreins peuvent au contraire augmenter la portance locale ou ne pas avoir d'effet sur elle.

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 grande 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 inverseurs de poussée 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. L'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 parcourt 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 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,‎ , 1 p. (lire en ligne), p. 5. Gouvernes secondaires - Winglets
  2. « Forum Airliners »
  3. AF.pptx : Utilisation des aérofreins, FFVV / CNVV,‎ , 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,‎ , 14 p. (lire en ligne), p. 5
  5. Centre National de vol-à-voile de Saint-Auban, Domaine de vol des planeurs, FFVV,‎ , 14 p. (lire en ligne), p. 11
  6. TCI PEGASE, SCHROEDER Aviation SARL,‎ , C éd., 120 p. (lire en ligne), p. 7-15
  7. Manuel d'entretien ASK21, S.N. Centrair,‎ , 2e éd., 64 p. (lire en ligne), p. 11,16,17
  8. (en) Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA,‎ , FAA-H-8083-25A éd., 471 p. (lire en ligne), p. 153 : 6-30, Hydraulic Systems

Lien externe[modifier | modifier le code]