Décrochage (aérodynamique)

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"Décrochage"
Influence de l’angle d'incidence sur l’apparition du décollement de la couche limite puis du décrochage.

Le décrochage est la perte de portance aérodynamique, d’une surface portante (aile, pale de rotor, voile) dû à un angle d'incidence (en anglais : angle of attack) trop important. C'est aussi, par extension, la perte de portance d'un avion. Dans cette circonstance, l'avion ne peut plus maintenir son altitude et risque la perte de contrôle. Cette perte de contrôle (souvent liée à un décrochage) est la principale cause d'accident mortel en aviation[1].

Le décrochage d'un avion en palier survient lorsque la vitesse est trop basse, d'où le nom de « perte de vitesse » qui lui était donné aux débuts de l'aéronautique ; mais il peut se produire à n’importe quelle vitesse, lorsque l'angle d'incidence dépasse l'incidence de décrochage, notamment sous facteur de charge en virage (décrochage dynamique).

Le décrochage peut aussi concerner les pales du rotor d’un hélicoptère (décrochage rotor) ou les ailettes du compresseur d'un turboréacteur (provoquant un pompage réacteur).

Les voiliers sont également concernés par le phénomène de décrochage, au niveau des voiles ou des appendices immergés (dérives, safrans, foils).

Principes du décrochage et de la sortie de décrochage[modifier | modifier le code]

Profil d'aile en soufflerie en situation de décrochage : les filets d'air se sont décollés de l'extrados.
Graphique donnant l'évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'incidence. Le décrochage survient dans ce cas pour un angle d'incidence de 15°.

En vol normal, l'écoulement de l'air est "attaché" sur les deux faces, intrados et extrados, de l'aile. Les filets d'air collent au profil de l'aile, ce qui favorise la portance.

La portance dépend de l'angle d'incidence[2], angle que fait la corde de profil de l'aile avec le vecteur vitesse. Lorsque l'angle d'incidence augmente, la portance augmente, et l'écoulement à l'extrados commence à se décoller aux alentours du bord de fuite (épaississement puis décollement de la couche limite).

Arrivée à une certaine valeur d'angle d'incidence, de l'ordre de 5 à 20°, selon les caractéristiques de l'aile (profil, allongement, etc.) et le nombre de Reynolds, il se produit un décollement de l'écoulement aérodynamique à l'extrados de l'aile entraînant une chute de portance plus ou moins brusque : c'est à ce moment que l'aile décroche.

La vitesse de décrochage[modifier | modifier le code]

Schéma montrant les force s'exerçant sur l'avion en virage
Illustration du décrochage en virage.
Plus le virage est serré, plus la portance (et donc l'angle d'incidence) doit être élevée pour contrer la somme de la force centrifuge (force fictive) et du poids. Si l'angle d'incidence critique est dépassé, l'avion décroche même si la vitesse reste constante.

Le décrochage dépend uniquement de l'angle d'incidence. À facteur de charge constant, une diminution de vitesse implique l'augmentation d'angle d'incidence pour conserver une portance équivalente (augmentation du coefficient de portance (Cz) pour compenser la baisse de vitesse). En effet, plus la vitesse de vol est basse et plus il faut augmenter l'angle d'incidence en tirant sur le manche. Pour une même configuration de vol (par exemple, en palier avec les volets rentrés), il y a donc une vitesse en dessous de laquelle l'angle d'incidence sera tellement important que l'avion décrochera. C'est une vitesse de décrochage, souvent notée VS (pour stall = décrochage).

On peut donc atteindre l'incidence de décrochage définie et constante pour un profil d'aile donné, à des vitesses très variables qui sont fonctions de :

  • La position des dispositifs hypersustentateurs (becs, volets). Lorsqu'ils sont déployés, ils diminuent la vitesse de décrochage.
  • La masse de l'avion. Plus elle est importante et plus la vitesse de décrochage est importante.
  • Le facteur de charge . Plus il est important et plus la vitesse de décrochage est importante. C'est le cas en virage.
  • La composante verticale de la poussée fournie par les moteurs ; plus la part de la poussée s'opposant à la gravité est forte, et moins la portance nécessaire pour maintenir une altitude constante est grande.
  • Des effets sur les ailes du souffle hélicoïdal dans le cas d'un avion à hélice (le souffle génère un vent relatif qui participe à la portance, cf cas du vol lent).

La vitesse de décrochage évolue selon la racine carrée du facteur de charge:

avec la vitesse de décrochage, vitesse de décrochage sans inclinaison et le facteur de charge.

La vitesse de décrochage augmente donc lors d'un virage car :

(formule pour un virage à altitude constante)

Avec est le facteur de charge et Φ est l'angle de d'inclinaison.

Par exemple, un avion qui a une vitesse de décrochage de 100 km/h sous un facteur de charge de 1 :

  • décrochera à environ 140 km/h sous un facteur de charge de 2, par exemple lors d'un virage à grande inclinaison de 60°,
  • décrochera à environ 200 km/h sous un facteur de charge de 4, par exemple lors d'un virage à 75° ou d'une ressource à la suite d'un piqué,
  • ne décrochera qu'à 70 km/h à 0,5 (lors d'une évolution en cloche).

On parle souvent abusivement de vitesse de décrochage comme d'une caractéristique de l'avion — aux débuts de l'aviation, le décrochage était nommé perte de vitesse — en sous-entendant que l'avion vole en palier stabilisé (facteur de charge égal à 1).

Force centrifuge versus force centripète[modifier | modifier le code]

On peut trouver différentes interprétations de l'équilibre des forces en virage coordonné. (Voir l'illustration du décrochage en virage, ci-haut). Si l'on raisonne dans un référentiel extérieur à l'avion (référentiel galiléen), la force centrifuge est une force fictive, qui n'existe pas : une description correcte du phénomène de virage doit être effectuée à l'aide des lois de Newton. C'est la composante horizontale de la force de portance qui permet le virage. L'explication de ce phénomène se retrouve dans tous les manuels de mécanique[3],[4].

Réglementation[modifier | modifier le code]

La réglementation définit une vitesse conventionnelle de décrochage VSR[5]. Il s'agit de la vitesse minimale de vol stabilisé à laquelle l’avion est contrôlable avec une poussée nulle et le centrage le plus défavorable.

Comme elle dépend de la configuration de l'appareil, on définit les vitesses de décrochage suivantes :

  • VSR0 : vitesse de décrochage en configuration atterrissage et poussée moteur nulle
  • VSR1 : vitesse de décrochage en configuration spécifique (en approche, en lisse, etc.) et poussée moteur nulle

La vitesse de décrochage entre en ligne de compte dans la définition de plusieurs autres vitesses réglementaires : par exemple, la vitesse minimale d'approche VREF est généralement définie égale à 1,3.VSR0 (le coefficient de 1,3 procurant une marge de sécurité de 30 %).

Sur certains appareils, les commandes de vol électriques peuvent empêcher d’atteindre VSR (protection de l'enveloppe de vol pour raison de sécurité). Dans ce cas, la vitesse de décrochage retenue va être VS1g qui est une vitesse de décrochage à facteur de charge unitaire. Dans ce cas, les vitesses de référence qui dépendent de la vitesse de décrochage (comme VREF) sont calculées à partir de VS1g.

Jusqu'à VS1g, on peut maintenir un palier stabilisé. En deçà et jusqu'à VSR, on peut contrôler l'appareil mais plus maintenir le palier.

Nota : On trouve fréquemment la notation VS (ainsi que ses dérivés VS0 et VS1), mais cette notation n'est plus utilisée dans les réglementations car elle n'est pas assez précise (comme énoncé plus haut, il existe plusieurs vitesses de décrochage)[6]. VS vient de l'anglais velocity of stall, vitesse de décrochage.

Conséquences du décrochage[modifier | modifier le code]

Lors d'un décrochage, la portance diminue et l'avion perd subitement de l'altitude, même si on tire sur le manche. En fonction de ses caractéristiques aérodynamiques et de son centrage, il peut effectuer de lui-même une abattée (c'est-à-dire piquer du nez).

À la suite d'un décrochage, il faut pousser sur le manche pour retrouver une incidence inférieure à l'incidence de décrochage, piquer légèrement, remettre les ailes horizontales et tirer doucement pour redresser la trajectoire. Près du sol, par exemple en dernier virage avant l'atterrissage, la perte d'altitude qui en résulte peut être fatale.

Si une seule aile décroche, on parle de décrochage dissymétrique, qui peut conduire à une vrille.

Accidents aériens dus à des décrochages[modifier | modifier le code]

  • Au décollage :
    • Vol 5022 Spanair (2008) : décrochage au décollage près du sol, dû à un oubli de sortir les volets. L'alarme de détection de l'oubli des volets n'a pas fonctionné.
  • En croisière (dans ces deux cas, le décrochage a été tellement "doux" que la descente n'a pas été ressentie par les pilotes ni les passagers[7]):
    • Vol 708 West Caribbean (2005) : pilotage automatique mis en situation de décrochage, à cause d'une mauvaise connaissance des performances de l'avion, un manque de vigilance et une mauvaise gestion du décrochage (160 morts).
    • Vol 447 Air France (2009) : décrochage en haute altitude, initié par le copilote (trompé par des informations de vitesse erronées dues à un givrage des sondes pitot) et entretenu jusqu'à l'impact avec la mer sans que les deux pilotes aux commandes ni le commandant de bord ne l'aient détecté (228 morts).
  • En approche :
    • Vol 4184 American Eagle (1994) : décrochage dû au givre.
    • Vol 888T XL Airways Germany (2008) : exercice de décrochage mal géré, à basse altitude (approche), avec un système de détection du décrochage inopérant.
    • Vol 1951 Turkish Airlines (2009) : sur le point d'atterrir, le pilote automatique du Boeing 737 effectue un arrondi en diminuant la vitesse et en levant le nez de l'avion, à 500 pieds du sol. L'avion décroche. Cela était dû à un radioaltimètre défectueux et un équipage qui n'a pas réagi assez tôt.
    • Vol 3407 Continental Airlines (2009) : en phase d'approche, l'équipage a mené involontairement l'avion au décrochage et n'a pas su en sortir ; les deux pilotes avaient accumulé de la fatigue.
    • Vol 626 Yemenia, des erreurs de pilotages mènent un A310 à trop faibles vitesse et altitude.
  • En virage :

La prévention du décrochage[modifier | modifier le code]

L'avertissement du décrochage[modifier | modifier le code]

Détecteur de décrochage. Lorsque l'angle d'incidence approche de la valeur critique, le vent relatif aborde la palette métallique par dessous, provoquant son basculement, ce qui active l'alarme.

Plusieurs indices permettent de détecter l'approche du décrochage :

  • les gouvernes deviennent molles, elles sont moins efficaces ;
  • l'avion vibre (c'est le buffeting), cela est dû à l'écoulement tourbillonnaire de l'air sur l'aile après le décollement des filets ;
  • l'avertisseur de décrochage. C'est une palette située sur le bord d'incidence de l'aile qui est soulevée vers le haut par le vent relatif lorsque l'angle d'incidence atteint une valeur proche de l'incidence de décrochage. Le pilote est averti par une lumière et/ou par une sonnerie. Il se déclenche lorsque la vitesse air devient inférieure à 1.1 fois la vitesse de décrochage ().

Les dispositifs hypersustentateurs[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Dispositif hypersustentateur.

L'aile de l'avion est conçue pour avoir son meilleur rapport portance/traînée à la vitesse de croisière. Mais elle devrait en même temps être plus grande pour porter l'avion à basse vitesse, notamment pendant l'atterrissage. Ces deux objectifs étant contradictoires; l'aile est conçue pour la vitesse de croisière et des dispositifs spéciaux sont utilisés pour augmenter la portance de l'aile à faible vitesse. Ce sont des dispositifs hypersustentateurs qui sont principalement les volets et les becs de bord d'attaque. Ces dispositifs agissent de différentes façons, en augmentant la cambrure du profil et en retardant le décollement de la couche limite par un apport d'air provenant de l'intrados (becs à fente, volets à fente) ou par des générateurs de tourbillons ré-énergisant localement la couche limite (vortex generators, apex, vortilons).

Le « vrillage négatif » d'une aile[modifier | modifier le code]

Le « vrillage négatif » d'une aile, c'est-à-dire un angle de calage du profil au saumon inférieur à celui de l'emplanture, permet généralement d'améliorer le comportement au décrochage. La différence de calage fait que l'emplanture de l'aile décroche avant le bout d'aile. Aux abords du décrochage, l'emplanture de l'aile ne porte plus, l'aile sustente moins l'aéronef, et celui-ci « s'enfonce » sans faire d'abattée violente. Le décrochage de l'aile est plus progressif. Ce vrillage permet aussi de limiter le départ en vrille (décrochage dissymétrique).

Enfin, le pilote conserve toujours un contrôle de l'axe de roulis, les saumons supportant les ailerons n'étant pas « décrochés ». Ce vrillage peut dégrader légèrement les performances de l'aile, mais pas toujours[8] mais c'est une solution simple économique pour adoucir le comportement au décrochage d'un avion. C'est d'ailleurs la solution retenue sur la plupart des avions.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. [1]
  2. en anglais : angle of attack
  3. Force centripète
  4. « Vol en virage horizontal », sur lavionnaire.fr, (consulté le 4 avril 2016)
  5. FAA Title 14: Aeronautics and Space Part 25 — Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes§25.103 Stall Speed
  6. 1-g Stall Speed as the Basis for Compliance With Part 25 of the Federal Aviation Regulations
  7. « Qu'est-ce ce que le décrochage d'un avion de ligne », sur blog-peuravion.fr (consulté le 11 septembre 2014)
  8. le vrillage négatif réduit la traînée induite d'une aile rectangulaire (à corde constante)

Articles connexes[modifier | modifier le code]