Stabilité (aéronautique)

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La stabilité d'un aérodyne est son aptitude à revenir à son état d'équilibre initial quand il a été modifié par le pilote ou par un agent extérieur (ascendance, turbulence).

Le retour à l'équilibre initial demande de fournir un moment, c'est-à-dire une force agissant avec un bras de levier :

  • les forces produites sont d'origine aérodynamique, liées aux surfaces dites de stabilisation,
  • les distances dépendent de la configuration (de la géométrie) de l'avion.

Axes de stabilité[modifier | modifier le code]

On étudie la stabilité d'un avion sur trois axes :

  • la stabilité en lacet, capacité de l'avion à conserver sa direction
  • la stabilité en tangage, capacité de l'avion à conserver son assiette (L'assiette désigne la position ou l'état d'équilibre d'un élément dans son milieu par rapport au plan horizontal. )
  • la stabilité en roulis, capacité de l'avion à conserver son inclinaison en ligne droite et en virage

Lorsque l'avion est stable sur un axe, il conserve son équilibre sur cet axe sans action sur les commandes de vol.
Au contraire, un avion instable s'écarte de cet axe, ce qui demande d'agir sur les commandes pour corriger.

Stabilité passive, stabilité active[modifier | modifier le code]

Quand un mouvement de la masse d'air modifie la position d'équilibre de l'avion, on peut avoir deux types de corrections :
. Avec une stabilisation classique dite "passive", la nouvelle position de l'avion par rapport à la masse d'air détermine des moments aérodynamiques stabilisants.
. Avec une stabilisation "active", les mouvements de l'avion sont détectés par des capteurs, analysés par un calculateur qui détermine les moments de gouvernes nécessaires pour rétablir la position initiale. Dans ce cas, que l'avion soit naturellement stable ou naturellement instable, le calculateur corrige en permanence.

Stabilité et performances[modifier | modifier le code]

  • La stabilité passive en tangage induit une traînée supplémentaire dite traînée d'équilibrage. Le Centre de Gravité (CG) étant en avant du centre de portance, l'empennage est déporteur (il pousse vers le bas). Cela augmente la traînée induite (par la portance) de l'aile qui doit compenser cette déportance en plus du poids de l'avion. L'aile doit être un peu plus grande, plus lourde, etc.
  • la stabilisation active en tangage permet de reculer le centre de gravité; le stabilisateur peut être légèrement porteur en vol. Sur l'avion A 310-300 équipé d'un réservoir arrière (placé dans l'empennage horizontal), le recul du CG en vol et le carburant supplémentaire permettent d'augmenter la distance franchissable de 16 % par rapport au modèle A 310-200 non équipés de réservoirs arrière.

Stabilité et confort[modifier | modifier le code]

En conditions turbulentes, plus l'avion est stable (stabilité passive), plus il réagit aux perturbations, plus il est inconfortable. Sur les avions de transport commercial, comme les Airbus, la stabilisation active est un élément essentiel de confort en vol.

Stabilité et maniabilité[modifier | modifier le code]

Sur un avion de combat ou de voltige aérienne, la stabilité passive diminue la capacité de manœuvre en évolution.

Stabilité des avions[modifier | modifier le code]

Concernant la stabilité en tangage, il y a un facteur commun aux avions décrits ci-dessous : le positionnement du centre de gravité par rapport à la portance des surfaces (ailes et plans stabilisateurs). Pour être plus précis, il faudrait parler de la position du centre de gravité par rapport au foyer aérodynamique.

Avions à empennage (classique)[modifier | modifier le code]

Quelle que soit la configuration des surfaces portantes (classique ou tandem), la stabilité en tangage est assurée par le différentiel des variations de portance des deux surfaces plus ou moins éloignées. On peut considérer pour simplifier que ces surfaces sont jointives dans le cas des ailes volantes.

L'empennage étant placé à l'arrière par définition :

  • la stabilité en lacet est assurée par la dérive (empennage vertical),
  • la stabilité en tangage est asurée par le stabilisateur (empennage horizontal),
  • la stabilité en roulis en ligne droite est généralement nulle ou faiblement négative, rarement positive.
  • la stabilité en roulis en virage dépend du couplage complexe entre l'effet dièdre et la stabilité de lacet.

Avion à effet de sol[modifier | modifier le code]

Voir Ekranoplane.
  • la stabilité en tangage et le maintien de l'altitude sont assurés par le différentiel des pentes de portance et de positionnement vertical des deux surfaces.

Avion canard[modifier | modifier le code]

  • la stabilité en lacet est assurée le plus souvent par des dérives placées en bout d'aile ou (winglets). pour obtenir un bras de levier suffisant (dérives reculées), l'aile est le plus souvent en flèche.

Aile delta[modifier | modifier le code]

  • la stabilité en tangage est assurée par le choix d'un profil porteur non déstabilisant (à coefficient de moment en tangage "Cm" positif).
    Lockheed XF-90 (1946)
Le vol à vitesse supersonique modifie le moment de tangage de l'aile : le Concorde faisait varier son centrage en vol.
  • la stabilité en lacet est assurée classiquement par la dérive.

Aile volante[modifier | modifier le code]

  • la stabilité passive en lacet est généralement assurée par des dérives en bout d'aile. Quand ces dérives sont supprimées (pour réduire la signature radar), la stabilité en lacet est obtenue par une stabilité active (artificielle) : une traînée différentielle d'aérofreins (AF) ou une poussée différentielle si la vitesse est trop faible pour que les AF soient efficaces.
  • la stabilité en roulis en virage dépend du couplage avec la stabilité de lacet. La traînée différentielle des ailerons à la mise en virage s'accompagne d'un moment de lacet inverse difficilement compensé par la faible stabilité en lacet. Il est souhaitable d'obtenir le roulis avec des systèmes ne générant pas de lacet inverse (spoiler).
  • la stabilité en tangage est réduite par l'absence d'empennage. Les profils porteurs habituels présentent un coefficient de moment en tangage négatif déstabilisant, qui doit alors être équilibré par :
    • l'utilisation sur toute l'envergure d'un profil d'aile présentant une ligne moyenne en "S" à coefficient de moment de tangage (Cm) positif. Ces profils sont moins porteurs.
    • une forme en plan de l'aile en flèche arrière présentant un vrillage négatif (diminution du calage des profils en bout d'aile). On a alors transformé le bout d'aile en empennage classique, non porteur. La flèche arrière donne un dièdre effectif, ce qui renforce le roulis induit et le couplage roulis-lacet.

Les stabilités sur tous les axes étant faibles, il faut particulièrement limiter les effets déstabilisants de la propulsion en tangage et en lacet (effets de souffle, décalage vertical entre l'axe de traction et le centre de traînée, dissymétrie en cas de panne d'un moteur latéral).

Hélicoptère[modifier | modifier le code]

L'hélicoptère est instable en tangage et roulis, mais l'importante inertie des masses tournantes (Rotor principal, rotor de queue) et la présence de surfaces de stabilisation (dérives de profondeur et de direction) rend cette instabilité (vitesse de divergence) suffisamment faible pour être compatible avec le pilotage