TPE Aerodynamisme

Quel est le rôle de l'aérodynamisme dans l'évolution des transports et quel est son avenir ?

Aéronautique

Comment les oiseaux peuvent-ils voler ? Est-ce que les hommes pourront voler ? Les hommes commencèrent à se questionner dès la Renaissance.

Introduction :

Depuis la création des premiers avions en 1890, les hommes n’ont cessé d’améliorer la mécanique afin d’améliorer les performances. En effet depuis le XXe siècle, les hommes ont mis en place de nombreuses nouvelles technologies afin de perfectionner les avions notamment dans l’aérodynamisme. Cela a pour but de modifier la vitesse, augmenter la sécurité, la maniabilité…

Quel est le résultat de l’aérodynamisme dans le domaine de l’aéronautique ?

Le F-14 à la particularité d’avoir des ailes à géométrie variable. Nous allons donc essayer de comprendre à quoi sert ce type d’ailes. Tout d’abord, il est important de rappeler quelques notions. La pression est une force qui s’exerce sur une surface donnée. Plus la surface est grande plus le vent est «puissant». En effet dans cette vidéo nous allons montrer que la surface la plus petite est équilibrée alors que la surface plus grande est déstabilisée.

Etude de cas sur F14 Tomcat :

Quelle est la particularité de cet avion ?

Le F14 Tomcat est un avion militaire des années 70 utilisé par l’armée américaine puis iraquienne. Cet appareil ne vole plus depuis 2006. Ce prototype a été utilisé notamment pendant la guerre du Vietnam et la guerre froide. Il est équipé d’armes de longues portées.

Le F14 Tomcat peut atteindre une vitesse dépassant les 2 000 km/h, il a donc un profil qui lui permet de rentrer dans les normes de l’aérodynamisme : ses ailes à géométrie variable sont ainsi une de ses particularités.

Ces avions de chasse, dans leurs versions les plus profilées sont équipés d’ailes « delta » ou en « flèche », avec un nez allongé et pointu afin d’atteindre des vitesses élevées et de mieux pénétrer l’air. Leur masse est en revanche importante, notamment lorsqu’ils sont équipés d’armement.

Quelle est l’utilité des ailes à géométrie variable ?

La géométrie variable des ailes du F14 Tomcat permet au pilote de s’adapter aux besoins de la vitesse et maniabilité de l’appareil. En effet, lorsque celui-ci vole à vitesse réduite comme pour un décollage ou un atterrissage, les ailes sont «déployées» : l’envergure de l’avion est plus élevée, la surface exposée à l’air augmente ce qui permet donc d’augmenter la portance, la maniabilité et la stabilité de l’avion. En revanche, dans cette configuration, il est plus difficile d’atteindre une vitesse élevée. Ainsi, lorsque le F14 Tomcat vole à une vitesse supersonique, les ailes sont «rentrées», réduisant son envergure, son exposition à l’air et sa portance, tout en conservant une grande maniabilité. Cette configuration « rentrée » confère à l’appareil un profil optimal pour atteindre des vitesses supersoniques.

Chacune de ces ailes a des avantages et des inconvénients :

Lorsque l’aile a une plus grande envergure, la vitesse maximale diminue et la traînée est plus importante alors que lorsque l’envergure est plus faible, la vitesse augmente et la traînée diminue mais la maniabilité à basse vitesse diminue. Par exemple, si un avion vole 800km/h avec une envergure de 60m environ, alors sa traînée et sa portance sont plus importantes qu’un même avion volant aussi à 800km/h mais avec une envergure de 50m environ. Mais sa stabilité et maniabilité à basse vitesse sont meilleures que l’avion d’envergure de 50m.

Expérience sur l’envergure des ailes :

D’après la vidéo, nous pouvons observer que malgré la même distance et malgré la même puissance du vent, nous n’obtenons pas le même résultat en fonction des deux formes. En effet, l’avion ayant plus d’envergure «s’écroule» alors que l’autre non. Cela nous montre l’intérêt et l’efficacité des ailes à géométrie variable. Nous pouvons donc en conclure que les ailes déployées permettent une plus grande portance mais aussi une traînée plus importante, et lorsque les ailes sont «rangées», l’avion est profilé, à moins d’envergure, par conséquent est moins «porté» par l’air mais sa traînée est plus faible.

C’est ainsi que grâce à cette expérience nous voyons qu’il y a une variation de la puissance du vent en fonction de la surface donnée. Cela veut dire que plus la surface est grande, plus la portance est importante.

Vérifions les données avec des chiffres:

Longueur du F-14: 19,10 m
Largeur (avec les ailes déployées): 19,50 m
Largeur (avec les ailes non déployées): 11,65 m
Poids d’ un F-14: 33 730 kg

En effet la surface varie:

19,10*19,50= 372,45 m²
19,10*11,65= 222,515m²
372,45-222,515= 149,935m²

La surface est donc différente de 149,935m², ce qui montre bien la différence de surface quand les ailes sont déployées et quand elles ne le sont pas.

C’est ainsi que nous pouvons voir que l’avion F-14 utilise ses ailes pour aller plus ou moins vite. En effet, si elles sont déployées, la portance est plus importante et la vitesse est donc moins élevée. Les ailes non déployées permettent une portance moins importante donc une vitesse plus élevée.

Conclusion :

Le F14 Tomcat est un avion ayant la particularité d’avoir des ailes pouvant changer de position. Cela permet donc de faire varier la portance et de conserver la maniabilité en fonction de la vitesse. Par conséquent, ce système joue sur la traînée et donc la consommation de carburant.

Cette technologie (ailes à géométrie variable) représente l’avenir de l’aviation : en effet il existe plusieurs projets de ce type pour le développement des avions de lignes du futur. L’un des plus probables semble être un avion ayant des ailes pouvant modifier son envergure. Ceci n’est qu’un projet mais semble réalisable car on souhaite de plus en plus optimiser le temps de voyage tout en ayant une consommation plus raisonnable de carburant. Si ce projet se réalise, les avions auront les ailes « déployées » lors de la phase de décollage et de la phase d’atterrissage et auront les ailes « rentrées » une fois la vitesse de croisière atteinte. Les principaux inconvénients sont un coût élevé mais aussi un poids plus conséquent car ces systèmes nécessitent l’intégration de technologies supplémentaires plus ou moins lourdes. C’est pour ces raisons qu’actuellement les chercheurs travaillent sur un alliage fait de carbone afin que ceux-ci soient résistants et légers.