NOTIONS D'AERODYNAMIQUE SECONDE PARTIE

Le mois passé, nous avons présenté les notions de pression statique et de pression dynamique. Lien vers l’article précédent.

Ce mois-ci, nous allons entreprendre une partie assez rébarbative dans laquelle nous allons aborder des définitions.

Nous avons expliqué le principe de fonctionnement d’une aile d’avion et avons expliqué qu’en retournant l’aile on pouvait obtenir l’effet inverse de celui qui tend à soulever l’avion d’autant plus qu’il se déplace rapidement.

Nous allons reprendre la figure qui montre les effets de la pression statique sur la paroi de l’aile.

Il est important de bien comprendre que ce sont les courbures de l’aile qui provoquent l’accélération ou la décélération de l’air et que c’est la vitesse de l’air au voisinage de cette paroi qui détermine la pression statique qui s’exerce sur l’aile. On remarquera sur l’exemple montré que l’aile porte l’avion ou appuie sur une voiture de course même si elle est parfaitement alignée avec le flux d’air. Autrement formulé dans le cas d’une voiture de course une aile dont l’arête amont appelée bord d’attaque et l’arête aval appelée bord de fuite sont à la même altitude donne déjà de l’appui à la voiture sauf s’il s’agit d’une aile à profil symétrique.

CARACTERISTIQUES D’UNE AILE

La figure ci-dessous représente les principales caractéristiques d’une aile simple. Le dessin qui suit se rapporte à une aile d’avion. L’intrados et l’extrados sont inversés pour une voiture de course.

Extrados: surface supérieure de l’aile.

Intrados : Surface inférieure de l’aile.

Corde : droite joignant le bord d'attaque au bord de fuite. La profondeur l est la longueur de cette corde. La corde est une notion importante car elle sert à définir plusieurs paramètres de profils d’aile.

Ligne moyenne : ligne passant par tous les points équidistants de l’extrados et de l’intrados. Cette ligne est rectiligne lorsque le profil de l’aile est symétrique et courbe quand le profil ne l’est pas. Sur une monoplace la ligne moyenne est généralement courbe.

Epaisseur : distance maximale entre l'intrados et l'extrados mesurée perpendiculairement à la corde. L'épaisseur, pour les profils classiques, se situe généralement à une distance maximale d'environ 30 % de la profondeur, à partir du bord d'attaque.

Angle d’incidence : angle formé (ici noté α) par la direction du courant d’air et la corde du profil ; généralement cet angle peut être modifié par le mécanicien.

Envergure : l’envergure de l’aile est la distance b entre les deux extrémités de l’aile

Allongement : rapport λ = b / l entre l’envergure et la corde si l’aile est rectangulaire. Si l’aile est trapézoïdale, l’allongement est le rapport entre envergure et corde moyenne. La moyenne est alors faite entre le saumon, qui est la partie marginale de l'aile (extrémité où se trouve les dérives sur une monoplace), et l'emplanture qui est la partie de l'aile liée au fuselage pour un avion à la crash-box pour une monoplace.

PROFILS NACA

La NACA National Advisory Comitee for Aeronautics devenue plus tard la NASA a développé des profils d’aile normalisés à partir de 1920. Ce sont presque toujours ces profils qui ont été utilisés pour fabriquer des ailerons pour les monoplaces anciennes. Sur les autos modernes, on en trouve encore fréquemment à l’arrière, mais plus rarement sur les ailes avant qui sont maintenant la plupart du temps courbes.

Les premiers profils d’aile (4 et 5 chiffres, voir détails ci-après) étaient spécifiés en termes géométriques. Plus tard, ils ont été définis en termes de performances.

Profils NACA à 4 chiffres aussi appelés « Série 4 »

En 1933 la NACA a publié un catalogue de 78 profils dont les caractéristiques ont été mesurées en soufflerie. NACA MPXX où MPXX représentent 4 chiffres.

M, le premier chiffre définit la cambrure maximale en pourcentage de la corde, M= 100 fois m où m représente la cambrure maximale divisée par la corde

P, le deuxième chiffre définit le point de cambrure maximale par rapport au bord d'attaque en pourcentage de la corde. P = 10 fois p où p représente la position de la cambrure maximale par rapport au bord d’attaque exprimée en pourcentage de la longueur de la corde.

XX, les deux derniers chiffres définissant l'épaisseur maximale du profil en pourcentage la corde. XX= 100 t.

Quelques profils NACA à quatre chiffres :

==> Les profils NACA à quatre chiffres qui commencent par deux zéros ont une cambrure nulle. Ce sont donc des profils symétriques.

Á titre d’exemple un profil NACA 0015 est symétrique et a une épaisseur égale à 15 % de sa corde. De par sa symétrie, un tel profil installé sous angle d’incidence nul n’a aucun effet porteur ou déporteur, mais il a une traînée.

Ci-dessous un profil NACA 0015 monté avec une incidence nulle.

Profils NACA à cinq chiffres aussi appelés « Série 5»

En 1934 apparaissent les profils NACA à cinq chiffres. Avec 5 chiffres, il devient possible de décrire des formes plus complexes. Le plus célèbre est le profil 23012 qui associe une forte portance (ou déportance pour une voiture de course) et une faible traînée.

Les profils à cinq chiffres sont définis de la manière suivante : LPQXX

Où LPQXX représentent 5 chiffres :

L, le premier chiffre définit le coefficient de portance optimal l, multiplié par 0,15

L = 0,15 l

P, le deuxième chiffre définit le point de cambrure maximale par rapport au bord d'attaque en pourcentage de la corde (voir profils à quatre chiffres pour plus de détails)

Q, le troisième chiffre a pour soit 0 soit 1. Il indique si le profil est à cambrure simple (0) ou double (1)

XX, les deux derniers chiffres ont la même signification que pour les profils à quatre chiffres.

Deux profils NACA 23012 : un avec une corde de 120 l'autre avec une corde de 150. On notera au passage que la codification NACA ne donne pas l'échelle du profil.

Chiffres supplémentaires

La définition à quatre ou cinq chiffres ne suffit pas pour décrire tous les paramètres géométriques d’un profil. Les profils ainsi définis ont des rayons de courbures de bords d’attaques fixes et très arrondis. Il est possible de spécifier d’autres formes en accolant deux nombres supplémentaires qui peuvent comporter chacun deux chiffres.

Le premier nombre définit la courbure au niveau du bord d’attaque 0 = très pointu et 6 = profil NACA standard.

Le second nombre définit la distance de l’épaisseur maximale du bord d’attaque.

En général les profils utilisés sur les ailes de voitures de course sont standard (donc avec un bord d’attaque très arrondi.)

Profils des séries 1, 6, 7 et 8

Les profils des séries 4 et 5 sont définis en termes de géométrie et on peut trouver leurs caractéristiques aérodynamiques dans les documents publiés par la NACA.

Au contraire, les profils des séries 1, 6, 7 et 8 sont définis par leurs caractéristiques aérodynamiques.

Profils NACA à deux chiffres, trait d’union et trois chiffres aussi appelés « Série 1 »

Les profils de la série 1 sont désignés par 5 chiffres dont le premier est un 1. Un trait d’union sépare le second chiffre et le troisième.

Premier chiffre : toujours : 1, indique la série
Second chiffre : décrit la distance de la zone de pression minimum en dizaines de pour cent
Trait d'union
Troisième chiffre : décrit le coefficient de portance en dixièmes
Quatrième et cinquièmes chiffres : décrivent l'épaisseur maximale en pourcentage de corde

Ci-dessous un profil NACA 64-212

Profils NACA à six chiffres, appelés « Série 6 »

Les profils de la série 6 ont été créés de la même manière que ceux de la série 1, mais ils sont plus performants car ils donnent moins de traînée pour la même portance ou déportance. La codification est voisine : deux chiffres, un troisième chiffre en indice, un trait d’union, trois chiffres.

Premier chiffre : toujours 6, indique la série
Second chiffre :définit la position de la zone de pression minimale en dizaines de pour cent
Troisième chiffre, placé en indice : il définit la plage de coefficient de portance en dixièmes au-dessus et au-dessous du coefficient de portance de conception pour laquelle la traînée est faible.
Trait d'union
Quatrième chiffre : décrit le coefficient de portance optimal en dixièmes
Cinquième et sixième chiffre : décrivent l'épaisseur maximale en pourcentage de corde.

Profils NACA à sept éléments, appelés « Série 7 »

Déclinaison encore plus performante des profils à six chiffres. Il n’y a pas de trait d’union dans la désignation.

Premier chiffre : toujours 7, indique la série
Second chiffre : décrit la distance de la zone de pression minimum sur la surface supérieure de plusieurs dizaines de pour cent
Troisième chiffre : décrit la distance de la zone de pression minimale sur la surface inférieure de plusieurs dizaines de pour cent
Quatrième position : lettre faisant référence à un profil type de la précédente série NACA
Quatrième chiffre : décrit le coefficient de portance en dixièmes (1 = coefficient 0,1)
Cinquième et sixième chiffres : décrivent l'épaisseur maximale en pourcentage de corde

Profils NACA à sept éléments, appelés « Série 8 »

La désignation est identique à celle de la série 7 à l’exception du premier chiffre qui est un 8.

Ces profils n’ont pas d’intérêt pour les voitures de course. ils sont destinés aux applications à vitesses supersoniques.

LES DERIVES

Après cette partie un peu rébarbative sur les profils d'ailes sur lesquels on reviendra par la suite, nous allons parler des dérives. Ce sont les plaques, généralement verticales, qui sont placées aux extrémités des ailes.

Si on revient sur la figure qui représente les champs de forces qui agissent sur l'aile on voit bien que lorsqu'il s'agit d'une aile d'avion ces forces tirent sur l'extrados et poussent sur l'intrados.

On peut donc en déduire que la pression au-dessus de l'aile est inférieure à la pression au-dessous de l'aile. En fait, si l'aile n'a pas de dérive, ce n'est vrai qu'au centre de celle-ci. Aux deux extrémités, l'air en surpression placé sous l'aile a tendance à se déplacer pour aller dans la zone de moindre pression située au-dessus de l'aile. Il s'ensuit donc des écarts de pressions plus faibles aux deux extrémités de l'aile. Ceci conduit à une moindre portance (ou déportance pour une voiture de course.) Mais comme l'air a une certaine viscosité, plus on considère une zone éloignée de l'extrémité de l'aile moins cet effet pervers se fait sentir. D'où l'idée d'allonger le trajet de l'air qui a tendance à passer des zones de fortes pressions vers les zones de plus faibles pressions. C'est à ça que servent les dérives. L'air passant de l'intrados vers l'extrados est obligé de les contourner et cela augmente l'efficacité de l'aile.

On pourrait s'attendre à ce que l'effet des dérives soit d'autant plus grand que le trajet que devra faire l'air sera long. C'est effectivement le cas. Mais lorsque les dérives sont trop longues, elles provoquent de la trainée aérodynamique. On a donc intérêt à rechercher la longueur qui donnera le plus de portance ou déportance tout en induisant une trainée faible. En fait, il s'agit d'optimiser le ratio déportance / trainée. Pour une monoplace, une hauteur de dérive de 400 millimètres constitue généralement l'optimum. Cette valeur est à pondérer en fonction de l'écart de pression entre les deux faces de l'aile. Plus on met de l'appui, plus il faudrait de hautes dérives et réciproquement.

Une fois la hauteur totale des dérives choisie, on a tout intérêt à déporter la dérive du côté où la différence de pression avec la pression atmosphérique est la plus grande, c'est à-dire du côté de l'extrados. Mais d'autres critères doivent aussi être pris en compte. A l'avant sur une monoplace c'est rarement possible parce que comme l'aile se trouve à ras du sol pour profiter de l'effet de sol (sur lequel on reviendra plus tard), il faudrait que la dérive rentre dans la piste... A l'arrière, on constate qu'effectivement, la dérive est déportée vers le sol. Mais elle l'est beaucoup plus que ce à quoi on aurait pu s'attendre et aussi beaucoup plus que ce que des calculs avec un logiciel spécialisé en mécanique des fluides suggèrent. C'est simplement dû à la réglementation. En effet, à la suite de bris de mats d'ailes dont nous avons parlé dans la première partie de cette présentation, la hauteur des dispositifs aérodynamiques est règlementée. Et on sait que les ailerons arrières sont soumis à des perturbations de flux d'air dus aux carrosseries qui sont placés devant eux. Le meilleur compromis est donc de placer l'aile presque aussi haut que le permet la règlementation et par conséquent de fortement déporter la dérive vers le bas.