Forces agissant sur l'aéronef - Traînée

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La traînée est la force qui résiste au mouvement d’un aéronef dans l’air. Il en existe deux types fondamentaux : la traînée parasite et la traînée induite. La première est appelée parasite parce qu’elle ne fonctionne en aucun cas pour aider le vol, tandis que la seconde, la traînée induite, est le résultat d’un profil aérodynamique développant une portance.

La traînée parasite

La traînée parasite est composée de toutes les forces qui travaillent pour ralentir le mouvement d’un avion. Comme le terme parasite l’indique, il s’agit de la traînée qui n’est pas associée à la production de la portance. Elle comprend le déplacement de l’air par l’avion, la turbulence générée dans le courant d’air ou une entrave au déplacement de l’air sur la surface de l’avion et du profil. Il existe trois types de traînée parasite : la traînée de forme, la traînée d’interférence et le frottement de peau.

La traînée de forme

La traînée de forme est la partie de la traînée parasite générée par l’aéronef en raison de sa forme et de l’écoulement de l’air autour de lui. Les exemples incluent les capots des moteurs, les antennes et la forme aérodynamique d’autres composants. Lorsque l’air doit se séparer pour se déplacer autour d’un avion en mouvement et de ses composants, il finit par se rejoindre après avoir passé le corps. La rapidité et la douceur avec lesquelles il se rejoint sont représentatives de la résistance qu’il crée, qui nécessite une force supplémentaire pour être surmontée.

Notez comment la plaque plate de la figure 5-7 fait tourbillonner l’air sur les bords jusqu’à ce qu’il finisse par se rejoindre en aval. La traînée de forme est la plus facile à réduire lors de la conception d’un avion. La solution consiste à rationaliser autant de pièces que possible.

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La traînée d’interférence

La traînée d’interférence provient de l’intersection de courants d’air qui crée des courants de remous, des turbulences, ou qui restreint l’écoulement régulier de l’air. Par exemple, l’intersection de l’aile et du fuselage à l’emplanture de l’aile présente une importante traînée d’interférence. L’air qui s’écoule autour du fuselage entre en collision avec l’air qui s’écoule au-dessus de l’aile, fusionnant en un courant d’air différent des deux courants d’origine. La traînée d’interférence la plus importante est observée lorsque deux surfaces se rencontrent à des angles perpendiculaires. Les carénages sont utilisés pour réduire cette tendance. Si un chasseur à réaction transporte deux réservoirs d’aile identiques, la traînée globale est supérieure à la somme des réservoirs individuels car ceux-ci créent et génèrent une traînée d’interférence. Les carénages et la distance entre les surfaces portantes et les composants externes (tels que les antennes radar accrochées aux ailes) réduisent la traînée d’interférence.

Figure 5-8. Une emplanture d’aile peut provoquer une traînée d’interférence.

Dragueur par frottement de la peau

La traînée par frottement de la peau est la résistance aérodynamique due au contact de l’air en mouvement avec la surface d’un aéronef. Toute surface, aussi lisse soit-elle en apparence, présente une surface rugueuse et déchiquetée lorsqu’on l’observe au microscope. Les molécules d’air, qui entrent en contact direct avec la surface de l’aile, sont pratiquement immobiles. Chaque couche de molécules au-dessus de la surface se déplace légèrement plus vite jusqu’à ce que les molécules se déplacent à la même vitesse que l’air se déplaçant autour de l’avion. Cette vitesse est appelée vitesse du flux libre. La zone située entre l’aile et le niveau de vitesse du flux libre est à peu près aussi large qu’une carte à jouer et s’appelle la couche limite. Au sommet de la couche limite, les molécules augmentent leur vitesse et se déplacent à la même vitesse que les molécules situées à l’extérieur de la couche limite. La vitesse réelle à laquelle les molécules se déplacent dépend de la forme de l’aile, de la viscosité (caractère collant) de l’air dans lequel l’aile ou le profil aérodynamique se déplace, et de sa compressibilité (dans quelle mesure il peut être compacté).

Le flux d’air à l’extérieur de la couche limite réagit à la forme du bord de la couche limite comme il le ferait pour la surface physique d’un objet. La couche limite donne à tout objet une forme « effective » qui est généralement légèrement différente de la forme physique. La couche limite peut également se séparer du corps, créant ainsi une forme effective très différente de la forme physique de l’objet. Cette modification de la forme physique de la couche limite entraîne une diminution spectaculaire de la portance et une augmentation de la traînée. Lorsque cela se produit, le profil aérodynamique a décroché.

Afin de réduire l’effet de la traînée de frottement de la peau, les concepteurs d’aéronefs utilisent des rivets encastrés et suppriment toutes les irrégularités qui peuvent dépasser la surface de l’aile. En outre, une finition lisse et brillante facilite la transition de l’air sur la surface de l’aile. Puisque la saleté sur un avion perturbe la libre circulation de l’air et augmente la traînée, gardez les surfaces d’un avion propres et cirées.

Dragueur induite

Le deuxième type de traînée de base est la traînée induite. C’est un fait physique établi qu’aucun système qui effectue un travail au sens mécanique ne peut être efficace à 100 %. Cela signifie que, quelle que soit la nature du système, le travail requis est obtenu au prix d’un certain travail supplémentaire qui est dissipé ou perdu dans le système. Plus le système est efficace, plus cette perte est faible.

En vol horizontal, les propriétés aérodynamiques d’une aile ou d’un rotor produisent une portance requise, mais celle-ci ne peut être obtenue qu’au prix d’une certaine pénalité. Le nom donné à cette pénalité est la traînée induite. La traînée induite est inhérente à tout profil aérodynamique produisant une portance et, en fait, ce type de traînée est inséparable de la production de portance. Par conséquent, elle est toujours présente si une portance est produite.

Un profil aérodynamique (aile ou pale de rotor) produit la force de portance en utilisant l’énergie du courant d’air libre. Chaque fois qu’un profil aérodynamique produit de la portance, la pression sur sa surface inférieure est supérieure à celle sur sa surface supérieure (principe de Bernoulli). Par conséquent, l’air a tendance à s’écouler de la zone de haute pression située sous la pointe vers la zone de basse pression située sur la surface supérieure. À proximité des pointes, ces pressions ont tendance à s’égaliser, ce qui entraîne un écoulement latéral de la face inférieure vers la face supérieure. Cet écoulement latéral confère une vitesse de rotation à l’air aux extrémités, créant des tourbillons qui traînent derrière le profil de l’aile.

Figure 5-9. Tourbillon de bout d’aile d’un pulvérisateur agricole.

Lorsque l’avion est vu depuis la queue, ces tourbillons circulent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour du bout droit et dans le sens des aiguilles d’une montre autour du bout gauche. Lorsque l’air (et les tourbillons) roulent sur l’arrière de votre aile, ils forment un angle vers le bas, ce que l’on appelle le downwash. La figure 5-10 montre la différence de downwash en altitude et près du sol. En gardant à l’esprit le sens de rotation de ces tourbillons, on constate qu’ils induisent un flux d’air ascendant au-delà du bout de l’aile et un flux descendant derrière le bord de fuite de l’aile. Ce courant descendant induit n’a rien à voir avec le courant descendant nécessaire à la production de la portance. Il est, en fait, la source de la traînée induite.

Figure 5-10. La différence de taille des tourbillons de bout d’aile en altitude par rapport à ceux près du sol.

Le downwash pointe le vent relatif vers le bas, donc plus vous avez de downwash, plus votre vent relatif pointe vers le bas. C’est important pour une très bonne raison : la portance est toujours perpendiculaire au vent relatif. Dans la figure 5-11, vous pouvez voir que lorsque vous avez moins de chasse d’eau, votre vecteur de portance est plus vertical, s’opposant à la gravité. Et lorsque le vent descendant est plus important, le vecteur de portance pointe davantage vers l’arrière, ce qui provoque une traînée induite. En plus de cela, il faut de l’énergie à vos ailes pour créer du downwash et des tourbillons, et cette énergie crée de la traînée.

Figure 5-11. La différence de downwash en altitude par rapport à près du sol.

Plus la taille et la force des tourbillons et de la composante downwash conséquente sur l’écoulement d’air net sur le profil, plus l’effet de traînée induit devient important. Ce courant descendant sur le dessus de l’aile au niveau de la pointe a le même effet que de courber le vecteur de portance vers l’arrière ; par conséquent, la portance est légèrement en arrière de la perpendiculaire au vent relatif, créant une composante de portance vers l’arrière. C’est la traînée induite.

Afin de créer une plus grande pression négative sur le sommet d’un profil aérodynamique, ce dernier peut être incliné vers un AOA plus élevé. Si l’AOA d’un profil symétrique était nulle, il n’y aurait pas de différence de pression, et par conséquent, pas de composante downwash et pas de traînée induite. Quoi qu’il en soit, lorsque l’angle d’attaque augmente, la traînée induite augmente proportionnellement. En d’autres termes, plus la vitesse est faible, plus l’angle d’attaque nécessaire pour produire une portance égale au poids de l’avion est grand et, par conséquent, plus la traînée induite est importante. La quantité de traînée induite varie inversement au carré de la vitesse de l’air.

A l’inverse, la traînée parasite augmente comme le carré de la vitesse de l’air. Ainsi, en régime permanent, lorsque la vitesse de l’air diminue pour se rapprocher de la vitesse de décrochage, la traînée totale devient plus importante, principalement en raison de la forte augmentation de la traînée induite. De même, lorsque l’avion atteint sa vitesse de non-dépassement (VNE), la traînée totale augmente rapidement en raison de la forte augmentation de la traînée parasite. Comme le montre la figure 5-6, à une vitesse donnée, la traînée totale est minimale. Pour calculer l’autonomie maximale d’un avion, la poussée nécessaire pour surmonter la traînée est minimale si la traînée est minimale. La puissance minimale et l’endurance maximale se produisent à un point différent.

Figure 5-6. La traînée en fonction de la vitesse.

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