Comment volent les avions ? Portance et décrochage

Quatre forces en équilibre

Quatre forces agissent sur tout aéronef. La portance le pousse vers le haut, le poids le tire vers le bas, la poussée du moteur ou de l’hélice le tire vers l’avant, et la traînée, la résistance de l’air, le retient. En vol stabilisé et horizontal, elles s’équilibrent deux à deux : la portance égale le poids, et la poussée égale la traînée. Pour un petit avion de 1 100 kg, le poids est P = m·g = 1 100 × 9,81 ≈ 10 800 N, et les ailes doivent donc donner exactement cette portance. Si elle est plus grande, l’avion monte ; si elle est plus petite, il descend. Les flèches lumineuses de l’image sont dessinées à l’échelle : regardez-les grandir et rétrécir quand l’avion monte ou pique.

De l’air dévié vers le bas

Une aile agit en déviant l’air. Son dessus bombé et son avant légèrement incliné poussent l’air qui passe vers le bas et, comme le dit la troisième loi de Newton, l’air pousse l’aile vers le haut. Sur l’image, les lignes de courant s’incurvent au-dessus du profil, la coupe de l’aile, et en repartent vers le bas. Une pression plus basse dessus et plus haute dessous décrit la même poussée autrement. Plus d’air dévié plus fortement donne plus de portance, et c’est exactement ce que compte la formule suivante.

La formule de la portance, en chiffres

Les ingénieurs écrivent la portance L = ½·ρ·v²·S·C_L. Ici ρ (rhô) est la masse volumique de l’air, 1,225 kg/m³ au niveau de la mer, v la vitesse en m/s, S la surface de l’aile et C_L le coefficient de portance, qui dépend de la forme et de l’angle de l’aile. Prenez un avion léger avec S = 16 m² et C_L = 0,5. En vol horizontal, L doit égaler 10 800 N, donc v² = 2 × 10 800 / (1,225 × 16 × 0,5) ≈ 2 204 et v ≈ 47 m/s, soit environ 169 km/h. Comme v est au carré, doubler la vitesse donne quatre fois la portance.

Incliner l’aile jusqu’au décrochage

L’angle entre l’aile et l’air qui arrive s’appelle l’incidence. Augmentez-la un peu et C_L grandit. Avec C_L = 1,5, le même avion n’a besoin que de v ≈ 27 m/s, soit environ 98 km/h. Mais pour beaucoup d’ailes, C_L ne monte presque en ligne droite avec l’angle que jusqu’à 15 ou 16 degrés. Au-delà de cet angle critique, l’air ne peut plus suivre la courbure. Il se détache de la surface et se brise en turbulences, et la portance s’effondre. C’est un décrochage. Souvent, une aile décroche avant l’autre, et l’avion laisse tomber cette aile puis chute. Sur l’image, il bascule et s’enfonce.

Sortir du décrochage, puis l’essayer

Pour récupérer, l’air doit se recoller à l’aile, donc l’incidence doit diminuer. Commencez par baisser le nez, même si le sol est en dessous. Remettez ensuite les ailes à plat. Ajoutez alors de la puissance pour que la poussée rende la vitesse. Ce n’est que lorsque l’aile vole de nouveau que le nez remonte doucement. Tirer trop tôt ramène le décrochage. À vous maintenant de sauver l’avion dans le bac à sable sous l’image. Il démarre en plein décrochage et tombe. Vous commandez l’assiette et les gaz. C’est un jeu de physique, pas une leçon de pilotage : les vrais pilotes l’apprennent avec un instructeur.

Voler sans moteur

Et si le moteur s’arrête ? L’avion ne tombe pas comme une pierre. Il plane : l’aile continue de produire portance et traînée, et l’avion s’installe sur une pente douce. La finesse dit de quelle distance on avance pour chaque unité de hauteur perdue. Une finesse de 15 signifie 15 km parcourus pour 1 km de hauteur perdu. Un planeur est conçu pour cela et atteint une finesse de 40 à 60. Un avion de ligne obtient environ 15 à 20. De 10 km d’altitude, un avion de ligne de finesse 15 peut planer sur environ 150 km sans aucun moteur.

Le planeur de Gimli

Le 23 juillet 1983, un Boeing 767 d’Air Canada, vol 143, est tombé en panne de carburant vers 12 500 m d’altitude à la suite d’une confusion entre livres et kilogrammes. Les deux moteurs se sont arrêtés. Le commandant Robert Pearson, également pilote de planeur expérimenté, et le copilote Maurice Quintal ont dû trouver une piste. Ils ont fait planer l’avion jusqu’à une ancienne base aérienne à Gimli, au Manitoba, et se sont posés. Les 69 personnes à bord ont survécu, et l’appareil est devenu le « planeur de Gimli ». Il montre que la portance et la traînée continuent d’agir même quand les moteurs ne fonctionnent plus.

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