aérodynamique (suite)

Aérodynamique des avions

De la même façon, on étudie le comportement de maquettes d’avions complets souvent équipés de moteurs entraînant des hélices pour simuler leur souffle (maquettes motorisées) ou de tuyères simulant le jet des réacteurs. On observe les réactions de la maquette lorsque l’on braque les gouvernes, ce qui permet de déterminer la stabilité de l’avion. Ces essais permettent aussi d’améliorer le dessin général de l’avion, surtout aux endroits des raccordements aile-fuselage, fuseaux-moteurs-aile ou empennages-fuselage, là où des interactions d’écoulement peuvent beaucoup modifier les qualités de l’avion. On peut aussi étudier les cas de vol spéciaux, comme la vrille, ou des formules d’aérodynes nouvelles : avions-canards, sans queue, voilures tournantes, etc.

Aérodynamique des hélices et rotors

Il est très difficile de calculer a priori les hélices ou rotors d’hélicoptère en raison de la complexité des écoulements résultant du double mouvement de rotation et de translation. Les essais portent sur les mesures de pression autour des pales, sur la recherche des décollements à l’origine de pertes de rendement importantes. On peut ainsi vérifier l’influence qu’exercent sur le fonctionnement les caractéristiques géométriques (profil, pas, allongement de la pale, distribution des profils le long de la pale, etc.).

Moyens d’essais

Pour mener à bien tous ces essais, les spécialistes de l’aérodynamique doivent disposer d’importants moyens d’essais et de mesure, dont le principal est constitué par les souffleries.

Soufflerie

Il s’agit d’une installation dont l’organe essentiel est un tunnel (appelé tunnel aérodynamique), dans lequel on fait circuler de l’air à une vitesse contrôlée ; la maquette à étudier est placée dans ce courant d’air et on observe son comportement au moyen d’équipements de mesure variés. Il revient au même, pour l’étude des réactions d’un corps, que celui-ci se déplace à une certaine vitesse dans un air calme ou que l’on fasse circuler sur ce corps immobile de l’air animé d’une vitesse égale à celle du déplacement du corps dans le premier cas. Mais il est plus facile d’observer une maquette immobile que de la suivre pendant son vol. C’est le principe de base de toutes les souffleries.

• Les souffleries peuvent être classées en fonction de plusieurs caractéristiques ; la taille de la veine d’air à l’endroit où est placée la maquette va du décimètre carré à plusieurs centaines de mètres carrés ; la vitesse de l’écoulement classe les souffleries en « basses vitesses », subsoniques, transsoniques, supersoniques, hypersoniques (au-delà de 5 à 6 fois la vitesse du son). Le mode de fonctionnement est très varié : l’écoulement de l’air peut être assuré par des ventilateurs ou des compresseurs, ou encore par l’aspiration de l’air à travers le tunnel par un réservoir où l’on a préalablement fait le vide ou par injection d’air comprimé dans la veine d’essai. Selon le procédé adopté, le fonctionnement sera continu ou par rafales, de durée plus ou moins longue. Enfin, le tunnel aérodynamique peut être ouvert à ses deux extrémités (circuit ouvert) ou, au contraire, être disposé en rectangle de sorte que le même air circule toujours dans le tunnel (circuit fermé).

• Les principaux éléments constituant une soufflerie sont : le convergent, du côté de l’arrivée de l’écoulement ; la chambre d’essai, où est placée la maquette ; le divergent, où l’air se détend en se ralentissant ; c’est dans le divergent que sont placés les ventilateurs : l’air est donc aspiré, ce qui diminue la turbulence de l’air sur la maquette ; l’écoulement de l’air doit être parfaitement homogène dans la chambre d’essai. Dans les souffleries à circuit ouvert, on place très souvent, en amont du convergent, une chambre de tranquillisation de très grandes dimensions, qui sert de tampon entre l’air pris à l’extérieur, agité par le vent atmosphérique, et le convergent ; des grillages, des cloisonnements parallèles à l’écoulement servent à homogénéiser l’air et à redresser l’écoulement pour que toutes les molécules d’air de l’écoulement suivent des trajectoires bien parallèles et se déplacent avec la même vitesse. Dans les souffleries à circuit fermé, on retrouve les convergents et divergents, ainsi que les cloisonnements et souvent d’autres dispositifs annexes : refroidisseurs pour éviter l’échauffement de l’air recyclé, dessécheurs d’air, etc. ; le tunnel, coudé 4 fois à 90°, comporte à chaque angle des volets directeurs qui canalisent l’écoulement. Le tunnel peut alors être rendu étanche, et on peut utiliser de l’air sous pression, ce qui améliore la reproduction des conditions d’échelle pour la viscosité de l’air ; on peut aussi remplacer l’air par un gaz comme le fréon, dont les caractéristiques de viscosité différentes de celles de l’air améliorent la similitude des résultats entre maquette et appareil réel. Mais de telles souffleries sont coûteuses en énergie, certaines exigeant plus de 100 000 ch pour leur fonctionnement. Pour pouvoir effectuer des mesures, la chambre d’essai est équipée de dispositifs variés, dont le principal est constitué par des balances sur lesquelles sont fixés les modèles à essayer et qui permettent de déterminer les forces développées par l’écoulement sur la maquette selon les directions voulues. La préparation de l’essai, très minutieuse, exige des délais assez longs. Aussi, pour éviter d’immobiliser la veine pendant tout le temps de cette opération, on utilise souvent des chariots spéciaux montés sur rails, que l’on équipe à côté de la chambre d’essai, puis que l’on met en place pour procéder aux mesures. Enfin, des dispositifs d’enregistrement continu et automatique des mesures permettent d’abréger la durée d’utilisation de la soufflerie, dont le coût reste toujours élevé. Les essais ainsi pratiqués ne peuvent être valables que si l’on a respecté les conditions de similitude ; de plus, on est amené à corriger les mesures effectuées pour tenir compte des anomalies dues à l’interaction de la maquette avec les parois (effet de paroi) et de la taille de la maquette par rapport à celle de la veine (effet de bouchon). Malgré toutes ces précautions, il subsiste une certaine marge d’erreur dans les résultats ; bien que l’étude en soufflerie soit capitale pour la mise au point d’un projet, elle ne peut supprimer la nécessité des essais en vol.