Cette force de traînée se produit dans les avions en raison des ailes ou d'un corps de sustentation redirigeant l'air pour provoquer la portance, et dans les voitures avec des ailes à profil aérodynamique qui redirigent l'air pour provoquer une force d'appui. Samuel Langley a remarqué que des plaques plus plates et à rapport d'aspect plus élevé avaient une portance plus élevée et une traînée plus faible et ont été introduites en 1902. Sans l'invention de la qualité aérodynamique de l'avion, la conception d'avions modernes serait impossible.
Lever et déplacer
La force aérodynamique totale agissant sur un corps est généralement considérée comme constituée de deux éléments: la portance et le déplacement. Par définition, la composante de force parallèle au contre-courant est appelée déplacement, tandis que la composante perpendiculaire au contre-courant est appelée portance.
Ces bases d'aérodynamique sont d'une grande importance pour l'analyse de la qualité aérodynamique de l'aile. La portance est produite en changeant la direction de l'écoulement autour de l'aile. Changerla direction entraîne un changement de vitesse (même s'il n'y a pas de changement de vitesse, comme on le voit dans un mouvement circulaire uniforme), qui est une accélération. Par conséquent, pour changer le sens de l'écoulement, une force doit être appliquée au fluide. Ceci est clairement visible sur n'importe quel avion, il suffit de regarder la représentation schématique de la qualité aérodynamique de l'An-2.
Mais tout n'est pas si simple. Poursuivant le thème de la qualité aérodynamique d'une aile, il convient de noter que la création d'une portance d'air en dessous se fait à une pression plus élevée que la pression d'air au-dessus d'elle. Sur une aile à envergure finie, cette différence de pression fait circuler l'air de la racine de l'intrados de l'aile vers la base de son extrados. Ce flux d'air volant se combine avec l'air en circulation pour provoquer un changement de vitesse et de direction qui tord le flux d'air et crée des tourbillons le long du bord de fuite de l'aile. Les tourbillons créés sont instables, ils se combinent rapidement pour créer des tourbillons en aile. Les tourbillons qui en résultent modifient la vitesse et la direction du flux d'air derrière le bord de fuite, le déviant vers le bas et provoquant ainsi un volet derrière l'aile. De ce point de vue, par exemple, l'avion MS-21 a un rapport portance/traînée élevé.
Contrôle du débit d'air
Les vortex modifient à leur tour le flux d'air autour de l'aile, réduisant la capacité de l'aile à générer de la portance, elle nécessite donc un angle d'attaque plus élevé pour la même portance, ce qui incline la force aérodynamique totale vers l'arrière et augmente la composante de traînée de cette force. La déviation angulaire est négligeableaffecte la portance. Cependant, il y a une augmentation de la traînée égale au produit de la portance et de l'angle en raison duquel elle dévie. La déviation étant elle-même fonction de la portance, la traînée supplémentaire est proportionnelle à l'angle de montée, ce qui se voit clairement dans l'aérodynamique de l'A320.
Exemples historiques
Une aile planétaire rectangulaire crée plus de vibrations vortex qu'une aile conique ou elliptique, c'est pourquoi de nombreuses ailes modernes sont effilées pour améliorer le rapport portance/traînée. Cependant, la cellule elliptique est plus efficace car le souffle induit (et donc l'angle d'attaque effectif) est constant sur toute l'envergure des ailes. En raison de complications de fabrication, peu d'avions ont cette forme en plan, les exemples les plus célèbres étant le Spitfire de la Seconde Guerre mondiale et le Thunderbolt. Les ailes effilées avec des bords d'attaque et de fuite droits peuvent approcher une distribution de portance elliptique. En règle générale, les ailes droites non effilées produisent 5% et les ailes effilées produisent 1 à 2% de traînée induite en plus qu'une aile elliptique. Par conséquent, ils ont une meilleure qualité aérodynamique.
Proportionnalité
Une aile à rapport d'aspect élevé produira moins de traînée induite qu'une aile à faible rapport d'aspect car il y a moins de perturbations de l'air à l'extrémité d'une aile plus longue et plus fine. Par conséquent, l'induitla résistance peut être inversement proportionnelle à la proportionnalité, aussi paradoxal que cela puisse paraître. La répartition de la portance peut également être modifiée en lessivant, en tordant l'aile pour réduire la chute vers les ailes et en changeant le profil près des ailes. Cela vous permet d'obtenir plus de portance plus près du pied d'aile et moins de l'aile, ce qui entraîne une diminution de la force des tourbillons d'aile et, par conséquent, une amélioration de la qualité aérodynamique de l'avion.
Dans l'histoire de la conception des avions
Sur certains premiers avions, les ailerons étaient montés sur le bout des queues. Les avions ultérieurs ont une forme d'aile différente pour réduire l'intensité des tourbillons et atteindre un rapport portance / traînée maximal.
Les réservoirs de carburant à turbine sur le toit peuvent également offrir certains avantages en empêchant le flux d'air chaotique autour de l'aile. Maintenant, ils sont utilisés dans de nombreux avions. La qualité aérodynamique du DC-10 était à juste titre considérée comme révolutionnaire à cet égard. Cependant, le marché de l'aviation moderne s'est depuis longtemps reconstitué avec des modèles beaucoup plus avancés.
Formule glisser-glisser: expliquée en termes simples
Pour calculer la résistance totale, il est nécessaire de prendre en compte la résistance dite parasite. Étant donné que la traînée induite est inversement proportionnelle au carré de la vitesse (à une portance donnée), alors que la traînée parasite lui est directement proportionnelle, la courbe de traînée globale indique la vitesse minimale. Avion,volant à une telle vitesse, fonctionne avec des qualités aérodynamiques optimales. Selon les équations ci-dessus, la vitesse de résistance minimale se produit à une vitesse à laquelle la résistance induite est égale à la résistance parasite. Il s'agit de la vitesse à laquelle l'angle de glissement optimal est atteint pour un avion au ralenti. Pour ne pas être infondé, considérons la formule sur l'exemple d'un avion:
La suite de la formule est également assez curieuse (photo ci-dessous). Voler plus haut, là où l'air est plus fin, augmentera la vitesse à laquelle la traînée minimale se produit, et donc cela permet un voyage plus rapide sur la même quantité de carburant.
Si un avion vole à sa vitesse maximale autorisée, alors l' altitude à laquelle la densité de l'air lui fournira la meilleure qualité aérodynamique. L' altitude optimale à la vitesse maximale et la vitesse optimale à l' altitude maximale peuvent changer pendant le vol.
Endurance
La vitesse pour une endurance maximale (c'est-à-dire le temps passé dans les airs) est la vitesse pour une consommation de carburant minimale et une vitesse inférieure pour une autonomie maximale. La consommation de carburant est calculée comme le produit de la puissance requise et de la consommation de carburant spécifique par moteur (consommation de carburant par unité de puissance). La puissance requise est égale au temps de traînée.
Histoire
Le développement de l'aérodynamique moderne n'a commencé qu'au XVIIsiècles, mais les forces aérodynamiques ont été utilisées par les humains pendant des milliers d'années dans les voiliers et les moulins à vent, et des images et des histoires de vol apparaissent dans tous les documents historiques et œuvres d'art, comme la légende grecque antique d'Icare et Dédale. Les concepts fondamentaux de continuum, de résistance et de gradients de pression apparaissent dans les travaux d'Aristote et d'Archimède.
En 1726, Sir Isaac Newton est devenu la première personne à développer la théorie de la résistance de l'air, ce qui en fait l'un des premiers arguments sur les qualités aérodynamiques. Le mathématicien hollandais-suisse Daniel Bernoulli a écrit un traité en 1738 appelé Hydrodynamica dans lequel il décrit la relation fondamentale entre la pression, la densité et la vitesse d'écoulement pour un écoulement incompressible, connue aujourd'hui sous le nom de principe de Bernoulli, qui fournit une méthode pour calculer la portance aérodynamique. En 1757, Leonhard Euler a publié les équations d'Euler plus générales, qui peuvent être appliquées à la fois aux écoulements compressibles et incompressibles. Les équations d'Euler ont été étendues pour inclure les effets de la viscosité dans la première moitié des années 1800, donnant naissance aux équations de Navier-Stokes. Les performances aérodynamiques/qualité aérodynamique de la polaire ont été découvertes à peu près à la même époque.
Sur la base de ces événements, ainsi que des recherches effectuées dans leur propre soufflerie, les frères Wright ont piloté le premier avion le 17 décembre 1903.
Types d'aérodynamique
Les problèmes aérodynamiques sont classés par conditions d'écoulement ou propriétés d'écoulement, y compris des caractéristiques telles que la vitesse, la compressibilité et la viscosité. Ils sont le plus souvent divisés en deux types:
- L'aérodynamique externe est l'étude de l'écoulement autour d'objets solides de formes diverses. Des exemples d'aérodynamique externe sont l'évaluation de la portance et de la traînée d'un avion, ou les ondes de choc qui se forment devant le nez d'un missile.
- L'aérodynamique interne est l'étude de l'écoulement à travers des passages dans des objets solides. Par exemple, l'aérodynamique interne couvre l'étude du flux d'air à travers un moteur à réaction ou à travers une cheminée de climatisation.
Les problèmes aérodynamiques peuvent également être classés en fonction de vitesses d'écoulement inférieures ou proches de la vitesse du son.
Le problème s'appelle:
- subsonique, si toutes les vitesses du problème sont inférieures à la vitesse du son;
- transonic s'il y a des vitesses à la fois inférieures et supérieures à la vitesse du son (généralement lorsque la vitesse caractéristique est approximativement égale à la vitesse du son);
- supersonique, lorsque la vitesse d'écoulement caractéristique est supérieure à la vitesse du son;
- hypersonique, lorsque la vitesse d'écoulement est bien supérieure à la vitesse du son.
Les aérodynamiciens sont en désaccord sur la définition exacte de l'écoulement hypersonique.
L'effet de la viscosité sur le débit dicte une troisième classification. Certains problèmes peuvent n'avoir que de très petits effets visqueux, auquel cas la viscosité peut être considérée comme négligeable. Les approximations de ces problèmes sont dites non visqueusescourants. Les écoulements pour lesquels la viscosité ne peut être négligée sont appelés écoulements visqueux.
Compressibilité
Un écoulement incompressible est un écoulement dont la densité est constante à la fois dans le temps et dans l'espace. Bien que tous les fluides réels soient compressibles, l'écoulement est souvent considéré comme incompressible si l'effet d'un changement de densité ne provoque que de petits changements dans les résultats calculés. Cela est plus probable lorsque le débit est bien inférieur à la vitesse du son. Les effets de la compressibilité sont plus importants à des vitesses proches ou supérieures à la vitesse du son. Le nombre de Mach est utilisé pour évaluer la possibilité d'incompressibilité, sinon les effets de compressibilité doivent être inclus.
Selon la théorie de l'aérodynamique, l'écoulement est considéré comme compressible si la densité change le long de la ligne de courant. Cela signifie que, contrairement à un écoulement incompressible, les changements de densité sont pris en compte. En général, c'est le cas lorsque le nombre de Mach d'une partie ou de la totalité du débit dépasse 0, 3. La valeur de Mach de 0, 3 est plutôt arbitraire, mais elle est utilisée car un débit de gaz inférieur à cette valeur présente des changements de densité inférieurs à 5%. En outre, le changement de densité maximal de 5 % se produit au point de stagnation (le point sur l'objet où la vitesse d'écoulement est nulle), tandis que la densité autour du reste de l'objet sera beaucoup plus faible. Les écoulements transsoniques, supersoniques et hypersoniques sont tous compressibles.
Conclusion
L'aérodynamique est l'une des sciences les plus importantes au monde aujourd'hui. Elle nous fournitconstruire des avions, des navires, des voitures et des navettes comiques de qualité. Il joue un rôle énorme dans le développement des types d'armes modernes - missiles balistiques, boosters, torpilles et drones. Tout cela serait impossible sans les concepts avancés modernes de qualité aérodynamique.
Ainsi, les idées sur le sujet de l'article sont passées de fantasmes magnifiques mais naïfs sur Icare à des avions fonctionnels et réellement fonctionnels apparus au début du siècle dernier. Aujourd'hui, nous ne pouvons pas imaginer nos vies sans voitures, navires et avions, et ces véhicules continuent de s'améliorer grâce à de nouvelles percées en matière d'aérodynamique.
Les qualités aérodynamiques des planeurs ont été une véritable avancée à leur époque. Dans un premier temps, toutes les découvertes dans ce domaine ont été faites au moyen de calculs théoriques abstraits, parfois déconnectés de la réalité, qui ont été effectués par des mathématiciens français et allemands dans leurs laboratoires. Plus tard, toutes leurs formules ont été utilisées à d'autres fins plus fantastiques (selon les normes du XVIIIe siècle), telles que le calcul de la forme et de la vitesse idéales des futurs avions. Au 19ème siècle, ces appareils ont commencé à être construits en grande quantité, à commencer par les planeurs et les dirigeables, les Européens sont progressivement passés à la construction d'avions. Ces derniers ont d'abord été utilisés exclusivement à des fins militaires. Les as de la Première Guerre mondiale ont montré à quel point la question de la domination dans les airs est importante pour n'importe quel pays, et les ingénieurs de l'entre-deux-guerres ont découvert que de tels avions sont efficaces non seulement pour les militaires, mais aussi pour les civils.objectifs. Au fil du temps, l'aviation civile est fermement entrée dans nos vies, et aujourd'hui aucun État ne peut s'en passer.
