avion
Avions, musée national de l'air et de l'espace, Smithsonian Institution, Washington, DC
Le mot « aviation » (du latin « avis », qui signifie « oiseau », et « actio », qui signifie « action ») a été employé pour la première fois par Gabriel de La Landelle, en 1863, dans le livre Aviation ou navigation aérienne sans ballon, un ouvrage rendant compte des tentatives d'envol de Jean-Marie Le Bris dans un appareil plus lourd que l'air.
Le terme « avion » sera ensuite créé en 1875 par Clément Ader pour désigner sa série d'appareils volants, puis breveté par lui. C'est ainsi qu'il a appelé l'appareil baptisé Éole, avec lequel il décolle le 9 octobre 1890 puis rase le sol sur 50 mètres à 20 cm au-dessus de la piste. Cet événement ne sera toutefois pas homologué comme étant un vol : la hauteur atteinte était insuffisante pour le qualifier de tel.
Le troisième prototype de Clément Ader, l'Avion III, effectue une tentative de vol devant un comité militaire le 14 octobre 1897 à Satory. Une autre raison à la non-homologation des vols de Clément Ader est que ces vols étaient soumis au secret militaire.
À la même époque Otto Lilienthal, grâce à des prototypes qui étaient réalisés à partir de structures de bambou entoilées de coton, pouvait planer jusqu'à 400 mètres en se lançant du haut d'une colline haute d'environ vingt mètres. Le contrôle de la machine se faisait par des déplacements du corps comme pour les deltaplanes pendulaires contemporains.
Dans les premières années de l'aéronautique, après les vols en planeur des frères Wright de 1902 et leur premier vol motorisé du 17 décembre 1903, on ne parle pas encore d'avions mais d'aéroplanes2. En 1911, en hommage à Clément Ader, le Général Roques, créateur de l'aviation militaire, a décidé que tous les aéroplanes militaires s'appelleraient des avions. Mais ce n'est qu'avec la Première Guerre mondiale que les mots « avion » et « aviation » deviennent communs.
Alberto Santos Dumont construisit de nombreux ballons à bord desquels il vola et conçut le premier dirigeable pratique. La démonstration de son aéroplane plus-lourd-que-l'air, le 14 Bis, eut lieu dans le parc de Bagatelle près de Paris, avec un vol public, homologuant par la même le premier record du monde d'aviation, le 23 octobre 1906.
Technique[modifier | modifier le code]
Configuration[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Configuration générale d'un avion.
Un avion est constitué :
d'une cellule comprenant le fuselage, la voilure, l'empennage et le train d'atterrissage ;
d'un groupe motopropulseur à hélice ou à réaction ;
de commandes de vol permettant de transmettre les actions du pilote aux gouvernes ; les éléments mobiles nécessaires au pilotage de l'avion (ailerons et volets) sont situés sur les ailes, les gouvernes de direction et de profondeur sur l'empennage ;
de servitudes de bord , ensemble des circuits électriques, hydrauliques, air, carburant, etc associés au fonctionnement des autres éléments ou permettant la vie à bord ;
de commandes et d'instruments de bord permettant le contrôle du pilotage et de la navigation ;
la charge utile. Ce sont les éléments associés à la mission ou à la fonction de l'avion. Ils sont le plus souvent situés à l'intérieur du fuselage ou, essentiellement pour les avions d'arme ou de travail aérien, accrochés sur le fuselage ou la voilure. Les servitudes, commandes et instruments liés à la mission ou la fonction sont communs avec ceux de l'avion dans le cas d'un équipage réduit mais peuvent être séparés.
Fonctionnement[modifier | modifier le code]
Principe de la portance[modifier | modifier le code]
Le profil d'une aile d'avion : intrados, extrados, bord d'attaque, bord de fuite
Un avion vole grâce à l'écoulement de l'air autour de l'aile produisant des forces aérodynamiques :
la portance, perpendiculaire au vent relatif, vers le haut.
la traînée, parallèle au vent relatif, vers l'arrière.
Plus l'angle formé entre l'aile et le vent relatif (angle appelé incidence) est important, plus les forces aérodynamiques sont grandes. Ceci reste vrai jusqu'à l'angle de décrochage, où la portance commence à décroître à cause du décollement des filets d'air au-dessus de l'aile (l'extrados).
Selon la loi de Newton et l'effet Coanda[modifier | modifier le code]
À gauche : graphique donnant l'évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'incidence. Le décrochage survient dans ce cas pour un angle d'incidence de 15° À droite: influence de l’angle d'incidence sur la portance. À gauche : graphique donnant l'évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'incidence. Le décrochage survient dans ce cas pour un angle d'incidence de 15° À droite: influence de l’angle d'incidence sur la portance.
À gauche : graphique donnant l'évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'incidence. Le décrochage survient dans ce cas pour un angle d'incidence de 15°
À droite: influence de l’angle d'incidence sur la portance.
La force de portance est générée en réaction à la masse d'air qui est défléchie vers le bas. Par réaction l'aile est tirée vers la haut, en vertu de la troisième loi de Newton3:
« Tout corps A (l'aile) exerçant une force sur un corps B (l'air) subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B ».
La masse d'air est défléchie vers le bas, en raison de :
la forme de l'aile : pour un profil dissymétrique, la forme bombée de l'aile sur sa face supérieure tend à dévier l'écoulement de l'air vers le bas, selon l'effet Coanda4. La viscosité de l'air « oblige » les filets d'air à rester plaqués sur la surface supérieure de l'aile.
l'angle d'incidence (positon de la surface de l'aile par rapport aux filets d'air). Plus l'angle d'incidence est élevé et plus la portance est forte, tant que l'incidence de décrochage n'est pas atteinte.
Selon le Théorème de Kutta[modifier | modifier le code]
Quand le vent relatif passe au-dessus et au-dessous de l'aile, l'air qui passe sur l'extrados va plus vite que l'air qui passe sur l'intrados, obéissant ainsi à la condition de Kutta. La pression à l'extrados est plus faible que celle à l'intrados. La dépression sur l'extrados et la pression sur l'intrados engendrent une force sur l'aile appelée portance.
L'équilibre du vol[modifier | modifier le code]
Forces auxquelles un avion est soumis.
Un avion subit trois types de forces :
la poussée du réacteur ou la traction de l'hélice entraînée par le moteur ;
le poids, effet de la gravité terrestre sur la masse de l'appareil ;
la résultante des forces aérodynamiques décomposée en portance et en traînée :
la portance, créée par le déplacement dans l'air d'une aile profilée,
la traînée, somme des résistances aérodynamiques est opposée au mouvement.
Ces forces sont représentées par quatre vecteurs :
la traction vers l'avant s'oppose à la traînée vers l'arrière ;
la portance vers le haut s'oppose au poids vers le bas.
Quand l'avion vole en palier à vitesse constante le poids est équilibré par la portance, la traînée est compensée par la traction.
À partir de cette position d'équilibre, toute modification de l'un des paramètres entraîne une modification de l'équilibre. Si le pilote réduit les gaz, la traction diminue, la traînée devient prépondérante et la vitesse diminue. Étant proportionnelle au carré de la vitesse, la portance diminue avec la vitesse : l'avion s'inscrit dans une trajectoire descendante, entraîné par son poids. En descendant, l'avion accélère à nouveau : la portance croît à nouveau, égale et dépasse le poids : l'avion remonte. En remontant, la vitesse diminue, et ainsi de suite… Lorsque les oscillations s'amortissent du fait de la stabilité en tangage, l'avion se stabilise en un nouveau point d'équilibre : soit en descente à la même vitesse, soit en palier à une vitesse plus faible suivant son attitude de vol.
Pilotage[modifier | modifier le code]
Article détaillé : Pilotage d'un avion.
Le pilotage dans le plan vertical (en tangage) consiste à intervenir sur la portance et la traction. Le pilotage dans le plan horizontal (en virage ou en dérapage) consiste à intervenir sur le roulis (inclinaison latérale) et sur le lacet (la direction).
Impact sur l'environnement[modifier | modifier le code]
L'avion a, comme d'autres moyens de transport motorisés, un impact sur l'environnement, notamment en contribuant au dérèglement climatique[réf. nécessaire]. C'est au décollage, quand les réacteurs fonctionnent à pleine puissance qu'il consomme et pollue le plus (CO2, NOx, Métaux lourds contenus dans le kérosène ou provenant de l'usure des tuyères, imbrûlés…). Les avions sont aussi une source de nuisance sonore très importante aux abords des aéroports et dans les zones d'entraînement d'avions militaires. Le bruit produit par les avions est à la fois désagréable et très puissant[non neutre], pouvant aller jusqu'au seuil de la douleur. Les populations les plus nombreuses à être impactées par les nuisances sonores des avions sont celles habitant dans l'axe de l'aéroport, notamment à Roissy ou Toulouse en France, à Bruxelles en Belgique. A Francfort en Allemagne, les riverains ont obtenu par voie judiciaire la suppression des vols de nuit en raison des nuisances occasionnées. La pénibilité des avions a conduit au financement d'isolation phonique des fenêtres qui sont inutiles en été, lorsque les fenêtres sont ouvertes[pertinence contestée]. Les aérosols et la vapeur d'eau émise par les tuyères contribuent aussi à la formation de nuages artificiels (traînées de condensation) qui modifient le système atmosphérique et climatique[réf. nécessaire], avec un effet de refroidissement à court terme, mais de réchauffement à long terme.
Émissions de CO2[modifier | modifier le code]
Pour l'aviation civile, les émissions de CO2 par passager et par vol sont supérieures à celle du transport ferroviaire (30 fois plus environ par passager). Même rempli, et sur de longues distances, un avion émet, en moyenne, plus de gaz à effet de serre par passager qu'une automobile. Par exemple, le long courrier Boeing 777 consomme environ 2,4 à 2,6 L/100 km par passager contre 1 à 1,6 L/100 km par passager pour une automobile avec cinq personnes à bord5[non neutre]. Un calculateur simplifié de CO2 est disponible sur le site de la DGAC6.
Les avions émettent aussi d'importantes quantités de NOx (oxydes d'azote, polluant et également contributeur au réchauffement climatique). Actuellement, ces NOx ne peuvent être traités par des pots catalytiques comme dans les cas des automobiles modernes.
Globalement, on évalue aujourd'hui à 3 % de la libération totale de gaz à effet de serre la part due à l'aviation[réf. souhaitée], mais c'est le secteur, qui avec la marine marchande augmente le plus rapidement. Dans l'Union européenne, des mesures sont prises pour stopper cette augmentation : le protocole de Kyoto sera mis en application à partir de 2012, par l'inclusion de l'aviation civile dans le Système d'échange de quotas d'émissions européen, qui a pour objectif de réduire les émissions de CO2 de 3 % en 2012, et de 5 % durant la période 2013-2020, comparées aux émissions moyennes constatées dans la période 2004-2006.
L’Association internationale du transport aérien (AITA)7 a estimé début 2009 qu’environ 100 aéroports européens permettront d'ici 2013 aux avions commerciaux d'effectuer leur descente en continu de leur altitude de croisière au sol, ce qui devrait économiser 450 kilos de CO2 par atterrissage (soit 500 000 t/an de CO2 rien que pour les grandes compagnies).
En termes d'écobilan[modifier | modifier le code]
La conception des avions fait appel à des matériaux dont la production est également — en amont — source d'impacts énergétiques écologiques et sanitaires. Et le traitement des avions en fin de vie pose encore problème, avec un nombre d'avions à démanteler de plus en plus élevé (environ 6 000, soit 300 avions/an à traiter, sans compter les épaves déjà stockées à proximité des aéroports dans le monde. Des avions ont été transformés en récifs artificiels, mais avec des controverses sur les impacts de ce type d'opération. Les avions contiennent des matériaux précieux et dont la fabrication a causé l'émission d’importantes quantités de gaz à effet de serre et de métaux lourds, mais les carlingues n'ont pas été conçues pour faciliter la récupération de ces matériaux en fin de vie.
En France, un programme « Pamela » piloté par Airbus (3,242 millions d'euros aidé par l'Europe), à Tarbes, expérimente des procédés de déconstruction et valorisation ou recyclage des matériaux8.
Typologie : les différents types d'avions[modifier | modifier le code]
Les deux grandes catégories sont les avions civils (commerciaux ou de tourisme) et les avions à usage militaire.
Avions civils
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