Avion
Pour les articles homonymes, voir Avion (homonymie).
Un avion[1] est un aérodyne (un aéronef plus lourd que l'air), entraîné par un propulseur[N 1]. Lorsque la portance est obtenue (à l'arrêt ou en mouvement) par des surfaces en rotation, l'appareil est alors dit à « voilure tournante » (hélicoptère, autogire, girodyne).
Un avion équipé d'un dispositif lui permettant de décoller et de se poser sur l'eau (amerrir) est un hydravion. D'autres accessoires permettent l'atterrissage et le décollage sur des surfaces enneigées comme des skis situés sous les roues de l'avion.
Celui ou celle qui le dirige est appelé pilote ou aviateur/aviatrice.
Histoire
Le mot « aviation » (du latin « avis », qui signifie « oiseau »[2], et du suffixe « atio ») 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 » [3] 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 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 un vol de trois cents mètres devant un comité militaire le 14 octobre 1897 à Satory[4]. 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 [5], on ne parle pas encore d'avions mais d'aéroplanes. En 1908, Ferber, dans une note de bas de page de son ouvrage L’aviation, ses débuts, son développement[6], écrit « Il n'y a pas de mot pour désigner l'aéroplane en particulier ; on pourrait prendre le nom créé par M. Ader ». En 1911, en hommage à Clément Ader, le Général Roques, créateur de l'aviation militaire, décide que tous les aéroplanes militaires s'appelleront 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
Configuration
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
Principe de la portance
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
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| 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 le haut, en vertu de la troisième loi de Newton[7]:
- « 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 Coanda[8]. La viscosité de l'air « oblige » les filets d'air à rester plaqués sur la surface supérieure de l'aile.
- l'angle d'incidence (position 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
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
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
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).
Propulsion
Il existe différents types de propulsions permettant aux avions d'atteindre et maintenir la vitesse nécessaire au vol, les plus répandus sont: le moteur à piston entraînant une hélice, le turbopropulseur et le turboréacteur.
Performance
Le domaine de vol d'un avion caractérise est l'espace en vitesse air, facteur de charge, altitude à l'intérieur duquel il peut fonctionner en sécurité.
Différents paramètres permettent de caractériser les performances d'un avion :
- La vitesse maximale en croisière caractérise la capacité d'un avion à rallier son objectif rapidement;
- La vitesse minimale, liée au décrochage, caractérise la capacité de l'avion à voler lentement lors des phases d'approche, lui permettant de minimiser sa distance d’atterrissage;
- Le facteur de charge maximal, lié à la résistance de la structure, caractérise la manœuvrabilité de l'avion, sa capacité à virer avec un faible rayon de virage ou à réaliser des figures de voltige;
- Le plafond représente l'altitude maximum de vol, influant sur la consommation de carburant en croisière ou la capacité à franchir un relief pour les avions légers;
- Le taux de montée caractérise la capacité d'un avion à rejoindre rapidement son altitude de croisière;
- Le taux de descente caractérise la capacité de l'avion à réaliser une approche à forte pente pour se conformer à la réglementation de certains aéroports visant à limiter les nuisances sonores ou les risques de collisions avec un relief;
- La consommation de carburant à l'altitude de croisière influant sur le coût d'exploitation de l'avion;
- La charge marchande, particulièrement importante pour les avions de ligne, représentante la masse de fret ou de passager que l'avion peut transporter;
- Le rayon d'action d'un avion est la distance franchissable entre le décollage et l’atterrissage. Cette distance dépend de la masse maximale autorisée, de la masse maximale de carburant pouvant être embarquée ainsi que la charge marchande emportée.
Impact sur l'environnement
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. 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[réf. nécessaire]. 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
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 bord[9][non neutre]. Un calculateur simplifié de CO2 est disponible sur le site de la DGAC[10].
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)[11] 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
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 matériaux[12].
Typologie : les différents types d'avions
Les deux grandes catégories sont les avions civils (commerciaux ou de tourisme) et les avions à usage militaire.
Avions civils
Les avions civils peuvent être classés comme ;
- avions de ligne classés selon leur rayon d'action : court-courrier, moyen-courrier, long-courrier[13]
- avions d'affaire ;
- avions légers ;
- ultra légers ;
- Avions modèles réduits :
Avions militaires
Les avions militaires sont généralement classés selon leur emploi :
- avion de chasse, ou chasseur, conçu pour l'interception et la destruction d'autres avions (Dassault Mirage III, Lockheed Martin F-22 Raptor),
- bombardier (tactique, stratégique ou nucléaire), dont la mission est de délivrer une ou plusieurs bombes (Boeing B-17 Flying Fortress, Boeing B-52 Stratofortress),
- avion d'interception, ou intercepteur, conçu pour abattre les bombardiers ennemis avant que ceux-ci n'atteignent le territoire national (F-106 Delta Dart, Mig-31 Foxhund),
- avion de transport, chargé de transporter du fret et, ou du personnel (parachutistes par ex.) (Airbus A400M, Lockheed C-130 Hercules, C-160 Transall),
- avion d'entraînement, avion conçu pour l'entraînement (Alpha Jet, Aero L-39 Albatros) des futurs pilotes militaires,
- avion de reconnaissance ou de surveillance (U2, Lockheed SR-71 Blackbird), qui doit ramener des informations (électronique, photo, etc.) ou les transmettre en temps réel (Système de détection et de commandement aéroporté (SDCA)),
- l'avion multirôle (Dassault Rafale), qui doit cumuler plusieurs de ces missions,
- le drone, avion sans pilote (RQ-1 Predator, Dassault nEUROn),
- etc.
Notes et références
Notes
- ↑ dans le cas d'un engin sans moteur, on parle de planeur, dont la portance aérodynamique est obtenue par des surfaces fixes
Références
- ↑ Définition selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI)
- ↑ Définitions lexicographiques et étymologiques de « avion » du Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
- ↑ Une légende tenace voudrait qu'avion soit l'acronyme d'« appareil volant imitant l'oiseau naturel ». Ce rétroacronyme n'a aucune légitimité et serait apparu vers la fin du XXe siècle. Certaines sources affirment, sans pour autant pouvoir le prouver, que le rétroacronyme aurait été composé par Ader lui-même pour s'amuser.
- ↑ Aérostèles http://www.aerosteles.net/fiche.php?code=versailles-ader300m&lang=en
- ↑ « Télégramme d'Orville Wright à Kitty Hawk, en Caroline du Nord, adressé à son père annonçant quatre vols réussis, 17 décembre 1903 », sur World Digital Library, (consulté le 21 juillet 2013)
- ↑ F. Ferber, L’aviation - ses débuts - son développement : de crête à crête, de ville à ville, de continent à continent, Berger-Levrault, , 250 p. (lire en ligne), p. 27
- ↑ (en) Newton's Third Law of Motion - NASA
- ↑ David Anderson, Fermi National Accelerator Laboratory, and Scott Eberhardt, formerly of the Department of Aeronautics and Astronautics, University of Washington, now at the Boeing Company ou .
- ↑ Estimation car ces chiffres varient avec le type de moteur, la taille du véhicule, la vitesse, etc.
- ↑ Calculateur d'émissions de CO2 de l'aviation, sur le site developpement-durable.gouv.fr
- ↑ Annonce faite lors du quatrième sommet « Aviation et environnement »
- ↑ [PDF] Le programme européen LIFE Environnement: Bilan de son application en France - Ministère de l’écologie et du développement durable, mai 2007, p. 83.
- ↑ Cette dénomination date de l'époque où les avions étaient principalement utilisés pour acheminer les lettres et colis postaux, l'Aéropostale.
Voir aussi
Bibliographie
- François Besse, 100 avions de légende, Éditions Solar, 2004
- Tom Aubain, Un avion en trop, Éditions Magnum, 1997
Articles connexes
- Aviateur
- Aviation
- Liste des avions civils
- Liste d'avions militaires
- Configuration générale d'un avion
- Construction amateur d'avion
Liens externes
- Schéma détaillé d'un avion de ligne
- Fédération française aéronautique
- (en) Flight International Actualité - Infos
- (en) Airliners • Photos d'avions
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