Voyage en avion - Flight

Vol inventé par l'homme : un Boeing 787 de Royal Jordanian Airlines

Vol ou le vol est le processus par lequel un objet se déplace à travers un espace sans contact avec une quelconque surface planétaire , soit au sein d' une atmosphère (c. -à vol d'avion ou aviation ) ou à travers le vide de l' espace ( à savoir les vols spatiaux ). Ceci peut être réalisé en générant une portance aérodynamique associée à une poussée glissante ou propulsive , de manière aérostatique en utilisant la flottabilité ou par un mouvement balistique .

Beaucoup de choses peuvent voler, des aviateurs animaux tels que les oiseaux , les chauves - souris et les insectes , aux planeurs/parachuteurs naturels tels que les animaux patagiaux , les graines anémochores et les balistospores , aux inventions humaines comme les avions ( avions , hélicoptères , dirigeables , ballons , etc.) et les fusées qui peuvent propulser des engins spatiaux et des avions spatiaux .

Les aspects techniques du vol sont du ressort de l'ingénierie aérospatiale qui se subdivise en aéronautique , l'étude des véhicules qui voyagent dans l'atmosphère, et l' astronautique , l'étude des véhicules qui voyagent dans l'espace, et la balistique , l'étude du vol des projectiles.

Types de vol

Vol flottant

Un dirigeable vole parce que la force ascendante, due au déplacement de l'air, est égale ou supérieure à la force de gravité

Les humains ont réussi à construire des véhicules plus légers que l'air qui s'élèvent du sol et volent, en raison de leur flottabilité dans l'air.

Un aérostat est un système qui reste en l' air principalement grâce à l'utilisation de la flottabilité pour donner à un aéronef la même densité globale que l'air. Les aérostats comprennent les ballons libres , les dirigeables et les ballons amarrés . Le principal composant structurel d'un aérostat est son enveloppe , une peau légère qui renferme un volume de gaz de levage pour assurer la flottabilité , à laquelle d'autres composants sont attachés.

Les aérostats sont ainsi nommés parce qu'ils utilisent une portance « aérostatique », une force de flottabilité qui ne nécessite pas de mouvement latéral à travers la masse d'air environnante pour effectuer une force de levage. En revanche, les aérodynes utilisent principalement la portance aérodynamique , qui nécessite le mouvement latéral d'au moins une partie de l' avion à travers la masse d'air environnante.

Vol aérodynamique

Vol non motorisé contre vol motorisé

Certaines choses qui volent ne génèrent pas de poussée propulsive dans l'air, par exemple, l' écureuil volant . C'est ce qu'on appelle le vol plané . Certaines autres choses peuvent exploiter l'air ascendant pour grimper, comme les rapaces (lors du vol plané) et les planeurs de planeurs artificiels . C'est ce qu'on appelle la montée en flèche . Cependant, la plupart des autres oiseaux et tous les aéronefs motorisés ont besoin d'une source de propulsion pour monter. C'est ce qu'on appelle le vol propulsé.

Vol d'animaux

Canard colvert femelle
Libellule émeraude Tau

Les seuls groupes d' êtres vivants qui utilisent le vol motorisé sont les oiseaux , les insectes et les chauves - souris , tandis que de nombreux groupes ont évolué en planant. Les ptérosaures éteints , un ordre de reptiles contemporain des dinosaures , étaient également des animaux volants très réussis. Chacune des ailes de ces groupes a évolué indépendamment , les insectes étant le premier groupe d'animaux à évoluer en vol. Les ailes des groupes de vertébrés volants sont toutes basées sur les membres antérieurs, mais diffèrent considérablement par leur structure ; ceux des insectes sont supposés être des versions fortement modifiées des structures qui forment des branchies dans la plupart des autres groupes d' arthropodes .

Les chauves - souris sont les seuls mammifères capables de maintenir un vol en palier (voir vol de chauve - souris ). Cependant, il existe plusieurs mammifères planeurs capables de glisser d'arbre en arbre en utilisant des membranes charnues entre leurs membres; certains peuvent ainsi parcourir des centaines de mètres avec très peu de dénivelé. Les grenouilles volantes utilisent des pieds palmés considérablement élargis dans un but similaire, et il existe des lézards volants qui déplient leurs côtes mobiles en une paire de surfaces de glisse plates. Les serpents "volants" utilisent également des côtes mobiles pour aplatir leur corps dans une forme aérodynamique, avec un mouvement de va-et-vient à peu près le même qu'ils utilisent sur le sol.

Les poissons volants peuvent planer à l'aide de nageoires en forme d'ailes agrandies et ont été observés planant sur des centaines de mètres. On pense que cette capacité a été choisie par la sélection naturelle car c'était un moyen efficace d'échapper aux prédateurs sous-marins. Le plus long vol enregistré d'un poisson volant était de 45 secondes.

La plupart des oiseaux volent ( voir vol des oiseaux ), à quelques exceptions près. Les plus grands oiseaux, l' autruche et l' émeu , sont des oiseaux terrestres incapables de voler , tout comme les dodos aujourd'hui éteints et les Phorusrhacidés , qui étaient les prédateurs dominants de l'Amérique du Sud à l' ère cénozoïque . Les manchots non volants ont des ailes adaptées pour être utilisées sous l'eau et utilisent les mêmes mouvements d'ailes pour nager que la plupart des autres oiseaux utilisent pour voler. La plupart des petits oiseaux incapables de voler sont originaires de petites îles et mènent un mode de vie où le vol offrirait peu d'avantages.

Parmi les animaux vivants qui volent, l' albatros hurleur a la plus grande envergure, jusqu'à 3,5 mètres (11 pieds) ; la grande outarde a le poids le plus élevé, atteignant 21 kilogrammes (46 livres).

La plupart des espèces d' insectes peuvent voler à l'âge adulte. Le vol des insectes utilise l'un des deux modèles aérodynamiques de base : la création d'un vortex de bord d'attaque, que l'on trouve chez la plupart des insectes, et l'utilisation de clap and fling , que l'on trouve chez de très petits insectes tels que les thrips .

Mécanique

Vol mécanique : Un hélicoptère Robinson R22 Beta

Le vol mécanique est l'utilisation d'une machine pour voler. Ces machines comprennent des aéronefs tels que des avions , des planeurs , des hélicoptères , des autogires , des dirigeables , des ballons , des ornithoptères ainsi que des engins spatiaux . Les planeurs sont capables de voler sans moteur. Une autre forme de vol mécanique est le parachute ascensionnel, où un objet semblable à un parachute est tiré par un bateau. Dans un avion, la portance est créée par les ailes ; la forme des ailes de l'avion est conçue spécialement pour le type de vol souhaité. Il existe différents types d'ailes : trempées, semi-trempées, en flèche, rectangulaires et elliptiques. Une aile d'avion est parfois appelée voilure , qui est un dispositif qui crée une portance lorsque l'air circule à travers elle.

Supersonique

Le vol supersonique est un vol plus rapide que la vitesse du son . Le vol supersonique est associé à la formation d' ondes de choc qui forment un bang sonique qui peut être entendu depuis le sol et qui est souvent surprenant. Cette onde de choc demande beaucoup d'énergie à créer, ce qui rend le vol supersonique généralement moins efficace que le vol subsonique à environ 85 % de la vitesse du son.

Hypersonique

Le vol hypersonique est un vol à très grande vitesse où la chaleur générée par la compression de l'air due au mouvement dans l'air provoque des changements chimiques dans l'air. Le vol hypersonique est réalisé en rentrant dans des engins spatiaux tels que la navette spatiale et Soyouz .

Balistique

Atmosphérique

Certaines choses génèrent peu ou pas de portance et se déplacent uniquement ou principalement sous l'action de l'élan, de la gravité, de la traînée de l'air et, dans certains cas, de la poussée. C'est ce qu'on appelle le vol balistique . Les exemples incluent les balles , les flèches , les balles , les feux d'artifice, etc.

Vol spatial

Essentiellement une forme extrême de vol balistique, le vol spatial est l'utilisation de la technologie spatiale pour réaliser le vol d' engins spatiaux dans et à travers l' espace extra-atmosphérique . Les exemples incluent les missiles balistiques , les vols spatiaux orbitaux , etc.

Les vols spatiaux sont utilisés dans l'exploration spatiale , ainsi que dans des activités commerciales comme le tourisme spatial et les télécommunications par satellite . Les autres utilisations non commerciales des vols spatiaux comprennent les observatoires spatiaux , les satellites de reconnaissance et d'autres satellites d'observation de la Terre .

Un vol spatial commence généralement par un lancement de fusée , qui fournit la poussée initiale pour surmonter la force de gravité et propulse le vaisseau spatial depuis la surface de la Terre. Une fois dans l'espace, le mouvement d'un engin spatial, à la fois non propulsé et propulsé, est couvert par le domaine d'étude appelé astrodynamique . Certains engins spatiaux restent indéfiniment dans l'espace, certains se désintègrent lors de la rentrée atmosphérique et d'autres atteignent une surface planétaire ou lunaire pour atterrir ou impacter.

Propulsion à semi-conducteurs

En 2018, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont réussi à faire voler un avion sans pièces mobiles, propulsé par un « vent ionique » également appelé poussée électroaérodynamique.

Histoire

De nombreuses cultures humaines ont construit des appareils qui volent, depuis les premiers projectiles tels que les pierres et les lances, le boomerang en Australie , la lanterne à air chaud Kongming et les cerfs - volants .

Aviation

George Cayley a étudié le vol scientifiquement dans la première moitié du 19e siècle, et dans la seconde moitié du 19e siècle, Otto Lilienthal a effectué plus de 200 vols en planeur et a également été l'un des premiers à comprendre le vol scientifiquement. Son travail a été reproduit et étendu par les frères Wright qui ont effectué des vols en planeur et enfin les premiers vols motorisés contrôlés et prolongés.

Vol spatial

Les vols spatiaux, en particulier les vols spatiaux habités, sont devenus une réalité au 20e siècle à la suite des percées théoriques et pratiques de Konstantin Tsiolkovsky et Robert H. Goddard . Le premier vol spatial orbital a eu lieu en 1957, et Youri Gagarine a été transporté à bord du premier vol spatial orbital habité en 1961.

La physique

Les dirigeables plus légers que l'air sont capables de voler sans apport d'énergie majeur

Il existe différentes approches du vol. Si un objet a une plus faible densité que l' air, alors il est porteur et est capable de flotter dans l'air sans dépenser de l' énergie. Un engin plus lourd que l'air , connu sous le nom d' aérodyne , comprend les animaux et les insectes volants, les aéronefs à voilure fixe et les giravions . Parce que l'engin est plus lourd que l'air, il doit générer de la portance pour surmonter son poids . La résistance au vent provoquée par l'engin se déplaçant dans l'air est appelée traînée et est surmontée par la poussée propulsive sauf dans le cas du vol plané .

Certains véhicules utilisent également la poussée pour le vol, par exemple les fusées et les Harrier Jump Jets .

Enfin, l' élan domine le vol des objets volants balistiques.

Les forces

Forces principales agissant sur un avion plus lourd que l'air

Les forces pertinentes pour le vol sont

Ces forces doivent être équilibrées pour qu'un vol stable se produise.

Poussée

Forces sur une section transversale de voilure

Un aéronef à voilure fixe génère une poussée vers l'avant lorsque l'air est poussé dans la direction opposée au vol. Cela peut être fait de plusieurs manières, y compris par les pales en rotation d'une hélice , ou un ventilateur rotatif poussant l'air à l'arrière d'un moteur à réaction , ou en éjectant des gaz chauds d'un moteur-fusée . La poussée vers l'avant est proportionnelle à la masse du courant d'air multipliée par la différence de vitesse du courant d'air. L'inversion de poussée peut être générée pour faciliter le freinage après l'atterrissage en inversant le pas des pales d'hélice à pas variable ou en utilisant un inverseur de poussée sur un moteur à réaction. Les aéronefs à voilure tournante et les aéronefs V/STOL à vecteur de poussée utilisent la poussée du moteur pour supporter le poids de l'aéronef, et la somme vectorielle de cette poussée avant et arrière pour contrôler la vitesse d'avancement.

Ascenseur

La portance est définie comme la composante de la force aérodynamique qui est perpendiculaire à la direction de l'écoulement, et la traînée est la composante qui est parallèle à la direction de l'écoulement

Dans le cadre d'un écoulement d'air par rapport à un corps volant, la force de portance est la composante de la force aérodynamique qui est perpendiculaire à la direction de l'écoulement. La portance aérodynamique se produit lorsque l'aile provoque la déviation de l'air environnant - l'air provoque alors une force sur l'aile dans la direction opposée, conformément à la troisième loi du mouvement de Newton .

Ascenseur est souvent associée à l' aile d'un avion , bien que la portance est également généré par les rotors sur giravion (qui sont en rotation efficacement ailes, remplissant la même fonction sans exiger que le mouvement de l' aéronef vers l' avant par l'air). Alors que les significations courantes du mot « portance » suggèrent que la portance s'oppose à la gravité, la portance aérodynamique peut se faire dans n'importe quelle direction. Lorsqu'un avion est en croisière, par exemple, la portance s'oppose à la gravité, mais la portance se produit sous un angle lors de la montée, de la descente ou de l'inclinaison. Sur les voitures à grande vitesse, la force de levage est dirigée vers le bas (appelée « force descendante ») pour maintenir la voiture stable sur la route.

Glisser

Pour un objet solide se déplaçant dans un fluide, la traînée est la composante de la force aérodynamique ou hydrodynamique nette agissant à l'opposé de la direction du mouvement. Par conséquent, la traînée s'oppose au mouvement de l'objet, et dans un véhicule à moteur, elle doit être surmontée par la poussée . Le processus qui crée la portance provoque également une certaine traînée.

Rapport portance/traînée

Relations de vitesse et de traînée pour un avion typique

La portance aérodynamique est créée par le mouvement d'un objet aérodynamique (aile) dans l'air, qui, en raison de sa forme et de son angle, dévie l'air. Pour un vol soutenu en ligne droite et en palier, la portance doit être égale et opposée au poids. En général, les ailes longues et étroites sont capables de dévier une grande quantité d'air à faible vitesse, tandis que les ailes plus petites ont besoin d'une vitesse d'avancement plus élevée pour dévier une quantité d'air équivalente et ainsi générer une quantité équivalente de portance. Les gros avions cargo ont tendance à utiliser des ailes plus longues avec des angles d'attaque plus élevés, tandis que les avions supersoniques ont tendance à avoir des ailes courtes et dépendent fortement d'une vitesse d'avancement élevée pour générer de la portance.

Cependant, ce processus de portance (déviation) provoque inévitablement une force de retard appelée traînée. Étant donné que la portance et la traînée sont toutes deux des forces aérodynamiques, le rapport de la portance à la traînée est une indication de l'efficacité aérodynamique de l'avion. Le rapport de portance à traînée est le rapport L/D, prononcé "rapport L sur D". Un avion a un rapport L/D élevé s'il produit une grande portance ou une faible traînée. Le rapport portance/traînée est déterminé en divisant le coefficient de portance par le coefficient de traînée CL/CD.

Le coefficient de portance Cl est égal à la portance L divisée par la (densité r fois la moitié de la vitesse V au carré fois la surface de l'aile A). [Cl = L / (A * .5 * r * V^2)] Le coefficient de portance est également affecté par la compressibilité de l'air, qui est beaucoup plus grande à des vitesses plus élevées, donc la vitesse V n'est pas une fonction linéaire. La compressibilité est également affectée par la forme des surfaces de l'avion.

Le coefficient de traînée Cd est égal à la traînée D divisée par la (densité r multipliée par la moitié de la vitesse V multipliée par la surface de référence A). [Cd = D / (A * .5 * r * V^2)]

Les rapports portance/traînée pour les avions pratiques varient d'environ 4:1 pour les véhicules et les oiseaux aux ailes relativement courtes, jusqu'à 60:1 ou plus pour les véhicules aux ailes très longues, comme les planeurs. Un plus grand angle d'attaque par rapport au mouvement vers l'avant augmente également l'étendue de la déviation et génère ainsi une portance supplémentaire. Cependant, un angle d'attaque plus important génère également une traînée supplémentaire.

Le rapport portance/traînée détermine également la finesse et la plage de glisse. Étant donné que la finesse est basée uniquement sur la relation des forces aérodynamiques agissant sur l'avion, le poids de l'avion ne l'affectera pas. Le seul effet du poids est de faire varier le temps pendant lequel l'avion planera - un avion plus lourd planant à une vitesse plus élevée arrivera au même point de toucher des roues en un temps plus court.

Flottabilité

La pression de l'air agissant contre un objet dans l'air est supérieure à la pression au-dessus de la poussée vers le bas. La flottabilité, dans les deux cas, est égale au poids du fluide déplacé - le principe d'Archimède vaut pour l'air comme pour l'eau.

Un mètre cube d'air à la pression atmosphérique ordinaire et à la température ambiante a une masse d'environ 1,2 kilogramme, son poids est donc d'environ 12 newtons . Par conséquent, tout objet de 1 mètre cube dans l'air est soutenu par une force de 12 newtons. Si la masse de l'objet de 1 mètre cube est supérieure à 1,2 kilogramme (de sorte que son poids est supérieur à 12 newtons), il tombe au sol lorsqu'il est relâché. Si un objet de cette taille a une masse inférieure à 1,2 kilogramme, il s'élève dans les airs. Tout objet dont la masse est inférieure à la masse d'un volume d'air égal s'élèvera dans l'air - en d'autres termes, tout objet moins dense que l'air s'élèvera.

Rapport poussée/poids

Le rapport poussée/poids est, comme son nom l'indique, le rapport de la poussée instantanée au poids (où poids signifie poids à l' accélération standard de la Terre ). C'est un paramètre sans dimension caractéristique des fusées et autres moteurs à réaction et des véhicules propulsés par de tels moteurs (typiquement des lanceurs spatiaux et des avions à réaction ).

Si le rapport poussée/poids est supérieur à la force de gravité locale (exprimée en g s), alors le vol peut se produire sans qu'aucun mouvement vers l'avant ou qu'aucune portance aérodynamique ne soient nécessaires.

Si le rapport poussée/poids multiplié par le rapport portance/traînée est supérieur à la gravité locale, alors le décollage en utilisant la portance aérodynamique est possible.

Dynamique de vol

L'inclinaison vers le haut des ailes et de l'empennage d'un avion, comme on le voit sur ce Boeing 737 , est appelée angle dièdre

La dynamique du vol est la science de l' orientation et du contrôle des véhicules aériens et spatiaux en trois dimensions. Les trois paramètres critiques de la dynamique de vol sont les angles de rotation en trois dimensions autour du centre de masse du véhicule , appelés tangage , roulis et lacet (voir les rotations de Tait-Bryan pour une explication).

Le contrôle de ces dimensions peut impliquer un stabilisateur horizontal (c'est-à-dire "une queue"), des ailerons et d'autres dispositifs aérodynamiques mobiles qui contrôlent la stabilité angulaire c'est-à-dire l'assiette de vol (qui à son tour affecte l' altitude , le cap ). Les ailes sont souvent légèrement inclinées vers le haut - elles ont un " angle dièdre positif " qui donne une stabilisation inhérente au roulis.

Efficacité énergétique

Créer de la poussée pour pouvoir prendre de la hauteur, et pousser dans l'air pour vaincre la traînée associée à la portance, tout cela demande de l'énergie. Différents objets et créatures capables de voler varient dans l'efficacité de leurs muscles, moteurs et dans quelle mesure cela se traduit par une poussée vers l'avant.

L'efficacité de propulsion détermine la quantité d'énergie que les véhicules génèrent à partir d'une unité de carburant.

Varier

La portée que les articles de vol motorisés peuvent atteindre est finalement limitée par leur traînée, ainsi que par la quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker à bord et par l'efficacité avec laquelle ils peuvent transformer cette énergie en propulsion.

Pour les avions propulsés, l'énergie utile est déterminée par leur fraction de carburant - quel pourcentage de la masse au décollage est du carburant, ainsi que l' énergie spécifique du carburant utilisé.

Rapport poids/puissance

Tous les animaux et appareils capables de voler de manière soutenue ont besoin de rapports puissance/poids relativement élevés pour pouvoir générer suffisamment de portance et/ou de poussée pour réaliser le décollage.

Le décollage et l'atterrissage

Les véhicules qui peuvent voler peuvent avoir différentes façons de décoller et d'atterrir . Les avions conventionnels accélèrent le long du sol jusqu'à ce qu'une portance suffisante soit générée pour le décollage et inversent le processus d' atterrissage . Certains avions peuvent décoller à basse vitesse ; c'est ce qu'on appelle un décollage court. Certains aéronefs tels que les hélicoptères et les jets de saut Harrier peuvent décoller et atterrir verticalement. Les fusées décollent et atterrissent généralement verticalement, mais certains modèles peuvent atterrir horizontalement.

Guidage, navigation et contrôle

La navigation

La navigation est le système nécessaire pour calculer la position actuelle (par exemple boussole , GPS , LORAN , star tracker , unité de mesure inertielle et altimètre ).

Dans les aéronefs, une navigation aérienne réussie consiste à piloter un aéronef d'un endroit à l'autre sans se perdre, enfreindre les lois applicables aux aéronefs ou mettre en danger la sécurité des personnes à bord ou au sol .

Les techniques utilisées pour la navigation dans les airs dépendront du fait que l'avion vole selon les règles de vol à vue (VFR) ou les règles de vol aux instruments (IFR). Dans ce dernier cas, le pilote naviguera exclusivement à l'aide d' instruments et d' aides à la radionavigation telles que des balises, ou selon les directives sous contrôle radar du contrôle aérien . Dans le cas du VFR, un pilote naviguera en grande partie à l' estime combinée à des observations visuelles (appelées pilotage ), en se référant aux cartes appropriées. Ceci peut être complété par des aides à la navigation radio.

Conseils

Un système de guidage est un appareil ou un groupe d'appareils utilisé dans la navigation d'un navire , d'un avion , d'un missile , d'une fusée , d'un satellite ou de tout autre objet en mouvement. Typiquement, le guidage est responsable du calcul du vecteur (c'est-à-dire la direction, la vitesse) vers un objectif.

Contrôler

Un système de commandes de vol d'avion à voilure fixe classique se compose de surfaces de contrôle de vol , des commandes de cockpit respectives, des liaisons de connexion et des mécanismes de fonctionnement nécessaires pour contrôler la direction d'un avion en vol. Les commandes des moteurs d'avion sont également considérées comme des commandes de vol lorsqu'elles changent de vitesse.

Trafic

Dans le cas des aéronefs, le trafic aérien est contrôlé par des systèmes de contrôle du trafic aérien .

L'évitement des collisions est le processus de contrôle des engins spatiaux pour essayer d'éviter les collisions.

Sécurité des vols

La sécurité aérienne est un terme englobant la théorie, l'enquête et la catégorisation des pannes de vol , et la prévention de telles pannes par la réglementation, l'éducation et la formation. Elle peut également être appliquée dans le cadre de campagnes d'information du public sur la sécurité du transport aérien .

Voir également

Les références

Remarques
Bibliographie

Liens externes

Guide de voyage en avion de Wikivoyage