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Construire son avion

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Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:01

Construire son avion soit même!


Cette page est destinée aux débutants, elle leur donne les principales étapes, quelques conseils, et des liens utiles, pour construire leur avion facilement, et à peu de frais.
Dans ces pages vous apprendrez à construire vous-même votre avion personnel pendant votre temps libre, assez facilement et à peu de frais. Vous trouverez aussi un petit mémento de pilotage et quelques fiches pratiques.



Ces pages s'inspirent de diverses sources (voir la bibliographie), et en particulier elles ont été compilées à partir de deux ouvrages que je vous recommande : la bible de la construction amateur, le "bouquin qui rend fou", autrement dit "LE SPORT DE L'AIR" de HENRI MIGNET (peut-être encore disponible chez MIGNET AVIATION 14, Rue Henri MIGNET, 17600 SAINT ROMAIN DE BENET). Ces lignes ont aussi largement puisé dans l'excellent ouvrage "Calcul et construction des avions légers" de R.G. Desgranschamps (Ing. Civil Aéronautique) ; ce livre, très pratique et concret, est une référence en ce qui concerne les techniques de construction des petits avions de tourisme (publié chez Louis Vivien en 1933 - photocopies toujours disponibles au siège du RSA). Tous nos remerciements à la mémoire de ces génies des premières heures de l'aviation, aujourd'hui disparus.


Calcul et Construction d'un Avion de Tourisme


Chapitre 1 - Les bases pour construire votre petit avion

1 Quel avion construire 

1.1 Les motivations du constructeur 
1.2 Programme et usage 
1.3 Le budget temps et dépenses 
1.4 Réglementation 
1.5 Les Qualités requises 
... Construction simple, Pilotage facile, Grand Rayon d'action 
1.6 Réussir les essais en vol 

2 Généralités de Mécanique 

2.1 Définitions 
2.2 Unités 
2.3 Notion de force 
... Poids, Force centrifuge, Contrainte ou tension 
2.4 Travail 
2.5 Puissance 
2.6 Energie cinétique 

3 Généralités d'Aérodynamique 

3.1 Propriétés de l’air (Aérostatique) 
3.2 Les forces en équilibre 
3.3 Coefficient de Portance Cz 
3.4 Coefficient de Traînée Cx 
3.5 Coefficient de Tangage Cm 
3.6 Coefficient de Roulis CmR 
3.7 Résultante aérodynamique 

4 Forme de l'aile 

4.1 Allongement 
4.2 Profil d'aile - Polaire 
... Polaire de profil, Polaire d'avion, Polaire logarithmique, Polaire logarithmique réduite 
4.3 Nombre de Reynolds Nr 
4.4 Finesse X ou Cx 
4.5 Coefficient Aéronautique C.A. 
4.6 Hypersustentation 
... Décrochage (stall), Hypersustentation, Surface alaire, Cambrure et performances, Volets hypersustentateurs, Becs de bord d'attaque, Perte de vitesse et chute en vrille 

5 Traînées 

5.1 Traînée induite par la portance 
... Tourbillon marginal, Dispositifs pour le minimiser 
5.2 Traînées de pression 
... Sillage, Décollement turbulent, Traînée de culot et recirculation, Minimiser la traînée de pression 
5.3 Traînées de frottement 
... Couche limite, Gradient de vitesse, Relation vitesse-pression, Transition laminaire - turbulent, Bulle laminaire, Minimiser la traînée de frottement 
5.4 Traînées d’onde 

6 Résistance et propriétés des matériaux aéronautiques 

Introduction 
6.1 Déformation élastique 
6.2 Déformation permanente 
6.3 Rupture 
6.4 Résonance mécanique 
6.5 Forces en présence (ou efforts) 
6.6 Les bois en aéronautique 
6.7 Les aciers en aéronautique 
6.8 Les alliages légers type duralumin en aéronautique 
6.9 Les alliages ultra-légers en aéronautique 
6.10 Les autres métaux utilisés en aéronautique 
6.11 Les toiles et fils en aéronautique 
6.12 Les enduits, vernis et peintures aéronautiques 
6.13 Les colles et le caoutchouc en aéronautique 
6.14 Normes utilisables


Dernière édition par enrimores le Mar 29 Juil - 17:31, édité 1 fois
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:07

Chapitre 2 - Les étapes de la construction

7 Etude préalable et plans 

7.1 Les paramètres Poids, Surface alaire et Puissance 
... Données, Choix des paramètres, Exemple selon Henri Mignet 
7.2 Projet et plans 
... Les choix possibles, Dessin de l'appareil 
7.3 Fuselage (ou cellule) 
7.4 Voilure 
... Les ailes (disposition, forme, surface), Ailerons, Empennage, Dérive 
7.6 Paramètres jouant sur la stabilité 
... Position moteur et hélice, profil d'aile, flèche, vrillage, plan canard 

8 Calcul et construction des ailes 

8.1 Choix et tracé du profil d’aile 
... Catalogue NACA, Exemples de profils, Cambrage, Profils et volets à fente 
8.2 Calcul et construction d'un Longeron 
... Calcul des contraintes, Construction d'un Longeron 
8.3 Calcul et construction des nervures 
... Calcul des contraintes, Construction des nervures 

9 Calcul et construction de la cellule (sans les ailes) 

9.1 Le fuselage 
... Calcul des contraintes, Construction 
9.2 Le bâti moteur 
... Calcul des contraintes, Fabrication 
9.3 Le capot moteur 
9.4 La verrière 

10 Calcul et fabrication du train d’atterrissage 

10.1 Conception du train d’atterrissage 
10.2 Dimensions du train d’atterrissage 
10.3 Position du train et Centre de Gravité 
10.4 Résistance et fabrication du train d’atterrissage 
... Calcul des contraintes, Fabrication du train d’atterrissage 

11 Calcul et construction des gouvernes 

11.1 L’empennage 
... Calcul des contraintes, Construction de l'empennage 
11.2 La dérive 
... Calcul des contraintes, Construction de la dérive 
11.3 Les ailerons 
... Calcul des contraintes, Construction des ailerons 
11.4 Les volets 
... Calcul des contraintes, Construction des volets 
11.5 Commandes de vol 
... Bielles de commandes de vol, Commandes de tab 

12 Moteur et carburants 

12.1 Taux de compression 
12.2 Auto-allumage 
12.3 Détonation 
12.4 Antidétonance 
12.5 Indice d'octane: coefficient d'antidétonance 
12.6 Essence auto 
12.7 Bougies 
12.8 Gicleurs 
12.9 Choisir un moteur 
... Moteurs Rotax, Limbach VW, Briggs & Stratton, diesel Isuzu 

13 Calcul et fabrication d’une hélice 

13.1 Principe et conception d’une hélice 
13.2 Garde d’hélice 
13.3 Trajectoire ou développement 
13.4 Le pas 
... Angle d’attaque résultant, Pas variable 
13.5 Profil d’une pale 
13.6 Nombre de pales 
13.7 Casserole 
13.8 Effets pervers de la rotation 
... Couple de réaction, Souffle hélicoïdal, Dissymétrie d’incidence, Effet gyroscopique 
13.9 Equilibrage d’une hélice 
... Equilibrage statique, Voile, Equilibrage aérodynamique, Défaut de conicité ou tracking 
13.10 Axe de traction / propulsion de l’hélice 
13.11 Abaques et calcul d’hélices 
... Vitesse maxi, Nombre de tours, Rendement maximum, Calcul du diamètre, Exemples, Abaques d’hélices 
13.12 Fabrication d'une hélice 
... Exemple : l'hélice Pou du Ciel de Henri Mignet 

14 Performances 

14.1 Estimation des performances 
... Point O caractéristique avion, Vitesse maximum au sol, Plafond théorique, Plafond pratique, Vitesse mini. de sustentation, Vitesse d'atterrissage 
14.2 Le C.A. et les performances 
... Le poids, Surface alaire et puissance, Rôle du Cx 
14.3 Estimation des Traînées parasites 
14.4 Calcul final des performances 
... Rendement de l’hélice, Diamètre optimum de l’hélice, Nombre de Reynolds, 
Qualités d’envol (Montée à 360m en 3 minutes, Décollage, Roulement à l’atterrissage, Vol plané) 
14.5 Essais de maquette 
... Polaire d’avion, Stabilité longitudinale (tangage), Stabilité de route (axe de lacet), Stabilité au roulis 
14.6 Les contrôles et essais en vol 
... Décollage, Atterrissage, Vol Plané 

Bibliographie 

• Aérodynamique et profils d'ailes 
• Calculs d'avions légers 
• Conception et construction d'avions légers 
• Hélices 
• Pilotage 
• Réglementation 
• Travail du métal 
• Adresses Utiles
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:09

Annexe 1 - Des prototypes remarquables

La Flèche Volante Aël 5 du Dr A. Lepelletier 

A1a.1 Description 
... Voilures, Groupe moteur, Train d’atterrissage, Dérive, Caractéristiques, proportions 
A1a.2 Principe de fonctionnement 
... Décollage, Montée, Vol linéaire, Descente, Atterrissage, Perte de vitesse, Centrage, Chargement

L'aile volante canard 00 de Paolo & Milo 

A1b.1 Description 
A1b.2 Principe de fonctionnement

La maquette de mon HM 154 - ou 
le HM 14 "Pou du Ciel" d'Henri Mignet remis au goût du jour
 

A1c.1 Description du HM 14 
A1c.2 Caractéristiques et améliorations possibles du HM 14 
A1c.3 Construction de la maquette du HM 154 pour essais


Annexe 2 - Mémento de pilotage

1 - Règlementation aérienne 

1.1 Responsabilités du commandant de bord 
1.2 Documents obligatoires 
1.3 Formalités 
1.4 Circulation aérienne 
1.5 Priorités, niveaux de vol (FL) 
1.6 Espace aérien: vertical / horizontal 
1.7 Règles de survol 
1.8 Infractions, incidents 
1.9 Service d'alerte, sécurité 

2 - Météorologie 

2.1 Pression, altitude 
2.2 Températures 
2.3 Masses d'air, humidité, convection
2.4 Nuages stables / instables, fronts 
2.5 Information météo : METAR, TAF, TEMSI, vents et températures 
2.6 Dossier de vol 
2.7 Brouillard, stratus, orages (Cb) 
2.8 Météorologie de montagne 
2.9 Météorologie côtière 

3 - Description de l'avion 

3.1 Carlingue, poste de pilotage 
3.2 Bases de mécanique avion 
3.3 Un peu d'aérodynamique 
3.4 Le manuel de vol 

4 - L'aérodrome 

4.1 La piste 
4.2 Les signaux 
4.3 Les cartes V.A.C. 

5 - Préparation du vol 

5.1 Distance d'atterrissage / décollage
5.2 Visite pré-vol 
5.3 Mise en route 
5.4 Radio 
5.5 Roulage 
5.6 Point fixe 

6 - Décollage 

6.1 Phases du Décollage 

6.2 Check-list de départ 
6.3 Passage alti. QFE à QNH. 

7 - Arrivée sur les terrains 
7.1 Arrivée sur les terrains contrôlés 
7.2 Arrivée sur les terrains non contrôlés 
7.3 Préparation de la machine pour l'atterrissage 
7.4 Pente et axe d'approche 
7.5 Marques d'atterrissage, seuil de piste 
7.6 Arrondi et trajectoire 
7.7 Roulage, clôture et arrêt moteur 

8 - Pilotage de base 
8.1 Trajectoire et vitesse 
8.2 Virage et facteur de charge 
8.3 Effets moteur 
8.4 Vent de travers 
8.5 Situations délicates 
8.6 Exercices de précision 

9 - Navigation 


9.1 La Carte : Route, Distances et Temps 
9.2 Cheminement : estime et repères 
9.3 Radionavigation, Le VOR, Le Radiocompas, Le Gonio, Les Aides à l'atterrissage, Le Radar, Le Transpondeur, Le Pilote automatique 

10 - Préparation d'un voyage 

10.1 Plan de vol 
10.2 Préparation du vol à long terme 
10.3 Perdu en vol 
10.4 Vol en montagne 

11 - Procédures d'urgence 

11.1 Interruption du vol : volontaire, forcé 
11.2 Incidents techniques : incidents mineurs et sans conséquences pour le vol, pannes impliquant un atterrissage de sécurité, pannes impliquant un atterrissage immédiat
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:12

Annexe 3 - Aides et fiches pilotage

Fiches et annexes pilotage 

1 Fiche de départ 
2 Log de nav. 
3 Index des sigles 
4 Atmosphère standard 
5 Medecins agréés, contacts
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:17

Calcul et construction d'un avion
Chapitre 1 - Les bases pour construire un avion


1 Quel avion construire


1.1 Les motivations du constructeur

1.2 Programme et usage

1.3 Le budget temps et dépenses

1.4 Réglementation

1.5 Les Qualités requises

... Construction simple, Pilotage facile, Grand Rayon d'action
1.6 Réussir les essais en vol


1.1 Les motivations du constructeur

L'amateur peut placer toute sa fierté personnelle dans la conception et la réalisation d'un avion de tourisme de son propre cerveau et de ses propres mains. On comprend bien tout l'enthousiasme que peut susciter la création complète d'un petit avion sûr, simple et moderne depuis les calculs, l'établissement des plans, en passant par la construction, son achèvement total et jusqu'aux premiers essais en vol. 

Qualités personnelles requises : Une telle entreprise nécessite mûre réflexion à chaque étape, de la patience, de la persévérance et un soin poussé à l’extrême dont dépend la qualité et la sécurité de la réalisation : de chaque collage, de chaque stratification, de l'implantation d'une ferrure, du sens d'utilisation du fil d'un bois ou du choix d'un matériau dépend votre vie ainsi que celle de vos passagers. En quelques mots, il faut être audacieux mais froussard, raisonnable, patient et tenace. Comme disait Ferber en 1890 de l’apprentissage, « inventer est peu, construire est beaucoup, pratiquer est tout. » 

Mais l'économie réalisée peut être un facteur déterminant. Le prix d'achat normal d'un avion est si élevé que généralement, le fait de posséder sa propre machine demeure un rêve inaccessible qui risque de tourner à l'obsession. Mais si l'on économise les dépenses d'étude, de main d'œuvre et une partie des frais généraux, son prix de revient devient alors tout à fait accessible et comparable par exemple à celui d'une belle voiture ou d'un 4x4 (de l’ordre de 50 à 70 € le kg) ; en principe huit fois moins qu’un avion classique. Enfin la construction amateur permet d'étaler les dépenses dans le temps en achetant juste ce qu'il faut au moment voulu, sans trop empiéter sur le budget familial. 

Le temps passé est un facteur déterminant. De l’ordre de 1 à 2 heures par kg (1 heure 30 par kg en moyenne) sans compter l’étude préalable et la conception s’il s’agit d’un prototype, tout ceci venant en déduction du temps consacré à la vie familiale. On imagine bien les problèmes et les conséquences potentielles qu’un tel projet pourrait donc engendrer.

1.2 Programme et usage

L'avion de tourisme que nous nous proposons de créer ensemble est destiné à la promenade (usage personnel exclusif) avec aussi peu de limitations que possible. 

Le présent site a donc pour but de guider l'amateur dans la création d'une machine sûre pour les tiers et pour ses occupants, c'est à dire capable d'affronter avec succès les essais officiels mais aussi de résister à toutes les manœuvres et épreuves normales habituellement subies par un avion. 

Ceci n'impose nullement de respecter à la lettre le règlement officiel de calculs de résistance, et par exemple de suivre à la lettre l'ancienne norme française 2004-B : pour un avion privé, son application n'est pas exigée par le service technique de l'aéronautique mais peut s'avérer utile (de plus elle est en système métrique). Pour letrain on peut se baser sur la norme américaine FAR 23 bien qu'ici aussi aucun essai de rupture de l'atterrisseur ne soit exigé.

1.3 Le budget temps et dépenses

Pour un avion de 300 kg sans instruments 
de type Startrap 
Temps passé : de 4500 heures environ pour un bricoleur moyen persévérant. 
Le prix: 
- Contre plaqué bouleau (et okoumé) 4136 € 
- Madriers de pin d'Orégon 498 € 
- Colle Araldite AH 106: 1250 € 
- Lame de train toute faite 678 € 
- Soudure et usinage sous-traités 997 € 
- Fournitures et divers : 4500 € 
comprenant, tubes alu, acier, cuivre, boulonnerie, rotules toile, enduit, résine et tissu de verre, durites, vannes, commandes Jacottet, roues, pneus et chambres, enduit PR pour réservoirs, accus, macrolon, fournitures électriques, plaques caoutchouc, visites "Véritas", lettres autocollantes, tréteaux et table en aggloméré. 
- L'Hélice : 45 € moyeu compris (usinage sous-traité). 
- Le Moteur : 7650 € ou plus 
- Les instruments : ??? 
Soit au total 19750 € sans instruments, ou 66 € TTC par kg 


Pour un avion de 100 kg sans instruments 
type pou du ciel 
Temps passé : 30 jours de 8 heures, soit 240 heures. 
Le prix serait: 
- 2 roues : 280 € 
- 25 m2 de toile : 200 € 
- 20 l de vernis : 140 € 
- lattes et baguettes : 200 € 
- contreplaqué : 150 € 
- quincaillerie : 300 € 
- madrier d’hélice : 30 € 
- le moteur : 3000 à 4000 € ou plus 
- les instruments : ??? 
Soit au total 5300 € sans instruments, ou 53 € TTC par kg

1.4 Réglementation

Pour voler en France, un avion d’amateur doit être titulaire du CNRA, le Certificat de Navigabilité Restreinte des Aéronefs. Depuis le 13 octobre 2010, par habilitation de la DGAC, c'est l'OSAC SAS, Organisme pour la Sécurité de l’Aviation Civile, qui délivre ce certificat (voir note ci-dessous). Les conditions pour obtenir le CNRA restent définies par l’arrêté du 23 Octobre 1962. 

La mise au point d’un avion amateur est donc soumise au contrôle de l'OSAC qui vérifie la qualité de la construction et les performances de la machine avant de délivrer le CNRA. Ces contrôles comportent une visite de l'OSAC pendant la construction et des essais en vol sous son contrôle. Les ULM de construction amateur sont toutefois dispensés de la visite de l'OSAC. 

Au cours de sa vie, l’avion d’amateur subira des visites de l'OSAC tous les 6 ou 12 mois pour renouveler son CNRA. 

Les modifications ultérieures doivent aussi être soumises à l’accord de l'OSAC : en particulier celles qui peuvent affecter les performances de l’aéronef, ses qualités aérodynamiques, son centrage et sa structure. Autrement la validité du CNRA serait suspendue (et l’aéronef ne serait plus assuré) 

(note : Par arrêté du 7 juin 2010, la DGAC a habilité l'APAVE pour le contrôle technique de la sécurité de l'aviation civile. Dans le but de remplir cette mission, l'APAVE a donc créé l'OSAC SAS, filiale de l'APAVE, une société habilitée par l'arrêté du 27 septembre 2010, qui couvre les services techniques de l’aviation civile. Depuis le 13 octobre 2010, l'OSAC remplace donc le GSAC qui dépendait directement de la DGAC, et plus anciennement encore le bureau Veritas.) 

CNRA – Certificat de Navigabilité Restreinte des Aéronefs 
DGAC – Direction Générale de l'Aviation Civile 
APAVE – Association des Propriétaires d'Appareils à Vapeur et Électriques (spécialisée dans la maitrise des risques techniques et environnementaux) 
OSAC – Organisme pour la Sécurité de l’Aviation Civile (filiale de l'APAVE) 
GSAC – Groupement pour la Sécurité de l’Aviation Civile (filiale de la DGAC) 

RSA – Réglementation : 
Christian RAVEL, Musée régional de l’air – Aérodrome d’Angers 49140 Marcé. E-mail : [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] 

OSAC SAS – 14, boulevard des frères Voisin 92130 Issy-les-Moulineaux tél. 01 41 46 10 50 (retrouvez tous les contacts de l'OSAC sur le site du Réseau du Sport de l'Air)



1.5 Les Qualités requises


1.5.1 Construction simple 

Ceci implique une construction bois et toile collée à l'Araldite. Seuls le Capot moteur et les raccordements d'empennage seront en résine et fibre de verre. Pour laVerrière, trois plaques de Macrolon coûteront 1/20e du prix d'une verrière moulée à double courbure. Le moteur qui représente à peu près la moitié du coût total peut être acheté neuf (à crédit) ou d'occasion et refait. 

1.5.2 Pilotage facile 

On entend par-là une "stabilité automatique", y compris aux grands angles, qui s'obtient en respectant certains impératifs aérodynamiques : un peu de dièdre aux ailes, un empennage et une dérive assez grands et une plage de centrage confortable. 

1.5.3 Grand Rayon d'action 

Le rayon d'action impose un faible poids de la machine. C'est un facteur d'économie qui constitue aussi une marge de sécurité. 

Par exemple 263 kg de carburant, (360 litres) donnent une autonomie de 3000Km soit avec un moteur de 100 cv, 15 heures de vol à 200 km/h en croisière avec une marge de sécurité d'une heure. (Consommation de l'ordre de 21 à 22 l/h à 65 ou 70% de la puissance maximale) 

Pour respecter la réglementation CNRA (masse totale admissible de 800 kg au décollage et une charge alaire de 80 kg par m2), il reste donc 537kg pour le poids de la cellule, des ailes et du pilote avec ses bagages.
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:22

1.6 Réussir les essais en vol

Pour obtenir le CNRA les services techniques de l'aéronautique exigent d'effectuer 15 heures de vol et 50 atterrissages au cours desquels l'OSAC effectue les contrôles et essais suivants sur les conditions de vol : 

Décollage : Passage des 15 mètres en 500 mètres environ (franchir un obstacle de 15 mètres plus haut que le sol de l'aérodrome en parcourant moins de 500 mètres en projection horizontale) 

Montée : Atteindre en moins de trois minutes une altitude de 360 mètres au-dessus du sol de l'aérodrome 

Vitesse maximale en km/heure et le nombre de tours/mn 

Vitesse de croisière en km/heure et le nombre de tours/mn à environ 70% de la puissance maximale d'après la courbe d’hélice 

Consommation en litres par heure d'après les courbes du moteur 

Essais en ressource à 2,5g; 3g; 3,5g mesurés à l'accéléromètre, sans déformation permanente 

Vol Plané : Descendre en vol plané sur une distance horizontale au moins égale à six fois l'altitude 

Atterrissage : Avec le moteur arrêté au moins 50 mètres au-dessus du sol et en vol plané, pouvoir s'arrêter à l'atterrissage en roulant moins de 250 mètres depuis le point d'impact jusqu'à l'arrêt complet, sur terrain plat et horizontal avec un vent inférieur à 2,5 mètres par seconde 

Aucun essai de rupture de l'atterrisseur n'est exigé car dans ce cas seule la sécurité de l'usager est mise en jeu mais pas celle des tiers à terre.
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:24

Calcul et construction d'un avion
Chapitre 1- Les bases pour construire un avion

2 Généralités de Mécanique


2.1 Définitions

2.2 Unités

2.3 Notion de force

... Poids, Force centrifuge, Contrainte ou tension

2.4 Travail

2.5 Puissance

2.6 Energie cinétique
2.1 Définitions

La mécanique, nécessaire à la compréhension de ce qui suit, est en fait basée sur cinq notions simples : 

La géométrie qui définit l’espace au sein d’un référentiel avec la distance, la surface, le volume ; 

La force : par exemple, la pression de la masse d’une bille sur le billard ; c’est une action qui peut déplacer ou déformer un corps ; 

La travail : lorsque cette force se déplace pour casser une vitre par exemple ; il combine action + espace ; 

La puissance : c’est un travail pendant un certain temps ; elle combine action + espace + temps (ce sont d’ailleurs les trois dimensions de la vie) ; 

La matière : basée sur l’évolution des forces et la concentration de la puissance.

2.2 Unités

Depuis le 3 Mai 1961 (article 16 du décret n° 61-501) le Système International (SI) remplace les anciens systèmes d’unités de mesures qui dataient de la révolution française. 

Consulter le site [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]

Le tableau de correspondance ci-dessous est donné pour mémoire :

Système
Unité de
SIMKSAMKpSCGSMTS
Distancem (mètre)mmcmm
Massekg (kilogramme)kgkggtonne
TempsS (seconde)ssss
ForceN (Newton)Nkgpdynesthène
ContraintePa (Pascal)Pa...
TravailJ (Joule)Jkgpm..
PuissanceW (Watt)WkgpmCV.

2.3 Notion de force

Une force est une action pouvant déplacer ou déformer un corps de masse M. Certaines forces résultent de l’interaction entre deux corps en contact. Ce sont par exemple les forces de compression, de cohésion, de percussion, de torsion, de frottement, de viscosité, etc. La pression exercée par la masse d’une bille sur un billard est une force. 

Où γ est l’accélération imprimée par une force F à une masse M immobile. 

D’autres forces se manifestent à distance comme les forces magnétiques, électrostatiques ou bien l’attraction universelle dont la pesanteur ou attraction terrestre est une illustration. 

Unités : dans le système SI l’unité de force est le Newton, dans le système MKpS c'est le kilogramme-poids. 
SI : 1N = 1kg x 1m/s2 
MKpS : kilogramme-poids : 1kgp = 1kg x 9,80665 m/s2 # 9,81N 

2.3.1 Poids 
C’est une force proportionnelle à la masse M et à l’attraction terrestre g : 

g varie entre 9,78 m/s2 à l’équateur et 9,83 m/s2 au pôle, g = 9,80665 m/s2 à Paris. Concrètement ceci veut dire que pour une même masse, le poids d’un avion est plus faible à l’équateur qu’au pôle ! 
Unités : dans le système SI l’unité de poids est le Newton (le kilogramme-poids dans le système MKpS). 

2.3.2 Force centrifuge 
La force centrifuge C est une force qui tend à éloigner de son centre une masse M en rotation. 

Où r en m est le rayon du cercle décrit par M ou par son centre de gravité, et ω = 2.π.n est la vitesse angulaire ou nombre de tours par seconde. 
Par exemple une hélice de 1,60m de diamètre pesant 29,42N (3kg à Paris), chaque pale ayant son centre de gravité à 0,28 m du centre et tournant à 1500 tours/mn (25 tours/s) exercerait une force centrifuge C = 9806,65N (=1000kg à Paris). Vérifiez ! 

2.3.3 Contrainte ou tension 
La contrainte ou tension est une force par unité de surface 

Unités : dans le système SI l’unité de contrainte est en principe le Pascal 
SI : 1kg/mm2 = 107 Pascal ; 1Pa = 10-7kg/mm2 = 0,1mg/mm2 

La contrainte s’exprime aussi en N/m2 (ou en kg/m2 MKpS). Elle permet de mesurer les efforts sur les longerons et la cellule, la charge alaire, etc.
2.4 Travail

Lorsqu’une force se déplace pour casser une vitre par exemple elle combine action + espace ; on a alors fourni un travail. 
Le travail est le produit Force x distance. Le Joule est le travail d’une force de 1N qui produit un déplacement de 1m. 

Unités : 
SI : 1J = 1N x 1m 
MKpS : kilogrammètre : 1kgpm = 1kgp x 1m # 9,81J
2.5 Puissance

La puissance c’est un travail pendant un certain temps ; elle combine action + espace + temps (ce sont d’ailleurs les trois dimensions de la vie) ; 

Unités : 
Dans le système international, la puissance s’exprime en Watts. Un Watt c’est le travail d’un Joule pendant une seconde. 
SI : 1W = 1J x 1s 
MKpS : 1CV = 735,75W = 75kgpm x 1s 

La puissance des moteurs est généralement donnée en CV (cheval-vapeur). 
1CV = 735,75 Watts 

Un poids de 1kg qui tombe de 1m de haut produit un travail de 1kgm (kilogrammètre) ; un homme de 75 kg qui grimperait un escalier de 10 m en 10 s effectuerait un travail de 75 kgm, soit une puissance fournie de 1CV pendant 10s.
2.6 Energie cinétique

La vitesse d’un poids qui tomberait sans frottement (*) augmente de 9,81 m/s après chaque seconde écoulée. V = g.t ; g = 9,81 est le coefficient d’accélération de la pesanteur à notre latitude. 
Après 10 s, V = 98 m/s = 350 km/h 
Alors, la distance e = ½ (g.t2) a été parcourue = 490 m. 
En heurtant le sol après 490 m de chute à 98 m/s, ce poids de 1 kg dégage une énergie cinétique W = ½ m.V2 ; (avec m = p/g). 
W = 480 kgm. S’il pénètre le sol de 10 cm = 0,1 m, la pression exercée est 480 / 0,1 = 4800 kg ! 

(*) En fait, un homme qui tomberait d’un avion est freiné par la viscosité de l’air qui stabilise rapidement sa vitesse de chute à 180 km/h (heureusement ! ???) 
De même un marteau qui frapperait un clou à 10 m/s l’enfonçant ainsi de 1 cm dans le bois exercerait une pression de 500 kg pendant l’enfoncement (vérifiez !)
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:31

3 Généralités d'Aérodynamique

3.1 Propriétés de l’air (Aérostatique)
3.2 Les forces en équilibre
3.3 Coefficient de Portance Cz
3.4 Coefficient de Traînée Cx
3.5 Coefficient de Tangage Cm
3.6 Coefficient de Roulis CmR

3.7 Résultante aérodynamique

3.1 Propriétés de l’air (Aérostatique)
L’air est pesant (et d’autant plus qu’il est comprimé). Très léger dans la stratosphère (> 10 km), il est plus lourd dans l’atmosphère et d’autant plus lourd près du sol. 
1m3 d’air = 1293 g au niveau du sol 

Pression et température de l'air en fonction de l'altitude dans une atmosphère standard (tableau de droite) 

Poids de l'air en fonction de l'altitude (ci-dessous : fig. Henri Mignet) 


L’air est visqueux et crée une résistance 
(appelée portance suivant l’axe vertical z ou traînée parasite suivant l’axe horizontal x) 

G = résistance en kg 
V = vitesse en m/s 
S = surface alaire en m2 
k est un coefficient qui varie de 0,008 pour des objets aérodynamiques à 0,1 pour d’autres 

Résistance au vent de différentes formes d'objets (fig. Henri Mignet) 



3.2 Les forces en équilibre

L'avion vole car ..... 
Les forces agissant sur l'avion s'équilibrent 
- il pèse mais il est sustenté 
- il traîne mais il est tracté 

L'avion garde sa ligne de vol 
- il ne pivote pas sur lui-même sous l'effet des forces appliquées (effet moteur : souffle hélicoïdal) 

L'avion est agréable à piloter : on peut lâcher les commandes (compensateur) 

Un avion en déplacement est un avion "soufflé" 
On définit le Vent relatif ; matérialisé dans la figure ci-dessous par les filets d'écoulement de l'air 



Relation Vitesse-Pression : 

Dans de l’air immobile on définit une pression P 
Dans de l’air mobile on constate une chute de la pression P (absorbée par l’énergie cinétique) 

A l'accélération de l'air correspond une détente 
Au ralentissement de l'air correspond une compression


3.3 Coefficient de Portance Cz


La résistance des ailes est définie par : 
Rx la Traînée et 
Rz (ou Ry selon H. Mignet) la Portance 

Traînée Rx et Portance (ici Ry) fig. Henri Mignet 




Avec une faible incidence il se produit une dépression extrados (aspiration vers le haut) et une surpression intrados (poussée par dessous) 
La portance (ou sustentation) est due essentiellement à la succion sur l’extrados de l’aile (le dessus) 

Forces de Portance agissant sur un profil d'aile (fig. André Morin) 




La portance Rz (ou Ry suivant la notation) équilibre le poids G en kg de l'avion (en vol rectiligne et horizontal), 
• elle est proportionnelle à la surface alaire (totale voilure = fuselage + aile) 
• elle croît avec le carré de la vitesse : 






On définit de même : 
Cx le coefficient de Traînée et 
Cz le coefficient de Portance 










où 
Cz = coefficient de portance (ou poussée) caractéristique du profil 
S = surface alaire en m2 
V = vitesse de l'avion en m/s 

(l'intérêt du coefficient 100 est de limiter le nombre de décimales dans les calculs.)

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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:36

3.4 Coefficient de Traînée Cx


La traînée est ce qui freine l’avion. Le frottement des filets d'air freine l'avion et crée une résistance à l'avancement. La traction est ce qui tire l'avion vers l’avant. 

Puissance utile Pu = traction T x vitesse V = puissance du moteur Po x rendement de l'hélice 
η 
La Traînée équilibre la traction T (ou la propulsion) de l'hélice. (Ce sont deux vecteurs égaux et de sens opposé



où 
Cx = coefficient de Traînée caractéristique du profil 
S = surface alaire en m2 
Σ = 100 C'x = traînées parasites (parties autres que l'aile : mâts, cordes à piano, ferrures, etc.) 
V = vitesse de l'avion en m/s



3.5 Coefficient de Tangage Cm


Comme pour un bateau, le Tangage est une alternance de piqués - cabrés de l’avion. 

Le coefficient de tangage 100.Cm permet de connaître avec une bonne précision la position x du centre de poussée Cp par rapport au bord d’attaque de l’aile. 


où 
L est la profondeur d’aile ou corde



3.6 Coefficient de Roulis CmR


Comme pour un bateau, le Roulis est une alternance de rotations à droite et à gauche autour de l’axe du fuselage. 

Le coefficient de roulis 100.CmR traduit l’efficacité des ailerons en fonction de leur angle de braquage α.
3.7 Résultante aérodynamique


C’est la résultante portance / traînée 



Angle d'incidence α : c'est l'angle entre la direction du vent relatif et l'axe du fuselage 



On parle soit de l'incidence du fuselage, soit de celle de l'aile : 

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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:41

4 Forme de l'aile

4.1 Allongement
4.2 Profil d'aile - Polaire
... Polaire de profil, P. d'avion, P. logarithmique, P. logarithmique réduite
4.3 Nombre de Reynolds Nr
4.4 Finesse X ou Cx
4.5 Coefficient Aéronautique C.A.
4.6 Hypersustentation

... Décrochage (stall), Hypersustentation, Surface alaire, Cambrure et performances, Volets hypersustentateurs, Becs de bord d'attaque, Perte de vitesse et chute en vrille
4.1 Allongement λ

L’allongement λ est le rapport de l'envergure E sur la corde moyenne Cm (ou profondeur de l’aile) 


Par exemple, pour un ULM biplace de 450 kg une aile de 15 m2 porte 30 kg/m2. Ce qui convient très bien pour des vitesses de 50 à 150 km/h. On recommande alors un allongement d'au moins 7, (plus la vitesse est faible plus l'allongement doit être grand), soit : 



4.2 Profil d'aile - Polaire

Les caractéristiques aérodynamiques de chaque profil d'aile sont mesurées en soufflerie : 
portance, traînée, Polaire de profil, pour différents angles d'incidence usuels de vol. 
Chaque profil d'aile est défini par ses ordonnées intrados et extrados par rapport à la ligne de référence.


La ligne de référence (fig. André Morin)
 

Les profils d'ailes d'avion (très variés), se trouvent dans des catalogues (Eiffel, NACA, EPPLER, WORTMANN, etc.). 

4.2.1 Polaire de profil 
C’est une représentation graphique des 100 Cz (portance) en ordonnées, en fonction des 100 Cx (traînée) en abscisses et de l'incidence de vol en degrés. 

4.2.2 Polaire d'avion 
C’est une représentation graphique des 

où 
S = surface alaire en m2 
Σ = traînées parasites 

4.2.3 Polaire logarithmique 
Elle est utile si l'on ajoute à la polaire d'avion le facteur V2 (portance + traînée) ou V3 (puissance utile Pu

4.2.4 Polaire logarithmique réduite 
Elle s'obtient en divisant les valeurs ci-dessus par la surface alaire. Elle donne ainsi un poids (ou portance) par m2, et la puissance utile Pu unitaire. 


Exemples de Polaires de profil 

Polaire de profil N° 13 bis du Laboratoire Eiffel (1910) 



Polaire de profil N° 426 du Catalogue Allemand 

Ainsi, 8 m2 d’aile portent environ 200 kg et freinent 12 kg.
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:47

4.3 Nombre de Reynolds Nr

Le Nombre de Reynolds Nr donne une idée de la résistance à l'air du profil : 

où 
V = vitesse de l'avion en m/s 
t = longueur dans le sens de V (profondeur moyenne) 
ν = coefficient de viscosité de l'air 

ν = 145 x 10 -7 à 15°C et 1 bar 

Exemple : Nr d'une aile de corde 1,5m volant à 48m/s (#150km/h) : 

4.4 Finesse X ou Cx

On appelle finesse X, l'ensemble des traînées parasites (non dues à l'aile) divisé par la surface alaire en m2


Pour une surface alaire donnée, plus le Cx est petit moins l'avion est freiné. 
Le Cx d’un bon avion est de l’ordre de 0,035 (ou 3,5%)



4.5 Coefficient Aéronautique C.A.

C
’est le carré du poids G divisé par le produit Po x S (puissance x surface) 


Il varie de 170 à 470 en moyenne.







4.6 Hypersustentation


4.6.1 Décrochage (stall) 
Le décrochage est une diminution brutale de la portance si l'incidence croît ( i > 18°). Les filets d'air se décollent de l'extrados (quelle que soit la vitesse). 


Que faire en cas de décrochage ? 
1/- Mettre pleins gaz, 
2/- Réduire l'incidence 

4.6.2 Hypersustentation 
Le calcul d'aile est adapté à la vitesse de croisière. 
Si l'incidence croît ( i > 18°), à basse vitesse, on risque le décrochage (diminution brutale de la portance due au décollement des filets d'air de l'extrados). Pour l'éviter on doit par conséquent : 

4.6.2 Hypersustentation 
Le calcul d'aile est adapté à la vitesse de croisière. 
Si l'incidence croît ( i > 18°), à basse vitesse, on risque le décrochage (diminution brutale de la portance due au décollement des filets d'air de l'extrados). Pour l'éviter on doit par conséquent : 
• augmenter la Surface alaire à faible vitesse 
• augmenter la Cambrure du profil 
Il existe de nombreux dispositifs permettant de jouer sur ces deux paramètres : certains d'entre eux sont décrits ci-dessous. 

4.6.3 Surface alaire 
Il est possible d'augmenter la Surface alaire à faible vitesse à l'aide de volets. 

La figure ci-dessous montre que la surface S d'une aile devient S + ΔS avec les volets sortis 




4.6.4 Cambrure et performances 
Pour une vitesse donnée, le profil d'aile a une grande influence sur les performances d'un avion. Par exemple, un profil d'aile cambré est plus performant aux faibles vitesses

Pour cambrer une aile, il suffit de cambrer la ligne de référence ou "squelette" ci-dessous. 




augmenter la Cambrure du profil avec : 

- des volets d'intrados
 (sous l'aile) : on en trouvait sur les avions anciens.
 



- des volets de courbure : on en trouve sur les avions récents. 



4.6.5 Volets hypersustentateurs 
Des volets hypersustentateurs augmentent à la fois la surface alaire et la courbure. 

Volets hypersustentateurs 




4.6.6 Becs de bord d'attaque 
Les becs de bord d'attaque servent à plaquer les filets d'air sur l'extrados. 
Le Rallye MS-880, par exemple, en est équipé. 

Becs de bord d'attaque 



Combinaison Becs de bord d'attaque et Volets hypersustentateurs 
Ici encore nous prenons l'exemple du Rallye MS-880. 

Becs de bord d'attaque et Volets hypersustentateurs du Rallye MS-880 






Du point de vue du pilotage, ce qu'il faut retenir, c'est que... 

Plus on réduit les gaz
• plus on augmente l'incidence, 
• plus on sort les volets, 
• plus on les courbe. 


4.6.7 Perte de vitesse et chute en vrille 
La perte de vitesse, qui se soldait souvent hélas par une chute en vrille, et par la mort certaine du pilote dans le crash de son avion, était la hantise des pilotes d'autrefois. 

Henri Mignet rappelait que "piloter est une négation" : 
• Ne pas se laisser ralentir, 
• Ne pas virer sans accélérer, 
• Ne pas croiser les commandes, 
• Ne pas glisser quand on manœuvre. 

Le manche a en effet deux actions, sur : 

L’inclinaison verticale (on pique ou on lève du nez) 
Quand on pousse le manche, l’avion descend et accélère, 
Quand on tire sur le manche, l’avion monte et ralentit (on corrige alors en poussant la manette des gaz). 

L’inclinaison latérale 
Manche à droite, l’avion s’incline à droite, et normalement, on tend à virer à droite sous l’effet de la composante déviatrice de la portance vers la droite (voir votre cours de pilotage). 

Le début de rotation 
Mais pour certains avions anciens aux masses disséminées, ce qui prédominait, c’était l’effet pervers suivant : 
Avec le manche à droite, l’avion tendait à virer à gauche (et vice versa pour manche à gauche) : on corrigeait alors à l’aide du gouvernail de direction. 
Avec le manche à droite, en effet, l’aileron droit se lève et l’aileron gauche s’abaisse. 

L’aileron gauche abaissé créait un point d’appui à gauche qui faisait virer l’appareil autour de ce point d’appui. L’aileron gauche baissé donnait une cambrure plus forte qui augmentait la portance, et freinait d’autant plus si l’aile d’avion était cambrée. 

L’aileron droit levé donnait une cambrure plus faible qui diminuait la portance, et à faible vitesse avec un avion à ailes cambrées, un coup d’aileron provoquait un début de rotation (les masses disséminées, éloignées du centre de gravité, formant volant). 


Avant la guerre de 1939-1945 la perte de vitesse, à l’origine de la chute en vrille, était la cause de nombreux accidents. Aujourd’hui, tous les avions certifiés sont testés sur leur comportement en sortie de vrille. 

Mais dès cette époque, certains dispositifs permettaient déjà de limiter le danger de perte de vitesse : 

1) Pour rendre la vrille moins probable ou moins grave, la solution consiste à grouper les masses lourdes et à donner aux gouvernes des surfaces surabondantes

2) Le bord de fuite (arrière) de l’aile incurvé vers le haut de 3 ou 4°, ou mieux, un volet mobile au bord de fuite, s’opposait à toute perte de vitesse en redressant la queue en cas de piqué en arrière, et l’avion repartait aussitôt en avant en reprenant de la vitesse. En cas de piqué en avant, le bord de fuite incurvé ramenait l’avion à l’horizontale en abaissant la queue. (voir plus loin le principe de l’avion AEL5) 

3) Les dispositifs hypersustentateurs tels que le bec à fente fixe, articulé ou commandé retardent la production des remous non sustentateurs quand on cabre l’avion. Mais ces becs à fente sont lourds, compliqués et constituent un frein. Malheureusement, lorsqu’on améliore la portance à faible vitesse on dégrade la finesse. Les avions fins nécessitent de longues courses pour l’envol ou l’atterrissage. 

4) Une aile haute est plus sustentatrice qu’une aile basse car la surface extrados de l’aile haute est plus grande (les 2/3 de la portance proviennent de la succion sur l’extrados). Ainsi, les avions “ STOL ” (Short Take Off and Landing) sont des avions à ailes hautes. Mais une aile basse a tout de même l’avantage de faciliter l’envol en créant un matelas d’air entre le sol et l’aile.
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:51

5 Traînées


5.1 Traînée induite par la portance
... Tourbillon marginal, Dispositifs pour le minimiser
5.2 Traînées de pression
... Sillage, Décollement turbulent, Traînée de culot et recirculation, Minimiser la traînée de pression
5.3 Traînées de frottement
... Couche limite, Gradient de vitesse, Relation vitesse-pression, Transition laminaire - turbulent, Bulle laminaire, Minimiser la traînée de frottement

5.4 Traînées d’onde



Ici, nous examinons essentiellement les traînées qui affectent les avions légers : Le tourbillon marginal induit par la portance, ainsi que les traînées de pression et de frottement. Les traînées d'onde qui affectent les avions supersoniques ne sont qu’évoquées. 


Les phénomènes décrits ci-dessous affectent bien entendu le fuselage et les profils verticaux ou horizontaux. Au niveau des ailes ils affectent principalement l’extrados mais plus rarement l’intrados
.

5.1 Traînée induite par la portance


5.1.1 Tourbillon marginal 


Le tourbillon marginal est généré par une traînée parasite induite par la portance au saumon de l'aile. La traînée induite est le résultat de ce vortex qui freine non seulement les ailes mais l'avion entier, c'est d'ailleurs la plus importante traînée de l'avion. 


Formation du tourbillon marginal au saumon de l'aile 



Comme le montre la figure ci-dessous, sur l’extrados, les filets d’air sont "aspirés" vers le fuselage alors que sur l’intrados ils ont tendance à s’en éloigner. Il en résulte un tourbillon marginal au saumon de l’aile. 





La turbulence créée par le tourbillon marginal est très dangereuse. Derrière un gros porteur, un avion léger qui ne respecterait pas une distance de sécurité suffisante peut être retourné brutalement comme une feuille morte et s’écraser au sol. 





Comment un avion léger peut-il éviter la turbulence de sillage des gros porteurs ? 





Figures extraites de la revue "EXPERIMENTAL" 

5.1.2 Minimiser le tourbillon marginal 

Voici quelques dispositifs anti-vortex qui peuvent minimiser les effets du tourbillon marginal : 
- un grand allongement 
- un léger vrillage 
- des ailes aux extrémités pointues (saumons) 
- des saumons horizontaux 
- des winglets aux extrémités de l’aile 
- des cylindres à fente hélicoïdale aux extrémités de l’aile 


5.1.2.1 Vrillage 
Un léger vrillage de l'aile (6 à 7° aux extrémités) diminue la traînée induite (tourbillon marginal) et améliore les qualités de décrochage. Par exemple, sur l'aile Horten H-IV, pour une inclinaison de 0° au centre, les extrémités de l'aile étaient inclinées de 7,1° à piquer. 








5.1.2.2 Saumon horizontal 
Des saumons horizontaux en bout d’aile d’un "Learjet" [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] réduiraient la traînée induite de 10% en croisière d’après Raisbeck. 



5.1.2.3 Winglet 
Un Winglet est une rallonge relevée en bout d’aile. Ici, sur un motoplaneur "Silent 2" 
[Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] le winglet est emboîté sur deux axes et fixé par un tour de ruban adhésif. 





5.1.2.4 Cylindre à fente hélicoïdale 

Christian Hugues a inventé ce cylindre à fente hélicoïdale placé ici en bout d'’aile. Ce cylindre nommé "Minix" minimise I, l'induction et X, la traînée. Cette technologie est le résultat de 12 ans d'essais sur 22 prototypes différents en soufflerie numérique et soufflerie EIFFEL ; elle a débouché sur des brevets nationaux et internationaux. 
Plus de détails sur [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]                                                               Ci-contre à droite, le prototype Minix 2003 





                                                                                             Ci-dessus, le prototype Minix 2011 

A noter : les derniers essais ont montré que le procédé MINIX réduit la traînée induite, augmente la portance et la finesse du même coup ce qui donne 6% d'économie de carburant ou 6% de distance en plus ! 

Sans dévoiler les secrets de Christian Hugues, qui bien évidemment protège son savoir-faire, nous pouvons deviner que le principe de son invention consiste à recoller les filets d'air sur le cylindre, dont les fentes hélicoïdales tournent dans le même sens que le vortex à traiter. Ceci évite la dispersion des filets d'air au sein d'un vortex, et permet d'obtenir ainsi un écoulement presque laminaire moins consommateur d'énergie. Cependant les paramètres à prendre en compte sont si nombreux, que seuls de multiples tests en soufflerie permettront de réaliser un prototype. 

Ces paramètres sont, pour l'essentiel, les suivants : 
- Le poids de l'avion : plus il est lourd plus le vortex est puissant ; 
- La surface alaire : plus elle est grande plus le vortex est puissant ; 
- Le profil d'aile ... 
- L'incidence de vol : plus elle est grande plus le vortex est puissant ; 
- La vitesse : plus elle est grande plus le vortex est puissant ; 
- La météorologie et en particulier le vent de travers. 
Bien, ceci dit, pour aller plus loin il faudrait maintenant se lancer dans une étude physique approfondie du procédé, ce qui n'est pas le but de ces pages de vulgarisation. Vous pouvez aussi contacter Christian Hugues qui se fera un plaisir de communiquer avec vous. 
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 16:54

5.2 Traînées de pression


5.2.1 Sillage 
On visualise très bien le phénomène de sillage à l’arrière d’un bateau qui avance. A chaque instant le bateau en mouvement propage autour de lui une onde élastique (circulaire) à la limite eau - air. L’instant d’après le cercle précédent s’est agrandi et le bateau génère une nouvelle onde dont le centre est décalé dans le sens de la marche puisque le bateau continue d’avancer. Le sillage est l’enveloppe de tous ces cercles excentrés. 
Le sillage est dû à un comportement élastique de l’air. 

5.2.2 Décollement turbulent 
Le décollement des filets d’air provoque des turbulences qui dégradent les performances aérodynamiques d’un avion. On diminue ces traînées parasites en ajoutant des raccords de Karman dans les zones concernées qui sont les jonctions aile - fuselage, les raccords des jambes de train et des haubans. 

Dans le flux de l’hélice le régime d’écoulement de l’air est toujours turbulent. 

De même on minimise les traînées de culot (voir ci-après) en adoucissant les formes d’un fuselage tronqué, du rétreint arrière de verrière ou des diverses protubérances telles que les écopes d’air, les sorties d’air de refroidissement, les venturis, les antennes. 

5.2.3 Traînée de culot, recirculation 
Ordres de grandeur des traînées : 
Pour une aile de 1 m2 ayant une épaisseur maximum de 0,15 m, le Cx laminaire est de 0,004 et le Cx turbulent de 0,007. 


Profil tronqué : 
Si le profil ci-dessus est tronqué au niveau de l'épaisseur maximum, le Cx turbulent s'élève à 1,1 !... 

A l’arrière d’un profil tronqué, on observe un décollement turbulent massif des filets d’air ou "turbulence de sillage" ainsi qu’un "culot de recirculation". Le culot de recirculation est une zone de décompression au sein de laquelle l’air cherche à combler le vide laissé derrière ce profil tronqué. 

On observe aussi une zone de recirculation à l’arrière des profils normaux au voisinage de l’incidence de décrochage. 

Séparation et recirculation de l'écoulement général après décollement laminaire à 50% de la corde sur un profil NACA 64A015 en incidence 5° (Cliché Onéra Werlé 1974) 



Le décrochage du bord de fuite montre que le décollement des filets d'air est proportionnel à l'incidence de l'aile. 

Décollement des filets d’air et décrochage au bord de fuite en fonction de l’incidence de l’aile. 



Visualisation de ce décollement à l’aide de fils de laine (tiré de la revue Experimental, archives Air presse) 





5.2.4 Minimiser la traînée de pression 
Pour minimiser les traînées de pression il convient donc d’éviter les profils tronqués – préférer un fuselage effilé a des formes "modernes" anguleuses. Il fautcaréner les roues, les jambes de train et les haubans. Eviter les écopes dans le flux de l’hélice ou sous le fuselage. Il convient aussi de minimiser les traînées d’interaction dues au cumul de deux zones de recompression - c’est le rôle des raccords de Karman à la jonction aile - fuselage, jambes de train - fuselage. 


Une verrière à bulle provoque en arrière de son maître couple des décollements aérodynamiques alternés ainsi qu’une traînée de culot. Un profilage en dos de tortue "razor-back" de l’arrière de la bulle corrige ce problème. On peut aussi profiler tout l’arrière du fuselagevers un point de fuite situé en queue de l’appareil comme sur un Caudron ou comme sur le Me-262 ci-dessous. 



Dans cet exemple, visualisé (ici encore) à l’aide de fils de laine, on minimise les traînées de culot sur un Me-262 en adoucissant les formes du rétreint arrière de la verrière. 



5.3 Traînées de frottement


Le frottement de la paroi de l’avion dans l’air induit un comportement laminaire ou turbulent des filets d’air. 

Considérons un profil symétrique comme celui d’un empennage vertical par exemple. Tant que sa vitesse dans l’air (vent relatif) est faible, l’écoulement des filets d’air est laminaire autour de ce profil. Tout contre la paroi : En réalité l’air est visqueux et les molécules d’air collent à la paroi du profil, elles sont immobiles par rapport au profil ou si l’on préfère, elles sont entraînées par lui à la même vitesse puisqu’elles sont collées au mobile. Plus loin de la paroi : Alors que loin de la paroi les molécules d’air se déplacent par rapport au mobile à la même vitesse que le vent relatif. 

5.3.1 Couche limite 
La vitesse des molécules d’air par rapport au mobile est nulle tout contre la paroi et égale au vent relatif plus loin de la paroi. Cette zone où la vitesse des molécules d’air varie s’appelle la couche limite. C’est la couche où le mobile perturbe les molécules d’air du fait de la viscosité de l’air. 

Ecoulement de l'air sur un profil d'aile proche de l'incidence de décrochage : laminaire / turbulent / frottements 


Si nous prenons notre avion comme référentiel, et si nous observons le déplacement relatif des molécules d’air par rapport à notre avion nous constatons les faits suivants : 
- Assez loin de l’avion, l’air se comporte comme s’il n’était pas visqueux et l’écoulement des filets d’air reste laminaire. Les frottements sont réduits au minimum et les filets d’air sont parallèles. La vitesse de l’écoulement général est alors appelée "vitesse amont infinie" 
- A proximité immédiate de l’avion, sur une épaisseur de quelques millimètres à quelques centimètres de la paroi, les effets de la viscosité de l’air sont prépondérants. Cette zone s’appelle la "couche limite". 
La couche limite est liée au comportement visqueux de l’air. 
La couche limite se développe à partir du point d’arrêt jusqu’à l’arrière du profil où elle encadre le sillage. 

5.3.2 Gradient de vitesse 
Dans la couche limite, le gradient de vitesse varie de 0 à 99% de la vitesse amont infinie. En effet on a vu qu’assez loin de l’avion, les molécules d’air se déplacent à la vitesse de l’écoulement général (à la vitesse amont infinie), alors que plus près, elles ont tendance à coller à la paroi par frottement. 

On peut observer de la même façon que l’eau d’un fleuve semble coller à ses berges par frottement, alors qu’en s’éloignant des rives le courant est clairement plus fort. 

Evolution du gradient de vitesse lors du décollement sur un profil 


5.3.3 Relation vitesse-pression 
Dans de l’Air immobile on définit une pression P constante. 
Dans de l’Air mobile la pression P chute car elle est absorbée par l’énergie cinétique. 

• Accélération de l'air => détente 
• Ralentissement de l'air => compression 

Lorsqu’un profil se déplace, il écarte d’abord les filets d’air, ce qui produit une accélération donc une détente, ensuite en arrière du profil l’air ralentit en reprenant sa place, ce qui produit une compression. 

Maître couple : Le maître couple c’est l’emplacement où l’on passe en recompression. 
La figure ci-dessus montre que le mouvement des molécules d’air au voisinage du profil s’accélère en avant du profil (dv/dx > 0), depuis le point d’arrêt où la vitesse est minimum jusqu’au maître couple du profil où la vitesse est maximum (dv/dx = 0). Puis la vitesse diminue du maître couple au point de décollement (freinage : dv/dx < 0), pour rester stable ensuite. 

Parallèlement la pression est maximum au point d’arrêt et diminue jusqu’au maître couple car les filets d’air s’écartent du profil, puis la pression augmente dans la "zone de recompression" où les filets d’air se rapprochent du profil. Enfin la pression se stabilise après le point de décollement. 

5.3.4 Transition laminaire - turbulent 
En avant du profil : Pour des profils turbulents comme les profils porteurs courants, la couche limite reste laminaire en avant du profil : jusqu’à 15% de la corde environ (15% en arrière du bord d’attaque). Pour des profils laminaires comme par exemple les empennages verticaux, la couche limite reste laminaire jusqu’à 50 ou 60% de la corde 
– rappel : la corde c’est la largeur de l’aile (ou longueur du profil). 

En arrière du profil les frottements sont prépondérants, alors la couche limite devient turbulente et en même temps plus stable que la couche limite laminaire. 

Pour les ailes d’avion, on choisit donc des profils porteurs plutôt turbulents : en effet ils traînent deux fois plus mais ils sont plus stables

Transition laminaire - turbulent 


5.3.5 Bulle laminaire 
Ce phénomène affecte plus particulièrement l’extrados de l’aile. 

On constate que les frottements, assez forts au point d’arrêt, deviennent rapidement très faibles au sein de la couche limite laminaire. Juste après la transition laminaire-turbulent, les frottements sont très importants et diminuent ensuite progressivement. 

Principe de la visualisation à l'huile 


Si la couche limite est encore laminaire après le maître couple profil, c’est à dire dans la zone de recompression des filets d’air, l’écoulement laminaire peut décoller du profil car la pression est encore très basse à ce moment. Dans ce cas, soit la couche limite transite en régime turbulent et décroche, soit elle recolle au profil en formant une bulle laminaire de recirculation. 

5.3.6 Minimiser la traînée de frottement 
On peut minimiser les traînées de frottement en modifiant le profil d’aile ou en plaçant des turbulateurs sur l’aile en amont de la zone de transition. 

Un turbulateur est une bande crantée rugueuse adhésive (papier de verre) qu’on place idéalement à 6 mm environ en amont de la zone de transition pour éviter la formation de la bulle de décollement laminaire. 

Le turbulateur a pour effet de forcer précocement la transition laminaire - turbulent. Il recolle les culots en redynamisant la couche limite. Son épaisseur doit être supérieure au quart de l’épaisseur de la couche laminaire. A 150 Km/h la couche laminaire a une épaisseur de 1,5 mm à moins de 15 % de la corde (soit par exemple à 15 cm en arrière du bord d’attaque d’une aile d’un mètre de large) 

Dans l’exemple ci-dessous (tiré de la revue Expérimental) l’effet du turbulateur est visualisé à l’aide d’huile (1 volume de noir de fumée pour 10 à 15 volumes d’huile 10W40) appliquée moins de 30 minutes avant le vol. Pendant le vol, l’huile s’écoule plus rapidement dans la zone turbulente où la contrainte pariétale (contrainte de frottement sur la paroi) est plus importante. La zone laminaire où le film d’huile reste plus épais apparaît plus foncée. On nettoie au chiffon, à la lessive, ou avec un solvant qui ne dissout pas la peinture. 

Sans turbulateurs 



Turbulateurs à 25 mm en arrière de la bulle laminaire 




Turbulateurs à 6 mm en arrière de la bulle laminaire 




Turbulateurs placés sur le début de la bulle laminaire 




Turbulateurs à 6 mm en avant de la bulle laminaire 





5.4 Traînées d’onde


Ces traînées apparaissent uniquement aux vitesses transsoniques et supersoniques. Bien en dehors des limites des avions d’amateurs, elles ne seront donc pas détaillées ici. 

Remarquons simplement que, tout comme la traînée de couche limite, la traînée d'onde est partie intégrante de la traînée de choc

Très schématiquement, dans les ondes de choc, la vitesse de l'écoulement chute brutalement, de telle sorte que sa composante normale au choc passe du supersonique au subsonique. Ceci se traduit par un nouveau type de traînée correspondant à une nouvelle consommation d'énergie. 

Dans la phase transsonique, l'onde de choc située sur l'extrados est à l'origine d'un phénomène analogue au décollement qui, outre l'augmentation de la traînée, cause une instabilité. 

Dans la phase supersonique, ce phénomène disparaît mais il est remplacé, pour un profil d'aile classique à bord d'attaque arrondi, par un nouveau terme de traînée lié à une onde de choc détachée.
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 17:01

6 Résistance et propriétés des matériaux aéronautiques

Introduction
6.1 Déformation élastique
6.2 Déformation permanente
6.3 Rupture
6.4 Résonance mécanique
6.5 Forces en présence (ou efforts)
6.6 Les bois en aéronautique
6.7 Les aciers en aéronautique
6.8 Les alliages légers type duralumin en aéronautique
6.9 Les alliages ultra-légers à base de magnésium
6.10 Les autres métaux utilisés en aéronautique
6.11 Les toiles et fils en aéronautique
6.12 Les enduits, vernis et peintures aéronautiques
6.13 Les colles et le caoutchouc

6.14 Normes utilisables


Introduction


Rappelons en introduction ce que disait Henri Mignet : un avion est un paradoxe légèreté-résistance. Plus il est léger, moins il résiste. 

Pour voler bon marché, il faut construire tout petit. 
Petit = léger => faible puissance => bon marché 

Economie = matière, dimensions, mécanisme, entretien 
Sécurité = construction, écart de vitesse, stabilité de forme, contrôle de vol rationnel. 
Sécurité passive (en cas de crash) = arceau de sécurité, ceintures 4 points, points d’ancrage résistants, pas d’arêtes vives au tableau de bord, pas de supports de sièges dans l’axe de la colonne vertébrale, arrimage solide de tout équipement volumineux ou lourd, faire appel à un œil extérieur. 

Il nous faut donc étudier la double et contradictoire exigence de solidité et de légèreté ! ce qui fait appel aux disciplines suivantes : 
♦ L'aérodynamique : sélectionner un profil d'aile porteur et minimiser la traînée ; 
♦ Les matériaux : choisir des matériaux légers mais résistants ; 
♦ Les efforts ou contraintes subis par chaque élément de l'avion. 

Cependant la résistance des matériaux n'est pas une science exacte comme les mathématiques, et ceci pour les raisons suivantes : 
♦ La matière n'est pas parfaitement homogène ; 
♦ Les efforts dynamiques dépendent des évolutions de l'avion : vol normal, piqué, atterrissage, looping, vrille, glissade, renversement, tonneau, ressource. 

On a donc mesuré l'accélération dans toutes ces configurations : c'est la ressource qui donne le chiffre maximum. 
Pour chaque pièce de l'avion, on s'impose de n'avoir aucune déformation permanente. On s'efforce donc de calculer le maximum possible, élément par élément, mais pour parer à l'incertitude qui subsiste, on admet un rapport r. Ce rapport varie avec chaque matériau on a donc pris un coefficient r = 1,5 suffisant dans tous les cas : 

                                           r = taux de limite d'allongement / taux de rupture = 1,5 

Comme dans toute construction humaine on ajoute en plus un coefficient de sécurité cs. Le facteur de charge à la rupture, n, 

                                           n = γ x r x cs 

avec : 
γ = accélération en ressource
r = rapport r (taux de limite d'allongement / taux de rupture) 
cs = coefficient de sécurité "d'erreur humaine"



6.1 Déformation élastique


La déformation est élastique si le solide déformé sous l’effet d’une contrainte reprend sa forme initiale lorsque la contrainte cesse. La matière a un comportement élastique.



6.2 Déformation permanente


La déformation est permanente si le solide déformé ne reprend pas sa forme initiale lorsque la contrainte cesse. La matière a un comportement plastique ou visqueux.



6.3 Rupture


Si la charge statique augmente progressivement jusqu’à un seuil de résistance statique limite ou seuil de rupture, l’armature se déforme et finit par se rompre. L’idéal est qu’elle se rompe d’un seul coup, toutes les pièces devant atteindre le seuil de rupture en même temps

Diagramme Contrainte-Déformation d'un matériau (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]



6.4 Résonance mécanique et Résistance à la fatigue (endurance)

La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques (électriques, mécaniques...) sont sensibles à certaines fréquences. Un système résonant peut accumuler une énergie, si celle-ci est appliquée sous forme périodique, et proche d'une fréquence dite "fréquence de résonance" ou "fréquence naturelle" ou fréquence propre. Soumis à une telle excitation, le système va être le siège d'oscillations de plus en plus importantes, jusqu'à atteindre un régime d'équilibre qui dépend des éléments dissipatifs du système, ou bien jusqu'à une rupture d'un composant du système. (source Wikipédia) 

Par exemple s’il était mal calculé, un pont supportant de lourds camions pourrait s’effondrer sous le pas cadencé d’une petite troupe de soldats. Ainsi, un matériau métallique peut atteindre la rupture sous l'action répétée de sollicitations correspondant à des contraintes bien inférieures à sa limite d'élasticité. 

La vibration du moteur ou le frottement de l’air peut former dans un avion des plages vibrantes localisées, parfois très secouées. L’avion se comporte comme un diapason accordé sur la fréquence des vibrations d’origine : il peut alors casser brutalement sans avoir atteint le seuil de rupture

• Courbe de résistance à la fatigue : 
Pour un niveau donné de contrainte répétée, on détermine expérimentalement le nombre de cycles de "chargement - déchargement" qui conduit à la rupture du matériau. La courbe de résistance à la fatigue est asymptotique à l'axe des abscisses. 

• Durée de vie d'un matériau : 
Plus la contrainte répétée est forte, plus le nombre de cycles amenant la rupture est faible. Autrement dit, pour obtenir une durée de vie illimitée du matériau, la contrainte répétée devrait être limitée à une valeur extrêmement faible, appelée "limite d'endurance", ce qui conduirait à des structures extrêmement lourdes. Le constructeur doit donc se baser sur une durée de vie et un nombre (N) de cycles de mise en charge pour fixer une limite de fatigue (σf) admissible correspondant aux sollicitations maximales en service.

6.5 Forces en présence (ou efforts)


Les forces en résistance des matériaux (fig. André Morin 1998)






Chaque élément est conditionné par son cahier des charges pour résister à : 
- des efforts, dans son plan ou perpendiculaires, qui se traduisent par un cisaillement et une flexion 
- des efforts excentrés qui se traduisent par des torsions 

En fonction de ces critères, les pièces sont dimensionnées soit en résistance, soit en déformation.


Comment gérer les efforts structurels 


♦ Efforts verticaux ou horizontaux provocant un cisaillement 
Ces efforts passent par : 
- une âme ou revêtement travaillant (cas des longerons et fuselages coques) : 
L'âme, pour travailler correctement sans plissement, est maillée par des raidisseurs placés souvent en face des nervures pour un longeron d'aile. 
- une structure triangulée (cas des fuselages dits treillis) : 
Le principe est identique à celui des fuselages tubulaires métalliques. 

revêtement travaillant et structure triangulée (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]







♦ Flexion 
Le moment de flexion est repris par un ensemble de 2 éléments (semelles ou revêtement travaillant) soumis l'un à une compression l'autre à une traction. 
Dans le cas d'une peau mince de revêtement, celle-ci est raidie par des profilés, ou plus généralement, en construction bois ou plastique par une construction en sandwich. 

semelles ou revêtement travaillant et raidissement d'une peau mince de revêtement (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]







♦ Torsion 
La torsion (aile, fuselage, gouverne, etc..) est reprise par : 
- un caisson fermé à revêtement travaillant, notamment caisson avant de voilure. 
- une structure triangulée, souvent utilisée pour les gouvernes. 
- éventuellement par une flexion différentielle de deux éléments, solution souvent rencontrée pour les flancs de fuselage au niveau de la cabine. 

caisson fermé à revêtement travaillant, structure triangulée, et flexion différentielle de deux éléments (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]






Source de ce qui précède : TECHNOLOGIE D'UN AVION LEGER EN BOIS - FAQ du groupe de discussion FR.REC.AVIATION

Calcul des poutres : moments fléchissants et flèche (fig. André Morin 1998) 

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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 17:07

Poutres encastrées (fig. André Morin 1998) 



Sections longeron bois et alu (fig. André Morin 1998) 



Un ou deux longerons (fig. André Morin 1998) 





6.6 Les bois en aéronautique

Les bois sont très utilisés par les amateurs de construction aéronautique. La raison de cette faveur, c'est que le bois a une faible densité et qu'il est très facile à façonner et à assembler. 

Propriétés des bois en aéronautique (fig. 6.6-1 Vallat 1944 Cours de RDM aviation) 

♦ Taux de travail et emploi des bois les plus courants 

• Les bois les plus utilisés en construction amateur sont le spruce, le frêne et le peuplier grisard. 

Taux de travail des bois les plus utilisés (fig. 6.6-2 R.G. Desgrandschamps) 



• Propriétés : 
le spruce, densité moyenne ≈ 0,5, se colle facilement. Il est homogène sur de grandes longueurs, aussi on l'emploie pour les pièces rectilignes et longues, comme les longerons d'ailes, de fuselage ou bien des traverses ou des mâts. 
le frêne, densité moyenne ≈ 0,7, est très souple mais son collage est plus difficile. On l'emploie essentiellement pour des pièces courbes, ou des pièces qui subissent une grande fatigue comme les longerons ou les béquilles. 
le peuplier grisard ou peuplier gris, densité moyenne ≈ 0,5, est en principe très bon marché, sa densité est très faible et son collage facile. Il peut remplacer le spruce pour les pièces peu soumises à la fatigue. 
le hêtre, densité moyenne ≈ 0,65, est utilisé surtout pour fabriquer les hélices. 
le sapin, densité moyenne ≈ 0,5, est utilisé pour les tasseaux, les cales et les remplissages. 
le tilleul, densité moyenne ≈ 0,35, est utilisé pour les tasseaux, les cales et les remplissages, et aussi pour les modèles de fonderie. 
le noyer, densité moyenne ≈ 0,6, est utilisé pour les modèles d'essai au tunnel.
♦ Modes de calcul des bois les plus courants 

• Compression 
Comme l'épaisseur est le plus souvent une part importante de la longueur, on utilise en général la formule de Rankine-Résal. De plus on vérifie par la formule d'Euler chaque fois que le coefficient d'élancement λ est élevé : 

                                           λ = l / d, 

avec : 
l = longueur ; 
d = diamètre du plus petit côté de la section. 

Formule de Rankine-Résal : 

                                           F = τ.ω / (1 + (K.l2.ω) / α2.I), 

Formule d'Euler : 

                                           F = π2.E.I.α2 / l2

avec : 
F = charge limite en kg. 
τ = taux de travail en kg./mm2
ω = la section en mm2
K = 1 / 104
l = longueur en mm. de la pièce entre rotules. 
I = moment d'inertie minimum en mm4
π = 3,14159265. 
α = 1 pour une pièce articulée aux deux extrémités (voir fig. 6.6-3 ci-dessous). 
α = √2 pour une pièce dont une extrémité est articulée et l'autre encastrée. 
α = 2 pour une pièce encastrée aux deux extrémités. 
α = 1/2 pour une pièce ayant une extrémité libre et l'autre encastrée. 

Valeurs de α dans la formule d'Euler (fig. 6.6-3 R.G. Desgrandschamps) 

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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 17:11

♦ Compression sur du spruce 

• Exemple 1 : Compression sur une barre de spruce longue, de 800 mm. 
Soit une barre de spruce de section 20 x 20 mm. et de longueur 800 mm. entre les axes d'articulation. Quelle est la charge de compression maximum qu'elle peut supporter ? 

                                           τ = 3,5 kg./mm2
                                           α = 1, 
                                           ω = 400 mm2
                                           I = b.h3 / 12 = 2 x 23 / 12 = 1,33 cm4 = 13300 mm4

La formule de Rankine-Résal donne : 

                                           F = τ.ω / (1 + (K.l2.ω) / α2.I) = 3,5 x 400 / (1 + (640000 x 400) / 104 x 13300) = 1400 / (1 + 1,93) = 477 kg. 

La formule d'Euler donne : 

                                           F = π2.E.I.α2 / l2 = 9,87 x 1200 x 13300 x 12 / 640000 = 250 kg. 

En compression, on ne peut donc pas dépasser les 250 kg. donnés par la formule d'Euler. 

• Exemple 2 : Compression sur une barre de spruce courte, de 350 mm. de section 20 x 20 mm. 

Formule de Rankine-Résal : 

                                           F = τ.ω / (1 + (K.l2.ω) / α2.I) = 3,5 x 400 / (1 + (122500 x 400) / 104 x 13300) = 1400 / (1 + 0,37)= 1020 kg. 

Formule d'Euler : 

                                           F = π2.E.I.α2 / l2 = 9,87 x 1200 x 13300 / 122500 = 1300 kg. 

En compression, on ne peut donc pas dépasser les 1020 kg. donnés par la formule de Rankine-Résal qui est la plus sévère dans le cas des pièces courtes. 


♦ Flexion sur du spruce 
On utilise la formule du "commandant Monin" déterminée après de nombreux essais sur la flexion des pièces en bois : 

                                           Flexion spécifique ≥ M / 2.I / h4/3 

avec : 
M en kg./cm., 
I en cm4., 
h en cm. 

• Exemple : flexion supportable par une pièce de spruce rectangulaire de 15 x 4 cm. 
Flexion spécifique = 1000 kg./cm2 

                                           I = b.h3 / 12 = 4 x 153 / 12 = 1125 cm4
                                           h4/3 = √154 = 37. 

                                           M = (2.I / h4/3x 1000 = 2 x 1125 x 1000 / 37 = 60811 kg./cm. = 608 kgm.



♦ Taux de travail et emploi des contreplaqués 

• Les contreplaqués les plus utilisés en construction amateur sont les contreplaqués d'okoumé, de peuplier, d'acajou et de bouleau. Le tulipier est utilisé en lames minces pour les revêtements de forme. Les couches superposées sont croisées à environ 60°. 

Les contreplaqués sont le plus souvent constitués d'un nombre impair de feuilles de bois déroulé dont les fibres sont croisées à 90°, et collées à la colle vinylique, à la colle polyurehtane ou à la colle expoxy. 


♦ Modes de calcul des contreplaqués courants 

• Traction ; Taux de travail approximatif : 

(si les feuillets ou plis sont correctement dirigés) 

          okoumé ≈ 5 kg. 
          peuplier ≈ 6 kg. 
          acajou ≈ 7 kg. 
          bouleau ≈ 7 kg. 

• Cisaillement (effort tranchant) : 

Si l'on veut que les taux de cisaillement se rapprochent du tableau suivant, il faut répondre à certaines conditions : 

          okoumé ≈ 80 kg./cm2 
          peuplier ≈ 80 kg./cm2 
          acajou ≈ 90 kg./cm2 
          bouleau ≈ 100 kg./cm2 

Lorsque les panneaux de contreplaqué travaillent en cisaillement, il faut diriger le sens des fibres suivant l'effort tranchant. De plus, pour garantir le contreplaqué contre les déformations résultant d'éventuelles poussées horizontales, il doit être "contreventé" par des baguettes normales aux semelles, en croix, en triangles, ou en X, formant ainsi des figures géométriques. 

Baguettes de renfort de structures en contreplaqué (fig. 6.6-4 R.G. Desgrandschamps) 



Concrètement, pour une résistance égale, un contreplaqué mince, sans trou d'allègement, est plus léger qu'un contreplaqué plus épais avec trous.



♦ Résultats d'essais sur les bois 

• Collage : 

Pour le spruce, le peuplier grisard ou le sapin, un collage dans le sens des fibres peut supporter jusqu'à 40kg./cm2

• Assemblage par boulons ou rivets : 

Dans un assemblage par boulons ou rivets tubulaires, l'espacement entre boulons ou rivets ne doit pas être inférieur aux valeurs minimum suivantes : 

          6 d dans le sens de l'effort ; 
          3 d dans le sens normal à l'effort. 

De plus, dans un assemblage par boulons ou rivets tubulaires, le bois ne travaille pas sur toute sa surface d'appui sur le boulon, car le bois fléchit au milieu de la portée. On admet que les seules portions qui résistent sont les portions a = a' = 2 d (figure 6.6-5 ci-dessous). D'ailleurs, à partir de 100 kg./cm2 d'appui, on observe un début d'ovalisation, et on ne dépasse jamais 220 kg./cm2

Résistance du bois sous l'action d'un boulon (fig. 6.6-5 R.G. Desgrandschamps) 



Par ailleurs, on essaye autant que possible de ne pas solliciter plusieurs fois la même fibre de bois, et on essaye aussi d'allonger la ligne de cisaillement suivant laquelle la pièce de bois se déchirera à la rupture. Pour cette raison, on dispose les boulons en ligne brisée ou en quinconce. 

Disposition des boulons en ligne brisée (fig. 6.6-6 R.G. Desgrandschamps) 



Surface de cisaillement = l x épaisseur du bois ; pour le spruce et le peuplier grisard, les essais donnent : 

                                           τ = 70 kg./cm2

Il faut donc remplir la condition suivante : 

                                           x c x τ ≥ effort à transmettre.



• Assemblage par vis à bois : 

Espacement des vis à bois : 

          8 d dans le sens de l'effort ; 
          4 d dans le sens normal à l'effort. 

Effort supportable par une vis à bois : 

                                           (en kg.) = 4.l2.d / (4.l + 6.a). 

avec : 
l en mm. = longueur de la vis sous sa tête, 
a en mm. = épaisseur de la ferrure entre la tête de vis et le bois, 
d en mm. = diamètre de la vis. 

- Exemple : 
Considérons une vis de 3 x 40 qui sert à fixer une ferrure de 2 mm. d'épaisseur sur une pièce de bois. Cette vis résiste à : 

                                           F = 4 x 402 x 3 / ((4 x 40) + (6 x 2)) = 111 kg. 

• Inertie des mâts torpédo : 

Considérons des mâts épais, pleins ou creux, de forme profilée ou torpédo, cest à dire avec a : 

                                           b / 3,2 < a < b / 3 . 

Profil d'un mât torpédo (fig. 6.6-7 R.G. Desgrandschamps) 



Si l'on admet que le maître-couple se situe approximativement à une distance a du bord d'attaque, on peut poser : 

                                           I = b.a2 / 24, 
ou 
                                           I = (b.a2 - b'.a'2) / 24 

• Toupillage : 

Pour les éléments toupillés (*), le rayon minimum à adopter est de 8 mm. et on applique au bois toupillé un taux de travail divisé par 1,5. 

                                           taux de travail = taux de travail normal / 1,5 
(*) Note : La toupie sert à creuser et profiler les bois et exécuter moulures, feuillures et embrèvements. Elle permet aussi de former rapidement des tenons, enfourchements ou assemblages à peigne.



6.7 Les aciers en aéronautique


♦ Notions générales sur les aciers 
Les aciers sont en réalité des matériaux à haute teneur en fer et à teneur variable en carbone, manganèse, Phosphore et soufre, ainsi qu'accessoirement des corps tels que le silicium, le nickel, le chrome, le tungstène, etc. 
Les caractéristiques mécaniques des aciers dépendent très directement de leur composition et du traitement thermique qu'ils ont subi, et par conséquent, dans un grand nombre de cas, l'acier peut répondre aux besoins de l'avionneur. 
Si sa densité (7,8) paraît bien élevée pour la construction aéronautique, un certain nombre de qualités font qu'il est de plus en plus utilisé aujourd'hui : 
- son homogénéïté ; 
- sa facilité d'assemblage : car la soudure autogène est utilisable aussi bien pour les aciers doux que les aciers spéciaux au chrome-molybdène ; 
- la haute résistance des aciers au nickel, au chrome ou au tungstène ; 
- cependant l'acier n'est pas une bonne solution pour la charpente de l'avion d'amateur, car il est difficile de travailler des aciers spéciaux, ceci conduit à l'utilisation des aciers doux dont le rapport résistance / densité est faible. 


♦ Traitements des aciers 
Il existe des traitements thermiques, chimiques ou de protection : 

• Traitements thermiques : 
Il est en principe interdit de faire une mise en forme à froid sous peine de créer des criques ou microfissures à l'emplacement du pliage, ce qui créerait une fragilité. Il existe deux exceptions, le bouclage des cordes à piano et le cintrage à grand rayon de courbure des tôles minces. 
Dans les autres cas, on chauffe la pièce pour la mettre en forme. Ceci implique de la ramener à son état normal par un traitement thermique approprié (voir tableau 6.7-1 ci-dessous) 

Traitements, caractéristiques et composition des aciers courants en aéronautique (tableau 6.7-1 R.G. Desgrandschamps) 


Note : ce tableau ne contient que les nuances d'aciers couramment utilisés en aviation amateur. 
Ce traitement ramène la pièce à un état stable qui garantit l'équilibre moléculaire ; d'une manière générale, les produits sidérurgiques doivent avoir été traités avant emploi. 

• Traitements chimiques : 
Les traitements chimiques ont pour but de conférer une grande dureté à la coiuche superficielle. Ce sont : 
cémentation : procédé qui sert à durcir les aciers par ajout superficiel de carbone, avant une trempe superficielle ; 
nitruration : qui provoque la formation d'un film superficiel de nitrures de fer, appelé couche de combinaison, à partir duquel les atomes d'azote diffusent en direction du cœur de la pièce. Ce traitement peut accroitre la dureté de l'acier. 

• Traitements de protection : 
D'autres traitements ont pour but de protéger l'acier contre la corrosion : 
parkérisation : bains phosphoriques ; une technique de phosphate de manganèse ou de zinc qui protège chimiquement un métal contre l'oxydation, ou la corrosion. Le fer, par exemple, est plongé dans un bain chaud de phosphate de zinc provoquant la formation d'une couche de phosphate de fer imperméable. 
udylite : traitement dans des bains de cadmium.
♦ Emploi des aciers 
En aéronautique, l'acier est employé sous différentes formes : 

• Barres : 
- Pour pièces décolletées : ronds, carrés, six pans, plats ; 
- Pour pièces fraisées : chapes, ferrures dans la masse ; 
- Pour pièces forgées matricées. 

• Tôles et bandes : 
- Tôles de 2 m. x 1 m.; 
- Bandes de 10 m. ; 
- Les épaisseurs vont de 3/10e à 8 mm. 
Les tôles sont recuites et embouties pour fabriquer les ferrures, les caissons ou les pièces cambrées. 

• Tubes : 
Tubes à section circulaire, torpédo, ovale, carrée, rectangulaire ... Ils sont largement employés pour les mâts supportant de gros efforts, les treillis de fuselage ou les treillis de voilures multilongerons, les bâtis-moteurs, les jambes et les essieux de train d'atterrissage, etc. 

• Profilés : 
Profilés en Ω, en V, en U, en cornières... Ils sont utilisés comme raidisseurs de revêtements, comme éléments de longerons, comme bords de fuite, et comme supports d'accessoires. 

• Boulons : 

• Câbles : 
Les câbles sont constitués par une âme enveloppée de torons. Chaque toron est lui-même constitué d'une âme autour de laquelle s'enroulent des fils d'acier de haute résistance. 
- Les câbles souples sont utilisés pour les commandes, leurs âmes sont en textile ; 
- Les câbles rigides sont utilisés pour les haubannages, seule l'âme centrale est en textile, l'âme des torons est en acier doux recuit. 

• Cordes à piano : 
Les cordes à piano servent principalement au croisillonnement des avions. 
Elles sont constituées par de l'acier au creuset à haute résistance : R > 120 kg./mm2

• Haubans fuselés : 
Les haubans fuselés sont constitués par de l'acier à haute résistance. Ils sont utilisés pour les haubannages extérieurs (voir figure 6.7-2 ci-dessous). 

Haubans fuselés en aéronautique (figure 6.7-2 R.G. Desgrandschamps) 



• Rivets : 
Les rivets sont le plus souvent en acier doux à tête fraisée, ronde, à tête goutte-de-suif (tête fraisée et bombée), de diamètre généralement compris entre 2 et 6 mm. 

• Vis, œillets, goupilles : 
Signalons en particulier les vis Parker : elles sont en acier haute résistance et se fixent au tournevis dans un trou non taraudé, formant ainsi leur propre logement ; elles sont par conséquent non dévissables. Elles remplacent les rivets, chaque fois qu'il est difficile de former une tête ou de passer une bouterolle 

• Divers : 
- engrenages ; 
- roulements à billes ; 
- ressorts.


Câbles, cordes à piano, haubans (figure 6.7-3 Vallat 1944 Cours de RDM aviation) 



♦ Modes de calcul des aciers 

• Flexion : 
Le taux de travail admis doit être supérieur à ... 

                                           taux de travail admis > M / (I / V) 

• Compression : 
Comme pour le bois, on utilise les formules de Rankine-Résal et d'Euler suivant le coefficient d'élancement. Le coefficient K de la formule de Rankine-Résal est égal à I / 104
Le module d'élasticité = E = 22000 kg./mm2

• Voilement : vérification au voilement; 
Il est tout à fait possible qu'une pièce d'acier qui satisfait aux formules de flexion et de compression que nous venons de voir, puisse flamber localement, c'est à dire se voiler, lorsque son épaisseur relative est très faible. 
Dans ce cas, le taux de travail véritable est donné par les formules suivantes : 
- Tubes ronds : 

                                           taux au voilement = τv = R / (I + 3.R/E x r/e) 

- Sections polygonales ou en U : 

                                           taux au voilement = τv = R / (I + k.R/E x a/e) 
avec : 
          R = taux de travail à la rupture ; 
          E = module d'élasticité ; 
          r = rayon moyen ; 
          e = épaisseur ; 
          a = côté de la section ; 
          k = 7,5 pour une section polygonale tubulaire ; 
          k = 8,5 pour une section en U ; 

En construction métallique, on utilise souvent des tôles planes raidies ou tenues aux bords. La formule ci-dessous évite de longs calculs : 

                                           taux au voilement = τv = R / (I + k (a/e)2
avec : 
          a = dimension du plus grand côté ; 
          e = épaisseur ; 
          k = I / 2700 ; 

• Torsion : 

                                           taux de travail admis ≥ Mt x I0 / v0 
avec : 
          θ = angle de torsion = (Mt x l) / (G x I0) ; 
          Mt = moment de torsion ; 
          I0 = moment d'inertie polaire ; 
          l = bras de levier de l'effort de torsion ; 
          G = module de torsion ≈ 2/5 E ; soit, approximativement, quelle que soit la nuance de l'acier : 
          G = 2/5 x 22000 = 8800 kg.mm2 ; en général, on prend G = 8000 kg.mm2

• Cisaillement : 
Taux de travail au cisaillement = 3/4 à 4/5e du taux de travail en traction. 

• Glissement : Les pièces composées comme les longerons de voilure par exemple, travaillent à l'effort tranchant. Ces pièces doivent résister au glissement entre les éléments qui les constituent et qui tendrait à les séparer. Ce sont des rivets ou des boulons qui leur confèrent cette résistance. 

                                           effort de glissement = Fg = Σ.T.W / I ; 
avec : 
          Σ = espacement des rivets ; 
          T = effort tranchant ; 
          I = moment d'inertie ; 
          W = moment statique = Σ.ω.h autrement dit, la somme des sections élémentaires multipliées par leur distance à l'axe neutre. 

• Flexion et torsion combinées : 

                                           τ = 3/8 tf + √((3/8 tf)2 + (5/4 tt)2
avec : 
          tf = travail par mm2 dû à la flexion ; 
          tt = travail par mm2 dû à la torsion ; 

• Tubes circulaires : 
Pour les tubes circulaires, notons les données suivantes : 
           ω = 0,785 (D2 - d2) ; 
           I ≈ 0,05 (D4 - d4) ; 
           I/v ≈ (0,1 (D4 - d4)) / D ; 
           I0 = 2.I ; I0 / v0 = 2.I / v.
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Re: Construire son avion

Message par enrimores le Mar 29 Juil - 17:15

♦ Remarques et résultats d'essais importants 

• Espacement des boulons ou des rivets dans le métal : 
L'espacement des boulons ou des rivets dans le métal est le suivant 
- sur une même ligne : espacement ≥ 2,5.d ; 
- entre les axes des rivets ou des boulons et le bord de la pièce de métal : espacement ≥ 1,3.d ; 
Notons que, dans toute la mesure du possible, il est préférable de disposer les rivets ou les boulons en quinconce. 

Espacement des boulons ou des rivets dans le métal (figure 6.7-4 R.G. Desgrandschamps) 




• Diamètre des rivets : 
Le diamètre d du rivet doit être de trois à deux fois l'épaisseur e de la tôle la plus mince à assembler. 
Le diamètre relatif d/e doit être d'autant plus grand que la tôle est plus mince. 

• Cordes à piano : 
- Boucles : Le tableau 6.7-5 ci-dessous montre qu'une corde à piano bouclée à froid perd une partie de sa résistance. Ainsi, les cordes demi-bouclées travaillent à 85% de la corde simple. Les cordes de 6 et de 7 ne se bouclent pas, car cette opération serait trop difficile ; on fait donc une ligature en fil d'acier doux, sur environ 10 centimètres de long, et l'on recouvre cette ligature de soudure à l'étain. 
- Tendeurs : On doit adopter des tendeurs dont la résistance indiquée dans le tableau standard est supérieure ou égale à celle de la corde. 

Charge sur les cordes à piano (figure 6.7-5 R.G. Desgrandschamps) 




• Travail à l'appui : 
Dans toutes les pièces qui comportent des éléments rivés, boulonnés ou vissés, on doit tenir compte des trois paramètres suivants : 
- de la résistance au cisaillement du rivet, du boulon ou de la vis ; 
- de la résistance au cisaillement de la pièce traversée par ces fixations ; 
- de la résistance à l'appui ou résistance à l'écrasement. 

Pour des éléments soumis à des efforts alternés (compression / flexion), on adopte le taux de travail à l'appui suivant : 

                                           taux de travail à l'appui = τ / 1,5 à τ / 2 

Ceci évite le matage et le jeu (usure) qui pourrait en découler. C'est aussi la raison pour laquelle on préfère réaliser des axes creux et à grand diamètre. 

• Congés : 
Si une pièce métallique présente une brusque variation de section on doit prévoir un congé (de l'ordre de celui indiqué dans le tableau standard des boulons). 
- Définition : un congé est un adoucissement en portion de cercle, ou plus généralement un raccord plus ou moins arrondi à la rencontre de deux surfaces planes. 

• Travail des vis et des rivets : 
Ces éléments ne doivent travailler qu'en cisaillement et jamais "en tête". Dans ce dernier cas, seuls les boulons sont adaptés. 

• Pièces déformées : 
Aucune pièce déformée accidentellement pendant la construction ne peut être redressée à froid puis réutilisée. 

• Orientation des boulons verticaux et horizontaux : 
La tête des boulons verticaux doit être placée en haut, et la tête des boulons horizontaux doit être placée vers l'avant. 
Les écrous de blocage doivent être freinés, soit par des rondelles Grower ou par des rondelles en éventail (fig. 6.7-6 ci-dessous), soit par des goupilles. 

Rondelles "Grower" (fendues) et "en éventail" (figure 6.7-6 G. Pernot) 




• Soudure autogène et électrique : 
- La soudure autogène est utilisée sur les aciers doux et au chrome-molybdène ; 
- La soudure électrique s'utilise pour des aciers inoxydables en faibles épaisseurs.

Propriétés des aciers en aéronautique (fig. 6.7-7 et 8 Vallat 1944 Cours de RDM aviation) 



6.8 Les alliages légers type duralumin en aéronautique

♦ Notions générales sur les alliages légers type duralumin 

Les alliages légers sont très prisés en aéronautique car leur densité est très faible et leur résistance élevée. 

Cependant la soudure de ces alliages reste très délicate et réservée à des spécialistes très compétents ; après la soudure, les alliages légers doivent subir un traitement thermique. 

Voici leur composition moyenne : 

           Al   = 94,2 % 
           Cu =     4 % 
           Mg =  0,5 % 
           Mn =  0,5 % 
           Si   =  0,5 % 
           Fe =  0,3 % 


♦ Traitements des alliages légers 

Les propriétés de ces alliages varient en fonction de l'équilibre thermique de trois de ses composants : Al, Al2-Cu, Mg2-Si. 

Ils s'utilisent soit à l'état recuit, soit à l'état trempé et vieilli. 

- L'état recuit est un moyen de fortune lorsqu'on n'a ni foiur ni bain pour traiter le duralumin : la pièce d'alliage est d'abord marquée au savon ; puis lorsque le savon noircit, cela veut dire que la température a atteint environ 360°. Alors, on refroidit la pièce d'alliage en air calme durant quatre heures. A ce moment-là le métal est très malléable et il peut donc être facilement cambré, cintré ou embouti. Mais s'il ne reçoit aucun traitement ultérieur, comme un trempage par exemple, alors, ses caractéristiques sont les suivantes : 

           R = 20 ; 
           E = 7 ; 
           A = 20 % ; 

- L'état trempé : dans une usine dotée de l'outillage adéquat, on peut au contraire porter l'alliage à son maximum de résistance. On le chauffe à très haute température (480 à 490°) puis on le trempe brutalement dans de leau à 15°. Pour chauffer l'alliage, soit on le trempe dans un bain d'azotate de sodium (bain de nitrates), soit on le passe au four, électrique ou à gaz. On contrôle la température de chauffage au pyromètre. Enfin, on le trempe dans de leau à 15°. 

A ce moment-là, l'alliage reste malléable pendant huit heures, et comme dans le cas de l'alliage recuit, il peut être facilement cambré, cintré ou embouti. 

- L'état vieilli Huit heures après le trempage, l'alliage reprend peu à peu sa dureté et ses qualités par vieillissement. 

           R = 40 ; 
           E = 20 ; 
           A = 14 % ; 

Le vieillissement peut durer, 
soit quatre jours s'il se fait à l'air libre ; 
soit deux heures dans l'eau bouillante puis quarante-huit heures à l'air libre. 


♦ Remarques : 

• L'alliage fond au dessus de 510° : il devient alors inutilisable. Il est donc essentiel d'avoir des pyromètres précis et de les conrôler régulièrement pendant le chauffage. 

• L'utilisation de bains au lieu de fours électriques ou à gaz, oblige à décaper minutieusement l'alliage. 

• Coût des fours de traitement : le coût élevé des fours de traitement force le constructeur amateur à confier ces travaux à un professionnel bien outillé. 

• Protection : 
- Bains à l'huile cuite ; 
- Védalisation : le Védal ou Alclad est une tôle d'alliage à base d'aluminium recouverte sur les deux faces d'une couche d'aluminium très pure et très adhérente. Au contact de l'air libre, il se forme une pellicule d'alumine qui isole l'alliage. 
La tôle Védal (dural-védal), comme l'Alclad, est constituée d'une âme en aluminium / magnésium à qui l'on fait subir un traitement chimique alcalin qui crée une pellicule d'aluminium "pur" sur ses deux faces. 
L'Alclad est en fait une marque d'Alcoa utilisée come terme générique pour décrire une couche d'aluminium très pure déposée en surface d'un alliage à base d'aluminium et resistant à la corrosion. 

Dans l'industrie, le Védal ou Alclad est utilisé sous forme de tôles ou de bandes, principalement pour fabriquer des revêtements. 


♦ Emploi des alliages légers 

Les alliages légers sont utilisés sous différentes formes : 

• Barres étirées pour décolletage. 
Note : décolletage = usinage de barres sur des tours par enlèvement de matière pour donner des pièces cylindriques (vis, boulons, axes, etc.) 

• Tôles de 2 m. x 1 m. x 3/10e mm. à 50/10e mm., qu'on utilise pour fabriquer des bords d'attaque, des revêtements, des nervures ou des ferrures. 

• Tubes ronds, rectangulaires, profilés, à différentes dimensions : 
- Les tubes ronds entrent dans la fabrication des longerons d'ailes, des charpentes de fuselage, des charpentes d'empennage, etc. ; 
- Les tubes rectangulaires pour les longerons de voilure ; 
- Les tubes torpédos pour les jambes de train et les montants extérieurs. 

• Cornières et profilés : ils font l'objet de standards de dimensions, ou sont fabriqués par le constructeur amateur par cambrage de la tôle. 

• Rivets : ils sont recuits ou trempés ; on les utilise dans les quatre heures qui suivent la trempe, c'est à dire pendant le laps de temps où ils restent malléables. 


♦ Modes de calcul des alliages légers 

• En flexion, cisaillement, glissement, et en torsion : mêmes formules que pour l'acier. 

• En compression : notons que dans la formule d'Euler, E = 7000, et dans la formule de Rankine-Résal, K = 1/3000. Le duralumin est donc peu employé pour les pièces longues comprimées. 

• Au voilement : mêmes formules que pour l'acier, avec k = 1/1400 pour les tôles planes. 


♦ Résultats d'essais sur les rivets 

• Espacement : Les rivets ont le même espacement que pour l'acier. 
• Diamètre : Le diamètre du rivet est de trois à deux fois l'épaisseur de la tôle la plus mince à assembler, mais pratiquement, pour les tôles de 30/10e mm. à 50/10emm., le diamètre maximum du rivet est de 6 mm. 
• Résistance au cisaillement : pour les rivets en duralumin, on peut compter sur une résistance au cisaillement de 25kg. mm2
• Travail à l'appui, congés, travail des rivets, position des boulons : mêmes remarques que pour l'acier. 


♦ Alliages de fonderie 

• W. 41 : le W. 41 est l'alliage de fonderie léger au cuivre-titane qui possède la résistance mécanique la plus élevée connue actuellement. Caractéristiques : 

           R = 32 ; 
           E = 20 ; 
           A = 4 % ; 
           Densité ≈ 2,75 à 2,8 ; 

Composition approximative : 

           94 Al ; 
           5 Cu ; 
           0,2 Mg ; 
           0,3 Ti ; 
           0,5 Si et Fe ; 

• Alpax : cet alliage a la même composition que le duralumin, mais sa teneur en silicium est nettement plus élevée, tandis que sa teneur en aluminium diminue d'autant. Caractéristiques : 

           R = 16,5 ; 
           A = 4 % ; 
           Densité ≈ 2,6 à 2,8 ; 

Propriétés des alliages légers en aéronautique (fig. 6.8-1 Vallat 1944 Cours de RDM aviation) 



6.9 Les alliages ultra-légers à base de magnésium

♦ Notions générales sur les alliages ultra-légers 

Ces alliages à base de magnésium contiennent une petite proportion d'autres corps tels que Si, Al, Zn. Densité ≈ 1,7 à 1,9. Caractéristiques : 

• Alliage courant de forge : pour pèces usinées... 

           R = 25 ; 
           E = 16 ; 
           A = 12 % ; 

• Alliage normal de laminage : tôles... 

           R = 20 ; 
           E = 16 ; 
           A = 8 % ; 

• Alliage courant de moulage : pour les masses importantes travaillant peu, comme les cales, les carters, les pieds de mâts. 

           R = 17 ; 
           E = 9 ; 
           A = 5 % ; 


♦ Traitements des alliages ultra-légers 

• La protection du magnésium : s'appelle le mordançage, (décapage aux acides d'une surface métallique), cela consiste à immerger les pièces à base de magnésium dans un bain de chromates alcalins. 


♦ Emploi des alliages ultra-légers 

Voir tableau 6.9-1 ci-dessous. 

Propriétés des alliages ultra-légers à base de magnésium (fig. 6.9-1 Vallat 1944 Cours de RDM aviation) 

6.10 Autres métaux utilisés en aéronautique
nous citons pour mémoire : 

♦ l'Aluminium, densité ≈ 2,6 à 2,7, est utilisé pour les tôles de capotage, les tubes de canalisations, les pièces fondues pour raccords, les barres pour pièces décolletées telles que les poulies ou les boulons. 


♦ le Cuivre, densité ≈ 9 (d = 8,920), se trouve dans les fils électriques et dans les éléments de radiateurs. 


♦ >Etc. ... 


♦ Densité des métaux et alliages courants 

- densité de l'acier inoxydable type 304 : 8,02 
- densité de l'inconel: 8,25 
- densité du cuivre : 8.92 
- densité du plomb : 11,35 
- densité du zinc : 7,15 
- densité du titane : 5 
- densité du nickel : 8.9 
- densité des cupronickel (à 30 %) : 8,95 
- densité du laiton : 8,47 
- densité des alliages d'aluminium : 2,74 
- densité du fer : 7,32 
- densité du constantan (cupronickel 55-45) : 8,9 
- densité du zirconium : 6,5 
- densité des alliages de magnésium : 1,77 

La densité peut être rapprochée de la masse volumique : 
Par exemple, une densité égale à 8,00 correspond à une masse volumique de 8,00 g./cm3.


6.11 Les toiles et fils en aéronautique

♦ Quel revêtement choisir ? 

• Le métal se conserve bien, mais il est lourd et délicat à poser et il n'est intéressant que s'il participe à la résistance de l'ensemble de la machine. 

• Le bois : le revêtement en bois enduit et verni paraît intéressant à première vue, mais il est un peu plus lourd que la toile et plus difficile à poser et à remplacer, par ailleurs, l'expérience a montré que le bois s'altère à peu près aussi vite que la toile. 

• La toile est légère et, de plus, facile à poser et à remplacer. 


♦ Utilisation des toiles : voir cahiers du RSA n°266 à 268. 

• L'entoilage : diminue la traînée, il permet de créer un revêtement de tissu flexible, léger et résistant, tendu sur une ossature, telle que l'aile, les gouvernes ou le fuselage. 

• Le marouflage : consiste à augmenter la résistance d'uune surface de contreplaqué ou de bois en y collant un tissu. 

Dans les années 1920 à 1950, en aviation, on utilisait des tissus naturels tels que soie, coton et lin, puis la soie a vite été remplacée par le lin, et finalement on en est venu à utiliser presque exclusivement des toiles de lin. 

• La soie : était le meilleur rapport résistance/poids, mais elle était trop chère et vieillissait vite ; 
• Le coton d'Egypte : avait des fibres longues et fines et fut utilisé jusque vers 1970 ; 
• Le lin d'Irlande : à fibres longues et fines fut largement utilisé jusqu'en 1970 et au-delà. 

Aujourd'hui les tissus naturels sont pratiquement réservés à la restauration, pour entoiler des avions de collection anciens. Pour les petits avions de construction amateur, on utilise le plus souvent des tissus synthétiques polyester, le "dacron" ou le "tergal" (voir tableau 6.11-1 ci-dessous). 

Comparaison Ceconite, Diatex et Stits Poly-Fiber (tableau 6.11-1 Nigel Stevens 2009 cahier du RSA n°266) 



♦ La pose du tissu : on pose toujours la chaîne dans le sens de l'écoulement de l'air. Pour les surfaces qui subissent un gauchissement il est préférable de poser la toile en biais (à 45°). 
La chaîne : les fils de chaîne sont disposés dans la longueur du rouleau de tissu, ils sont tendus en nappe dans la longueur du métier à tisser, et enroulés sur deux "ensouples" (cylindres), le rouleau de chaîne et le rouleau d'étoffe. 
La trame : Les fils de trame croisent perpendiculairement les fils de chaîne et sont passés par la navette dessus-dessous les fils de chaîne. 

• Tension du tissu : on tend le tissu ... 
- en fixant les bords avec des clous, après avoir tiré dessus ; 
- en rétrécissant le tissu après l'avoir mouillé. Mais si le retrait n'est pas bien dosé, ceci risque de casser la structure ou d'alourdir l'avion par temps de pluie ; 
- ou en utilisant des enduits de tension (décrits ci-après). 
Aux Etats-Unis, on proposait même à une époque, pour certains types d'avions, des housses ayant la forme de la structure, mais contre toute attente, cela ne simplifiait pas forcément la pose, loin s'en faut. 


♦ La toile de lin : 
La toile de lin se présente en rouleaux d'environ 70 m. sur au moins 1 m. de large. Elle est décatie à l'eau chaude (tendue sur bâti, aspergée d'eau chaude, brossée) et non calandrée (passage au rouleau pour presser et écraser). 

On peut distinguer trois qualités de toile : 

M.R. ou moyenne résistance, pour les avions légers et les avions école (poids = 165 g./m2, résistance à la traction = 2000 kg./m. de large); 
H.R. ou haute résistance, pour les appareils de transport ou de guerre ; 
T.H.R. ou très haute résistance, pour les avions de chasse ou de course 


♦ Perte de résistance par vieillissement : 
Après cent heures de vol, même si elle est abritée des intempéries et des ultra-violets du soleil ou de la lune, une toile de revêtement perd environ 25 % de sa résistance primitive. 
- Les tissus naturels : subissent le pourrissement et la dégradation par les U.V. ; 
- Les tissus synthétiques : sont dégradés par les U.V., mais sont insensibles à l'humidité. Toutefois, ils peuvent provoquer une rétention d'eau contre la structure et provoquer ainsi son pourrissement ou sa corrosion (suivant le type de structure, bois ou métal). 

Les fibres synthétiques durent plus longtemps (≈ 20 ans) que les fibres naturelles (≈ 3 ans). De plus, les tissus synthétiques sont moins chers et plus faciles à mettre en œuvre. 

Avant de réentoiler, on peut tolérer jusqu'à 50 % de perte de résistance au maximum. Au delà, la toile perd toute sa souplesse : elle reste déformée et ne revient plus après une pression de la main. 

La résistance de la toile se vérifie sur des rondelles d'essai prélevées entre le tiers et le quart avant, qui correspond au maximum de poussée. Si la résistance vérifiée est inférieure de moitié à celle de la toile neuve, l'avion doit être impérativement réentoilé. 


♦ Les fils : voir cahiers du RSA n°266 à 268. 

• Le type de fil : 
Le type de fil à utiliser doit être de préférence du même type que la toile qu'on veut coudre : 

- Avec des tissus naturels tels que coton et lin, on utilise du fil de coton ou de lin (du pur lin, écru) ; 
- Avec des tissus synthétiques (polyester ou "dacron"), on utilise du fil polyester ou nylon. 
- Mais on peut aussi panacher, c'est à dire coiudre un tissu naturel avec du fil synthétique et vice versa. 

• Résistance du fil selon son usage : 

- Pour le fil à machine qui sert à coudre les toiles entre elles, le fil doit peser 20 g. pour 100 m. au maximum, et résister à une traction de 3 kg. au minimum. 
- Pour le fil à larder qui sert à fixer les toiles sur les nervures ou sur les treillis de fuselage, le fil doit peser 70 g. pour 100 m. au maximum, et résister à une traction de 15 kg. au minimum. 
- Pour le fil fouet qui sert à faire des laçages, le fil doit résister à une traction de 25 kg. au minimum. 

• Le lardage : permet d'attacher le tissu aux nervures à l'aide de fils noués. On passe les fils autour des nervures pour plaquer le tissu et transférer les forces d'aspiration aérodynamiques (sustentation) de la surface de la toile à la structure. Il a vite remplacé les baguettes clouées, ou les bandes de métal vissées ou rivetées.

6.12 Les enduits, vernis et peintures aéronautiques



♦ Les enduits :

Les enduits servent à tendre la toile, à la rendre plus résistante (de 25 % environ), à l'imperméabiliser et à la protéger du vieillissement causé par les U.V. du soleil ou de la lune. Ils servent aussi à constituer un support pour la peinture. 

Jusqu'en 1918, on utilisait l'émaillite comme enduit imperméabilisant, c'était une poudre de billes de verre mélangée à de l'acétone ; cet enduit vieillissait mal et devenait orangé sous l'action des U.V. Puis, pour résister aux U.V., on a utilisé des enduits à la poudre d'aluminium qui donnait une teinte argentée (et un aspect typiquement rétro). 

Les enduits courants sont aujourd'hui à base de nitrate de cellulose dissous et dilué, ils sont apparus dès 1920, ou bien, la cellulose acétate butyrate moins inflamable. Toutefois, seuls les enduits nitro-cellulosiques adhèrent bien sur les fibres de polyester ; sur cet enduit, on peut alors utiliser des peintures butyrates (ou nitrocellulosiques bien entendu). 

Il existe plusieurs sortes d'enduits : 
- Les enduits d'impression et à lisser fluides ; 
- Les enduits incolores visqueux ; 
- Les enduits-colle visqueux ; 
- Les enduits colorés visqueux. 

Les enduits sont étalés sur la toile à l'aide d'un pinceau plat ou queue de morue, ou avec un pistolet, dans des salles chauffées à environ 18° et ventilées. Le chauffage à 18° évite que l'enduit s'étale en plaques blanchâtres, et une bonne ventilation évite d'empoisonner le personnel. 

Pour réaliser un enduisage non pigmenté, on passe ... 
- 1 couche d'enduit d'impression ; 
- 2 couches d'enduit incolore ; 
- 1 couche d'enduit à lisser. 
Il faut attendre huit heures entre chaque couche et poncer la surface après application de la 2e et de la 3e couche. 

Pour réaliser un enduisage pigmenté, on passe ... 
- 1 couche d'enduit d'impression ; 
- 1 couche d'enduit incolore ; 
- 1 couche d'enduit coloré. 

On utilise au total 1 kg. / m2 d'enduit, dont la plus grande part s'évapore ; 

Pour de l'enduit incolore, le poids de la toile augmente de moins de 100 g. / m2, et de moins de 140 g. / m2 pour de l'enduit pigmenté ; 

La tension de la toile doit augmenter 300 à 400 kg. par mètre de largeur. 


♦ Exemples d'enduits de tension nitrocellulosiques : (existent depuis les années 1920 !) 

• Enduit de tension incolore nitrocellulosique, (réf E.4034 DIATEX) 
S’utilise pour tendre et stabiliser la tension, garnir, rigidifier et étanchéifier la toile. A appliquer avec une brosse plate ou un rouleau (pistolet interdit) en croisant les couches. 3-4 couches pour la DIATEX 2000, 2-3 couches pour la DIATEX 1500 et 2 couches pour la DIATEX 1000. Une heure est nécessaire entre 2 couches. S’utilise pur ou avec 10 % maxi de Diluant E4930. Pouvoir couvrant : environ 4 m² par litre et par couche. Temps de séchage final : 2 à 3 heures. Temps de séchage final conseillé avant peinture : 1 semaine 

• Enduit de tension aluminium nitrocellulosique, (réf E.4731 DIATEX) 
L'aluminium protège la toile contre les U.V. si on utilise des peintures autres que les peintures DIATEX. A appliquer avec un rouleau ou un pistolet sur 1 ou 2 couches à 10 mn d’intervalle, avec 20-25 % de Diluant E4930. Inutile si emploi des apprêts et peintures DIATEX. Peut-être utilisé comme « peinture » finale au look rétro, argenté, protégé par le vernis E5540. Très bon isolant, très efficace contre l’humidité. Pouvoir couvrant : 5 à 6 m² par litre et par couche. Temps séchage final : 1 heure.


♦ Les vernis :

Les vernis servent à protéger la toile contre la pluie, contre le vieillissement par les U.V. du soleil et de la lune, et le lissage améliore la traînée. Ils protègent aussi les bois et les métaux contre l'humidité, et le pourrissement qui en découle, ou contre la corrosion. 

Les vernis anciens étaient à base d'huile végétale (huile de lin) et de gomme. 
Les vernis les plus courants actuellement sont à base de nitrate de cellulose. 

Les vernis sont passés au pinceau oiu au pistolet, de préférence dans une température ambiante d'environ 15°, avec une hygrométrie faible (voir données fournisseur).


♦ Les peintures :

Les peintures sont des vernis colorés par des sels métalliques.
6.13 Les colles et le caoutchouc

Les colles servent à assembler les pièces de bois (colles fortes) ou à coller les feuilles de contreplaqué (colles à la fibrine ou à la bakélite). Le caoutchouc entre dans la composition des pneus et des chambres à air, des extenseurs, des durites et du caoutchouc-mousse.


♦ Les colles :

♦ Les différents types de colle : 

• 1) Colles minérales 

• 2) Colles de résines synthétiques thermodurcissables : 
           Phénol Formol 
           Résorcines Formol 
           Urée Formol 
           Mélamine Formol 
           Polyuréthane 
           Résines époxydes 

• 3) Colles de résines synthétiques thermoplastiques : 
           Acétate de polyvinyle 
           Polyamides 
           Chloroacétate de vinyle 

• 4) Produits cellulosiques et dérivés de l'amidon : 
           Acétate de cellulose 
           Nitrate de cellulose 
           Amidon 
           Dextrine 

• 5) Protéines : 
           Caséine Soja 

• 6) Colles animales, colle forte, colle de poisson : 
           Albumine de sang 
           Caséine 

• 7) Colles à base de caoutchouc naturel ou synthétique : 
           Latex 
           Caoutchouc naturel ou régénéré 
           Néoprène 
           Butabiène Acrylonitrile.



♦ Les colles aéronautiques courantes :

♦ Les colles anciennes : 

• Les colles fortes : sont à base de gélatine d'os, de cornes et de peaux. Elles se présentent sous forme de plaquettes jaune clair transparentes. 
La préparation consiste à mélanger 4 parties de colle et 6 parties d'eau, puis à chauffer le mélange au bain-marie jusqu'à ce qu'il devienne visqueux ; la solution se conserve douze heures. On l'utilise à environ 70° dans une salle chauffée à 30° (sinon, on réchauffe les pièces au fer à 30°. Les pièces à assembler sont d'abord brettées au rabot spécial (Bretter = Pratiquer des dentelures avec un ébauchoir dentelé pour dégrossir le bois) pis chauffées. Ensuite on applique la colle chaude et on serre les pièces fortement pendant douze heures. L'assemblage peut être utilisé après quarante-huit heures. Enfin les joints sont rendus insolubles à l'aide de formol. 

• Les colles à la caséine : sont plus simples à utiliser que les colles fortes ci-dessus, car sans contraintes de température. Elles se présentent sous forme d'une poudre blanche fine ou grenue (mais passant au tamis à la maille de 2 mm.). 
La préparation consiste à la dissoudre à froid dans l'équivalent de son propre volume d'eau ; on obtient ainsi un liquide fluide qui se conserve au maximum douze heures. Après assemblage, les pièces sont serrées et le séchage dure quarante-huit heures. 

• Les colles à la Fibrine : ou colles de sang contiennent 80 % d'albumine soluble. Elles se présentent sous forme de lamelles noires. 
On utilise ce type de colle uniquement pour coller les plis de contreplaqué entre eux. 

• Les colles à la bakélite (Tego-film) : sert aussi au collage des plis de contreplaqué. 


♦ Les colles nitrocellulosiques : au nitrate de cellulose 

• Enduit colle nitrocellulosique, (réf E.4038 DIATEX) 
Pour le collage de votre toile sur la structure bois, métal ou pour un collage toile-toile. A utiliser pur ou avec 20 % maximum de diluant E4930. Une heure d’attente entre chaque couche est nécessaire. A appliquer avec une brosse. Temps de séchage : 1 heure. 


♦ Les colles résorcine formol : 
Elles servent pour le collage des bois entre eux. Mises au point vers les années 1990, ce sont des combinaisons résorcine formol, phénol acétylène, furfurol formol, offrant une bonne tenue aux intempéries. Elles n'ont qu'un seul défaut : leur prix de revient assez élevé. 
Elles se présentent sous la forme d'une résine provenant de la polymérisation incomplète de la résorcine et du formol. Un durcisseur à base de formol, livré à part en même temps que la colle, permet à la polymérisation de reprendre et de se parachever. La polymérisation se produit en 4 à 5 heures à 25° ou 30°. Il faut répartir 200 à 250 g./m². sur les deux faces à assembler et les mettre en contact dans la demi-heure qui suit l'étendage de la colle. On attend environ un quart d'heure pour appliquer une pression de l'ordre de 2 à 5 Kg./cm². 

• Colles courantes à base de résorcine 
Ces colles sont compatibles avec la norme NFL 17-990 qui a remplacé en 1995 l'ancienne norme AIR 8105. Les colles agréées sont répertoriées dans le fasicule GSAC 62-15 §3 (4e édition de 04.1995). Des essais de fendage sur éprouvettes et des essais simplifiés sont proposés dans le fasicule GSAC 62-15 §4. 

Colles à base de résorcine les plus courantes (tableau 6.13-1 Nigel Stevens cahier du RSA n°265 p44, 2009)
ColleFabricant / fournisseurUsageAgrément
Aérodux 185/155 
ou Enocol (industrielle)
Bostik / Valex (Fr),
Friebe (D)
Avions en boisagréée en 1977 
norme AIR 8105
Sader Marine, sans phénol
(étiquette bleue)
Bostik / Air menuiserieAvions en boisagréée 
norme NFL 17-990
Sader Menuiseries extérieures
(étiquette verte)
Bostik / Gde distributionPortes, volets en boisnon agréée
pas d'essais disponible

En ce qui concerne la colle Sader Marine, ses caractéristiques mécaniques sont requises pour les dossiers de conception et de réparation. Elles figurent dans la note SM 08.01 d'Air Menuiserie, disponible sur demande par e-mail. 

Les données de sécurité sont sur [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien] ou sur [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]


♦ Le caoutchouc :

Le caoutchouc est tiré de la sève de certaines plantes tropicales telles que l'hévéa. A l'état naturel, il perdrait rapidement son élasticité ; il faut donc le "vulcaniser" par addition de 1,5 % de soufre. 
En aviation, le caoutchouc entre dans la composition des pneus et des chambres à air, des extenseurs, des durites et du caoutchouc-mousse. 

• Pneus et des chambres à air 
Les pneus d'avions sont conçus pour travailler à l'écrasement plutôt qu'au frottement. Ils sont donc très riches en gomme, et souvent renforcés par des toiles (textiles ou métalliques) noyées dans la gomme. 

Les chambres à air sont constituées d'une feuille de para (feuille de caoutchouc) très souple, enroulée sur un mandrin et soudée par dissolution suivant une génératrice ; on rapproche les extrémités du boudin obtenu, puis on les manchonne et on les soude. 
Le tableau des pneumatiques est donné Chapitre 2, §10.4.1 Calcul des contraintes appliquées au train d’atterrissage (Calcul des roues et des pneus). 

• Extenseurs 
Les extenseurs (ou tenders) sont un assemblage de fils de caoutchouc pure gomme et pur soufre à section carrée d'un mm. de côté. Le nombre de fils est fixé par le tableau standard 6.13-2 ci-dessous. Chacun de ces fils est couvert d'une tresse en fil glacé noir avec deux filets colorés, qui permettent de distinguer le type d'extenseur. 
On peut les utiliser comme amortisseurs (de train d'atterrissage ou de béquille), comme suspension d'instruments de bord, ou comme rappels élastiques de plans fixes. 

Tableau standard des extenseurs en caoutchouc (tableau 6.13-2 R.G. Desgrandschamps) 


Voir aussi le Chapitre 2, § 10.4.1 : Calcul des contraintes appliquées au train d’atterrissage (Amortisseurs à sandows). Le graphique 10.4.1-3 donne l'allongement par kg. ou par kgm. 

Amortisseurs à sandows : allongement (%) en fonction de la charge (K) et de l'énergie (Kgm.) absorbée (fig. 10.4.1-3 R.G. Desgrandschamps) 



• Durites 
Les durites sont des tubes qui raccordent les canalisations d'huile et d'eau, mais pas les canalisations d'essence. Elles doivent être souples, homogènes, fermes et résistantes aux agents physiques et chimiques. Ces tubes sont constitués d'une couche interne et d'une couche externe de caoutchouc, séparées par deux à quatre toiles de coton caoutchoutées. 

Dimensions des durites du commerce (tableau 6.13-3 R.G. Desgrandschamps) 



• Caoutchouc-mousse 
Le caoutchouc-mousse sert à confectionner les coussins, les garnitures d'habitacle, les joints de capot, etc. 
C'est une matière poreuse bien plus légère que l'eau, très souple, et donc un isolant thermique, acoustique et électrique qui absorbe les vibrations et les chocs. 
On fabrique le caoutchouc-mousse en emprisonnant des bulles d'air dans du caoutchouc en fusion.
6.14 Normes utilisables


Pour la cellule et les ailes, on peut utiliser l’ancienne norme française 2004-B (en système métrique), bien que pour un avion privé, son application ne soit pas exigée par le service technique de l'aéronautique, mais elle peut s'avérer utile. 

Pour le train on peut se baser sur la norme américaine FAR 23 bien qu'ici aussi aucun essai de rupture de l'atterrisseur ne soit exigé. 

Le tableau de propriétés ci-dessous est donné pour mémoire :
MATIEREMasse vol.
g/cm3
Mod. élasticité
Kg/mm2
Traction
Kg/mm2
Compression
Kg/mm2
Flexion
Kg/cm2
Peuplier0,4480063,15900
Spruce0,46100073,51000
Bouleau0,701100...
Frêne0,72120094,51500
Magnésium1,804500...
Alu 2017-A2,807400...
Carbone
pultrudé
1,5313400...
Acier A-377,8020000...


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