TECHNOLOGIE DES AERONEFS Structure des aéronefs Frédéric WILLOT

TECHNOLOGIE DES TECHNOLOGIE DES AERONEFSAERONEFS

Structure des aéronefsStructure des aéronefsFrédéric WILLOTFrédéric WILLOT

STRUCTURE DES AERONEFSSTRUCTURE DES AERONEFS

• I Composition générale d’un aéronef

• II Les différentes formules aérodynamiques

• III Les dispositifs hypersustentateurs

• IV Le train d’atterrissage

• V Les commandes de vol

• VI Structure de la cellule

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS I Composition générale d’un aéronef

• I -1 Composition générale des avions

• I-2 Composition générale des hélicoptères

I -1 Composition générale des avions

Jodel D1121: Hélice2: Moteur à piston 3: Verrière ou canopy 4: Cokpit ou cabine 5: Extrados de l’aile 6: Saumon d’aile7: Aileron 8: Empennage horizontal 9: Empennage vertical 10: Gouverne de profondeur 11: Gouverne de direction 12: Roulette de queue 13: Queue de l’avion 14: fuselage 15: Bord de fuite de l’aile16: Ailes17: Bord d’attaque 18: Train principal 19: Intrados de l’aile 20: Nez de l’avion

1 2 3 4 56

111213

AIRBUS A380

1: Cokpit2: Cabine3: Réacteurs4: Pylône d’attache5: Wynglet6: Bord de fuite7: Empennage h. monobloc8: Empennage vertical9: Auxilary Power Unit10: Aileron11: Volets de bord de fuite12: Becs de bord d’attaque13: Aile en flèche14: Train principal15: Emplanture d’aile16: Train auxiliaire

Mirage 2000C

10 1112

1: Tube de pitot2: Entrée d’air3: Becs de bord d’attaque4: Saumon d’aile5: Gouvernes de profondeur et gauchissement6: Tuyère du réacteur7: Gouverne de direction 8: Empennage vertical9: Aile delta10: Siège éjectable11: Cokpit12: Perche de ravitaillement en vol

permet d’accueillir l’équipage et le chargement de l’avion.

permettent d’obtenir la vitesse nécessaire au vol

Nous constatons que nous retrouvons les mêmes grandes parties dans toutes les structures.- Leur forme et leur taille varient mais leur fonction reste toujours sensiblement la même : - les ailes - l’empennage

- les moteurs

- Le fuselage

créent la portance et permettent le contrôle en roulis

assure la stabilité et le contrôle en tangage et en lacet

Certains avions sont optimisés pour des décollages et atterrissages courts, on les qualifie de ADAC ou STOL (Short Take Off and Landing), voire verticaux, on les qualifie alors de ADAV ou VTOL .

ADACSTOL

ADAV VTOL

• I -1 Composition générale des avions

• I-2 Composition générale des hélicoptères

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS I Composition générale d’un aéronefI -2 Composition générale des hélicoptères

Gazelle

1: Cokpit2: Cabine passagers3: Patins4: Fuselage5: Empennage horizontal6: Rotor de queue7: Empennage vertical8: Tuyère9: Pale10: Turbine11: Rotor principal

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS I Composition générale d’un aéronefI -2 Composition générale des hélicoptères

La portance des hélicoptères est assurée par .

Les jouent le rôle des ailes d’un avion.

Le permet de compenser la rotation parasite du rotor principal. Sans lui l’hélicoptère ne serait pas pilotable !

le rotor principal

pâles

rotor de queue

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS II Les différentes formules aérodynamiques

• II -1 Les différentes formes d ’ailes

• II-2 Les différentes formes de fuselage

• II-3 Les différentes formes d ’empennage

• II-4 Quelques configurations aérodynamiques

II -1 Les différentes formes d ’ailes

Piper Cub

Ailes droites

Ailes en flèche

Angle de flèche

Alphajet

Ailestrapézoïdales

II -1 Les différentes formes d ’ailesMirage 2000

Ailes delta

Spitfire

Ailes elliptiques

Biplan Staggerwing

Dièdre positif

Jet Provost

Angle de dièdre

Fiat G-22 Dièdre nul

Dièdre négatif

Alphajet

BroussardAile haute

Aile basse

Aile médiane

Fouga Magister

L ’allongement d ’une aile est un paramètre important pour ses performances. Il est défini par le rapport suivant:

L est l’envergure de l ’aile et S sa surface (y compris la partie traversant le fuselage).

• II -1 Les différentes formes d ’ailes

• II-2 Les différentes formes de fuselage

• II-3 Les différentes formes d ’empennage

• II-4 Quelques configurations aérodynamiques

II -2 Les différentes formes de fuselage

Le fuselage doit permettre d'emporter l'équipage, le carburant, la charge utile (s'il y en a) et doit également permettre de fixer les différentes parties de l'appareil pour assurer la cohésion de l'ensemble

Le fuselage doit permettre

Fuselage cylindrique

Section carrée

A-10 Thumderbolt II

Section en 8

AIRBUS A 300-600ST Belouga

Fuselage en coque de bateau

CL315TCanadair

• II -1 Les différentes formes d ’ailes• II-2 Les différentes formes de fuselage• II-3 Les différentes formes d ’empennage• II-4 Quelques configurations aérodynamiques

II -3 Les différentes formes d ’empennage

Empennage classique

Empennage en T

Bi-dérive

F 18 E

Empennage verticaluniquement

Mirage 2000

Canadair CL415T

Empennage cruciforme

Empennage papillon

CM170 Fouga Magister

• II -1 Les différentes formes d ’ailes• II-2 Les différentes formes de fuselage• II-3 Les différentes formes d ’empennage• II-4 Quelques configurations aérodynamiques

II -4 Quelques configurations aérodynamiques

Nous allons utiliser les connaissances acquises pour décrire les avions sur les photos suivantes.Nous en profiterons pour repérer quelques particularités sur certains aéronefs.

Savage

Ailes hautes, droites, dièdre nul.Empennage classique.

Ailes basses, droites, dièdre nul.Empennage classique.

Les planeurs:

Ailes médianes, droites, dièdre nul.Empennage en T.

CAP 232

Ailes basses, trapézoïdales, dièdre nul.Empennage classique.

Yak 55M

Ailes médianes, trapézoïdales, dièdre nul.Empennage classique.

Airbus A340-600

Ailes basses, en flèche, dièdre légèrement positif.Empennage classique.

Airbus A380

Ailes basses, en flèche, dièdre positif.Empennage classique.

Le parapente:

Aile haute, elliptique, dièdre négatif.Sans empennage.

Le deltaplane:Ailes hautes, en delta, dièdre négatif.Sans empennage.

Ailes basses, en delta, dièdre nul.Empennage canard.

Rafale B

Ailes médianes, en flèche, dièdre nul.Empennage double dérive.

SU30 Flanker

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS III Les dispositifs hypersustentateurs

Décollage et atterrissage: recherche d’une vitesse minimale :• distance nécessaires plus courtes• manœuvre plus facile utilisation de dispositifs hypersustentateurs= dispositif augmentant la portanceOn recherche pour:

Le décollage:

L’atterrissage:

Compromis entre bonne portance et faible traînée

Meilleure portance possible

• III-1 Les volets de bord de fuite

• III-2 Les dispositifs de bord d ’attaque

III-1 Les volets de bord de fuite

Les volets de bord de fuite augmentent la portance en modifiant la cambrure de l ’aile et parfois aussi sa surface.

Les effets des volets de bord de fuite:• augmentation plus ou moins importante de la portance (en fonction du braquage utilisé)• augmentation importante de la traînée• augmentation de la sensibilité au vent

Réduction de la vitesse de décrochage

Dispositifs les plus courants.

Utilisation normale des volets:

Décollageeffets recherchés:•

solution:

Atterrissageeffet recherché:• solution:

•diminuer la vitesse de décollage • garder une bonne accélération

Braquage limité des volets (1er cran)

diminution de la vitesse d ’approcheBraquage maximum des volets selon le vent.

Volets simples DR400

Volets Fowler A380

Volets à double fente EMB312

Volets Fowler A340

• III-1 Les volets de bord de fuite

• III-2 Les dispositifs de bord d ’attaque

III-2 Les dispositifs de bord d ’attaque

Les becs de bord d’attaque augmentent la portance en modifiant la cambrure de l’aile et parfois aussi sa surface.

Les effets des becs de bord d ’attaque:• augmentation plus ou moins importante de la portance (en fonction du type utilisé)• augmentation de la traînée• augmentation de la sensibilité au vent

Réduction de la vitesse de décrochage

Dispositifs les plus courants.

Utilisation normale des becs de bord d ’attaque:

DécollageLes dispositifs amovibles ne sont, en général, pas utilisés.

Atterrissageeffet recherché:

solution: Déploiement maximum des becs.

•diminution de la vitesse d ’approche

Becs de bord d’attaque

Bec de bord d ’attaqued ’un Mirage 2000

Dent de scie sur le bord d ’attaqued ’une aile d ’Alphajet.

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS IV Le train d ’atterrissage

• IV-1 Les différents types de trains d ’atterrissage

• IV-2 Constitution d ’un atterrisseur

IV-1 Les différents types de train d ’atterrissageLe train classique:Le plus répandu aux débuts de l’aviation. Sensible au vent et visibilité limitée vers l ’avant plus difficile au sol et à l ’atterrissage.

2 jambes de train principal et 1 roulette de queue

CAP 230

L’angle de garde est d’une vingtaine de degrés pour éviter le basculement sur le nez (mise en pylône).

IV-1 Les différents types de train d ’atterrissageTrain tricycle: Meilleure visibilité vers l’avant et moins sensible au vent.

2 jambes de train principal et 1 roulette de nez

Yak 18T

L’angle de garde est d’une quinzaine de degrés pour éviter le basculement sur la queue.

IV-1 Les différents types de train d ’atterrissageIl existe bien d’autres types de trains pour des applications particulières:• flotteurs ou coque (hydravions)• skis…Ci-dessous un exemple de train monotrace avec des balancines.

Harrier Gr7

• IV-1 Les différents types de trains d ’atterrissage

• IV-2 Constitution d ’un atterrisseur

IV-2 Constitution d ’un atterrisseur

Un train est caractérisé par son empattement et sa voie:

L’empattement

La voie

est la distance entre le train principal et le train auxiliaire.

est la distance entre les deux jambes du train principal.

IV-2 Constitution d ’un atterrisseur1

1: Vérin hydraulique

2: Jambe de train

3: Triangle anti-vrillage

4: Amortisseur

5: Roues

Train auxiliaire de Mirage 2000

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS

IV Le train d ’atterrissageIV-2 Constitution d ’un atterrisseur

1: Vérin hydraulique

2: Jambe de train

3: Triangle anti-vrillage

4: Amortisseur

5: Roue

Train principal de Mirage 2000

Le nombre de roues surune même Jambe de traind ’atterrissage est variable.Il peut aller de 1 à 6.

Train mono roue

Train principal de Mirage 2000

Train à 2 roues:diabolo

Train auxiliaire d’Embraer 175

Boogie 4 et 6 rouesTrain principal d’A380

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS V Les commandes de vol

• V-1 Les axes du mouvement

• V-2 Le Contrôle en tangage

• V-3 Le Contrôle en roulis

• V-4 Le Contrôle en lacet

• V-5 Les surfaces hybrides

• V-6 Les effets secondaires des commandes

• V-7 Le contrôle de la vitesse

• V-8 La compensation statique des gouvernes

• V-9 Les dispositifs de transmission

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS V Les commandes de volV-1 Les axes du mouvement

A xe d e ro ulis

A xe d e lace t

A xe d etangage

Axe de tangage

Axe de roulis

Axe de lacet

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS V Les commandes de volV-2 Le contrôle en tangage

Le contrôle en tangage est assuré par l’intermédiaire du manche ou du volant que l’on actionne

Si on pousse le manche,l’avion pique.

Si on tire le manche,l’avion cabre.

Le braquage de élévateurs est toujours symétrique.

d’avant en arrière.

Gouverne de profondeurou élévateur

CAP 10B

Elévateurs

Le contrôle en profondeurest assuré par un empennage monobloc de type canard sur le Rafale.

Le contrôle en roulis est assuré par l’intermédiaire du manche ou du volant que l’on actionne

V-3 Le contrôle en roulis

Si on incline le manche à gauche,l’avion s’incline à gauche.

Si on incline le manche à droite,l’avion s’incline à droite.

de gauche à droite.

Les gouvernes correspondantes s’appellent des ailerons.

Le braquage des ailerons est dissymétrique

CAP 10B

Sur ce Junkers 52,les ailerons occupent le bord de fuite de l’aile sur toute l’envergure.

L ’aileron est levé du côté de l’aile qui descend et il est abaissé du côté de l’aile qui monte.

V-4 Le contrôle en lacetLe contrôle en lacet est assuré par l’intermédiaire du palonnier que l’on actionne au pied

La gouverne de direction se trouve sur la dérive.On l’appelle parfois drapeau de la dérive.

en poussant à gauche ou à droite.

V-4 Le contrôle en lacet

Si on met du pied à gauche,le nez part à gauche.

Si on met du pied à droite,le nez part à droite.

V-4 Le contrôle en lacet

Les avions de voltige ont des gouvernes de grande taille pour assurer une bonne manœuvrabilité.

CAP 10B

V-5 Les surfaces hybrides

Les gouvernes ne sont pas toujours séparées sur les trois axes.Le contrôle en tangage et en roulis est assuré par les mêmes gouvernes sur la dérive papillon de ce fouga magister.

V-5 Les surfaces hybrides

Elévateur + volet

Elévateur + aileron = élevon

Mirage 2000

V-6 Les effets secondaires des commandes

LA PROFONDEUR:

Effets primaires:•

Effets secondaires:•

Si on tire sur le manche, le nez de l’avion monte et la vitesse diminue.

Si on pousse sur le manche, le nez de l’avion descend et la vitesse augmente.

•le nez monte ou descend• la vitesse augmente ou diminue

•Aucun

LE GAUCHISSEMENT:

Si on incline le manche à gauche, l’avion s’incline à gauche et le nez part à droite.

•l’avion s’incline à droite ou à gauche

•le nez part en sens inverse de l’inclinaison = lacet inverse

LA DIRECTION:

Si on met du pied à gauche, le nez de l’avion part à gauche et les ailes s’inclinent à gauche.

le nez de l’avion part à droite ou à gauche

les ailes s’inclinent dans le même sens que le déplacement du nez = roulis induit

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS V Les commandes de volV-7 Le contrôle de la vitesse

La manette des gaz permet de contrôler la puissance du moteur.Pour accélérer on augmente la puissance et pour décélérer on réduit la puissance.

Pour obtenir une décélération efficace il faut utiliser un frein aérodynamique ou aérofrein.On peut aussi utiliser des spoilers montés sur les ailes.Ils sont utilisés sur les avions rapides et sur les planeurs.

Aérofrein de F86 Sabre

Spoiler de Falcon 7X

Les aérofreins du Su 25 Frogfoot sont situés au bout des ailes.

V-8 La compensation statique des gouvernes

Sur les surfaces mobiles il y a des efforts aérodynamiques. Si les gouvernes ne sont pas bien équilibrées, elles peuvent osciller dangereusement autour de leur axe.Pour éviter cela on les équilibre, avec des masselottes.La compensation des gouvernes permet de soulager les efforts du pilote pour les maintenir dans une position donnée (utilisation de tabs ou gouvernes déportées = compensateurs d’évolutions).Elle peut permettre également d’annuler le efforts pour maintenir une attitude donnée (utilisation de trims = compensateurs de régime).

V-8 La compensation statique des gouvernes

Tab réglab le au so l Tab réglab le en vo l

Exemples de dispositifs de compensation statique des gouvernes.

Compensateur d’évolutions

Compensateur de régime

V-9 Les dispositifs de transmission

Il existe trois types de transmission classiques pour les commandes de vol:• les transmissions directes par câble ou par bielles• les transmissions hydrauliques• les transmissions électriques

La transmission directe par câble métallique ou par bielle fut la première utilisée.

Elle est toujours employée pour les avions légers est pas trop rapides.

Les efforts aux commandes pour ces aéronefs restent raisonnables et une personne normalement constituée peut piloter ses appareils sans problème.

Transmission directe par câble pour la profondeur:

commande gouverneManche ou volant Elévateurs

Transmission directe par câble pour le gauchissement:

commande

gouverne

Manche ou volant

Ailerons

Transmission directe par câble pour la direction:

commandegouverne

Palonnier

Gouverne de direction

La taille, le poids et la vitesse des aéronefs ont augmenté les efforts aux commandes aussi.

Il faut assister le pilote dans les efforts à fournir on utilise l’énergie hydraulique.L ’action aux commandes est transmise par des bielles jusqu’à des servocommandes qui actionnent les gouvernes.

Servocommande

Bielle

Gouverne

Il faut assister le pilote à l’aide d ’un ordinateur. Cela s ’appelle des commandes de vol électriques (CDVE) ou fly by wire (FBW).

Pour rendre les aéronefs plus manœuvrants (avions de combat) ou pour économiser du carburant (avions de ligne), il faut diminuer la stabilité des aéronefs. le pilotage devient délicat, voir impossible.

PiloteCommandes(Manche et palonnier)

Ordinateuravec

modèle de vol

Moteurélectrique

Servo-commande

Gouvernes

Principe d ’une chaîne de commandes de vol électriques

Effort physique Signauxélectriques

Action hydraulique

Les commandes de vol électriques apportent les avantages suivants:• rendre pilotables des avions instables• optimiser les actions aux commandes du pilote• supprimer la gestion des effets secondaires• interdire les sorties du domaine de vol• diminuer la consommation en croisière

Elles sont utilisées pour les avions de combat modernes et pour les avions de ligne. Elles feront prochainement leur apparition sur les jets d ’affaire.

Servocommandes

Vérin hydraulique

Gouverne

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS VI Structure d’un aéronef

• VI-1 Efforts appliqués sur un aéronef et matériaux de construction

• VI-2 Structure d ’un fuselage

• VI-3 Structure d ’une aile

VI-1 Efforts appliqués sur un aéronef et matériaux de construction

T r a c tio n C o m p r e s s io nC is a ille m e n t

F le x io n T o r s io n F le x io n + to r s io n

Les principaux efforts auxquels est soumise la structure d ’un aéronef:

Compression

Traction

Flexion des ailes d ’un planeur sous l ’effet de la portance.

Historiquement :• bois et toile• bois recouvert de contre-plaqué• structure métallique• matériaux composites• structures mixtes

Structure en bois et toile:

Avantages:• le bois est à la fois souple et résistant• il est relativement facile à travailler• il s’assemble par collageInconvénients:• sensible à l ’humidité• évolue dans le temps• le revêtement doit être régulièrement refait

Les bois utilisés:• épicéa• acajou• frêne• sapin …Les toiles utilisées:• lin• coton• dacron ...

Pour les avions rapides on remplace le revêtement en toile par du contre-plaqué afin d’augmenter la rigidité de l’ensemble de la structure et de limiter les déformations aux grandes vitesses.Le bois résiste deux fois mieux à la traction qu’à la compression. Les semelles d’extrados des longerons sont donc plus épaisses que les semelles d’intrados.

Sopwith Triplane

Structure métallique:

Avantages:• le métal est plus rigide et plus résistant• peut former des alliages selon les propriétés voulues• s’assemble par boulonnage, rivetage ou collageInconvénients:• plus ou moins sensible à la corrosion• se déforme irréversiblement sous forte contrainte • relativement lourd

Les métaux utilisés:On utilise essentiellement des alliages pour obtenir à la fois légèreté, bonne résistance mécanique et résistance à la corrosion. Ils sont à base de:• aluminium (léger et résistant à l ’oxydation)• cuivre (résistant)• titane (résiste aux haute températures et fortes contraintes).

CM 170 Fouga Magister

Structure en matériaux composites:

Avantages:• encaissent de fortes contraintes sans rupture ni déformations résiduelles• permettent de réaliser n ’importe quelle forme• insensibles à la corrosionInconvénients:• plus ou moins difficiles à polymériser• leur assemblage (collage, rivetage, boulonnage) peut être problématique

Les matériaux utilisés:On utilise essentiellement des polymères (longues chaînes de molécules identiques) ou des résines. Les composants peuvent être divers: polyéthylène, résines époxy, fibres de verre,….

Les composants de ces matériaux sont en général très toxiques et leur manipulation n ’est pas sans risques pour les opérateurs et pour l ’environnement.

Structures mixtes:

Les raisons de l’emploi d’une structure mixte (alliant plusieurs des types vus précédemment) peuvent être diverses:• coût• disponibilité des matériaux• difficultés d ’usinage ou d ’assemblage ….Beaucoup d’avions de transport ou de combat modernes ont des structures mixtes métal - matériaux composites.

Voilure et empennages en matériaux composites

Fuselage métallique

• VI-2 Structure d’un fuselage

• VI-3 Structure d’une aile

STRUCTURE DES AERONEFS STRUCTURE DES AERONEFS VI Structure d’un aéronefVI-2 Structure d’un fuselage

Structure en treillis:

Dans cette structure on constitue un squelette du fuselage à l ’aide de poutres en bois ou de tubes métalliques.

Les poutres traversant l’avion de la queue jusqu’au nez sont appelées longerons.Les autres sont appelées traverses.

L’ensemble est recouvert d’un revêtement non travaillant.

Longeron

Traverses

Longeron

Traverses

Structure Monocoque:

Dans cette structure on réalise un assemblage de cadres par l’intermédiaire d’un revêtement travaillant.

Les cadres sont des éléments de structure perpendiculaires à l’axe longitudinal (ligne de foi) de l’avion. Ils donnent la forme d ’une coupe du fuselage perpendiculairement à cet axe.

Les revêtement est dit travaillant parce qu’il participe de façon importante à la rigidité du fuselage.

Cadres

Revêtementtravaillant

Cadres

Revêtementtravaillant

Structure Semi-monocoque:

Dans cette structure on réalise un assemblage de cadres par l ’intermédiaire de longerons et de lisses. Le tout étant recouvert d ’un revêtement non travaillant.

Les lisses sont des tiges longitudinales reliant 2 ou plusieurs cadres. Elles assistent les longerons pour assurer la rigidité du fuselages mais elles sont bien plus petites.

Le revêtement est dit non travaillant parce qu’il ne participe pas de façon importante à la rigidité du fuselage.

Cadres

Longerons

Lisses

Longerons

Cadre Lisses

• VI-2 Structure d’un fuselage

• VI-3 Structure d’une aile

VI-3 Structure d’une aile

La structure la plus classique s’apparente à la structure semi-monocoque. Les cadres sont alors appelés des nervures.L ’aile peut-être alors mono-longeron ou multi-longerons.Le revêtement de l’aile est alors en général non travaillant.

Une autre structure classique est dite en caisson : un ensemble d ’éléments longitudinaux et transversaux forme des caissons recouverts par un revêtement travaillant.

LongeronNervure

Montage d’un Airbus A340-600

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TECHNOLOGIE DES AERONEFS Structure des aéronefs Frédéric WILLOT

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