Tout commence avec quatre forces

Un avion en vol est soumis à quatre grandes forces :

• le poids, qui l’attire vers le sol ;
• la portance, principalement produite par les ailes et dirigée vers le haut ;
• la poussée, fournie par les moteurs et dirigée vers l’avant ;
• la traînée, la résistance de l’air qui s’oppose au déplacement.

En vol horizontal à vitesse constante, elles s’équilibrent globalement : la portance compense le poids et la poussée compense la traînée.

Reste évidemment la grande question : comment une aile arrive-t-elle à produire suffisamment de portance pour soulever un avion ?

Une aile ne traverse pas l’air sans le déranger

L’air nous paraît presque vide parce qu’il est invisible. Pourtant, il est constitué de molécules, possède une masse et exerce une pression.

Il suffit de sortir la main par la fenêtre d’une voiture en mouvement pour le sentir : inclinez-la légèrement et l’air exerce immédiatement une force dessus.

Une aile d’avion exploite ce phénomène de façon beaucoup plus précise.

Sa forme et son orientation modifient l’écoulement de l’air autour d’elle. Cela provoque une répartition particulière des pressions sur sa surface et dévie globalement de l’air vers le bas. Le résultat est une force aérodynamique dirigée vers le haut : la portance.

Pression et vitesse de l’air

L’air ne circule pas de la même manière partout autour de l’aile. L’écoulement est notamment accéléré au-dessus d’une aile produisant de la portance, ce qui s’accompagne d’une pression plus faible dans cette zone.

La répartition des pressions sur l’ensemble de l’aile contribue alors à la force qui la pousse vers le haut. Le principe de Bernoulli permet de décrire la relation entre vitesse et pression dans cet écoulement.

Et l’air est aussi dévié vers le bas

L’aile modifie également la direction de l’air et produit derrière elle un écoulement globalement orienté vers le bas, appelé downwash.

Si l’aile exerce une force sur l’air vers le bas, l’air exerce en retour une force sur l’aile. C’est une application de la troisième loi de Newton.

Non, deux molécules d’air n’ont pas rendez-vous derrière l’aile

Une explication très répandue raconte que l’air se sépare devant l’aile : une partie passe au-dessus et l’autre en dessous. Comme le trajet supérieur serait plus long, l’air du dessus devrait accélérer pour retrouver exactement au même moment l’air passé en dessous.

Cette explication est fausse.

Les deux portions d’air n’ont aucune obligation de se rejoindre derrière l’aile. La NASA cite d’ailleurs cette théorie du « temps de transit égal » parmi les mauvaises explications classiques de la portance.

La preuve que la forme bombée d’une aile ne suffit pas à tout expliquer : une aile relativement plate peut produire de la portance, et certains avions peuvent même voler à l’envers.

Vitesse, angle d’attaque et volets : le trio du décollage

Une aile ne produit pas toujours la même quantité de portance. Deux éléments jouent notamment un rôle essentiel : la vitesse de l’air autour de l’aile et son angle d’attaque.

L’angle d’attaque correspond à l’angle entre l’aile et l’air qui arrive sur elle.

Reprenons la main à la fenêtre de la voiture : presque à plat, elle réagit d’une certaine façon ; légèrement inclinée, elle est nettement poussée vers le haut ou vers le bas.

Au décollage, les moteurs accélèrent donc l’avion sur la piste. Lorsque sa vitesse devient suffisante, les ailes peuvent produire la portance nécessaire. Le pilote relève alors le nez de l’appareil, ce qui modifie notamment l’angle d’attaque, et l’avion quitte le sol.

À quoi servent les volets ?

Si vous avez déjà regardé une aile depuis un hublot pendant un décollage ou un atterrissage, vous avez probablement vu certaines parties de l’aile se déployer.

Ce sont notamment les volets.

En se déployant, ils modifient la forme et la courbure de l’aile et permettent de produire davantage de portance à basse vitesse.

Ils augmentent aussi la traînée. Une fois l’avion installé en croisière, ils sont donc normalement rentrés.

Pourquoi un avion peut-il décrocher ?

Augmenter l’angle d’attaque permet généralement d’obtenir davantage de portance, mais seulement jusqu’à une certaine limite.

Si cet angle devient trop important, l’écoulement de l’air finit par se décoller fortement de la surface de l’aile. La portance diminue alors brutalement : c’est le décrochage.

Le mot peut prêter à confusion. Un avion qui décroche n’a pas nécessairement un problème de moteur.

Alors comment un avion peut-il voler à l’envers ?

Voilà justement pourquoi l’explication « l’aile est bombée au-dessus, donc elle monte » est insuffisante.

Un avion adapté au vol inversé peut continuer à produire la force aérodynamique nécessaire grâce à la combinaison de son profil, de sa vitesse et surtout de son angle d’attaque par rapport à l’air.

Les avions de voltige utilisent notamment des profils d’ailes adaptés à ce type de manœuvre.

Une aile n’a donc pas besoin d’avoir obligatoirement un dessous parfaitement plat et un dessus très bombé pour produire de la portance.

Comment une aile peut-elle soulever autant de poids ?

Parce que l’avion traverse énormément d’air et que la portance est produite sur toute la surface de ses ailes.

Les ingénieurs résument les principaux facteurs avec une équation :

Portance = ½ × densité de l’air × vitesse² × surface de l’aile × coefficient de portance.

Pas besoin de sortir la calculatrice : l’équation montre surtout que la portance dépend de plusieurs éléments à la fois.

On y retrouve la densité de l’air, la surface de l’aile, ses caractéristiques aérodynamiques et surtout la vitesse, qui intervient au carré.

C’est aussi pourquoi la température, l’altitude, la masse de l’appareil et les conditions atmosphériques ont une importance dans les performances au décollage.

Alors pourquoi les ailes sont-elles aussi grandes ?

De grandes ailes permettent d’interagir avec une quantité considérable d’air et leur surface participe directement à la quantité de portance que l’appareil peut produire.

Mais les ingénieurs ne peuvent pas simplement les agrandir indéfiniment : cela ajouterait de la masse, des contraintes structurelles et potentiellement davantage de traînée.

Construire un avion consiste donc à trouver un compromis entre portance, masse, résistance de l’air, consommation, vitesse, stabilité et solidité.

Autrement dit : réussir à faire voler plusieurs dizaines de tonnes n’était apparemment pas encore assez compliqué.

Et si les moteurs s’arrêtent ?

L’avion ne tombe pas immédiatement comme une pierre.

Un avion privé de poussée peut continuer à voler en planant. Il descend progressivement afin de conserver suffisamment de vitesse par rapport à l’air.

C’est exactement ce qu’un planeur fait en permanence : il n’a pas besoin d’un moteur pour que ses ailes produisent de la portance. Sans courant ascendant suffisant, il perd simplement progressivement de l’altitude en avançant.

Les ailes longues et fines des planeurs sont justement conçues pour obtenir beaucoup de portance avec relativement peu de traînée.

Un avion de ligne peut lui aussi planer en cas de perte de poussée. La distance qu’il pourra parcourir dépend notamment de son altitude, de sa vitesse, de son aérodynamique et des conditions atmosphériques.

Une panne de moteurs reste évidemment une situation sérieuse. Mais « plus de moteur » ne signifie pas « plus de portance ».

Alors, pourquoi un avion vole-t-il ?

Parce que ses ailes exploitent son déplacement dans l’air pour produire de la portance.

Les moteurs fournissent principalement la poussée nécessaire pour avancer. Les ailes modifient ensuite l’écoulement de l’air autour d’elles : la répartition des pressions et la déviation de l’air produisent la force qui permet de s’opposer au poids de l’appareil.

Berlingote résume : prenez plusieurs dizaines de tonnes de métal, ajoutez des ailes soigneusement conçues, faites avancer l’ensemble suffisamment vite dans l’air et maîtrisez quatre forces physiques. Vous obtenez un avion. Personnellement, pour voyager, je continue de considérer le canapé comme une technologie remarquablement sous-estimée.

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