Étude des aéronefs et des engins
spatiaux
Classification des aéronefs et des
engins spatiaux
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérostats (plus légers que l’air):
Ballon captif Ballon à air chaud Ballon à gaz
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérostats (plus légers que l’air):
Dirigeables (propulsés)
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Cerfs volants Deltaplanes
Non motorisés :
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Non motorisés :
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Non motorisés :
Planeur
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure fixe:
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure fixe:
Avions : Concorde Avions : Cessna
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure fixe:
ULM multiaxes ULM pendulaire
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure fixe:
ULM paramoteur
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure tournante:
Autogyre Gyrocoptère
le rotor libre d'un autogire n’est pas actionné par un moteur, mais est
entraîné par le vent relatif qui vient de l'avant produit par la vitesse lorsque
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure tournante:
Hélicoptère
Vitesse maxi 350 km/h rotor anticouple
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure tournante: Hybride : hélicoptère + avion
L'appareil, qui est porté par son rotor mais aussi par deux petites ailes, est Pas de rotor
anticouple
Classification des aéronefs et des engins spatiaux
Aérodynes (plus lourds que l’air):
Motorisés à voilure tournante: Hybride : hélicoptère + avion
Le X2 est doté de deux rotors superposés au-dessus de la cabine, qui tournent en sens contraire (contrarotatifs), ce qui permet de neutraliser l'effet giratoire généré par un rotor unique et autorise ainsi une vitesse accrue. L'utilisation de ce double rotor permet de supprimer le rotor de queue utilisé pour stabiliser les hélicoptères traditionnels
Les groupes motopropulseurs
Les propulseurs sont des machines composées d'un moteur thermique ayant pour fonction de fournir l'énergie nécessaire à :
- la propulsion de l'aéronef
- l'entrainement des équipements et servitudes de bord ( production d'électricité...)
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Moteur à pistons de 118 cv à 2500 t/min. 4 cylindres à plats.
Cylindrée 3.82 litres et refroidissement par air.
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Principe de fonctionnement du moteur à quatre temps
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Montage des cylindres : Exemples les plus courants
En ligne En V A plat
(boxer)
En étoile
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Montage des cylindres : Exemples les plus courants
En ligne en H
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Montage des cylindres : exemples les plus courants
En V Hispano-Suiza – V – 8be-220 CV
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Montage des cylindres: exemples les plus courants
En étoile
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Alimentation en carburant : Pour que l'essence parvienne des réservoirs jusqu'au dispositif de mélange, on utilise une
pompe mécanique
entraînée par le moteur, doublée d'une pompe électrique de secours.
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Elaboration du mélange air-essence :
Deux procédés sont utilisés pour produire un mélange air – essence qui permette l'inflammation dans les cylindres :
• l'injection, qui consiste à injecter de très fines gouttelettes (brumisation) d'essence dans la canal d’admission vers les cylindres, en amont de la soupape d’admission.
• la carburation, qui assure l'élaboration du mélange air – essence dans le carburateur, avant son admission dans les cylindres.
La proportion idéale du mélange air-essence est de 15 g d’air pour 1 g d’essence On appelle mélange riche lorsque la proportion est supérieure à 1/15
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Elaboration du mélange air-essence : Injections
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Elaboration du mélange air-essence : Carburation
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Elaboration du mélange air-essence : Carburation : le givrage du carburateur Le givrage du carburateur est
dangereux car il peut obstruer l’arrivée des gaz vers les cylindres.
Il peut se produire par détente des gaz au niveau du papillon. Ce risque est favorisé par :
• Bas régime
• Température carburateur entre 0°C et 10°C
• Température extérieure inférieure à 20°C
• Atmosphère humide
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Allumage : Production d’une étincelle permettant de démarrer la combustion du mélange.
Il est réalisé par une bougie alimentée par une magnéto.
Il est quasiment toujours doublé (2 bougies par cylindre).
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Allumage : Production d’une étincelle permettant de démarrer la combustion du mélange.
Les magnétos sont entrainées par le moteur
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Carburant :
Le moteur doit toujours être alimenté par le carburant prescrit par le constructeur Le carburant se caractérise par son indice d’octane (<100) ou par son indice
de performance (100 et plus) Indice d’octane
80/87 couleur rose 100 LL couleur bleue
Mélange pauvre Mélange riche
Indice de performance
100/130 couleur verte 115/145 couleur violette
Mélange pauvre Mélange riche
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Contrôle du fonctionnement
Tachymètre
Température et pression d’huile Pression carburant ou débit et pression d’admission
Les groupes motopropulseurs
Moteurs à pistons: Le Groupe MotoPropulseur (GMP)
Performances et utilisation :
• Performances :
• Puissances de 60 à plus de 3000 ch (2,2 MW)
• Vitesses jusqu’ à environ 700 km.h-1
• Utilisation :
• Avion de tourisme
Les groupes Turboréacteurs
Le Groupe turboréacteur (GTR)
• Des gaz sous pression dans une enveloppe s’échappent vers la zone de plus basse pression
• Le surcroit de pression se transforme en vitesse conformément au théorème de Bernoulli
2 p V
p
2
air
• La masse d’air expulsée crée une force sur l’enveloppe, c’est la poussée par réaction :
air m
poussée
D V
F
p, p’ : pression en Pa
Vair: vitesse des gaz expulsé en m.s-1
: masse volumique du gaz en kg.m-3
F: force en N
Dm: débit massique en kg.s-1 Principe :
Les groupes Turboréacteurs
Le Groupe turboréacteur (GTR)
Principe d’un turbo réacteur monocorps monoflux:
Tuyère Gaz éjecté à vitesse Vs
Chambre de combustion Gaz admis vitesse Ve
Compresseur Roue
mobile Roue fixe
Turbine Roue
mobile Roue fixe Cône
d’entrée
Les groupes Turboréacteurs
Le Groupe turboréacteur (GTR)
Principe d’un turbo réacteur double corps double flux:
Flux secondaire (froid) Flux primaire
1 C 2 C 2 T 1 T
Groupe 1C et 1T : 1er corps (ensemble compresseur et turbine) Groupe 2C et 2T : 2eme corps monté sur un deuxième arbre
Fan ou soufflante
Fan = très grosse hélice multi-pales
Les groupes Turboréacteurs
Le Groupe turboréacteur (GTR)
Principe d’un turbo réacteur double corps double flux:
• Permet de diminuer la consommation spécifique : F
Csp CH CH : consommation horaire g.s-1 F : poussée en kN
Csp monocorps monoflux : 35 g.(kN.s)-1
Csp double corps double flux : 8.7 g.(kN.s)-1 (General Electric CF6 A330 B767)
• Augmente de façon importante la poussée à peu de frais ( grands fans des réacteurs civil)
• Taux de dilution : rapport des masses flux sec. froid / flux prim. chaud Actuellement taux de dilution égal à 8
Les groupes Turboréacteurs
Le Groupe turboréacteur (GTR)
Principe d’un turbo réacteur double corps double flux:
General Electric CF6 A-330 B-767
Les groupes Turboréacteurs
Le Groupe turboréacteur (GTR)
Postcombustion :
Il reste assez d’oxygène après combustion dans la tuyère pour bruler du carburant
• Employée sur les avions militaires
• Surcroit de poussée 20 à 30 %
Les groupes Turboréacteurs
Le Groupe turboréacteur (GTR)
• Contrôle du fonctionnement
• Tachymètre gradué en % indique le régime de fonctionnement
• Température tuyère (EGT)
• Température et pression d’huile de lubrification
• Poussée de 500 daN à 30 000 daN
• Utilisations :
• Avions de ligne (masse 300 T à 800 km.h-1)
• Avions de combat (masse 30 T à 2500 km.h-1)
• Carburant utilisé : Kérosène (52 kg.min-1 pour le M53 du mirage 2000 plein gaz avec la PC : une heure de fonctionnement sans réservoir supplémentaire)
tachymètre du compresseur basse pression (concorde)
Les Statoréacteurs
Le Statoréacteur
Un statoréacteur est un réacteur sans parties mobiles :
• Il nécessite une vitesse initiale pour pouvoir être allumé
• Il est utilisé pour les missiles
Les Groupes turbopropulseurs
Le turbopropulseur :
Principe des turbopropulseurs :
• On utilise une turbine pour faire tourner une hélice
• Les turbines prennent un maximum d’énergie aux gaz brulés
• Il n’y a presque pas de poussée (10 %)
• La turbine peut être mono-corps ou multi-corps et mono-flux ou multi-flux
Les Groupes turbopropulseurs
Le turbopropulseur :
Performances :
• Puissances de 300 à 11 000 ch (220à 8100 kW)
• Vitesse de prédilection : 300à 800 km.h-1 Utilisations :
• Avions de transports régionaux
• Avions de transports militaires
• Avions de servitude (épandage, largage para, brousse…
• Avions d’affaires
• Hélicoptères
Les Groupes turbopropulseurs
Le Pratt & Whitney Canada PW100 est une famille de turbopropulseurs de 2 000 à 5 000 chevaux-vapeur (1 500 à 3 700 kW)
ATR 42 : muni de deux turbo propulseurs Pratt et Whitney ATR 42
Les Groupes turbopropulseurs
La puissance maximale sur l'arbre s'élève à environ 11 000 HP (8 203 kW), avec un taux de compression de 25:1 et une température de turbine de 1 500 K.
A 400 M
A remarquer les deux hélices contra rotatives
Avion propulsé par 4 turbo propulseurs
TP400-D6 fabriqués par la SNECMA à Istres
Hélices et rotors
Principe :
C’est un dispositif qui permet de transformer l’énergie mécanique fournie par le moteur en une force tractive ou propulsive directement utilisable par l’avion pour se déplacer.
Elle est constituée :
• De deux ou plusieurs pales fixées sur le moyeu
• D’un moyeux centré sur l'arbre de sortie du moteur,
Hélices et rotors
Principe :Vrillage et angle de calage
Chaque pale est une juxtaposition de profils aérodynamiques dont les caractéristiques évoluent depuis le moyeu jusqu’à son extrémité. Ce principe est appelé vrillage
1
2
3
Le vrillage de la pale de l'hélice se caractérise par la mesure de l'angle entre la corde du profil de bout de pale et la corde du profil de pied de pale
Pied de pale
0.7 x R
Corde d’un profil
Section de base
Hélices et rotors
Principe :Vrillage et angle de calage
: Angle de calage formé entre : la corde de l’un des profils
et
le plan de rotation de l’hélice.
La pale étant vrillée, par convention on dit que le calage est celui du profil se situant à 70% du rayon maximum.
: angle de calage de l’hélice mesuré pour 0,7 x R
Plus on s’éloigne de l’axe de l’hélice plus l’angle de calage est petit
Hélices et rotors
Principe : Pas de l’hélice
A rA
Le point A est un point de l’hélice de l’avion situé à un rayon rA de l’axe de rotation Lors d’un vol , le point A possède par rapport au sol une trajectoire hélicoïdale
A rA
A
Hélices et rotors
Principe : Pas de l’hélice
En développant une section d'hélice on constate que le point A a subi pour une rotation de un tour, une translation égale à une distance appelée le pas
Trajectoire hélicoïdale
rA
2
Pas théorique
Le pas théorique est la distance parcourue par l'hélice en un tour suivant l'axe de rotation de l'hélice.
Axe de rotation de l’hélice
Hélices et rotors
Principe : Pas de l’hélice
Le pas géométrique de l'hélice est défini généralement comme étant le pas de la section située à une distance de r = 0,7 R de l'hélice
Pas géométrique = 2 π r tan θ
Le pas effectif est la distance effectivement parcourue par l'avion pendant un tour d'hélice. En effet l'hélice peut tourner sans que l'avion avance.
Hélices et rotors
Principe : Fonctionnement aérodynamique
Prenons une section de pale situé à r = 0.7 x R de l'axe de l'hélice.
Nous avons:
Le point A du profil de référence d'une pale d'hélice en mouvement est soumis à deux vitesses:
• θ : angle de calage
• β : angle d'avancement
• α : angle d'incidence
• Vr : vitesse relative du point A
• Vt : vitesse tangentielle, égale à 2 π. r.n (n : vitesse de rotation en tours/s).
• Va : vitesse en translation en m/s, vitesse d'avancement ou vitesse de l'avion.
Hélices et rotors
Principe : Fonctionnement aérodynamique
Comme pour l'aile une section de pale d'une hélice attaque l'air suivant un angle d'incidence α et va développer une résultante aérodynamique Ra qui se
décompose:
• Une force de traction Ft suivant l'axe de l'hélice et dans le sens du mouvement.
• Une force de résistante Fr opposée à la rotation et à l'origine d'un couple résistant.
Hélices et rotors
Principe : Fonctionnement aérodynamique
Le rendement de l’hélice et les phases de fonctionnement sont fonction du rapport Va/Vt.
Fonctionnement en traction
<
Fonctionnement en transparence
=
Fonctionnement en frein
>
Hélices et rotors
Principe : Fonctionnement aérodynamique
Le rendement de l’hélice et les phases de fonctionnement sont fonction du rapport Va/Vt.
0.8 =
=0=0
maxi 0.8
Va =0
= 0
Hélices et rotors
Principe : Pas variable
Pour bénéficier d’un meilleur rendement sur une plage de vitesses très étendue (décollage, croisière, remorquage, ...),
il était nécessaire de permettre une variation de l’angle de calage des pales de l’hélice dans toutes ces différentes phases de vol.
Croisière : «grand pas» adapté au régime de vol(traction faible mais grande vitesse)
A chaque régime de vol correspondra donc un pas approprié :
Décollage : «petit pas» (forte traction et accélération mais vitesse limitée).
Hélices et rotors
Principe : Pas variable
Calage en drapeau : La trainée est minimale. Ce calage est adopté en cas de panne moteur
= 90 °
Hélices et rotors
Souffle hélicoïdal :
La rotation de l’hélice produit un courant d’air qui s’enroule autour du fuselage et qui vient «frapper» l’empennage vertical du côté de la pale montante
Hélices et rotors
Souffle hélicoïdal:
Si l’hélice tourne dans le sens des aiguilles d’une montre (vu de la place du pilote), le souffle
hélicoïdal provoque une rotation en lacet du côté gauche.
Lors de la mise en puissance, un avion dont l’hélice tourne dans le sens des aiguilles d’une montre aura tendance à aller vers la gauche (lacet gauche). Pour empêcher ceci, le pilote doit
Hélices et rotors
Couple gyroscopique:
L’hélice en rotation présente les mêmes caractéristiques qu’un gyroscope.
Ainsi, toute sollicitation en mouvement, autour de l’un des deux axes perpendiculaire à l’axe de rotation, aura pour conséquence une rotation effective sur l’autre axe (à 90°).
Causes d’apparition du phénomène :
Ce phénomène particulier s’appelle la précession gyroscopique et son intensité croît avec la vitesse de rotation du gyroscope.
Hélices et rotors
Couple gyroscopique:
Effets en utilisation et remèdes :
La précession gyroscopique se manifeste, sur un avion monomoteur à train d’atterrissage classique, lors de la mise en ligne de vol au roulage pour le décollage (hélice en pas à droite)
Hélices et rotors
Couple gyroscopique:
Effets en utilisation et remèdes :
La précession gyroscopique se manifeste, sur un avion monomoteur à train d’atterrissage classique, lors de la mise en ligne de vol au roulage pour le décollage (hélice en pas à droite)
Hélices et rotors
Couple gyroscopique:
Effets en utilisation et remèdes :
Hélices et rotors
Couple gyroscopique:
Par effet gyroscopique, une action à piquer sur le manche engendre un lacet à gauche.
Pour contrer ce phénomène, le pilote agit sur les commandes de vol primaires en fonction des effets observés.
Hélices et rotors
Couple gyroscopique:
Pour se souvenir des différents effets gyroscopiques possibles sur un avion, il est judicieux de retenir ce qui suit :
Hélices et rotors
Couple gyroscopique:
Remarque :
Pour annuler l’effet gyroscopique de l’hélice, sur un avion monomoteur, il faudrait utiliser deux hélices contrarotatives.
