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Les drones aériens, comment volent-ils ? Histoire de portance...

Après l’évocation des caractéristiques techniques dans la partie précédente, nous pouvons nous demander quels principes physiques permettent à un drone de voler ?

 

 

 

Ce phénomène est rendu possible grâce à une force appelée la portance.

 

 

  • Contrairement aux idées reçues, l’origine de la portance d’une aile (ou d'une pale dans le cas d'un drone à hélices) n’est que très peu liée au théorème de Bernoulli. 

En effet, d’après ce théorème, la portance est provoquée par une différence de pression entre la partie supérieure de l’aile (extrados) et la partie inférieure (intrados). Cette différence de pression s'expliquerait par le fait que, plus un fluide est rapide, plus sa pression est basse. Grâce à la forme incurvée de l’aile (seul l’extrados est incurvé), la vitesse de l’air passant sur l’extrados est supérieure à celle de l’air passant sur l’intrados, ce qui provoque une différence de pression et entraine une d’aspiration de l’avion vers le haut et par conséquent son décollage. Cette théorie est vraie, mais elle n'est pas celle qui explique qu'un avion soit en mesure de décoller et voler. 

En effet, cette différence de vitesse est bien trop faible, et quand bien même elle serait élevée, elle ne permettrait pas le décollage d’un engin de 250 tonnes. On pourrait alors se demander, pourquoi cette  théorie est si populaire ? Cela est simplement dû à sa simplicité.

 

 

 

  • Afin d’expliquer cette force, prêtons tout d’abord attention à l’effet Coanda : la tendance des fluides à suivre une surface courbe. Comme lorsque vous passez votre doigt sous l’eau, le filet d’eau n’est pas seulement perturbé, il suit la courbure de votre doigt. Cela explique la forme des ailes des avions, qui sont plates en dessous et incurvée au dessus. On s’interroge alors sur la raison pour laquelle, on cherche à créer un flux d’air incurvé au dessus de l’aile.

 Pour cela, rappelons la troisième loi d'Isaac Newton :

« Tout corps A (l'aile) exerçant une force sur un corps B (l'air) subit une force d'intensité égale, de même direction, mais de sens opposé, exercée par le corps B »

En créant un flux d’air vertical, grâce à la forme incurvée de l’aile, on génère une force vers le sol et, comme il existe à cette force une force identique et opposée, une force égale allant vers le haut est ainsi générée. 

 

 

 

C’est cette force qui permet de faire décoller l’avion. Cela explique pourquoi seul l’extrados est incurvé. Bien sûr, pour créer un flux d’air, l’avion a besoin de vitesse, ce qui justifie la présence de réacteurs. Le même principe permet aux hélicoptères et aux drones civils de voler. La portance devant compenser le poids d’un avion, le flux d’air est colossal.

 

Portfig6

 

 

Comme on peut le voir sur l'image ci-dessous d'un hélicoptère, le flux est bien vertical.

 

 

 

La portance verticale dépend de la masse volumique du fluide passant sur l’aile, de la vitesse de celui-ci, de la surface de référence (ici de l’aile) et d’un coefficient de portance. La valeur de ce nombre dépend de la forme et de la position d'un objet par rapport au fluide, ainsi que des caractéristiques du fluide. La portance verticale F en newtons (N) d'une aile vaut :

 

F= 1/2xPxV2xSxC

 

Avec :

 P : masse volumique du fluide en kg/m3

V : vitesse en m/s

S : surface de référence en m2

C = coefficient de portance (Nombre sans dimension)

F en Newton

 

La portance est aussi fonction de l’angle d’attaque, c’est à dire l’angle formé par l’avion avec le sol. Plus il est grand, plus la portance est importante. Néanmoins, il existe une limite, l’angle maximal étant 20 degrés, lorsque qu’il est dépassé, la portance diminue.

 

  • Les drones militaires étant suréquipés, que faut-il augmenter lorsque l’on augmente la charge alaire (le rapport entre la masse au décollage du drone et la surface portante de son aile, exprimée en kg/m²) d’un drone?

La portance est proportionnelle au poids. Ainsi, lorsque l’on double la charge alaire, on choisit d’augmenter la surface, le coefficient de portance ou bien la vitesse. Si l'on choisit d’accroître seulement la vitesse, on doit multiplier par racine de 2, puisque dans la formule ci dessus le vitesse est au carré. Pour augmenter la vitesse, on doit augmenter la puissance des moteurs et donc la consommation de carburant. Pour faire face à cela, il s’agit de trouver le meilleur compromis possible entre l'augmentation de l’angle d’attaque, de la vitesse, de la surface et du coefficient de portance.

 

 

  • NB : 

Le théorème de Kutta-Jukowski introduit la notion de circulation : il permet d'échapper au paradoxe de d'Alembert selon lequel, la force s'exerçant sur un corps quelconque, en mouvement à vitesse constante, sur une trajectoire rectiligne, dans un fluide incompressible et parfait, est nulle. Cela explique pourquoi le drone peut avancer malgré la résistance que lui oppose l'air, résistance créée par son mouvement vers l'avant.