5-6 Décrochages et autorotations (motoplaneurs)

Décrochages et autorotations

Généralités sur le décrochage

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En vol normal, l'écoulement de l'air est « attaché » sur les deux faces, intrados et extrados, de l'aile. Les filets d'air collent au profil de l'aile, ce qui favorise la portance. La portance dépend de l'angle d'incidence, angle que fait la corde de profil de l'aile avec le vent relatif.

À une certaine valeur de l'angle d'incidence, de l'ordre de 15 à 20°, selon les caractéristiques de l'aile profil, de l'allongement et du nombre de Reynolds, il se produit un décollement de l'écoulement aérodynamique à l'extrados de l'aile entraînant une chute de portance plus ou moins brusque : c'est à ce moment que l'aile décroche.

Du point de vu du pilote, le décrochage se classe en trois catégories :

• Une abattée : l'assiette varie brusquement et amplement à piquer. C'est impressionnant mais à l'avantage de se détecter facilement.
• Un enfoncement : L'assiette reste a sa position très cabrée mais l'aéronef descend rapidement. La difficulté est la détection en vol par le pilote.
• Une perte de contrôle en roulis : Les ailerons ne sont plus efficaces, l'aéronef s'incline sans que le pilote ne puisse le contrôler.

La vitesse de décrochage

Évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'incidence : maximum entre 15 et 19°, il diminue ensuite, en raison du décrochage.

Le décrochage dépend uniquement de l'angle d'incidence : à facteur de charge constant, une diminution de vitesse implique l'augmentation de l'angle d'incidence de l'aile pour conserver une portance équivalente (augmentation du coefficient de portance (Cz) pour compenser la baisse de vitesse). Pour une même configuration de vol (par exemple, en palier avec les volets rentrés), il existe une vitesse en dessous de laquelle l'angle d'incidence sera tellement important que les filets d'air parcourant l'extrados « décrocheront » en entraînant une perte considérable de portance. La vitesse de décrochage est souvent notée Vs (S pour stall en anglais = décrochage).

On peut donc atteindre l'incidence de décrochage définie et constante pour un profil d'aile donné, à des vitesses très variables qui sont fonctions de :

• la position des dispositifs hypersustentateurs (becs, volets). Lorsqu'ils sont déployés, ils diminuent la vitesse de décrochage ;
• la masse de l'aéronef. Plus elle est importante et plus la vitesse de décrochage est importante ;
• le facteur de charge ${\displaystyle{\displaystyle n}}$ . Plus il est important et plus la vitesse de décrochage est importante. La vitesse de décrochage évolue selon la racine carrée du facteur de charge, comme par exemple en virage :

${\displaystyle{\displaystyle Vitesse~{}decrochage_{n>1}=Vitesse~{}decrochage_{n=1}*{\sqrt{n}}}}$

• la composante verticale de la traction fournie par le moteur ; plus la part de la poussée s'opposant à la gravité est forte, et moins la portance nécessaire pour maintenir une altitude constante est grande ;
• des effets sur les ailes du souffle hélicoïdal dans le cas d'un aéronef à hélice (le souffle génère un vent relatif qui participe à la portance, cf cas du vol lent) ;
• la pollution du profil (pluie, insectes...).

On parle souvent abusivement de vitesse de décrochage comme d'une caractéristique de l'aéronef, mais la vitesse de décrochage n'est jamais constante pour toutes les raisons évoquées ci-dessus. C'est l'incidence au moment du décrochage qui est constante.

Le cas spécifique du virage

En virage, le facteur de charge augmente avec l'inclinaison.

${\displaystyle{\displaystyle n={\frac{1}{\cos(inclinaison)}}}}$

Comme la vitesse de décrochage augmente lorsque le facteur de charge augmente (voir paragraphe ci-dessus). Il est possible de prédire par calcul l'augmentation de la vitesse de décrochage pour une inclinaison définie :

${\displaystyle{\displaystyle Vitesse~{}decrochage_{envirage}=Vitesse~{}decrochage_{lignedroite}*{\sqrt{\frac{1}{\cos(inclinaison)}}}}}$

Par exemple, un aéronef qui a une vitesse de décrochage de 100km/h sous un facteur de charge de 1 (=en ligne droite):

• Lors d'un virage à 30° d'inclinaison, la vitesse de décrochage augmente de 7.5%, soit une vitesse de décrochage de 107.5km/h
• Lors d'un virage à 45° d'inclinaison, la vitesse de décrochage augmente de 18.9%, soit une vitesse de décrochage de 118.9km/h
• Lors d'un virage à 60° d'inclinaison, la vitesse de décrochage augmente de 41.4%, soit une vitesse de décrochage de 141.4km/h

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les remèdes préventifs aérodynamiques

Selon les profils et la forme en plan de l'aile, il arrive que les extrémités de l'aile décrochent avant la partie centrale qui bénéficie du souffle de l'hélice. Aussi, deux solutions permettent de remédier à cette anomalie :

• La variation d'incidence ou de calage :

L'aile est construite avec plus d'incidence à l'emplanture qu'à l'extrémité. L'incidence diminue de l'emplanture vers l'extrémité : l'aile est vrillée un peu ::comme une pale d'hélice, ce qui permet, en retardant le décrochage des extrémités, de conserver une certaine efficacité des ailerons mais aussi de diminuer la ::vitesse de décrochage de l'avion.

• La variation de profil ou de forme :

Il s'agit du changement de profil entre l'emplanture et le bord marginal de l'aile. Le profil peut être biconvexe symétrique à l'emplanture et plan convexe à ::l'extrémité. A noter que l'évolution du profil peut être combinée avec le vrillage. Plus qu'un remède dans ce cas, il s'agit en fait d'une amélioration du ::décrochage.

Grob G 102 Astir avec une bande turbulatrice sous l'aile

• L'installation de bandes de décrochages :

Il s'agit de petites pièces spécialement profilées, installées sur l'extrémité du bord d'attaque des ailes de l'appareil qui en est équipé. D'une taille ::généralement comprise entre 15 et 30 cm, de section triangulaire, elles sont presque toujours installées par paires, symétriquement sur les deux ailes de ::l'avion. Installées près de l'emplanture de l'aile, leur but est de modifier le profil aérodynamique de l'aile1, de manière que le décrochage de l'aile ::intervienne d'abord à l'emplanture, plutôt qu'à l'extrémité de l'aile.

• L'installation de turbulateurs

L'installation de turbulateurs, par la transition anticipée vers la couche limite turbulente qu'ils induisent, peut induire le recollement sur des zones particulières des aéronefs. Sur les planeurs, le turbulateur est souvent une mince bande en zigzag qui est placée sous l’aile et parfois sur la dérive.

le rôle du pilote vis à vis du décrochage

Avertisseur de décrochage sur une aile. Lorsque l'angle d'incidence approche de la valeur critique, le vent relatif aborde la palette métallique par-dessous, ce qui provoque son basculement et active l'alarme.

Le pilote tiens un rôle important dans la prévention du décrochage :

• Garder une marge de vitesse vis à vis du décrochage:

De manière préventive le pilote doit avoir une bonne conscience de la vitesse de décrochage pour chaque situation de vol (ligne droite, virage, virage serré, vol sous la pluie...) dans l'objectif de conserver une marge de vitesse.

• Détection du régime vibratoire "Buffeting"

Avant un décrochage, des vibrations basses vitesses ("buffeting") annoncent le décollement de la couche limite. Quelques km/h avant l'atteinte de la vitesse de décrochage, ces vibrations permettent au pilote de détecter les prémisses d'un décrochage.

• Avertir de décrochage à palette

Sur certains aéronefs, un avertisseur de décrochage à palette permet d'avertir le pilote par un signal visuelle et une alarme sonore de l'atteinte de l'incidence de décrochage. Ce dispositif est placé au bord d'attaque de l'aile.

A noter qu'a proximité du sol (décollage, atterrissage en vol plané...), un humain a des actions instinctives contraires à la prévention du décrochage : prendre de l'altitude ou ne plus en perdre au mépris de la vitesse. L'apprentissage pratique permet de corriger ces réflexes et de remettre la conservation de la vitesse au premier plan.

Manœuvre de récupération du décrochage

Si le pilote ne perçoit pas les signaux avertisseur avant un décrochage, il est probable que l'appareil finisse par décrocher. Le taux de chute et la potentielle perte de contrôle conduiront à l'accident si la méthode de récupération n'est pas appliquée. La méthode de récupération optimale est décrite dans le manuel de vol de l'aéronef. Cependant, en l'absence d'information la méthode consiste à chercher à augmenter la vitesse au plus vite :

• une fois reconnus les prémisses du décrochage,
• action franche sur le manche vers l'avant pour réduire l'incidence,
• augmentation rapide de puissance (si disponible) pour augmenter la vitesse,
• reprendre le vol normal (assiette et inclinaison) une fois la vitesse acquise.

Suivant l'importance du décrochage, la perte de hauteur va de 50 à 150m. Le décrochage est sans risque à une hauteur suffisante, c'est la proximité du sol qui donne au décrochage son caractère dangereux. La prévention du décrochage doit être absolue dès que la hauteur disponible ne permettrait plus de le récupérer.

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le décrochage avec puissance

Dans le cas de l'atteinte du décrochage avec une forte puissance moteur, le comportement de l'aéronef change légèrement :

• Le facteur de charge étant inférieur à 1, la vitesse de décrochage sera plus faible.
• le souffle de l'hélice peut augmenter l’efficacité de la profondeur, si le décrochage survient habituellement par une abattée, il pourrait alors survenir par un enfoncement plus difficile à détecter.
• Dans certains cas, l’alarme de décrochage ne fonctionne pas correctement.

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La vrille

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Trajectoire d'un avion effectuant une vrille.

Sources de l'autorotation :

L'autorotation (ou la vrille : c'est le même concept) est un décrochage dissymétrique entretenu. Le décrochage dissymétrique signifie que seulement une des deux demie-aile dépasse l'incidence de décrochage. La source d'une vrille est donc généralement la combinaison :

• d'une vitesse faible et donc d'un vol proche de l'incidence de décrochage,
• d'une dissymétrie entre les deux demie-ailes qui peut être causée par :
  • un aéronef qui entre en situation de dérapage important (une aile accélère, l'autre ralentie)
  • une rafale verticale soudaine et puissante sur une seule demie-aile (vol de pente, entré dans un thermique...)
  • Lors de l'action brutale des ailerons : l'un se lève (diminution de l'incidence) alors que l'autre s'abaisse (augmentation de l'incidence et dépassement de l'incidence de décrochage)

La demie-aile en situation de décrochage "descend" et "ralentie" brusquement (elle va devenir le centre de l'autorotation), l'autre demie-aile reste en situation de générer de la portance. L'autorotation peut être auto-entretenue indéfiniment.

La vrille est la trajectoire complexe d'un avion qui descend en tournant sur lui-même :

• L'aéronef descend quasiment sur une trajectoire verticale,
• Il tourne sur lui-même (en autorotation), un tour prenant de 2 à 5 secondes,
• L'assiette est variable, la vrille passe alternativement de plate à piquée (de -10 à -70 degrés), un cycle complet prend de 2 à 4 tours,
• Il subit également un dérapage latéral et des oscillations en roulis,
• L'aéronef perd entre 50 et 150m de hauteur par tour.

La vrille fait subir au pilote des contraintes physiques importantes (désorientation, fatigue, mal de l'air...)

Facteurs influant sur la vrille

Les caractéristiques favorisant le déclenchement de la vrille sont nombreuses :

• Effets des masses :
  • Centrage arrière ;
  • Moment d'inertie en lacet (masses en bouts d'aile) qui entretiennent la rotation.
• Effets aérodynamiques :
  • Formes arrières du fuselage influant sur l'alimentation en air des empennages aux grands angles d'assiette et de dérapage ;
  • Dimension des empennages ;
  • Types d'empennages, notamment position de la dérive par rapport au sillage décroché de l'empennage horizontal ;
  • Souffle de l'hélice.

Sortie de vrille

La méthode de sortie optimale est décrite dans le manuel de vol de l'aéronef. Cependant, en l'absence d'information la méthode standard consiste à :

• action palonnier contraire à la rotation,
• action manche à piquer,
• maintien du manche au neutre latéralement,
• reprendre le vol normal (assiette et inclinaison) une fois que l'autorotation est stoppée.

Les difficultés liées à l'apprentissage de la sortie de vrille sont souvent :

• contrer le réflexe de pilote qui aurait tendance à mettre du manche latéralement contraire à la rotation pour revenir ailes horizontales : ceci aurait pour conséquence une vrille à plat dont il est impossible de sortir directement,
• la difficulté de bien détecter le sens de l'autorotation,
• la précipitation : il faut maintenir les actions pendant plusieurs seconde avec ténacité car la sortie de vrille se fait généralement dans le moment "piquée" qui a lieux tout les 2 ou 3tours.
• Dans le cas d'une vrille à plat, il faut d'abord revenir à une vrille classique : actionner le manche latéralement dans le sens de rotation de la vrille, puis sortir de la vrille classiquement.
• suivant la complexité de la vrille, il faut entre 1 et 3 tours pour en sortir.

Comme pour le décrochage, c'est la proximité du sol qui donne à la vrille son caractère dangereux. La prévention de la vrille doit être absolue dès que la hauteur disponible ne permettrait plus d'en sortir.