5-3 Stabilité (motoplaneurs)

Stabilité

© Copyright article original par les auteur(s) de Wikipédia, adapté ici pour le vol en planeur - Cet article est sous CC BY-SA 3.0

La stabilité longitudinale d'un avion est son aptitude à revenir à sa position d'équilibre initial en tangage quand la trajectoire a été modifiée par le |pilote ou par un agent extérieur (ascendance, turbulence). Cette stabilité est indispensable au vol.

Stabilité longitudinale statique

Méthode pour obtenir la stabilité statique

De haut en bas : Stabilité statique positive, neutre, négative

Afin d'avoir un aéronef stable (qui à tendance à revenir de lui-même a sa position initiale), le centre de gravité de l'aéronef doit être en avant du foyer de l'aile. C'est lors de la conception de l'aéronef que l'aile doit être placée de manière adéquate par rapport au centre de gravité de l'aéronef. C'est une condition indispensable. Exemples :

Rappel : 
*Toutes les forces qui s'exercent sur un aéronef génèrent un moment (ou plus vulgairement : une tendance à la rotation) par rapport au centre de gravité de l'aéronef.
*La force de portance est exercée au niveau du foyer de l'aile. Elle créée un moment par rapport au centre de gravité de l'aéronef.

Cas du centre gravité en avant du foyer: Si la portance augmente, l'aéronef à tendance à piquer et l'incidence diminue. La portance revient à sa valeur initiale. L'aéronef est stable (Stabilité statique positive)
Cas du centre gravité sur le foyer: Si la portance augmente, l'aéronef n'évolue pas. Après l'augmentation, la portance ne change plus. L'aéronef est ni stable, ni instable (Stabilité statique neutre)
Cas du centre de gravité en arrière du foyer: Si la portance augmente, l'aéronef à tendance à cabrer et l'incidence augmente. La portance augmente alors encore plus et l'incidence augmente à nouveau (jusqu'au décrochage). L'aéronef est instable (Stabilité statique négative)

Aéronef STABLE. Si la portance augmente, l'aéronef tourne autour du centre de gravité à piquer, et la portance revient à sa valeur initiale.
Aéronef INSTABLE. Si la portance augmente, l'aéronef tourne autour du centre de gravité à cabrer, et la portance augmente encore...etc

Cas de la traction et de la trainée: Ces forces ont un rôle dans l'équilibre à moindre échelle qui ne sera pas étudier ici dans la stabilité longitudinale de l'aéronef.

Cas des gouvernes: Les gouvernes ont un axe de rotation par rapport à un bâti, ce qui change légèrement le raisonnement. Afin qu'une gouverne soit elle-même stable, la position de son centre de gravité par rapport à l'axe de rotation est importante. Le centre de gravité des gouvernes est ajusté par des masses.

Méthodes pour réaliser l’équilibre

Il est donc acquis que le centre de gravité doit toujours être en avant du foyer de l'aile pour avoir une réaction stable de l'aéronef. Mais d'un point de vu statique, cet état n'est pas à l'équilibre. Il y un moment piqueur. Afin de revenir à une situation d'équilibre, il est nécessaire de créer une force pour compenser le moment piqueur.

Formule classique. Le moment piqueur est compensé par un empennage à l'arrière de l'aile qui créé une déportance
Formule canard. Le moment piqueur est compensé par un empennage à l'avant de l'aile qui créé une portance

Pour aller plus loin :

La formule ailes volantes utilise un profil d'aile spécifique auto-stables (profil à double courbure, simple courbure inversée...) qui n'a pas besoin d’empennage horizontal. L'expérience montre que cela reste moins performant qu'un ensemble aile + empennage.

de haut en bas : Stabilité dynamique positive, neutre, négative

Stabilité longitudinale dynamique

Bien que l'aéronef soit stable d'un point de vu statique (stabilité statique positive), les réactions naturelles de l'aéronef à auto-corriger un écart peut être exagérés et générer un écart dans l'autre sens plusieurs fois de suites :

un peu plus faible que l'écart précédant (stabilité dynamique positive). L'écart initial est amorti en quelques oscillations.
identique à l'écart précédant (stabilité dynamique neutre). L'écart initial est auto-entretenu indéfiniment.
plus important que l'écart précédant (stabilité dynamique négative). L'écart initial est accentué à chaque oscillation.

La gestion du centre de gravité

Schéma d'une plage de centrage autorisé

Comme vu plus haut, le concepteur de l'aéronef fait en sorte de placer le centre de gravité de l'aéronef en avant du foyer. Mais le centre de gravité de l'aéronef dépend de la charge utile (masse du pilote, masse des bagages, masse du carburant...). Le concepteur autorise alors une variabilité ce cette charge utile pour s'adapter à l'usage courant de l'aéronef, et détermine toutes le positions du centre de gravité associées. Enfin, il détermine l'emplacement de l'aile de son aéronef pour faire en sorte que toute la plage du centre de gravité soit en avant du foyer de l'aile.

Le comportement en vol de l'aéronef est différent suivant la position du centre de gravité :

Si le planeur est centré plutôt proche de la limite avant: Le planeur est plutôt lourds aux commandes, les performances ne sont pas optimales.
Si le planeur est centré plutôt proche de la limite arrière : Le planeur est plutôt maniable, léger aux commande, les performances sont optimisées, les phénomènes comme le décrochage et la vrille sont plus marqués sans posé de soucis.
Si le planeur est centré au delà de la limite arière (INTERDIT) : le planeur est instable et dangereux, la vrille est plus suceptible d'apparaitre et le constructeur ne garantie pas que l'aéronef puisse sortie de vrille.

Le actions obligatoire du pilote :

Avant de voler, le pilote doit s'assurer que le centre de gravité de l'aéronef se situe dans la plage autorisé.
Si le pilote est trop léger par rapport au minimum fixé par le constructeur, des systèmes de lest existent.

Stabilité dynamique latérale ou directionnelle

Stabilité latérale

C'est la stabilité d'un avion en mouvement en dehors de son plan de symétrie (plan axial vertical). On a alors trois types de mouvements : rotation en lacet, rotation en roulis, translation latérale.

Ce DC3 fait la girouette autour de son Centre des Masses

La stabilité en lacet est la capacité de l'avion à conserver sa direction (son cap) malgré les perturbations. Cette stabilité est obtenue en dotant l'avion d'une dérive (empennage vertical) de surface suffisante : placé en travers par une perturbation, l'avion fera alors face au vent sous l'effet de la portance (latérale) de la dérive, ce qui le ramènera au neutre. Finalement, lors de ce retour au neutre, l'avion se comporte comme une girouette en tournant autour de son centre des masses, ce qui est mis en application en vrai grandeur avec le DC3 ci-contre.
La stabilité en roulis, plus exactement la stabilité spirale, capacité de l'avion à corriger un excès ou un défaut d'inclinaison en virage. L'équilibre en roulis étant généralement un équilibre instable, faiblement divergent donc pilotable, on ne peut pas parler de « stabilité en roulis ».
Quand il y a un translation latérale (vol en attaque oblique, glissade vers l'intérieur du virage ou dérapage vers l'extérieur), on doit étudier les effets de cette translation sur le comportement en roulis (roulis induit par le lacet), stabilité spirale.

Surfaces de stabilisation

L'empennage étant placé à l'arrière par définition :

la stabilité en lacet est assurée par la dérive (empennage vertical),
la stabilité en tangage est assurée par le stabilisateur (empennage horizontal),
la stabilité en roulis en ligne droite est généralement nulle ou faiblement négative, rarement positive,
la stabilité en roulis en virage (la stabilité spirale) dépend du couplage complexe entre l'effet dièdre et la stabilité de lacet.