Brevet de pilote d'aéronef/Vitesse

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En aéronautique, un certain nombre de vitesses air sont définies par le constructeur d'un appareil, dont la connaissance est utile voire indispensable au pilote afin d'assurer la sécurité du vol ou d'optimiser l'emploi de l'appareil. Certaines de ces vitesses doivent être démontrées par l'avionneur (par calcul et/ou grâce à des essais en vol) afin d'obtenir la certification de l'appareil, selon les normes en vigueur dans chaque pays.

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En plus de ces vitesses réglementaires, l'avionneur peut en définir d'autres, en fonction des caractéristiques de l'appareil (aérodynamique, puissance, domaine d’emploi de certains équipements, etc.), dont le respect peut être imposé au pilote par le manuel de vol, ou servir simplement de recommandation (par exemple pour avoir les meilleures performances). En l'absence d’autre précision, les vitesses listées ici sont des vitesses calibrées.

Vitesses placard

• M_MO : Nombre de Mach maximal en opérations
• V_A : Vitesse maximale en manœuvre
• V_B : Vitesse maximale en conditions turbulentes
• V_FE : Vitesse maximale en configuration hypersustentée
• V_LE : Vitesse maximale avec train d'atterrissage sorti
• V_LO : Vitesse maximale pour la manœuvre du train d'atterrissage
• V_MO : Vitesse maximale en opérations
• V_NE : Vitesse à ne jamais dépasser
• V_NO : Vitesse maximale en croisière

La vitesse maximale d'un avion est la vitesse que l'avion ne doit pas dépasser sous risque d’être détruit, d’être endommagé, de devenir incontrôlable ou plus généralement risquant de compromettre la sécurité du vol. On considère plusieurs vitesses maximales selon les conditions de vol et la configuration de l'avion.

Anémomètre de Robin DR-400

Vitesse maximale en opérations

Elle est notée V_MO. Il s'agit d'une vitesse air ne devant pas être délibérément dépassée, quel que soit le domaine de vol (montée, descente, croisière). De façon dérogatoire, il peut parfois être autorisé de dépasser cette vitesse en vol d’essai ou d’entraînement. Cette vitesse est déterminée de façon à inclure une marge de sécurité pour tenir compte d’éventuels dépassements involontaires. Cette vitesse est souvent définie comme constante pour un appareil donné, mais elle peut parfois varier en fonction de l’altitude.

En cas de dépassement, à titre d'exemple, les phénomènes suivants peuvent se produire (suivant l'appareil) :

• des contraintes excessives sur la cellule (en particulier en cas de rafale), pouvant conduire à des déformations permanentes, voire des ruptures,
• des contraintes excessives sur les entrées d'air moteur (en particulier sur les aubes de compresseur des réacteurs), pouvant conduire à un endommagement de celui-ci,
• une instabilité de l'appareil due aux déformations des surfaces portantes,
• l'apparition d'ondes de choc (dues au passage en supersonique, au moins localement), avec pour conséquences possibles l'apparition de tremblements, la perte de portance (ou de manœuvrabilité) ou la mauvaise alimentation en air des réacteurs (induisant une perte de puissance),
• un échauffement anormal de la cellule.

Nombre de Mach maximal en opérations

Il s'agit de la même définition que pour V_MO, à part qu'elle s'applique au Nombre de Mach et non pas à la vitesse calibrée de l'appareil.

Vitesse maximales pour les avions légers à pistons et les planeurs

Pour ces types d'appareils, en remplacement des vitesses précédentes V_MO et V_MO, on définit les vitesses suivantes :

• V_NO : vitesse maximale de croisière (de l'anglais Normal Operating),
• V_NE : vitesse à ne jamais dépasser (de l'anglais Never Exceed).

Sur certains anémomètres, la V_NE est indiquée par un trait rouge. La V_NE indiquée dépend en général de l'altitude-pression et/ou de la température. En effet, en haute altitude, la vitesse indiquée par l'anénomètre est inférieure à la vitesse réelle. La vitesse maximale à ne pas dépasser concerne la vitesse réelle et non la vitesse indiquée. Au-dessus de cette vitesse réelle, des oscillations divergentes peuvent se produire au niveau des ailes qui provoqueront à terme leur rupture.

La V_NO ne doit pas être dépassée en atmosphère agitée, car en cas de rafale, la V_NE pourrait se retrouver être dépassée, ce qui pourrait conduire à une déformation permanente ou une rupture de la cellule. Sur certains anémomètres, la plage de vitesses au-delà de la V_NO est indiquée par un arc jaune.

Vitesse maximale en configuration hypersustentée

Elle est notée V_FE. Elle concerne toutes les configurations hypersustentées : chaque combinaison de positions de becs et volets (en fonction de l'appareil). Sur certains anémomètres, la plage de vitesses en deçà de la V_FE est indiquée par un arc blanc. L'aile de l'avion est conçue pour avoir son meilleur rendement à la vitesse de croisière. Mais elle doit permettre également de maintenir l'avion à basse vitesse, lors notamment des phases de décollage et d'atterrissage. Ces deux objectifs sont contradictoires, l'aile est donc conçue pour la vitesse la plus élevée et des dispositifs ont été mis au point pour déformer le profil de l'aile à faible vitesse. Ce sont principalement les volets et les becs de bord d'attaque. Ces dispositifs agissent de différentes façons, en augmentant la cambrure du profil et permettant ainsi de garder une portance suffisante malgré la baisse de vitesse ou en réénergisant localement la couche limite à l'aide d'un apport d'air provenant de l'intrados ce qui prévient son décollement du profil.

Vitesses liées au train d'atterrissage

On distingue les vitesses suivantes :

• V_LE : vitesse maximale de vol avec le train d’atterrissage sorti
• V_LO : vitesse maximale de manœuvre du train d’atterrissage, qui peut être différente pour la rentrée ou la sortie du train.

Vitesse maximale de manœuvre

Elle est notée V_A. Il s'agit de la vitesse maximale à laquelle il est autorisé d’utiliser la déflexion totale des commandes de vol. Au-delà, la course des commandes de vol doit rester limitée (les gouvernes ne doivent plus être braquées à leurs débattements maximum).

Vitesse à l'énergie de freinage maximale

Elle est notée V_MBE. Au-delà de cette vitesse, l’énergie cinétique dépasse les capacités d’absorption et de refroidissement des freins. Elle dépend de la masse, de l’altitude-pression, de la température et du vent effectif, et d'autres vitesses maximales sont définies lors du décollage et de l'atterrissage.

Vitesses de décrochage

• V_S1g : vitesse de décrochage sous facteur de charge unitaire
• V_SR : vitesse de décrochage de référence
• V_SR0 : vitesse de décrochage de référence en configuration atterrissage
• V_SR1 : vitesse de décrochage de référence en configuration spécifique

Influence de l'angle d'attaque sur l'apparition du décollement de la couche limite puis du décrochage

En aéronautique, le décrochage est la perte plus ou moins brusque de portance, provoquée par le décollement de l'écoulement aérodynamique à l’extrados de l’aile d'un avion. L'expression « décrochage de l'avion » est couramment employée avec le même sens. Le décrochage peut aussi concerner les pales du rotor d'un hélicoptère décrochage rotor ou les ailettes du compresseur d'un réacteur pompage réacteur.

Le décrochage

Graphique donnant l'évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'attaque

En vol normal, l'écoulement de l'air est régulier 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, que fait la corde de profil de l'aile avec le vecteur vitesse. Lorsque l'angle d'incidence augmente, la portance augmente, et l'écoulement à l'extrados commence à se décoller aux alentours du bord de fuite (décollement de la couche limite). Arrivée à une certaine valeur d'angle, de l’ordre de 5 à 20° selon les caractéristiques de l'aile profil, allongement, etc.) et le nombre de Reynolds, le décollement de la couche limite se généralise sur l'extrados, entraînant une brusque chute de portance : c’est à ce moment que l'aile décroche.

Types de décrochage

Illustration du décrochage en virage.
Plus le virage est serré, plus la portance (et donc l'angle d'attaque) doit être élevée pour contrer la somme de la force centrifuge et du poids. Si l'angle d'attaque critique est dépassé, l'avion décroche même si la vitesse reste constante.

Le décrochage à plat: La faible vitesse de l'avion tend à le faire descendre, mais si le nez de l'appareil reste toujours au dessus de la ligne d'horizon, l'avion décroche, il suffit de pousser le manche pour rétablir une vitesse et annuler le décrochage.

Le décrochage dynamique est un effet aérodynamique mal assuré non linéaire qui se produit quand les surfaces portantes changent rapidement l'angle d'attaque. Le changement rapide peut faire un fort tourbillon répandu du bord principal de l'aile et du à reculons au-dessus de l'aile. Le tourbillon, en contenant de hauts écoulements d'air accélérés, augmente brièvement l'ascension produit par l'aile. Aussitôt qu’il passe derrière le bord traînant, pourtant, l'ascension se réduit radicalement et l'aile est dans le décrochage normal.

Introduction

On parle souvent abusivement de vitesse de décrochage comme d'une caractéristique de l'avion — aux débuts de l'aviation, le décrochage était nommé perte de vitesse — en sous-entendant que l'avion vole en palier stabilisé (facteur de charge égal à 1). Or, pour une configuration donnée, le décrochage ne se produit pas toujours à la même vitesse ; il n'est caractérisé que par l'angle d'incidence de décrochage. En vol, l'angle d'incidence varie selon la vitesse, la masse et le facteur de charge que subit l'avion. On peut donc atteindre l'incidence de décrochage à des vitesses très variables en fonction du facteur de charge. La vitesse de décrochage évolue approximativement selon la racine carrée du facteur de charge. Par exemple, un avion qui a une vitesse de décrochage de 100 km/h sous un facteur de charge de 1 g :

• décrochera à environ 140 km/h sous un facteur de charge de 2 g, par exemple lors d'un virage à grande inclinaison de 60°,
• décrochera à environ 200 km/h sous un facteur de charge de 4 g, par exemple lors d'un virage à 75° ou d'une ressource suite à un piqué,
• ne décrochera qu’à 70 km/h à 0,5 g (lors d'une évolution en cloche).

Une augmentation de masse entraîne également une augmentation de la vitesse de décrochage.

Réglementation

La réglementation définit une vitesse conventionnelle de décrochage V_SR. Il s'agit de la vitesse minimale de vol stabilisé à laquelle l’avion est contrôlable avec une poussée nulle et le centrage le plus défavorable. Comme elle dépend de la configuration de l'appareil, on définit les vitesses de décrochage suivantes :

• V_SR0 : vitesse de décrochage en configuration atterrissage
• V_SR1 : vitesse de décrochage en configuration spécifique (en approche, en lisse, etc.)

La vitesse de décrochage entre en ligne de compte dans la définition de plusieurs autres vitesses réglementaires : par exemple, la vitesse minimale d'approche V_REF est généralement définie égale à 1,3.V_SR0 (le coefficient de 1,3 procurant une marge de sécurité de 30%).

Sur certains appareils, les commandes de vol électriques peuvent empêcher d’atteindre V_SR (protection de l'enveloppe de vol pour raison de sécurité). Dans ce cas, la vitesse de décrochage retenue va être V_S1g qui est une vitesse de décrochage à facteur de charge unitaire. Dans ce cas, les vitesses de référence qui dépendent de la vitesse de décrochage (comme V_REF) sont calculées à partir de V_S1g. Jusqu'à V_S1g, on peut maintenir un palier stabilisé. En deçà et jusqu'à V_SR, on peut contrôler l'appareil mais plus maintenir le palier.

Nota : On trouve fréquemment la notation V_S (ainsi que ses dérivés V_S0 et V_S1), mais cette notation n'est plus utilisée dans les réglementations car elle n’est pas assez précise (comme énoncé plus haut, il existe plusieurs vitesses de décrochage). V_S, vitesse de décrochage.

Conséquences du décrochage

Lors du décrochage, l'avion s'enfonce, et il peut effectuer une abattée (piquer du nez), ce qui entraîne dans les deux cas une perte d'altitude. Près du sol, par exemple en dernier virage précédant l'atterrissage, la perte d'altitude peut ne pas être rattrapée. Si une seule aile décroche, on parle de décrochage dissymétrique, ce qui peut conduire à une vrille.

Suite à un décrochage, il faut pousser sur le manche pour retrouver un angle d'incidence inférieur à l'incidence de décrochage, ce qui permet généralement de redonner de la vitesse à l'avion en piquant légèrement, avant de tirer doucement pour redresser la trajectoire et cabrer à nouveau.

L'avertissement du décrochage

Avertisseur de décrochage

Plusieurs indices permettent de détecter l'approche du décrochage :

• les gouvernes deviennent molles, elles sont moins efficaces ;
• l'avion vibre, cela est dû à l'écoulement tourbillonnaire de l'air sur l'aile après le décollement des filets ;
• l'avertisseur de décrochage. C'est une palette située sur le bord d'attaque de l'aile qui est soulevée vers le haut par le vent relatif lorsque l'angle d'incidence atteint une valeur proche de l'incidence de décrochage. Le pilote est averti par une lumière et/ou par une sonnerie sur les Instruments de bord

La prévention du décrochage

Le vrillage négatif d'une aile, c'est-à-dire un angle d'incidence du profil au saumon inférieur à celui de l'emplanture, permet de retarder, sinon d'avertir du décrochage. En effet, cette différence d'incidence fait que l'emplanture de l'aile décroche avant le saumon. Aux abords du décrochage, l'emplanture de l'aile ne porte plus, l'aile sustente moins l'aéronef, et celui-ci "s'enfonce" sans faire d'abattée violente. Le décrochage de l'aile est progressif. Ce vrillage permet aussi de limiter le départ en vrille (décrochage dissymétrique). Enfin, le pilote conserve toujours un contrôle de l'axe de roulis, les saumons supportant les ailerons n'étant pas "décrochés". Ce vrillage dégrade un peu les performance de l'aile, mais c’est une solution économique pour assagir un avion. C'est d'ailleurs la solution retenue sur les voilures des avions Jodel, qui sont doux et démonstratifs dans cette manœuvre.

Vitesses minimales opérationnelles

• V_2MIN : vitesse minimale de sécurité au décollage
• V_MC : vitesse minimale de contrôle
• V_MCG : vitesse minimale de contrôle au sol
• V_MCL : vitesse minimale de contrôle en configuration atterrissage
• V_MCL-2 : vitesse minimale de contrôle en configuration atterrissage avec deux moteurs en panne
• V_MU : vitesse minimale de sustentation
• V_REF : vitesse minimale d'approche

Vitesses de décollage

• V_MCG : vitesse minimal de contrôle sol
• V_EF : vitesse effectif de panne
• V₁ : vitesse maximale d’interruption du décollage
• V_MCA : vitesse minimal de contrôle en l'air
• V_R : vitesse de rotation
• V_MU : vitesse minimal de sustentation
• V_LOF : vitesse à laquelle l'avion quittera le sol
• V₂ : vitesse de sécurité au décollage

Vitesse ascensionnelle

La vitesse ascensionnelle d'un avion est la valeur de la projection du vecteur vitesse sur l'axe vertical. Elle correspond à une variation d'altitude pendant l'unité de temps. La vitesse ascensionnelle est mesurée par un instrument de bord appelé variomètre. Ces instruments sont généralement gradués en pied par seconde ou par minute (ft/s ou ft/min) ou en mètre par seconde (m/s).

Les performances atteintes dépendent essentiellement du rapport entre la puissance du groupe motopropulseur, de la masse de l'appareil et de l'altitude. Elles sont aussi limitées par le confort de l'équipage ou du passager : la plupart des compagnies aériennes demandent à leurs pilotes de ne pas dépasser un taux de montée ou de descente supérieur à 3% car un angle plus important pourrait effrayer les passagers et induire des douleurs dues à la variation rapide de la pression.

Seuls certains appareils tels que ceux destinés à l'acrobatie aérienne ou les chasseurs-intercepteurs militaires ont besoin de vitesse ascensionnelle (descensionnelle) très élevée. Le rapport entre la poussée et le poids de l'appareil peut atteindre, voire être supérieur à 1, ce qui permet une trajectoire proche de la verticale.

Pour les autres appareils les performances en vitesse ascensionnelle sont uniquement nécessaires pour leur permettre d'atteindre leur altitude optimale de croisière rapidement ou, au décollage, pour éviter les obstacles dans l'axe de la piste, atteindre rapidement une altitude de sécurité ou survoler une zone habitée.

Autres vitesses

• V_MBE : vitesse d'énergie de freinage maximale
• V_X : vitesse d'angle de montée maximal
• V_Y : vitesse de taux de montée optimale

En aéronautique (et en aérodynamique en général), plusieurs types de vitesses peuvent être employées : vitesse indiquée, vitesse corrigée, vitesse vraie, vitesse équivalente, vitesse près du sol.

La distinction entre ces différentes vitesses permet de prendre en compte les erreurs de mesures des instruments anémobarométriques, ainsi que la compressibilité de l'air par exemple. En règle général, les pilotes ou les pilotes automatiques utilisent la vitesse corrigée afin de piloter l'avion jusqu'à l'altitude de transition où l’on contrôle la vitesse en nombre de Mach.

Vitesse indiquée ;

C'est la vitesse indiquée par l'instrument de mesure anémobarométrique d'un aéronef (tube de Pitot et badin), corrigée des effets de la compressibilité en conditions atmosphériques standard au niveau de la mer, non corrigée des erreurs du circuit anémobarométrique.

Vitesse corrigée ;

C'est la vitesse indiquée d'un aéronef, corrigée des erreurs de position et d'instrument. La vitesse corrigée est égale à la vitesse vraie, en conditions atmosphériques standard, au niveau de la mer.

vitesse équivalente ;

C'est la vitesse indiquée d'un aéronef, corrigée des effets de la compressibilité à l'altitude donnée. La vitesse équivalente est égale à la vitesse corrigée en conditions atmosphériques standard au niveau de la mer.

Vitesse vraie ;

C'est la vitesse d'un aéronef par rapport à l'air. La vitesse vraie est égale à la vitesse équivalente multipliée par ${\sqrt {\frac {\rho _{0}}{\rho }}}$, où $\rho _{0}$ est la densité de l'air au niveau de la mer et $\rho$ est la densité de l'air où l'avion vole.

Vitesse près du sol

La vitesse de déplacement de l'aéronef au-dessus du sol se déduit de l'information de vitesse air (ou vitesse vraie) et du vent régnant. La vitesse sol peut aussi être calculée à l'aide d'un radar utilisant l’effet Doppler, par exemple au-dessus de la mer (en connaissant la taille des vagues) ou sur hélicoptère à très basse vitesse et en vol stationnaire, lorsque le tube de Pitot est inutilisable parce que noyé dans le flux du rotor principal.