Abattée de Mach
L’abattée de Mach (Mach tuck) ou abattée transonique est un effet aérodynamique par lequel le nez d’un aéronef tend à piquer vers le bas lorsque l’écoulement de l’air autour de l’aile atteint des vitesses supersoniques[1]. Cette tendance à piquer est également appelée « tuck under ». L'abattée commence à des vitesses nettement inférieures à Mach 1[2].
L’abattée de Mach peut se produire ou non selon la conception de l’avion. De nombreux avions modernes n’y sont que peu ou pas sujets[3].
Causes
modifierL’abattée de Mach est généralement due à deux phénomènes : un recul du centre de poussée de l’aile et une diminution de la vitesse de la déflexion vers le bas (downwash) au niveau de l’empennage horizontal, qui provoquent tous deux un moment de tangage piqueur. Pour un type d’avion donné, un seul de ces phénomènes peut suffire à provoquer une tendance à piquer : par exemple, le premier dans le cas d’un avion à aile delta sans plan canard ni empennage horizontal, et le second dans le cas du Lockheed P-38[4]. À l’inverse, certains avions ne présentent aucune tendance notable, comme le Fokker F28 Fellowship[5].
Lorsqu’un profil aérodynamique générant de la portance se déplace dans l’air, l’air qui s’écoule sur l’extrados accélère jusqu’à une vitesse locale supérieure à celle de l’air qui s’écoule sous l’intrados. Lorsque la vitesse de l’avion atteint son nombre de Mach critique, l’écoulement accéléré atteint localement la vitesse du son et crée une petite onde de choc, alors même que l’avion vole encore à une vitesse subsonique[6]. La zone située en avant de l’onde de choc génère une forte portance. À mesure que l’avion accélère, l’onde de choc sur l’aile se renforce et recule, déplaçant cette forte portance plus en arrière sur l’aile. C’est ce recul de la portance qui fait piquer l’avion du nez.
L’intensité de l’abattée de Mach sur un avion donné dépend de l’épaisseur du profil, de l’angle de flèche de l’aile et de la position de l’empennage horizontal par rapport à l’aile principale.
Un empennage horizontal placé plus en arrière peut fournir un moment cabreur stabilisateur plus important.
La cambrure et l’épaisseur du profil influent sur le nombre de Mach critique : plus l’extrados est bombé, plus le nombre de Mach critique est faible.
Sur une aile en flèche, l’onde de choc se forme généralement d’abord à l’emplanture, surtout si celle-ci est plus cambrée que le saumon. À mesure que la vitesse augmente, l’onde de choc et la portance associée s’étendent vers l’extérieur et, du fait de la flèche, vers l’arrière.
La modification de l’écoulement sur l’aile peut réduire la déflexion vers le bas au niveau d’un empennage horizontal classique, ce qui accentue le moment piqueur.
Un autre problème lié à un stabilisateur horizontal séparé est qu’il peut lui-même atteindre un écoulement localement supersonique, avec sa propre onde de choc. Cela peut perturber le fonctionnement d’une gouverne de profondeur classique.
Un avion dont la gouverne de profondeur n’a pas une efficacité suffisante pour maintenir l’équilibre et le vol en palier peut entrer dans un piqué prononcé, parfois irrécupérable[7]. Tant que l’avion n’est pas supersonique, l’onde de choc plus rapide sur le dessus peut réduire l’efficacité de la gouverne de profondeur et des stabilisateurs horizontaux[8].
Récupération
modifierLa récupération est parfois impossible sur les avions subsoniques. Cependant, lorsque l’avion descend dans un air plus bas, plus chaud et plus dense, l’efficacité des commandes (c’est-à-dire la capacité à contrôler l’avion) peut revenir, car la traînée tend à ralentir l’avion tandis que la vitesse du son et l’efficacité des commandes augmentent.
Pour empêcher le décrochage de Mach de s’aggraver, le pilote doit maintenir la vitesse en dessous du nombre de Mach critique de l’appareil en réduisant la poussée, en sortant les aérofreins et, si possible, en sortant le train d’atterrissage.
Caractéristiques de conception
modifierPlusieurs techniques de conception sont utilisées pour contrer les effets de l’abattée de Mach.
Sur les configurations à empennage horizontal classique comme sur celles à plan canard, le stabilisateur horizontal peut être dimensionné de façon suffisamment grande et puissante pour corriger les fortes variations d’équilibre liées à l’abattée de Mach. À la place de la gouverne de profondeur classique, l’ensemble du stabilisateur peut être rendu mobile, ou « monobloc », parfois appelé stabilisateur monobloc (stabilator). Cela augmente l’efficacité du stabilisateur sur une plage d’assiettes plus large, tout en évitant les problèmes de contrôle associés à une gouverne de profondeur séparée[8].
Les avions qui volent en supersonique pendant de longues périodes, comme le Concorde, peuvent compenser l’abattée de Mach en transférant du carburant entre les réservoirs du fuselage afin de déplacer le centre de gravité en fonction du déplacement du centre de poussée, ce qui réduit au minimum le besoin de compensation aérodynamique.
Un compensateur de Mach (Mach trimmer) est un dispositif qui ajuste automatiquement la compensation en tangage en fonction du nombre de Mach afin de contrer l’abattée de Mach et de maintenir le vol en palier.
Historique
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Le P-38 Lightning a causé de nombreuses difficultés de conception initiales aux ingénieurs de Lockheed : il était si rapide qu’il fut le premier avion américain à subir les effets de compressibilité et l’abattée de Mach.
Les chasseurs les plus rapides de la Seconde Guerre mondiale furent les premiers avions à subir l’abattée de Mach. Leurs ailes n’étaient pas conçues pour y faire face, car la recherche sur les profils supersoniques n’en était qu’à ses débuts ; des zones d’écoulement supersonique, accompagnées d’ondes de choc et de décollements de l’écoulement, apparaissaient sur l’aile[9]. Ce phénomène était appelé à l’époque « compressibility burble » (turbulence de compressibilité) et on savait qu’il se produisait à l’extrémité des pales d’hélice aux vitesses élevées[10].
Le P-38 fut l’un des premiers chasseurs à atteindre 400 mph (environ 640 km/h), et il connut plus que les habituels problèmes de jeunesse[11]. Il possédait une aile épaisse à forte portance, deux poutres caractéristiques et une nacelle centrale unique abritant le cockpit et l’armement. Il atteignait rapidement sa vitesse limite en piqué. Le fuselage court et trapu avait pour effet néfaste de réduire le nombre de Mach critique de la partie centrale de l’aile, épaisse de 15 %, les vitesses élevées autour de la verrière s’ajoutant à celles sur l’extrados de l’aile[12]. L’abattée de Mach se produisait au-delà de Mach 0,65[4] : l’écoulement sur la partie centrale de l’aile devenait transsonique, entraînant une perte de portance. La modification de la déflexion vers le bas au niveau de l’empennage qui en résultait provoquait un moment piqueur et accentuait le piqué (abattée de Mach). L’avion était très stable dans cette configuration[4], ce qui rendait la sortie de piqué très difficile.
Des volets de sortie de piqué (auxiliaires)[13] furent ajoutés sous l’aile (P-38J-LO) afin d’augmenter la portance de l’aile et la déflexion vers le bas au niveau de l’empennage, permettant ainsi de sortir des piqués transsoniques.
Notes et références
modifierNotes
modifierRéférences
modifier- ↑ (en) Hugh Harrison Hurt Jr., Aerodynamics for Naval Aviators, Office of the Chief of Naval Operations, Aviation Training Division, , édition révisée éd., p. 219
- ↑ Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge, U.S. Government Printing Office, Washington D.C., U.S. Federal Aviation Administration, , 3–37 to 3–38 (lire en ligne)
- ↑ (en) Bureau d'enquêtes et d'analyses pour la sécurité de l'aviation civile, « Final Report on the accident on 1st June 2009 to the Airbus A330-203 registered F-GZCP operated by Air France flight AF 447 Rio de Janeiro – Paris » [archive du ] [PDF], sur bea.aero, (consulté le )
- 1 2 3 (en) Albert L. Erickson, « Investigation of Diving Moments of a Pursuit Airplane in the Ames 16-Foot High-Speed Wind Tunnel » [archive du ] [PDF], sur Defense Technical Information Center, NACA, (consulté le )
- ↑ (en) Ed Obert, Aerodynamic Design of Transport Aircraft, Amsterdam, IOS Press, (ISBN 978-1-58603-970-7)
- ↑ (en) L. J. Clancy, Aerodynamics, Londres, Pitman Publishing Limited, (ISBN 0-273-01120-0), section 11.10
- ↑ (en) Airplane Flying Handbook, Washington, U.S. Federal Aviation Administration, U.S. Government Printing Office, coll. « FAA-H-8083-3A », (lire en ligne), p. 15-7 à 15-8
- 1 2 (en) « Transonic Aircraft Design » [archive du ], sur Selkirk College
- ↑ (en) John D. Anderson Jr., Introduction to Flight, McGraw-Hill Book Company, , 3e éd. (ISBN 0-07-001641-0), figure 5.17 (point c) et figure 5.20
- ↑ (en) John Stack, « The Compressibility Burble » [archive du ] [PDF], Technical Note no 543, sur NACA, (consulté le )
- ↑ (en) Warren M. Bodie, The Lockheed P-38 Lightning : The Definitive Story of Lockheed's P-38 Fighter, Hayesville, Caroline du Nord, Widewing Publications, (1re éd. 1991) (ISBN 0-9629359-5-6)
- ↑ (en) John A. Axelson, « Longitudinal Stability and Control of High-Speed Airplanes with Particular Reference to Dive Recovery » [archive du ] [PDF], Research Memorandum A7C24, sur NACA, (consulté le )
- ↑ (en) Malcolm J. Abzug et E. Eugene Larrabee, Airplane Stability and Control : A History of the Technologies that Made Aviation Possible, Cambridge, Cambridge University Press, , 2e éd. (ISBN 0-521-02128-6), p. 165
