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Bille au centre

« Ta, bille, bon sang, mets du pied ! »

L’élève-pilote qui n’aura jamais entendu cette phrase de la bouche d’un instructeur n’est pas encore né. Qu’ils sont pénibles, les instructeurs, avec cet instruments insignifiant. Hormis à faire plaisir à l’instructeur, à quoi sert cette bille ? A vérifier la symétrie du vol, bien entendu !

Notion de vol symétrique

Qu’est ce qu’un vol symétrique ?

L’avion vole symétriquement lorsque son axe longitudinal est aligné avec les filets d’air. Cela vaut aussi bien en ligne droite qu’en virage.

volsymetrique
Vol symétrique : les filets d’airs sont parallèles à l’axe longitudinal de l’avion
volassymetrique
Vol asymétrique : les filets d’airs ne sont pas parallèles à l’axe longitudinal de l’avion

En vol asymétrique, l’air frappe l’avion de côté. En virage, on distingue deux cas de vol asymétrique :

  1. La glissade (slip en anglais) : la trajectoire se fait vers l’intérieur du virage théorique. Par exemple, en virage à droite, au lieu de venir de l’avant l’air vient de la droite.
  2. Le dérapage (skid en anglais) : la trajectoire se fait vers l’extérieur du virage théorique. Par exemple, en virage à droite, au lieu de venir de l’avant l’air vient de la gauche.

dérapage

En bleu : la trajectoire normale d’un virage symétrique
En rouge : la trajectoire d’un virage glissé
En Orange : la trajectoire d’un virage dérapé

Quel est le problème du vol asymétrique ?

Le problème principal est facilement compréhensible. Pour le dire avec des mots simples, l’avion vole « de travers ». L’air frappe l’avion de côté, ce vent relatif n’épouse pas les formes profilées du fuselage, et la trainée s’en retrouve considérablement augmentée.

En montée

S’il est bien un moment au cours du vol cet emmerdeur d’instructeur s’époumone si la bille n’est pas soudée au centre (donc le vol n’est pas parfaitement symétrique), c’est pendant la montée. Alors que vous êtes à pleine puissance et à une vitesse relativement faible, votre avion subit au maximum les effets du souffle hélicoïdal qui, sur la plupart des monomoteurs à hélice modernes, fait partir le nez de l’avion à gauche. Dans ce cas, vous êtes en dérapage à gauche, le vent vient de la droite et vous devez « mettre du pieds » à droite pour revenir en vol symétrique.

Si vous aviez la tête dehors, sur un vieux biplan, vous sentiriez ce vent qui vous gifle la joue droite, alors qu’en mettant du pied le vent arriverait parfaitement de face, et vous seriez protégé par votre petit pare brise.

Ce vent relatif de travers créée donc une trainée monstrueuse qui empêche votre avion :

  1.  De monter
  2. D’accélérer

En vol symétrique, l’avion subissant moins de trainée, il monte mieux et accélère mieux.

En virage

En virage, si vous n’utilisez pas convenablement le palonnier (trop ou pas assez de pied), votre virage sera soit glissé soit dérapé. Là encore, vous réduisez les performances de votre avion. Mais surtout, vous vous exposez au risque d’un décrochage asymétrique. Sans entrer dans le détail ici, lors d’un décrochage asymétrique , une aile est plus balayée par le vent que l’autre aile. Une seule aile décroche, ou bien l’une décroche avant l’autre : c’est la vrille (ou autorotation). Autrefois, les élèves pilotes privés apprenaient tous à ce sortir d’une vrille, que l’on peut qualifier de perte de contrôle. Aujourd’hui il vous faudrait (c’est ma recommandation) vous y essayer sur un avion de voltige. La vrille fait perdre beaucoup de hauteur dans un laps de temps très court, elle est donc particulièrement dangereuse à basse hauteur. Pour s’en prémunir, il faut voler à la bonne vitesse, garder la bille au centre pour un beau vol symétrique, éviter les fortes inclinaisons à basse hauteur.

Comment fonctionne la bille ?

S’il ne devait y avoir qu’un seul instrument à bord, ce serait celui là. Appelée slip ball en anglais, elle est constituée d’un tube en verre à l’intérieur duquel une bille baigne dans un bain d’huile.

Le principe est enfantin :

principebille

la bille est entrainée vers le bas par la gravité. La force centrifuge la dévie vers l’extérieur du virage. En cas de virage dérapé, la force centrifuge n’est pas suffisante et la bille tombe sous son poids. A l’inverse en virage glissé la force centrifuge entraine la bille trop loin à l’extérieur du virage.

Si la bille se décentre, il faut retenir que

LE PIED POUSSE LA BILLE

Si la bille part à droite, il faut mettre du pied à droite. Si la bille part à gauche, il faut mettre du pied à gauche. Vous pouvez vérifier le bon fonctionnement de la bille au sol en effectuant un virage : la bille sera entrainée vers l’extérieur du virage par la force centrifuge.

Attention : si, en virage à droite, la bille part à gauche, c’est que vous poussez trop sur votre pied à droite, il vous faut donc le reculer légèrement jusqu’à constater le centrage de la bille.

593px-TC-Sliporskid

Dans l’image ci dessus, l’avion est en virage.

  • Sur l’instrument de gauche, le virage est correctement coordonné, la bille centrée, le vol symétrique
  • Sur l’instrument au centre, la bille part à l’extérieur du virage : c’est un dérapage, il faut mettre moins de pied à droite
  • Sur l’instrument de droite, c’est une glissade, l’avion est incliné à droite mais le pilote n’enfonce pas assez le pied droit. Il faut mettre du pied à droite pour pousser la bille !

Les autres instruments de contrôle de la symétrie

Si la bille équipe quasiment tous aéronefs, certains engins volants utilisent aussi d’autres instruments.

Le fil de laine

Tous les planeurs, certains hélicoptères, et certains autres engins volants (tel que l’immense avion électrique Solar Impulse) utilisent un simple fil de laine pour contrôler leur symétrie. Ce fil de laine, accroché par un ruban adhésif au pare-brise, dévie tout simplement en fonction de la direction du vent relatif.

DCF 1.0On voit parfaitement sur cette image que le fil de laine est centré, ainsi que la bille. Le virage est donc symétrique. La règle du fil de laine est l’inverse par rapport à la bille : le pied tire le fil ! Donc si la bille part à gauche, le fil part à droite.

Le fil de laine présente un double avantage : situé dans le champ de vision, il permet de coordonner correctement son virage tout en regardant dehors. En outre, il est CONSIDÉRABLEMENT plus précis que la bille. Pourquoi donc ne pas l’installer sur nos avions d’aéroclub ? Tout simplement parce qu’il subirait plus le souffle de l’hélice que le vent relatif, ce qui le rendrait inutilisable. Quelques rares pilotes parmi vous verront peut être un fil de laine sur des avions à hélice propulsive.

Les EFIS

Dans beaucoup d’avions équipés de glass cockpit, vous trouverez tout de même une bille « mécanique », à l’ancienne. C’est le cas de cet écran EADI ci dessous monté sur un Boeing 737-300 :

eadi

Toutefois, les EFIS modernes présentent au pilote l’information de dérapage sur écran. La « bille virtuelle » est affichée sous la forme d’un rectangle (on parle parfois de brique) déviant à gauche ou à droite en cas d’asymétrie, son usage étant strictement le même que celui de la bille. Sur les images ci dessous, vous pouvez vous la « brique » en haut de l’écran :

g1000
Bille centrée, vol symétrique
G1000slipped
Bille décalée à droite, vol asymétrique

Le Bilan des Forces

Les Forces

Voilà un chapitre qui peut paraitre rébarbatif aux esprits peu scientifiques. Je vais donc essayer de traiter le sujet de la façon la plus simple. Car la compréhension de cette partie est indispensable pour la suite.

Un avion au sol, à l’arrêt, ne subit que deux forces : son propre poids, et la résistance du sol. Sans cette résistance, l’avion s’enfoncerait dans le sol. Cela doit vous rappeler des cours de physique du collège !

Pour qu’un avion vole, une force doit le tirer vers le haut, et cette force doit être plus grande que le poids de l’avion. Cette force, c’est la portance. Pour que l’avion vole, il doit avancer. Une force doit donc tirer l’avion vers l’avant : c’est la traction  pour un avion à hélice(s), la poussée pour un avion à réaction.

Enfin, dès lors qu’un mobile se déplace, il subit des forces de frottement. Pour un avion, ces forces se limitent aux frottements de l’air, qui ne sont pas négligeables : en voiture, roulez à 130 km/h et passez votre main par la fenêtre, vous sentez cette forte résistance de l’air. On l’appelle la trainée. Un article lui est entièrement dédié ici : LA TRAINÉE

Forces

Les Formules

Voyons à présent les formules « qui fâchent ». Il vous faut les connaitre par cœur pour l’examen théorique. Mais elles vous sont de toute façon indispensables pour comprendre les bases de la mécanique du vol.

La Portance

Commençons par la portance, notée \vec{Fz}

\vec{Fz} = \frac{1}{2} \rho S V^2 Cz
  • \rho (prononcé « rho ») est la masse volumique de l’air. On simplifie parfois en parlant de densité de l’air. En réalité une densité est le rapport entre une masse volumique donnée, et une masse volumique de référence. Bref, tout comme la densité, la masse volumique de l’air diminue quand la température augmente (plus il fait chaud plus l’air est léger). La masse volumique diminue aussi quand la pression atmosphérique diminue, et par conséquent quand l’altitude augmente. Ce \rho est donc intéressant car il nous indique que la portance diminue par temps chaud, ou lorsque l’on monte en altitude. Ce qui explique les performances diminuées lors d’opérations par temps chaud ou depuis un aérodrome situé en altitude. Au décollage par temps chaud et/ou depuis un aérodrome situé en altitude, à vitesse égale vous aurez moins de portance que par temps froid ou sur un aérodrome au niveau de la mer. L’avion montera donc moins bien.
  • S est la surface alaire de l’avion. Plus la surface de l’aile est grande, plus celle ci va produire de la portance. Sur la plupart de nos avions d’aéroclub, ce paramètre ne peut pas être piloté. Il existe cependant certains dispositifs qui peuvent modifier la surface alaire pour augmenter la portance, comme les volets fowler qui reculent en sortant et augmentent ainsi la surface alaire
  • V² : le carré de la vitesse. On voit donc aisément que la vitesse est le paramètre faisant le plus varier la portance.
  • Cz : le coefficient de portance. Ce coefficient dépend de plusieurs paramètres :
        • La conception de l’avion et de l’aile
        • La position des dispositifs hypersustentateurs (volets, becs de bord d’attaque)
        • L’angle d’incidence

Prenons l’exemple d’un avion en vol stabilisé en palier. Si l’on diminue la vitesse de l’avion, la portance diminue, donc l’avion descend. Pour ne pas descendre, il faut augmenter un autre paramètre de la formule. On peut augmenter le Cz en augmentant l’incidence, donc en levant le nez de l’avion. Plus on diminue la vitesse, plus il faudra augmenter l’incidence pour maintenir le palier. Arrivé à une incidence maximum, le Cz diminue brutalement, la portance s’effondre : c’est le décrochage.

Cz incidence

La Trainée

La formule de la trainée est très simple à retenir une fois que vous aurez assimilé celle de la portance. La force de trainée s’écrit \vec{Fx}

La formule est la suivante :

\vec{Fx} = \frac{1}{2} \rho S V^2 Cx

Le seul changement par rapport à la formule de la portance se trouve au niveau du coefficient, le coefficient de trainée (Cx) y remplace le coefficient de portance (Cz).

Le Cx est parlant pour la plupart d’entre vous. Certains vont l’appeler « coefficient de pénétration dans l’air ». Le Cx dépend tout comme le Cz de la conception de l’avion, de l’incidence et de la position des volets. A la différence du Cz, le Cx augmente continuellement avec l’incidence. Plus on augmente l’incidence, plus le Cx augmente. Vous pouvez en faire l’expérience avec votre main par la fenêtre en voiture. Avec la main à l »horizontale, vous ne sentez que peu de résistance. Plus vous « cabrez » votre main, plus vous sentez cette force de trainée qui tire la main vers l’arrière.

Dans un autre article, nous étudierons comment est créée la force de portance.