Comment vole un avion ?

L’Homme a toujours souhaité voler, et dompter cette technologie a permis de grandes avancées. Bien que le premier avion ait été inventé il y a plus d’un siècle, regarder les avions décoller et atterrir laisse rarement indifférent. Comment un avion de près de 600 tonnes peut-il voler ? Quels sont les phénomènes physiques en jeu ?

Les premières machines volantes étaient des cerfs-volants, inventés il y a des milliers d’années en Asie. Bien qu’elles soient attachées au sol, ces ailes légères ont transporté plus récemment des armes, des caméras et même des personnes. Elles sont utilisées pour le sport, les cérémonies, la pêche et même pour porter des messages, et elles nous ont beaucoup appris sur la physique du vol.

Dans les années 1480, Léonard de Vinci applique son génie artistique et technique au mystère du vol. Son invention d’ornithoptère permettait au pilote-passager de battre des ailes géantes comme un oiseau, et son invention de type hélicoptère comportait une voile en forme de vis. Ses machines, cependant, n’ont jamais été construites à l’époque.

Pour concevoir un avion performant, les ingénieurs doivent maîtriser l’équilibre et le contrôle de quatre forces : la portance, la gravité, la poussée et la traînée, aussi appelées les « quatre forces du vol ». En ajustant ces forces, les pilotes peuvent accélérer, ralentir, décoller et faire atterrir leur avion, qu’ils s’agissent d’un avion de ligne, d’un avion militaire ou d’un jet privé. Mais les scientifiques débattent toujours de comprendre exactement pourquoi ce phénomène se produit. Cela ne rassurera certainement pas ceux qui ont la phobie du vide.

Les ailes et la portance

L’explication la plus courante est la suivante : l’avion vole car il a des ailes ! Mais qu’en est-il exactement ? Comment ces ailes permettent-elles de voler ? Le principe est simple : l’air se déplace plus rapidement sur la surface supérieure plus courbée de l’aile que sur la surface inférieure plus plate. Plus un fluide (comme l’air) se déplace rapidement, moins il exerce de pression, un phénomène connu sous le nom de principe de Bernoulli, qui porte le nom de son découvreur, Daniel Bernoulli, un mathématicien suisse du XVIIIe siècle.

Ainsi, l’air se déplaçant plus lentement sous l’aile exerce plus de pression sur l’aile que l’air se déplaçant plus rapidement au-dessus. Cela produit une force ascendante (vers le haut) nette appelée portance, qui pousse l’avion vers le haut et équilibre l’attraction de la gravité vers le bas. Cette explication, bien que précise, n’explique cependant toujours pas exactement pourquoi l’air circulant sur l’aile se déplace plus rapidement.

Sans compter que selon cette explication, les avions seraient incapables de voler sur le dos car ils seraient attirés vers le bas du fait de leurs ailes courbées, or, ils le font ! De même, il existe des avions possédant des ailes ayant un profil symétrique sur les deux faces, et pourtant ils volent parfaitement.

C’est pourquoi comme l’explique le mathématicien Jef Raskin, l’un des créateurs de l’ordinateur Macintosh, les lois du mouvement d’Isaac Newton permettent de fournir une explication complémentaire. Raskin déclare dans un article du New York Times : « Une aile n’est qu’un dispositif pour forcer l’air vers le bas ». Selon la troisième loi de Newton — pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée —, la force descendante que l’aile applique à l’air produit une force ascendante de l’air sur l’aile, appelée portance.

La quantité d’air déviée vers le bas dépend principalement de l’angle de l’aile lorsqu’elle vole dans les airs, ce qu’on appelle l’angle d’attaque, et non uniquement de la forme de l’aile. Un avion peut donc voler à l’envers en augmentant l’angle d’attaque pour produire suffisamment de portance.

Sur un plan strictement mathématique, les ingénieurs savent concevoir des avions fonctionnels. Mais les équations n’expliquent pas pourquoi la portance aérodynamique se produit. Ces deux théories concurrentes éclairent les forces et les facteurs de portance, mais sont incomplètes. Les aérodynamiciens ont récemment tenté de combler les lacunes dans la compréhension. Pourtant, aucun consensus n’existe actuellement.

Manœuvrer un avion

Les avions modernes sont des machines bien plus complexes que le premier planeur des frères Wright. Cependant, malgré leurs tailles et leurs milliers de pièces, ils ont besoin des quatre mêmes forces pour décoller et rester dans les airs : la gravité, la portance, la poussée et la traînée.

La gravité est la force qui attire les objets vers le centre de la Terre. La portance est la force qui s’oppose à la gravité. C’est la force qui fait décoller l’avion et l’empêche de s’écraser au sol. La poussée est la force qui fait avancer l’avion en vol. Elle est généralement créée avec des turboréacteurs ou des moteurs à hélices. La traînée s’oppose à la poussée et ralentit l’avion. En d’autres termes, c’est la force de résistance de l’air lorsque l’avion se déplace dans les airs.

Lorsque la poussée et la traînée sont égales et travaillent dans des directions opposées, un avion continue à avancer à la même vitesse. Si la poussée est supérieure à la traînée, l’avion accélère. Si la traînée est supérieure à la poussée, l’avion perd de la vitesse, la traînée le ralentissant.

Lorsque la portance est égale et opposée à la force de gravité, l’avion ne monte pas et ne descend pas. Mais si la portance est supérieure à la force de gravité sur l’avion, l’avion monte. Inversement, si la force de gravité est supérieure à la portance, l’avion descend.

Pour faire tourner l’avion vers la droite ou vers la gauche, les ailerons sont relevés sur une aile et abaissés sur l’autre. L’aile avec l’aileron abaissé monte tandis que l’aile avec l’aileron relevé descend.

Le tangage fait descendre ou monter un avion. Le pilote ajuste les gouvernes de profondeur sur la queue pour faire descendre ou monter un avion. L’abaissement des gouvernes de profondeur fait tomber le nez de l’avion. L’élévation des gouvernes de profondeur fait monter l’avion.

Le lacet est le virage d’un avion. Lorsque le gouvernail est tourné d’un côté, l’avion se déplace vers la gauche ou vers la droite. Le nez de l’avion est pointé dans la même direction que la direction de la gouverne de direction. Le gouvernail et les ailerons sont utilisés ensemble pour effectuer un beau virage. Le gouvernail permet aussi d’effectuer des ajustements rapides lors d’un atterrissage, ou d’aider à faire tourner efficacement les petits avions au sol sans les faire basculer.

Des jets privés verts ?

La maitrise de l’aéronautique a permis de s’affranchir d’un nombre conséquent d’obstacles pour le commerce international, mais aussi pour la mobilité des populations. Depuis la crise liée à la COVID-19, les jets privés apparaissaient pour de plus en plus de personnes aisées comme une alternative plus sure et moins contraignante que les vols classiques avec des avions de ligne. Le nombre de jets privés utilisés ne fait qu’augmenter.

Néanmoins, selon l’organisation non gouvernementale européenne Transport & Environnement (T&E), les jets privés sont 5 à 14 fois plus polluants que les avions commerciaux (par passager), et 50 fois plus que les trains à grande vitesse, émettant près de deux tonnes de CO₂ en une heure de vol.

Néanmoins, l’aviation privée est un outil considérable pour les entreprises en termes de productivité et de gain de temps. C’est pourquoi, comme le mentionne un article sur le site AEROAFFAIRES : « Les acteurs du secteur sont contraints d’innover en développant de nouveaux projets, avec des jets à la fois plus performants et moins polluants. De nouvelles aspirations émergent de la part des consommateurs, qui attendent de l’aviation privée qu’elle fasse des efforts d’un point de vue écologique. Nous assistons à un défi collectif des compagnies aériennes et des opérateurs aériens pour compenser voire réduire leurs émissions de gaz à effet de serre ».