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FONTAINE Mathéo, ROBERT Fatima et VELIA Maëlis, trois élèves du lycée Roland Garros de la série S de la classe PS1 vous présente le TPE Aérodynamisme.
Groupe 9
Avec les professeurs encadrants : M GARNIER et M NATIVEL Sté.

L'Aérodynamisme... Ce sujet est vague et il y a beaucoup de choses à évoquer. Quelles sont les premières interrogations lorsque que l'on entend se mot ? Quelles sont les éléments qui peuvent nous intéresser dans ce sujet ?
Le vol des oiseaux serait marrant à faire. Il s'agit de la nature, des animaux que nous pouvons voir tous les jours ! Seulement, nous ne pourrons pas parler de technologie ou d'un caractère moderne et innovant ! C'est des oiseaux ! Nous en voyons tous les jours et ce depuis la nuit des temps !
Par contre, l'aérodynamisme n'implique pas que le vol ! nous pouvons très bien parler de voiture ou de vélo ! Ce qui compte c'est qu'il y a de l'air en mouvement et un corps ! Mais quand même ! Voler,... c'est beau ! L'homme a tellement prit du temps pour savoir le faire et puis cela reste un sujet moderne avec l'avion ! Le moyen de transport le plus sécuritaire de tous ! Avec une technologie de pointe ! Et une importance capitale aujourd'hui dans ce monde où tout le monde doit se déplacer de plus en plus vite et de plus en plus loin !

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L' avion un engin en relation avec le ciel et les humains

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L' avion un engin en relation avec le ciel et les humains

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Rappel :
L' aérodynamique évoque l'action de l'air en mouvement. C'est la science  qui étudie les phénomènes accompagnant tout mouvement relatifs entre un corps et l'air.
De nos jours, il est de plus facile de se déplacer loin en prenant de moins en moins de temps. L'avion est le véhicule par excellence par ce faire. Mais, il ne faut pas oublier qu'il n'y a pas que les avions de ligne dans la vie ! C'est aussi le symbole de la défense et de l'ordre avec les avions de chasse ou plus simplement, un plaisir avec les planeurs et autres avions touristiques !

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Quelles performances peut effectuer un avion et quelles seraient les conséquences sur notre corps ?

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La première partie sera dédié à tous ce qui est autour de l'avion dans son intégralité avec les avions de ligne, comme des avions de chasse, ou autre.
La suite sera plus ciblé sur deux types, l'avion de chasse et le planeur.

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I- L'avion : Un engin en relation avec le ciel

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I- L'avion : Un engin en relation avec le ciel

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Les plus lourds que l'air, les 1ers vols réussis !

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Les plus lourds que l'air, les 1ers vols réussis !

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Le projet de faire voler des plus lourds que l'air a longtemps été un rêve. Il y eu beaucoup de tentatives ratées, de blessé et de déçu. Il a fallut attendre le 19e siècle pour avoir les premiers vols réussis. Cependant, le combat a toujours fait rage pour savoir qui a fait le tout premier vol entre Clément ADER et les frères WRIGHT :

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Clément ADER est un ingénieur Français. Il démontre que pour faire décoller un engin plus lourd que l'air on a besoin d'une puissance ASCENSIONNELLE  c'est à dire avec un moteur .
Il construit son premier aéroplane en 1882 qui a la particularité d'avoir les ailes en forme de chauve-souris et l'appelle Eole. Il en fera 3 en tout !

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Orwill et Wilbur WRIGHT, 2 frères Americains, étaient fabricant de bicyclettes. Ils réussisent à faire décoler leur premier avion, "le Flyer". Il était composé de deux hélices qui étaient entraînées par un moteur à explosion. Son premier vol est réalisé le 17 Décembre 1903.

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Rappelons que voler c'est se soutenir, se déplacer dans les airs
Alors comment l'avion vole-t-il ?

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Quelque soit le type d'avion, de chasse, touristique ou de ligne, il obéit à des lois pour voler. Il est soumis à 4 forces :
La portance, la poussée ( ou la traction ), le poids (ou gravité) et la traînée.

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Selon si le moteur est un turbocompresseur ou un turbo-réacteur, le nom varie, mais l'idée est la même. C'est la force qui permet à l'avion d'avancer. Ici, cette force est donnée par l'impulsion du bras de Mathéo

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Il équipe beaucoup d'avions de lignes pour sa rentabilité en kérosène. Son principe, aspirer l'air, le compresser, le mélanger au carburant, chauffer le tout et l'expulser. On parle ici de poussée

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Le turbocompresseur équipe les voitures, les bateaux ainsi que certains avions, ceux équipés d'hélices. Ils marchent en quatre étapes. Tout d'abord, l’admission, puis, la compression, la combustion et enfin, l'échappement. On parle ici de traction

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C'est la force permettant à l'avion de monter en altitude. Elle est la conséquence de la différence de pression entre l'intrados (surface vers le sol du profil de l'aile) où il y a surpression et l'extrados (surface vers le ciel du profil de l'aile) où il y a une dépression. Le profil de l'aile d'un avion est conçu pour que l'écoulement de l'air ne se fasse pas à la même vitesse permettant l'élévation de l'engin.

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La trainée est la force attirant l'avion vers l'arrière dans le sens du vent relatif. C'est la force qui est la principale cause du décrochage. En effet, à une vitesse et inclinaison donnée, l'avion malgré la poussée tombe et le seul moyen de s'en sortir est de piquer le nez de l'avion jusqu'à ce que l'avion s'accroche à l'air.
Ceci s'explique par une basse vitesse et une trop grande inclinaison. Le décrochage fut la cause de plusieurs accidents aériens même si

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Décrochage d'un avion: 3 points pour ne pas en avoir "peur"

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C'est la force qui attire l'avion vers le sol. C'est aussi la cause de nombreux accidents aériens...

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L'atmosphère est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre. Le gaz devient de plus en plus rare lorsque que l'on monte en altitude. 99% de sa masse totale se trouve entre 0 et 30 km. Elle est divisé en plusieurs couches comprenant :
- la troposphère
-la stratosphère
-la mésosphère
-la thermosphère
-la exosphère
Celles qui nous intéressent sont la stratosphère et plus particulièrement la troposphère. En effet, c'est dans cette partie que tout les avions peuvent circuler car c'est les deux couches qui contiennent la quasi totalité de l'air.
Quelque soit l'altitude, il y a 78% d'azote, 21% d'oxygène, 1% de gaz rares.
La température de l'air diminue à mesure q'on monte dans la troposphère et réaugmente dans la stratosphère grâce à un phénomène que l'on appelle l'ozone.

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Quand nous prenons l'avion, avec l'altitude, nous pouvons remarquer que les aliments sont parfois fade ou même sans goût. Malgré ce que l'on peut penser, cela n'est pas dû à la mauvaise préparation des repas.
En effet, lors de la pressurisation de la cabine l'humidité diminue. Aussi, plus l'altitude augmente plus l'air devient "sec" et notre perception du salé et du sucré diminue de 30%. Cela s'explique par le gonflement de nos muqueuses lors d'une pressurisation bloquant ainsi le passage de l'odeur.

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Des chercheurs de l’école de santé publique Harvard T. H. Chan, ont conduit une étude auprès de  5 366 agents de bord américains (hôtesses de l’air, stewards, pilotes). Plus de 15% ont développé un cancer. Ainsi la prévalence dans cette catégorie serait plus élevée que dans la population générale.

Nous pouvons observer une très forte augmentation de risque de cancers  de la peau , du sein  , quand nous nous  trouvons régulièrement dans les airs .Cela peut s'expliquer par ce  phénomène:
- Le rayonnement solaire
Quand nous nous trouvons dans la stratosphère ( qui elle est plus proche de la couche d'ozone ) , nous sommes encore plus exposé au rayon UV du soleil , bien souvent nous pouvons croire que la coque de l'avion peut nous protéger mais pas du tout ....Nous sommes donc plus concernés par les cancers de la peau

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La pression correspond au poids de la colonne d'air s'étendant jusqu'à la limite supérieure de l'atmosphère se trouvant au dessus du lieu d'observation.
Concrètement, la pression peut s'apparenter à une pile de coussins. Plus on prendra de la hauteur moins il y aura de cousins au dessus de nous puisqu'il seront plus espacer qu'au sol. Autrement dit, le poids exercé sur nous sera moins important.
La pression diminue de 1 hPa (= hectopascal) tout les 28 ft (= feet). 28ft est égale à un kilomètre

L’expérience ci dessous illustre parfaitement : lorsque le ballon est dans l'eau chaude les "coussin" sont plus espacés donc le ballon gonfle. Dans l'eau froide l'air se comprime est le ballon se dégonfle

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Pour un vol plus efficace, nous faisons voler l'avion très haut, au alentour de 15 km du sol. Mais, l'apport en oxygène y est moindre qu'au sol. En effet, en altitude la proportion d’oxygène dans l’air est la même qu’au sol. C'est à dire 20% de l'air. Mais l’air étant moins dense c'est à dire moins compact, car la pression étant moins forte, il y a donc moins d’oxygène, le gaz dont nous avons besoin pour respirer.

Pour résoudre ce problème, L'air est compressé à l’intérieur de l’avion jusqu’à atteindre une densité d’air proche de celle au sol et permettant de respirer. En fait, on va « gonfler » l’avion comme un ballon de foot en faisant augmenter la pression à l’intérieur. Concrètement, des vannes vont laisser entrer plus d’air qu’elles n’en laissent sortir. C'est ce qui se passe pour les avions de lignes et de chasses. Mais cette solution peut être une cause d'accidents aériens. La différence de pression entre l'intérieur de l'avion et à l'extérieur sont tels qu''en cas de trou dans le fuselage ou d'un hublot manquant, l'air s'échappe rapidement et la température chute jusqu'à -45°C. La procédure de sécurité veut le déploiement de masque à gaz pour tous les passagers jusqu'à ce que l'avion atteigne un altitude propice à respirer.  Puis, l'avion est posé en urgence dans l'aéroport le plus proche.

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Dépressurisation d'un 737 Ryanair Limoge

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Ce terme désigne un apport en oxygène insuffisant dans les tissus de l'organisme. Nous pouvons aussi retrouver ce phénomène en montagne.
Certaines personnes s'adapte très vite et leur système respiratoire ventile plus vite. Hors, quand la quantité d'oxygène est moindre, cela peut entraîner l'évanouissement de la personne.
Il existe plusieurs type d'hypoxie :

-l’hypoxie cérébrale, qui désigne un apport insuffisant en oxygène au niveau du cerveau
-l’hypoxie foetale, qui correspond à un déficit en oxygène chez le foetus
-l’hypoxie hypoxémique, qui correspond à une baisse de la pression partielle de l’oxygène (PaO2) -
l’hypoxie des anémies, qui est la conséquence d’une diminution du taux de globules rouges ou d’hémoglobine dans le sang
-l’hypoxie d’origine circulatoire, qui est associée à un problème au niveau du débit sanguin
-l’hypoxie cytotoxique, qui est due à une modification des enzymes respiratoires provoquant une incapacité des tissus à utiliser l’oxygène.

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Les débuts de l'aéronautique ont été durs, mais au file du temps il s'est imposé et a évolué jusqu'à ce que l'on connait aujourd'hui. Ces progrès technologiques ont permis d'établir de nouveaux records et performances.
Nous pouvons notamment le constater grâce à ces deux grands avions qui ont marqué l'histoire de l'aéronautique et qui malheureusement ne seront plus produits.

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C'est un avion supersonique. Sa vitesse était de mach 2.02. Il pouvait relier Paris-New-York en seulement 3 heures. Son premier vol a été effectuer le 2 mars 1969 mais suite à son 1er accident il fut retiré le 26 novembre 2003.

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BRITISH AIRWAYS Concorde at Kai Tak (1996)

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C'est un  avion de ligne civil, il est capable d'accueillir jusqu'à 853 passagers . Certains aéroport ont dû  agrandir leur pistes pour l' accueillir tellement il est imposant !
Pour faire le trajet Paris-New-york , cette avion rejette 196 tonnes de CO2 !!
Récemment , Airbus a décidé de stopper la production de l'A380 , car il ne se vendait pas par les compagnies !

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II-Des avions particuliers : le planeur, l'avion de chasse et l'avion de voltige.

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II-Des avions particuliers : le planeur, l'avion de chasse et l'avion de voltige.

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C'est au cours de la première Guerre mondiale , que les premiers avions de chasse ont connu une amélioration fulgurante. Nous pouvons le voir avec Roland Garros, grand héros de la guerre et un grand homme pour nous réunionnais. Roland Garros a mis au point ce qu'on appelle " le tir synchronisé ", qui consiste à blinder chaque hélice  de pièce métallique déviant les balles, il créa le  premier avion de chasse monoplace, armé d'une mitrailleuse  tirant  dans l'axe  de l'avion à travers  le champs de rotation de l'hélice

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Roland Garros et le Morane -Saulier  type L

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Roland Garros et le Morane -Saulier  type L

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L'avion de chasse : un engin à la pointe de la technologie

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L'avion de chasse : un engin à la pointe de la technologie

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L'avion de chasse est conçu à des fins militaires pour des missions d'infiltration, d'observation,... surtout pendant la première Guerre Mondiale. Les structures étaient assez précaires avec un squelette en bois et un revêtement en toile. Les pilotes n'avaient pas la capacité de se battre efficacement car il ne pouvaient apporter qu'un pistolet ou un fusil simple.
Son rôle évolue cependant au fil du temps, avec les bombardements et les attaques aériennes pendant la seconde Guerre Mondiale. Les structures se solidifièrent avec du métal,... et des mitraillettes accroché à l'avion dont les tirs sont synchronisés avec l'hélice pour éviter des retours de balles.
Aujourd'hui, il est multitâche et représente une élite. Ces capacités sont telles que pas n'importe qui ne serait le piloter !

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La vitesse du son, c'est à dire environ 340m/s. Un avion de chasse peut atteindre une vitesse égale voir supérieure durant le phénomène physique appelé mur du son. On dit qu'ils volent en Mach. Le maximum atteint est de 8575 km/h soit Mach 1. Il provoque une onde de choc sous forme de bang supersonique. Chaque avion a sa propre vitesse maximale, la plupart aujourd'hui atteigne Mach 1 mais des modèles notamment américains peuvent aller jusqu'à Mach 2.

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Les avions de chasse sont des avions à haute vitesse utiliser par l'armée mais cela imposent quelques inconvénients. En effet, le corps humain n'est pas conçu pour atteindre de tels vitesse. Il y a donc plusieurs effets néfastes sur notre corps. Effectivement, les pilotes d'avion de chasse sont soumis a la force de graviter (g) qui est renforcé par la vitesse provoquant un surplus de sang dans le cerveaux ce qui peut conduire a une perte de connaissance ou, si l'exposition est longue et forte, à la mort.

"C’est le facteur de charge (les g) qui sont les plus contraignants. en virage ou en ressource (montée) le cerveau se vide de son sang et on commence par ne plus rien voir, perdre connaissance ou pire si l’on ne fait pas les manoeuvres qu’il faut. Pour empêcher ce sang de descendre, il faut faire de manoeuvres respiratoires et musculaires. Cela demande de l’entrainement."
M Nativel.
De plus, il subit une forte pression l'écrasant contre son siège. Une sensation que les pilotes de formule 1 connaissent bien.

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Une journaliste ne supporte pas les 7,5G dans un avion de chasse et finit par s’évanouir

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Les élèves doivent suivre un entraînement spécifique pour les préparer.
Ils ont quand même une combinaison anti-G qui compresse les jambes du pilote pour que pendant une manoeuvre, son sang reste dans le haut du haut principalement car le cerveau doit être protéger.

"Une combinaison anti-G pour empêcher les sang de refluer dans les pieds"
M Nativel

Malgré ce que certains peuvent pensé, ils sont entraînés sur des simulateurs de vol mais en aucun cas ceux de l'armée de l'air sont équipés pour avoir les sensations qu'ils pourraient avoir dans leur engin !
Ils sont juste là pour permettre l'orientation du pilote.

"Ce sont des capacités très spécifiques: savoir se repérer et s’orienter dans l'espace, savoir s’adapter rapidement à des situations stressantes, savoir se remettre en question.. "
M Nativel

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Le siège éjectable est un outil essentiel pour rendre plus sur l'avion de chasse. C'est lui qui permet la survie aujourd'hui de centaine de pilotes.
Il consiste a disposé des explosifs sous le siège pour propulsé le pilote assez haut pour lui éviter un choc contre l'appareil. Le pilote l'active avec une commande d'urgence.
Aujourd'hui on se penche encore sur comment l'améliorer.

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Voici un exemple de cursus

" BAC S option math puis sélections EOPN (Eleve Officier du Personnel Navigant). Ensuite formation d’élève pilote dans l’armée de l’air."
Sébastien Nativel

Pour être pilote de chasse il faut avoir aussi certaines aptitudes physiques et mentales : avoir un bon dos, ne pas être trop grand ni trop petit,

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Le rafale : un avion français à la pointe de l'innovation

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Le rafale : un avion français à la pointe de l'innovation

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Le Rafale est un avion de combat biréacteur capable d’opérer depuis un porte-avions comme depuis une base à terre. Totalement polyvalent, le Rafale peut assurer toutes les missions dévolues à l’aviation de combat : supériorité et défense aériennes, appui au sol, frappe dans la profondeur, reconnaissance, frappe anti-navire, dissuasion nucléaire.
Le rafale a fait son entrer dans l'armée de l'air en 2006 , depuis  il  a fait ses preuves au combat en Afghanistan, en Libye, au Mali, en Irak et en Syrie, totalisant plus de 30 000 heures de vol en opération.

Il existe 3 sortes de rafales:
-Le rafale C , est un monoplace
-Le rafale M ,  est un monoplace embarquant des porte -avions
Le rafale B, est un biplace

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L'A400 M est un avion militaire conçu par Airbus. Il possède quatre hélices et est multitâche dans le sens où son intérieur peut être adapté pour transporter du fret, accueillir des blessés en temps de guerre ou escorter un bataillon sur un champs de bataille. Ces quatre hélices lui permettent d'atterrir sur des terrains accidentés où la piste est en graviers par exemple. En effet si il s'agissait de turbo compresseurs, un simple caillou pourrait se révéler fatal.
Il y en a un régulièrement en mission à la Réunion pour cette raison. L'île est un point stratégique dans l'océan Indien pour se rendre sur des petits îlots de la zone qui sont isolés de tout et surtout n'ayant pas d’aéroport mais bien une piste de sable, terre,...

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Le planeur a longtemps été perfectionné par les Allemands pendant l'Entre deux guerres à cause de l'interdiction de posséder d'armée de l'air. Il est un cas spécial et il est utilisé plus pour le plaisir que par réelle nécessité. Il est souvent retrouvé au abords de montagne profitant des vents ascendants à proximité. Il ne possède pas de moteur mais ses grandes ailes lui permettent d'effectuer des figures de voltige avec une grande aisance. Il doit cela à sa très grande finesse.

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Il existe plusieurs façon de faire décoller un planeur la première est de l’amarrer a un autre avion afin de lui faire prendre en  hauteur puis de le lâcher et le laisser planer.
La deuxième technique est le treuillage mais cette fois ci au sol.
La troisième technique est plus récente puisque elle n'utilise pas le moteur d'un autre avion pour décoller. elle est semblable a la façon dont ont fait décoller un parapente il suffit de courir depuis un point en hauteur avec un certain type de planeur

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Décollage de planeurs au treuil à l'AVAT

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[Divers] un planeur révolutionnaire qui décolle à pied avec un planeur

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La finesse correspond au rapport entre la portance et la traînée. Elle est égale au rapport entre la distance horizontale parcourue et la hauteur de chute. Le planeur est l'avion avec le plus de finesse lui permettant de planer sur une longue distance sans moyen de traction ni de poussée donc pas de moteur. Le pilote doit cependant anticiper d'éventuels reliefs car il ne peut pas monter sur une grande distance.

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Permettent de passer d'un vol standard, à un vol sur le "dos". Techniquement, il s'agit d'un décrochage dissymétrique entretenue.
Les commandes a utilisé sont le manche et les palonniers.

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Cette acrobatie aérienne consiste à effectuer une boucle dans le plan vertical. Les commandes entrant en jeu sont la gouverne de profondeur contrôlé par le manche à balai. Pour effectuer cette figure, il s'agit d'utilisé une vitesse conséquente pour éviter le décrochage.
Le pilote subit une pression à cause de la vitesse le plaquant contre le siège pendant la montée. Son sang se retrouve concentré dans le cerveau lors de l'étape où l'engin est sur le dos.

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loop in the aircraft --looping par un avion

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Ces figures même si elles ont l'air impressionnantes mais n'ont pas vraiment de conséquences sur notre corps si ce n'est que nous désorienter ou nous donner la tête qui tourne. Les sensations peuvent se comparer à celles des manèges à sensations fortes. Ce sont surtout des G qu'il faut se protéger.

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"En parlant de la spécialité de pilote, je dirais que ce sont des métiers complètement différents. Dans le civil, il s’agit de transporter des personnes ou du fret en toute sécurité sans prendre le moindre risque. Dans l’armée de l’air, vous êtes le bras armé de la France. Et parfois cette notion de risque est radicalement différente même si ce risque est maîtrisé."

Sébastien Nativel

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Fait par ROBERT Fatima, FONTAINE Mathéo et VELIA Maëlis.
Avec la participation de NATIVEL Sébastien, pilote de rafale réunionnais et M NATIVEL et GARNIER, professeurs au lycée Roland Garros