Avion, une description détaillée

Définition

Le mot avion a été inventé par Clément Ader. D’origine latine (avos signifie oiseau) c’est le nom qu’il choisit de donner à l’appareil qu’il construisit en 1897 pour succéder à l’Eole, première véritable machine qui réussit à voler sur quelques mètres par la seule impulsion de sa force motrice. A l’origine, une distinction fut faite entre le terme inventé par Ader et celui d’aéroplane. Le premier ne devait en effet désigner que les appareils militaires suite aux vues prophétiques d’Ader sur le développement massif de l’utilisation des aéronefs dans ce secteur. Le second, par élimination, devait désigner les appareils civils, mais il est progressivement tombé en désuétude. Aujourd’hui, le mot avion se rapporte aussi bien aux appareils militaires qu’aux appareils civils. Il désigne donc tout appareil d’aviation piloté appartenant à la famille des plus lourds que l’air (aérodynes) et assurant sa sustentation au moyen d’ailes fixes et sa propulsion grâce à des moteurs. Sont donc exclus de cette définition les planeurs et les hélicoptères, mais pas les avions à décollage vertical.

Lors de la fabrication d’un avion, quel qu’il soit, différentes disciplines entrent en jeu. Parmi les plus importantes, on peut citer l’aérodynamique, la propulsion, la structure, les techniques de fabrication ou encore les matériaux. Il convient d’ajouter à ces disciplines de base les techniques plus modernes liées aux équipements telles que l’électronique, appelé avionique lorsqu’elle se rapporte à l’aviation. La rencontre de ces disciplines aux exigences souvent contradictoires comprend de nombreux compromis qui devront être gérés par l’avionneur, formant une partie importante de son savoir-faire. Les avions sont utilisés à la fois dans le domaine militaire et dans le domaine civil, mais les fonctions qu’ils revêtent sont très différentes. Les appareils militaires doivent être capables de remplir une mission avec précision et efficacité durant un conflit. On privilégie donc, pour ce type d’avion, les performances, la manœuvrabilité et la sûreté de fonctionnement. Pour les avions civils en revanche, si la sécurité est également primordiale, c’est la rentabilité commerciale qui prime pour les compagnies aériennes. On cherche donc à réduire au maximum les coûts d’exploitation tout en offrant le meilleur confort possible.

L’aspect commercial de l’appareil

Lors du lancement d’un projet d’avion civil, les premières données à définir par le constructeur sont les caractéristiques commerciales que possédera l’appareil : capacité d’accueil de passagers, quantité de fret, distance franchissable et vitesse. Le choix de ces caractéristiques est essentiel car il influera de façon notable sur le succès ou l’échec du projet. Le nouvel avion doit en effet correspondre aux exigences et aux attentes du moment auquel il fera son entrée sur le marché. Le délai qui sépare le lancement de l’étude définitive et le premier vol de l’appareil est d’environ 5 ans pour un avion nouveau, mais ne présentant pas de caractéristiques « révolutionnaires ». Si l’avion rencontre le succès escompté, sa production peut s’étaler sur une vingtaine d’années et compter de 200 à 600 unités, voire davantage. Ainsi, le Boeing 727 a été un véritable best seller produit à plus de 1800 exemplaires et le Boeing 737 a suivi le même chemin avec plus de 5500 exemplaires produits entre 1967 et 2004.

Pourtant, si certains appareils connaissent un succès inespéré, d’autres sont de véritables échecs, souvent à cause de leur retard face à la concurrence ou à l’évolution des techniques, ou, au contraire, de leur avant-gardisme trop important. Or, étant donné les coûts exorbitants des études, du développement, des maquettes, des prototypes, des outillages et des différents essais, les échecs de lancement sont de véritables catastrophes économiques pour les constructeurs. Autres facteurs décisifs qui influeront sur le succès d’un avion, son prix et son coût d’exploitation doivent être mûrement réfléchis par les constructeurs. Ce sont en effet ces deux éléments qui conditionnent la rentabilité d’une compagnie aérienne. Le prix d’un avion de transport, il varie, selon sa capacité, de 25 millions à 200 millions de dollars. Les revenus des compagnies aériennes sont proportionnels à la charge ou au nombre de passagers transportés multipliés par la distance parcourue. C’est pour cette raison que les avions à très grande capacité tels que les Boeing 747 et 777 ou les Airbus A340 et A380 rencontrent un succès aussi important : ils permettent de répartir certains frais sur un plus grand nombre de passagers tout en les minimisant grâce à l’augmentation des distances franchissables sans escale. L’avion doit également être adopté par les usagers. Ainsi, la vitesse, le confort et le respect des normes environnementales sont des critères qui doivent être pris en considération.

L’aérodynamisme

Les ailes, qui sont le principal élément assurant la sustentation de l’appareil dans l’air, sont très travaillées d’un point de vue aérodynamique. Ce sont les paramètres géométriques d’une voilure qui déterminent ses qualités aérodynamiques. Ces derniers sont de deux ordres : ceux qui sont relatifs à la forme en plan (l’allongement, la flèche et l’effilement) et ceux qui sont relatifs au profil (l’épaisseur relative, la cambrure et le vrillage). Ces paramètres doivent donc être judicieusement choisis afin de pouvoir obtenir les performances requises pour toutes les étapes du vol. L’allongement de l’aile revêt une grande importance car son augmentation entraîne à la fois l’augmentation de la portance et la diminution de la traînée. La flèche (angle entre le bord d’attaque de la voilure et la normale à l’axe) peut être nulle lorsqu’elle concerne un avion volant à faible vitesse tels que les différents types d’avions légers ou lents et les planeurs. Par contre, lors de vols qui atteignent des vitesses transsoniques, un choc de recompression se forme ainsi que des décollements qui augmentent de façon considérable la traînée. Il existe donc une vitesse de divergence de traînée qui, si elle est dépassée, entraînera une augmentation importante de la consommation. Cette vitesse limite, exprimée en Mach, augmente avec la croissance de la flèche de la voilure. De même, la diminution de l’épaisseur du profil permet d’augmenter le nombre de Mach limite, même si la portance maximale baisse légèrement. Une aile épaisse permet en revanche de faciliter le logement du train d’atterrissage, des réservoirs de carburant et des mécanismes des parties mobiles, tout en étant plus légère. Aujourd’hui, la tendance est à l’augmentation de la charge alaire, qui est le rapport entre la masse de l’avion et la surface alaire.

Cependant, l’augmentation de cette charge augmente la vitesse minimale que peut atteindre l’avion. Or cette vitesse est celle que l’appareil utilise lors des phases de décollage et d’atterrissage, une valeur trop grande demanderait alors des pistes très longues. Cette faiblesse est palliée grâce à des dispositifs hypersustentateurs escamotables implantés dans l’aile : les becs de bord d’attaque et les volets de bord de fuite. Ils augmentent donc la traînée de l’avion et ne sont donc déployés que lors de certaines manœuvres telles que l’atterrissage. Les gouvernes et les empennages sont les éléments qui permettent d’assurer le contrôle, l’équilibrage et la stabilité de l’avion autour des trois axes. Les stabilisateurs et les gouvernes de profondeur forment l’empennage horizontal : c’est lui qui équilibre l’avion en tangage. La dérive et la gouverne de direction assurent la stabilité autour d’un axe vertical. La mise en roulis, c’est à dire l’inclinaison de l’avion autour de l’axe longitudinal qui permet à l’avion d’effectuer un virage à altitude constante, est assurée par les ailerons. Les spoilers, qui sont des éléments qui permettent d’augmenter la traînée de l’avion et d’arrêter la portance, sont utilisés lors des phases de descente ou de freinage sur la piste.

Les conditions optimales d'utilisation

La diminution de la température avec l’altitude améliore le rendement des réacteurs et diminue donc leur consommation. En revanche, au-delà de 11 000 m d’altitude, la température devient constante (-56°C) et ne permet plus de réaliser de gain de consommation. La poussée utilisable d’un réacteur quant à elle, diminue avec l’altitude, il faudra donc augmenter sa taille et son poids. Pour voler à une température de plus de 3000 m d’altitude, l’avion doit être pressurisé et chauffé : outre leur confort, c’est la survie des passagers et des membres de l’équipage qui est en jeu. La pressurisation permet de reconstituer dans la cabine la pression qui règne vers 2000 m d’altitude.

La constitution de l’appareil et matériaux utilisés

La structure de la cellule de l’avion doit être conçue pour résister aux différentes pressions qui s’exercent sur l’appareil pendant toute sa durée de vie (près de 40 000 heures de vol), tout en étant la plus légère possible, le tout à moindre coût. C’est le C.F.A.O (Conception et Fabrication Assistés par Ordinateur) qui définit et réalise les formes et le calcul des pièces qui constituent la structure de l’avion. La structure de la voilure se compose d’un caisson central sur lequel sont fixées des parties mobiles : volets, ailerons, becs et trains d’atterrissage. En général, deux ou trois longerons qui s’étendent sur toute la longueur de l’aile composent ce caisson. Ces longerons, qui sont réalisés d’un seul tenant, sont reliés entre eux par des nervures qui maintiennent le revêtement extérieur, constitué de panneaux métalliques ou de matériaux composites. Les longerons, les nervures et les revêtements forment une poutre en caisson suffisamment résistante pour supporter l’effort de cisaillement et les moments de flexion ou de torsion dus aux charges.

Pourtant, on cherche à éviter une rigidité trop importante qui aboutirait à un poids de structure trop élevé, l’aile de l’avion peut donc se déformer. La forme du fuselage des avions pressurisés est en général cylindrique à section circulaire : c’est en effet la section la plus légère et la plus résistante à la pression interne. Pour les avions dont la cabine n’est pas pressurisée, il existe des fuselages à section rectangulaire, qui sont plus faciles à construire et à aménager. Les trains d’atterrissage comptent parmi les composantes les plus solides de la cellule. Leurs roues sont équipées de freins très puissants. Pendant de nombreuses années, la structure des avions répondait au principe dit de « fail safe » qui prévoyait la résistance de l’ensemble de la structure en cas de détérioration d’un de ses éléments. Cependant cette solution alourdit la structure et peut se montrer insuffisante en cas d’accumulation de défaillances. Aujourd’hui, un nouveau concept a vu le jour et tend à remplacer le précédent : le « fail soft ».

Le but de ce dernier est de suivre le vieillissement de la cellule grâce à des capteurs, témoins de rupture et méthodes d’inspections, et d’y remédier dès que nécessaire. Les matériaux utilisés pour la construction d’avions sont choisis pour leur capacité à allier résistance et légèreté. Dès les années 1940, les alliages d’aluminium commencent à remplacer le bois et la toile. Ces derniers possèdent de nombreux atouts : ils sont légers, faciles à usiner, ils résistent à la corrosion et leur prix est peu élevé. Les années 1970 ont vu apparaître les matériaux composites, qui occupent dès lors une part toujours plus grande de la masse de la cellule : de 20 à 25% et jusqu’à 100% sur certains avions légers. Les aciers, qui représentent de 10 à 20% de la masse totale, sont en grande partie concentrés dans les trains d’atterrissage. Divers autres matériaux comme le caoutchouc, le verre et les plastiques, représentent 10% de la masse totale.

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