Portance et profil

Le profil d’une aile

Le profil d’une aile, c’est la forme de sa coupe dans le sens avant-arrière.

Le profil des parapentes actuels est relativement épais et asymétrique : son dessus, l’extrados, est très bombé, surtout sur le tiers avant ; son dessous, l’intrados, l’est peu. Les parapentes font partie des planeurs de pente, le nom que la loi donne aux appareils qui décollent en courant, notamment les ailes delta et les parapentes (N°48).

Le profil compte parmi les éléments importants qui fixent les caractéristiques de vol d’une aile, ses performances en particulier. On le choisit donc pour chaque aile, selon ce qu’on attend d’elle (N°47).

Ses segments et ses points

Chaque élément porte une lettre, reprise sur la figure :

Élément	Ce que c’est
Bord d’attaque (e)	l’avant, le nez du profil
Bord de fuite (d)	l’arrière, la pointe fine
Corde (a)	le segment droit de e à d
Profondeur (b)	la longueur d’avant en arrière, presque celle de la corde
Épaisseur (c)	la hauteur du profil

L’extrados est le dessus du profil, l’intrados le dessous : E et I sur la figure de la répartition des forces (fiche « Aspiration dessus, pression dessous »). Le « nez du profil » est un autre nom du bord d’attaque.

Sur les croquis de l’examen, ces éléments sont tracés sans lettres (N°42 à N°46 ; la première est signalée) :

• la corde est la ligne droite, en tirets et points, qui touche le nez et la pointe arrière ;
• la profondeur est une cote fléchée, tracée à part sous le profil, entre deux verticales qui passent par le nez et par la pointe arrière ;
• l’épaisseur est une cote verticale, entre deux horizontales qui encadrent le profil ;
• une ligne courbe, tracée à l’intérieur du profil à mi-chemin entre le dessus et le dessous, n’est ni la corde ni la profondeur.

Piège. Les deux croquis de l’examen ne numérotent pas pareil : sur celui de N°42 à N°44, 2 est la corde et 3 l’épaisseur ; sur celui de N°45 et N°46, 2 est le bord d’attaque et 3 le bord de fuite. Lire les numéros sur l’image de la question.

Piège. La « corde médiane » est un segment droit, de e à d : pas la ligne courbe qui court au milieu du profil. Et la corde a presque la même longueur que la profondeur : sur les croquis, la corde est la ligne qui touche les deux bords, la profondeur la cote fléchée tracée à côté.

À confirmer. N°42 est signalée pour sa traduction : l’original allemand, qui fait foi, demande la corde du profil (« Profilsehne ») ; « corde médiane » peut faire penser à la ligne courbe du milieu. La réponse officielle est la corde dans les deux langues.

Piège. La profondeur du profil mesure une seule coupe. La profondeur moyenne de l’aile est l’écart moyen entre bord d’attaque et bord de fuite sur toute l’envergure (N°73).

Moyen mnémotechnique : le bord d’attaque attaque l’air, devant ; le bord de fuite le laisse filer, derrière.

L’incidence

L’incidence est l’angle entre la corde du profil et la direction du vent relatif, c’est-à-dire du flux d’air qui aborde l’aile. Sur la figure des segments, plus haut, c’est l’angle i, entre la corde a et le vent relatif V. Le vent relatif est celui qu’un objet crée en se déplaçant : avancer à la vitesse V dans un air immobile fait sentir un vent de vitesse V.

Ne pas confondre :

Angle	Entre
Incidence	la corde et le vent relatif
Angle de plané	la trajectoire et l’horizon

En vol plané, la trajectoire suit la direction du vent relatif. Sur la figure de l’équilibre des forces (fiche « Trois angles »), alpha note l’angle de plané et gamma l’incidence (N°107, N°110).

En vol, le pilote règle l’incidence. Plus il tire les freins, plus elle augmente et moins l’aile va vite ; l’accélérateur la réduit et fait voler plus vite. Voir fiche « En turbulence : ressource et abattée » et, pour les trims d’une aile biplace, fiche « Les trims ».

Moyen mnémotechnique : l’incidence se mesure contre le vent relatif ; l’horizon, c’est pour l’angle de plané.

La portance

Aspiration dessus, pression dessous

Une aile qui reçoit le vent de biais subit deux forces, à angle droit l’une de l’autre : la traînée suit le vent, dans son sens ; la portance lui est perpendiculaire et tire du côté de l’extrados.

Autour du profil, la portance se décompose en une multitude de petites forces :

• sur l’extrados, une aspiration, c’est-à-dire une pression négative, comme un aspirateur qui soulèverait l’aile ;
• sur l’intrados, une pression positive : l’air pousse, à la manière d’un ventilateur.

Deux asymétries :

• Dessus plutôt que dessous. L’aspiration de l’extrados est environ deux fois plus forte que la pression sur l’intrados. Vers 10° d’incidence, la portance vient donc pour 2/3 de l’extrados et pour 1/3 de l’intrados (N°54).
• Devant plutôt que derrière. La portance n’est pas répartie également d’avant en arrière : les 2/3 naissent sur le premier tiers de l’aile (N°55). C’est aussi sur ce tiers avant que l’extrados des parapentes est le plus bombé.

Moyen mnémotechnique : deux fois 2/3, au-dessus et à l’avant.

Piège. N°54 et N°55 donnent le même 2/3, mais pas le même partage : le dessus contre le dessous dans la première, l’avant contre l’arrière dans la seconde.

Les quatre facteurs

La valeur de la portance dépend de quatre facteurs :

• la vitesse d’écoulement de l’air : la portance croît comme son carré. Deux fois plus vite, quatre fois plus de portance ;
• la surface de l’aile et la densité de l’air : la portance leur est proportionnelle. Deux fois plus, deux fois plus de portance ;
• le coefficient de portance, Cz, qui dépend de la forme du profil et de son incidence.

Ce sont aussi les facteurs de la traînée : surface, vitesse, densité et forme (N°6, N°14, N°23, N°32), avec, pour un objet plat, son inclinaison par rapport au vent, l’incidence. Chaque force a son coefficient : Cx pour la traînée (N°33), Cz pour la portance.

Piège. On lit aussi « vitesse du vent » pour la vitesse d’écoulement de l’air. C’est la même chose : l’air qui s’écoule autour de l’aile. Pour une aile en vol, c’est le vent relatif, que crée son avancement.

Piège. Le poids n’est pas un facteur de la portance. C’est la force que la résultante aérodynamique, portance et traînée réunies, doit équilibrer en vol plané stable (N°102). Dans sa fourchette de poids, une aile plus chargée vole simplement plus vite, à chaque incidence (fiche « La charge alaire »).

Moyen mnémotechnique : pour porter, de la surface, de l’air dense, de la vitesse au carré et un bon Cz.

Les tourbillons marginaux

L’extrados est en dépression, l’intrados en surpression. Aux deux extrémités de l’aile, cette différence fait passer l’air de l’intrados vers l’extrados, en tourbillons de compensation : ce sont les tourbillons marginaux, ou vortex. Ils naissent de la différence de pression entre intrados et extrados (N°96).

Leur prix :

• plus de traînée, donc des performances en baisse ;
• des turbulences dans le sillage : c’est derrière le bord de fuite qu’un planeur laisse ses turbulences (N°97).

Plus l’allongement de l’aile est grand, moins ces tourbillons sont importants. Ce que cela change en vol : fiche « La turbulence de sillage ».

Portance et incidence

Quatre répartitions

La répartition des forces autour du profil change avec l’incidence. Quatre cas :

Cas	Incidence	Portance
a	optimale, env. 10–15°	forte, traînée réduite
b	importante	en baisse, traînée en hausse
c	négative	négative
d	nulle	très faible

• a, l’incidence optimale : l’aspiration de l’extrados et la pression de l’intrados sont régulières et efficaces : beaucoup de portance, peu de traînée.
• b, une incidence importante : la portance baisse et la traînée monte. L’écoulement se détache de l’extrados en un point de décrochage X ; en arrière de ce point, l’air tourbillonne et, sur la figure, les flèches de l’extrados changent de sens (N°51).
• c, une incidence négative : les deux faces échangent leurs rôles. Le dessous aspire, le dessus reçoit la pression, et les deux forces tirent l’aile vers le bas : la portance devient négative (N°52).
• d, une incidence nulle : il ne reste qu’une très faible portance. Le dessus aspire toujours, le dessous aussi mais moins, et les deux effets s’annulent presque ; la traînée, elle, ne disparaît pas (N°53).

Une plaque plate ne porte pas quand elle est dans le lit du vent, à incidence nulle, ni quand elle lui fait face à angle droit : elle n’a alors que de la traînée. Qu’une aile porte ou non dépend donc surtout de son incidence (N°50). La surface, la densité et la vitesse règlent ensuite combien elle porte (N°56).

Sur le croquis de l’examen (N°51 à N°53), les quatre profils sont dessinés à peu près de la même façon : il faut lire les flèches.

Croquis	Cas	Signe
1	b	flèches retournées à l’arrière de l’extrados
2	c	aspiration sous l’intrados, flèches de l’extrados vers le profil
3	a	forte aspiration régulière sur tout l’extrados
4	d	aspiration modérée dessus, petite bulle à part devant le nez, aux flèches tournées vers lui

Piège. Sur le croquis de l’examen, les quatre profils sont dessinés à plat : l’incidence ne se lit pas sur leur position, seulement sur les flèches.

Piège. La plus grande incidence n’est pas le profil aux flèches les plus longues et les plus régulières. Au-delà de l’optimum, la portance croît encore, jusque vers 20° ; elle ne baisse qu’une fois l’écoulement détaché de l’extrados, au point de décrochage. C’est ce point qui signale la plus grande incidence (N°51).

Piège. Incidence nulle ne veut pas dire portance nulle pour ce profil : il lui en reste une très faible. Pour une plaque plate dans le lit du vent, elle est nulle. La portance devient négative à incidence négative.

La polaire des forces

Pour suivre portance et traînée à toutes les incidences, on les porte sur un graphique, la polaire des forces : le Cz en hauteur, le Cx en largeur, un point par incidence. Ses valeurs sont des ordres de grandeur, sans prétention d’exactitude.

Incidence	Ce qui se passe
env. 10°	meilleur rapport portance/traînée : finesse maximale
env. 15°	plus de portance, et un peu plus encore de traînée
env. 20°	portance maximale, traînée assez forte
env. 25°	l’aile décroche, elle ne vole plus

Trois conséquences :

• Le Cz suit l’incidence. La finesse maximale, vers 10°, est sur la partie montante de la courbe : 2° de moins, le Cz baisse ; 2° de plus, il augmente (N°58, N°60). La vitesse fait l’inverse : moins d’incidence, l’aile vole plus vite ; plus d’incidence, plus lentement (N°57, N°59).
• Pourquoi l’inverse. En vol plané stable, la résultante aérodynamique équilibre toujours le même poids, et la portance croît avec le Cz comme avec le carré de la vitesse. Moins de Cz demande donc plus de vitesse, et plus de Cz en demande moins.
• Le rapport portance/traînée dépend avant tout de l’incidence (N°61). Ce rapport, c’est la finesse (N°120). La surface, la densité et la vitesse multiplient portance et traînée dans la même proportion : elles ne changent pas leur rapport.

Piège. Plus d’incidence depuis la finesse maximale, c’est plus de Cz (N°60), mais moins de finesse : entre 10° et 15°, la portance augmente, mais la traînée un peu plus encore. Le Cz et la finesse ne varient pas ensemble.

Moyen mnémotechnique : sur la polaire des forces, en ordre de grandeur, 10° pour aller loin, 20° pour porter le plus, 25° pour décrocher. D’autres figures donnent d’autres chiffres, dans le même ordre : fiche « L’incidence déplace le point ».

Les points aérodynamiques

Trois points du profil ont un nom :

Point	Où	Rôle
Stagnation (a)	vers le nez	l’air s’y partage
Centre de poussée (b)	sur la corde	les forces s’y appliquent
Décollement (c)	sur l’extrados	l’air y quitte l’aile

• Le point de stagnation, ou point d’arrêt, est vers le bord d’attaque : le vent relatif s’y divise, une part passe sur l’extrados, l’autre sous l’intrados (N°62, N°68).
• Le centre de poussée est le point, sur la corde du profil, où s’applique la résultante des forces aérodynamiques, portance et traînée (N°63, N°71).
• Le point de décollement, aussi appelé point de décrochage, est sur l’extrados : l’écoulement s’y détache de l’aile, et des turbulences se forment derrière lui. Il apparaît surtout aux grandes incidences (N°64, N°65).

Ils bougent avec l’incidence. Ces points ne sont pas fixes : leur place varie un peu avec l’incidence. Tant que l’incidence reste positive, le point de stagnation reste sur l’intrados :

• quand l’incidence, déjà positive, augmente, il glisse vers le bord de fuite (N°69) ;
• quand elle diminue, il revient vers le nez (N°70).

Moyen mnémotechnique : plus on cabre l’aile, plus le point d’arrêt recule sous l’intrados ; moins on la cabre, plus il revient vers le nez. On augmente bien l’incidence en faisant « cabrer » l’aile, et on la réduit en la faisant « piquer du nez ».

Sur le croquis de l’examen (N°62 à N°64), l’air arrive de la gauche et quatre petits cercles sont numérotés : 1 au nez, où les lignes de courant se séparent, c’est la stagnation ; 3 sur la ligne en tirets à l’intérieur du profil, la corde, c’est le centre de poussée ; 4 sur le dessus, là où les lignes quittent l’extrados et où naissent les tourbillons, c’est le décollement ; 2 à la pointe arrière, sur le bord de fuite, où n’est aucun des trois points. Le mot « avant » de N°62 laisse penser qu’un autre point d’arrêt se trouve à l’arrière.

Piège. Trois définitions voisines reviennent dans les fausses propositions les unes des autres (N°65, N°68, N°71). L’air se partage : point de stagnation. Les forces s’appliquent : centre de poussée. L’air quitte l’extrados : point de décollement. Un « point central de la masse » du pilote et de l’aile se définit par les masses, pas par les forces de l’air : ce n’est pas le centre de poussée. Et le passage d’une couche limite laminaire à turbulente est une autre notion.

Pièges entre questions voisines

• Corde, profondeur, ligne courbe : la corde est la ligne droite qui touche les deux bords ; la profondeur, la cote fléchée tracée à côté ; la ligne courbe du milieu n’est ni l’une ni l’autre (N°42, signalée ; N°44).
• Incidence ou angle de plané : la corde contre le vent relatif, ou la trajectoire contre l’horizon (N°49).
• Si elle porte, ou combien : l’incidence décide si l’aile porte (N°50) ; surface, Cz, densité et vitesse fixent combien (N°56).
• Dessus ou devant : 2/3 sur l’extrados (N°54) ; 2/3 sur le premier tiers (N°55).
• Grandes flèches ou grande incidence : la plus grande incidence, c’est le profil avec un point de décrochage (N°51).
• Plus d’incidence depuis la finesse maximale : plus de Cz (N°60), moins de vitesse (N°59) et moins de finesse.
• Les tourbillons naissent de la différence de pression (N°96) et laissent leurs turbulences derrière le bord de fuite (N°97).