Des plongeurs de la marine brésilienne récupèrent une énorme partie du gouvernail de l'Airbus A330 d'Air France hors de l'océan Atlantique, quelque 745 milles (1, 200 kilomètres) au nord-est de Recife. L'accident s'était produit huit jours auparavant, le 1er juin 2009. Voir plus de photos de vol. © Armée de l'air brésilienne/Document/Xinhua Press/Corbis Le 1er juin 2009, Le vol Air France 447 est descendu de façon inattendue, des centaines de pieds par seconde, avant de claquer son ventre dans l'océan Atlantique, déchirant l'avion et tuant les 228 passagers et membres d'équipage. Heures supplémentaires, les enquêteurs sur les accidents ont pu reconstituer ce qui n'a pas fonctionné cette nuit fatidique :une combinaison de temps violent, le mauvais fonctionnement de l'équipement et la confusion de l'équipage ont causé le décrochage de l'avion et sa chute du ciel.
Le vol 447 a envoyé une onde de choc dans l'industrie aéronautique. L'avion - un Airbus A330 - était l'un des avions les plus fiables au monde, sans aucun décès enregistré en vol commercial jusqu'au vol condamné d'Air France. Puis l'accident a révélé la vérité effrayante :les véhicules plus lourds que l'air fonctionnent dans des tolérances très étroites. Quand tout est cinq par cinq, un avion fait ce qu'il est censé faire - voler - avec presque aucun effort apparent. En réalité, sa capacité à rester en l'air repose sur un jeu complexe de technologies et de forces, tous travaillant ensemble dans un équilibre délicat. Perturber cet équilibre de quelque manière que ce soit, et un avion ne pourra pas décoller. Ou, si c'est déjà dans l'air, il reviendra au sol, souvent avec des résultats désastreux.
Cet article explorera la fine frontière entre voler haut et tomber vite. Nous examinerons 10 innovations essentielles à la structure et à la fonction d'un avion moderne. Commençons par la seule structure - les ailes - que possèdent tous les objets volants.
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Les profils aérodynamiques sont façonnés pour générer une portance maximale. iStockphoto/Thinkstock Les oiseaux en ont. Les chauves-souris et les papillons aussi. Dédale et Icare les ont enfilés pour échapper à Minos, roi de Crète. On parle d'ailes, bien sûr, ou profils aérodynamiques , qui ont pour fonction de donner une portance à un avion. Les profils aérodynamiques ont généralement une légère forme de larme, avec une surface supérieure incurvée et une surface inférieure plus plate. Par conséquent, l'air circulant sur une aile crée une zone de pression plus élevée sous l'aile, menant à la force ascendante qui fait décoller un avion du sol.
De façon intéressante, certains livres scientifiques invoquent le principe de Bernoulli pour expliquer l'histoire exaltante des profils aérodynamiques. Selon cette logique, l'air se déplaçant sur la surface supérieure d'une aile doit voyager plus loin - et doit donc voyager plus rapidement - pour arriver au bord de fuite en même temps que l'air se déplaçant le long de la surface inférieure de l'aile. La différence de vitesse crée un différentiel de pression, menant à l'ascenseur. D'autres livres rejettent cela comme de la foutaise, préférant plutôt se fier aux lois du mouvement éprouvées de Newton :l'aile pousse l'air vers le bas, donc l'air pousse l'aile vers le haut.
C'est une moustache ou une hélice ? iStockphoto/Thinkstock Le vol plus lourd que l'air a commencé avec planeurs -- aéronefs légers pouvant voler pendant de longues périodes sans utiliser de moteur. Les planeurs étaient les écureuils volants de l'aviation, mais des pionniers comme Wilbur et Orville Wright voulaient une machine capable d'imiter les faucons, avec fort, vol propulsé. Cela nécessitait un système de propulsion pour fournir la poussée. Les frères ont conçu et construit les premières hélices d'avion, ainsi qu'un quatre cylindres dédié, moteurs refroidis à l'eau pour les faire tourner.
Aujourd'hui, la conception et la théorie des hélices ont parcouru un long chemin. En substance, une hélice fonctionne comme une aile en rotation, assurant la portance mais vers l'avant. Ils viennent dans une variété de configurations, du bipale, des hélices à pas fixe aux modèles à quatre et huit pales à pas variable, mais ils font tous la même chose. Au fur et à mesure que les lames tournent, ils renvoient l'air vers l'arrière, et cet air, grâce à la loi action-réaction de Newton, pousse vers l'avant sur les lames. Cette force est connue sous le nom poussée et travaille à s'opposer glisser , la force qui retarde le mouvement vers l'avant d'un aéronef.
Un moteur d'avion moderne attend les commandes dans un aéroport. Qu'en penserait Frank Whittle ! iStockphoto/Thinkstock En 1937, L'aviation a fait un pas de géant lorsque l'inventeur et ingénieur britannique Frank Whittle a testé le premier moteur à réaction au monde. Cela ne fonctionnait pas comme les avions à moteur à pistons de l'époque. Au lieu, Le moteur de Whittle aspirait de l'air à travers les aubes du compresseur orientées vers l'avant. Cet air est entré dans une chambre de combustion, où il s'est mélangé avec du carburant et a brûlé. Un courant de gaz surchauffé s'échappait alors du tuyau d'échappement, pousser le moteur et l'avion vers l'avant.
Hans Pabst van Ohain d'Allemagne a pris la conception de base de Whittle et a propulsé le premier vol d'avion à réaction en 1939. Deux ans plus tard, le gouvernement britannique a finalement fait décoller un avion - le Gloster E.28/39 - utilisant la conception de moteur innovante de Whittle. À la fin de la Seconde Guerre mondiale, Jets Gloster Meteor, qui étaient des modèles successifs pilotés par des pilotes de la Royal Air Force, chassaient les roquettes allemandes V-1 et les tiraient du ciel.
Aujourd'hui, Les turboréacteurs sont réservés principalement aux avions militaires. Les avions de ligne commerciaux utilisent des moteurs à double flux, qui ingèrent encore de l'air à travers un compresseur orienté vers l'avant. Au lieu de brûler tout l'air entrant, Les moteurs à double flux permettent à de l'air de circuler autour de la chambre de combustion et de se mélanger au jet de gaz surchauffé sortant du tuyau d'échappement. Par conséquent, les moteurs à double flux sont plus efficaces et produisent beaucoup moins de bruit.
Remplissez-le s'il vous plaît ! Environ 70, 000 gallons (265, 000 litres) de carburant pour cet avion cargo Antonov AN-124-100 devrait faire l'affaire. © Pat Vasquez-Cunningham/ZUMA Press/Corbis Les premiers avions à pistons utilisaient les mêmes carburants que votre voiture - essence et diesel. Mais le développement des moteurs à réaction a nécessité un autre type de carburant. Bien que quelques ailiers farfelus aient préconisé l'utilisation de beurre de cacahuète ou de whisky, l'industrie aéronautique s'est rapidement imposée sur le kérosène comme le meilleur carburant pour les jets de grande puissance. Le kérosène est un composant du pétrole brut, obtenu lors de la distillation du pétrole, ou séparés, dans ses éléments constitutifs.
Si vous avez un radiateur ou une lampe au kérosène, alors vous connaissez peut-être le carburant de couleur paille. Avions commerciaux, cependant, exigent une qualité de kérosène plus élevée que le carburant utilisé à des fins domestiques. Les carburéacteurs doivent brûler proprement, pourtant, ils doivent avoir un point d'éclair plus élevé que les carburants automobiles pour réduire le risque d'incendie. Les carburéacteurs doivent également rester fluides dans l'air froid de la haute atmosphère. Le processus de raffinage élimine toutes les eaux en suspension, qui pourraient se transformer en particules de glace et bloquer les conduites de carburant. Et le point de congélation du kérosène lui-même est soigneusement contrôlé. La plupart des carburéacteurs ne gèleront pas avant que le thermomètre n'atteigne moins 58 degrés Fahrenheit (moins 50 degrés Celsius).
Gary Krier a effectué le premier vol de l'avion F-8 Digital Fly-By-Wire. Il a utilisé l'ordinateur du module de commande Apollo 15 pour le contrôle. Il avait une mémoire totale de 38K, dont 36K en lecture seule. Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA C'est une chose de faire décoller un avion. C'en est une autre de le contrôler efficacement sans retomber sur terre. Dans un simple avion léger, le pilote transmet les commandes de direction via des liaisons mécaniques aux gouvernes sur les ailes, nageoire et queue. Ces surfaces sont, respectivement, les ailerons, les ascenseurs et le gouvernail. Un pilote utilise des ailerons pour rouler d'un côté à l'autre, ascenseurs à piquer vers le haut ou vers le bas, et le gouvernail en lacet à bâbord ou à tribord. Tournage et banque, par exemple, nécessite une action simultanée sur les ailerons et la gouverne de direction, ce qui fait que l'aile plonge dans le virage.
Les avions de ligne militaires et commerciaux modernes ont les mêmes surfaces de contrôle et profitent des mêmes principes, mais ils suppriment les liaisons mécaniques. Les premières innovations comprenaient des systèmes de commande de vol hydrauliques-mécaniques, mais ceux-ci étaient vulnérables aux dommages de combat et prenaient beaucoup de place. Aujourd'hui, presque tous les gros avions dépendent du numérique fly-by-wire systèmes, qui effectuent des ajustements aux surfaces de contrôle en fonction des calculs d'un ordinateur de bord. Une technologie aussi sophistiquée permet à un avion de ligne commercial complexe d'être piloté par seulement deux pilotes.
Reproduction grandeur nature du planeur 1902 des frères Wright au repos dans le mémorial national des frères Wright à Kitty Hawk, N.C. © Kevin Fleming/Corbis En 1902, les frères Wright ont piloté l'avion le plus sophistiqué de l'époque - un planeur monoplace doté d'une "peau" en mousseline tendue sur un cadre en épicéa. Heures supplémentaires, le bois et le tissu ont cédé la place au bois lamellé monocoque , une structure d'avion dans laquelle la peau de l'avion supporte tout ou partie des contraintes. Les fuselages monocoques ont permis de plus fort, avions plus profilés, menant à un certain nombre de records de vitesse au début des années 1900. Malheureusement, le bois utilisé dans ces avions nécessitait un entretien constant et se détériorait lorsqu'il était exposé aux éléments.
Dans les années 1930, presque tous les concepteurs aéronautiques préféraient la construction entièrement métallique au bois lamellé. L'acier était un candidat évident, mais c'était trop lourd pour faire un avion pratique. Aluminium, d'autre part, était léger, solide et facile à façonner en divers composants. Fuselages portant des panneaux en aluminium brossé, maintenus ensemble par des rivets, est devenu un symbole de l'ère de l'aviation moderne. Mais le matériel est venu avec ses propres problèmes, le plus grave étant la fatigue du métal. Par conséquent, les fabricants ont mis au point de nouvelles techniques pour détecter les zones problématiques dans les pièces métalliques d'un avion. Les équipes de maintenance utilisent aujourd'hui l'échographie pour détecter les fissures et les fractures de contrainte, même de petits défauts qui pourraient ne pas être visibles à la surface.
Tous les avions modernes n'ont pas de système de pilote automatique, mais beaucoup le font, et il peut vous aider pour tout, du décollage à la croisière et à l'atterrissage. iStockphoto/Thinkstock Aux débuts de l'aviation, les vols étaient courts, et la principale préoccupation d'un pilote était de ne pas s'écraser au sol après quelques instants exaltants dans les airs. Au fur et à mesure que la technologie s'améliorait, cependant, des vols de plus en plus longs étaient possibles - d'abord à travers les continents, puis à travers les océans, puis dans le monde entier. La fatigue des pilotes est devenue une préoccupation sérieuse lors de ces voyages épiques. Comment un pilote solitaire ou un petit équipage peut-il rester éveillé et alerte pendant des heures, surtout lors de sessions monotones de croisière en haute altitude ?
Entrez dans le pilote automatique. Inventé par Lawrence Burst Sperry, fils d'Elmer A. Sperry, les pilote automatique , ou système de contrôle de vol automatique, relié trois gyroscopes aux surfaces d'un avion contrôlant le tangage, rouler et lacet. L'appareil a effectué des corrections en fonction de l'angle de déviation entre la direction de vol et les réglages gyroscopiques d'origine. L'invention révolutionnaire de Sperry était capable de stabiliser le vol de croisière normal, mais il pourrait également effectuer des décollages et des atterrissages sans assistance.
Le système de contrôle de vol automatique des avions modernes diffère peu des premiers pilotes automatiques gyroscopiques. Capteurs de mouvement - gyroscopes et accéléromètres - collectent des informations sur l'attitude et le mouvement de l'avion et transmettent ces données aux ordinateurs du pilote automatique, qui envoient des signaux aux gouvernes sur les ailes et la queue pour maintenir la trajectoire souhaitée.
Le tube coudé qui s'est avéré indispensable pour le vol moderne iStockphoto/Thinkstock Les pilotes doivent garder une trace de beaucoup de données lorsqu'ils sont dans le cockpit d'un avion. Vitesse -- la vitesse d'un avion par rapport à la masse d'air à travers laquelle il vole -- est l'une des choses les plus importantes qu'ils surveillent. Pour une configuration de vol spécifique, qu'il s'agisse d'atterrissage ou de croisière économique, la vitesse d'un avion doit rester dans une plage de valeurs assez étroite. S'il vole trop lentement, il peut subir un décrochage aérodynamique, lorsque la portance est insuffisante pour surmonter la force de gravité descendante. S'il vole trop vite, il peut subir des dommages structurels, comme la perte des volets.
Sur les avions de ligne commerciaux, tubes de Pitot porter le fardeau de mesurer la vitesse. Les appareils tirent leur nom d'Henri Pitot, un Français qui avait besoin d'un outil pour mesurer la vitesse de l'eau qui coule dans les rivières et les canaux. Sa solution était un tube mince avec deux trous - un devant et un sur le côté. Pitot a orienté son appareil de sorte que le trou avant soit tourné vers l'amont, permettant à l'eau de s'écouler à travers le tube. En mesurant la différence de pression au niveau des trous avant et latéraux, il pouvait calculer la vitesse de l'eau en mouvement.
Les ingénieurs aéronautiques ont réalisé qu'ils pouvaient accomplir la même chose en montant des tubes de Pitot sur le bord des ailes ou en dépassant du fuselage. Dans ce poste, le flux d'air en mouvement traverse les tubes et permet une mesure précise de la vitesse de l'avion.
La vue depuis une tour de contrôle du trafic aérien. C'est beau – et occupé. © Bob Sacha/Corbis Jusque là, cette liste s'est concentrée sur les structures d'avions, mais l'une des innovations aéronautiques les plus importantes - en fait un ensemble d'innovations - est le contrôle du trafic aérien , le système qui garantit que les aéronefs peuvent décoller d'un aéroport, parcourir des centaines ou des milliers de kilomètres et atterrir en toute sécurité à un aéroport de destination. Aux Etats-Unis, plus de 20 centres de contrôle du trafic aérien surveillent le mouvement des avions à travers le pays. Chaque centre est responsable d'une zone géographique définie, de sorte que comme un avion vole le long de sa route, il est transmis d'un centre de contrôle à l'autre. Lorsque l'avion arrive à destination, contrôler les transferts vers la tour de circulation de l'aéroport, qui fournit toutes les directions pour faire atterrir l'avion.
Le radar de surveillance joue un rôle clé dans le contrôle du trafic aérien. Stations fixes au sol, situés dans les aéroports et les centres de contrôle, émettent des ondes radio de courte longueur d'onde, qui voyagent en avion, frappez-les et rebondissez. Ces signaux permettent aux contrôleurs aériens de surveiller les positions et les trajectoires des aéronefs dans un volume donné d'espace aérien. À la fois, la plupart des avions commerciaux transportent transpondeurs , dispositifs qui transmettent l'identité de l'avion, altitude, cap et vitesse lorsqu'il est « interrogé » par radar.
Vous pouvez clairement voir le train d'atterrissage de cet E-2C Hawkeye à l'approche du pont d'envol de l'USS John C. Stennis. Stocktrek Images/Thinkstock Faire atterrir un avion de ligne semble être l'un des exploits technologiques les plus improbables. Un avion doit descendre de 35, 000 pieds (10, 668 mètres) au sol et ralentir à partir de 650 milles (1, 046 kilomètres) à 0 miles par heure. Oh, Oui, et il doit placer tout son poids - quelque 170 tonnes - sur quelques roues et jambes de force qui doivent être solides, mais complètement rétractable. Faut-il s'étonner que le train d'atterrissage occupe la première place sur notre liste ?
Jusqu'à la fin des années 1980, la majorité des avions civils et militaires utilisaient trois configurations de trains d'atterrissage de base :une roue par jambe de force, deux roues côte à côte sur une jambe de force ou deux roues côte à côte à côté de deux roues côte à côte supplémentaires. Alors que les avions devenaient plus gros et plus lourds, les systèmes de trains d'atterrissage sont devenus plus complexes, à la fois pour réduire les contraintes sur les ensembles roue et jambe de force, mais aussi pour diminuer les efforts appliqués à la chaussée des pistes. Le train d'atterrissage d'un avion de ligne superjumbo Airbus A380, par exemple, a quatre trains d'atterrissage - deux avec quatre roues chacun et deux avec six roues chacun. Quelle que soit la configuration, la force est bien plus importante que le poids, vous trouverez donc de l'acier et du titane, pas en aluminium, dans les composants métalliques d'un train d'atterrissage.
Orville Wright a dit un jour :« L'avion reste en place parce qu'il n'a pas le temps de tomber. Après avoir écrit ceci, J'appellerais cela un euphémisme aux proportions épiques.
