Principe de la portance

Le profil d'une aile d'avion : intrados, extrados, bord d'attaque, bord de fuite

Un avion vole grâce à l'écoulement de l'air autour de l'aile produisant des forces aérodynamiques :

• la portance, perpendiculaire au vent relatif, vers le haut. Cette force est engendrée par la différence de pression entre le dessus et le dessous de l'aile .
• la traînée, parallèle au vent relatif, vers l'arrière.

Plus l'angle formé entre l'aile et le vent relatif (angle appelé incidence) est important, plus les forces aérodynamiques sont grandes. Ceci reste vrai jusqu'à l'angle de décrochage, où la portance commence à décroître à cause du décollement des filets d'air au-dessus de l'aile (l'extrados).

Selon la loi de Newton et l'effet Coanda

À gauche : graphique donnant l'évolution du coefficient de portance en fonction de l'angle d'incidence. Le décrochage survient dans ce cas pour un angle d'incidence de 15° À droite: influence de l’angle d'incidence sur la portance.

La force de portance est générée en réaction à la masse d'air qui est défléchie vers le bas. Par réaction l'aile est tirée vers le haut, en vertu de la troisième loi de Newton^[10] :

« Tout corps A (l'aile) exerçant une force sur un corps B (l'air) subit une force d'intensité égale, de même direction mais de sens opposé, exercée par le corps B ».

La masse d'air est défléchie vers le bas, en raison de :

• la forme de l'aile : pour un profil dissymétrique, la forme bombée de l'aile sur sa face supérieure tend à dévier l'écoulement de l'air vers le bas, selon l'effet Coandă^[11]. La viscosité de l'air « oblige » les filets d'air à rester plaqués sur la surface supérieure de l'aile.
• l'angle d'incidence (position de la surface de l'aile par rapport aux filets d'air). Plus l'angle d'incidence est élevé et plus la portance est forte, tant que l'incidence de décrochage n'est pas atteinte.

L'équilibre du vol

Forces auxquelles un avion est soumis.

Un avion subit trois types de forces :

• la poussée du réacteur ou la traction ou la poussée de l'hélice entraînée par le moteur ;
• le poids, effet de la gravité terrestre sur la masse de l'appareil ;
• la résultante des forces aérodynamiques décomposée en portance et en traînée :
  • la portance, créée par le déplacement dans l'air d'une aile profilée,
  • la traînée, somme des résistances aérodynamiques est opposée au mouvement.

Ces forces sont représentées par quatre vecteurs :

• la traction vers l'avant s'oppose à la traînée vers l'arrière ;
• la portance vers le haut s'oppose au poids vers le bas.

Quand l'avion vole en palier à vitesse constante le poids est équilibré par la portance, la traînée est compensée par la traction.

À partir de cette position d'équilibre, toute modification de l'un des paramètres entraîne une modification de l'équilibre. Si le pilote réduit les gaz, la traction diminue, la traînée devient prépondérante et la vitesse diminue. Étant proportionnelle au carré de la vitesse, la portance diminue avec la vitesse : l'avion s'inscrit dans une trajectoire descendante, entraîné par son poids. En descendant, l'avion accélère à nouveau : la portance croît à nouveau, égale et dépasse le poids : l'avion remonte. En remontant, la vitesse diminue, et ainsi de suite… Lorsque les oscillations s'amortissent du fait de la stabilité en tangage, l'avion se stabilise en un nouveau point d'équilibre : soit en descente à la même vitesse, soit en palier à une vitesse plus faible suivant son attitude de vol.

Pilotage

Le pilotage dans le plan vertical (en tangage) consiste à intervenir sur la portance et la traction. Le pilotage dans le plan horizontal (en virage ou en dérapage) consiste à intervenir sur le roulis (inclinaison latérale) et sur le lacet (la direction).

Propulsion

Il existe plusieurs modes de propulsion permettant aux avions d'atteindre et de maintenir la vitesse nécessaire au vol, les plus répandus sont :

• l'hélice, entraînée généralement par un moteur à piston ou une turbine (turbopropulseur),
• le turboréacteur.

Performance

Différents paramètres permettent de caractériser les performances d'un avion :

• La vitesse maximale en croisière caractérise la capacité d'un avion à rallier son objectif rapidement ;
• La vitesse minimale, liée au décrochage, caractérise la capacité de l'avion à voler lentement lors des phases d'approche, lui permettant de minimiser sa distance d’atterrissage ;
• Le facteur de charge maximal, lié à la résistance de la structure, caractérise la manœuvrabilité de l'avion, sa capacité à virer avec un faible rayon de virage ou à réaliser des figures de voltige ;
• Le plafond représente l'altitude maximum de vol, influant sur la consommation de carburant en croisière ou la capacité à franchir un relief pour les avions légers ;
• Le taux de montée caractérise la capacité d'un avion à rejoindre rapidement son altitude de croisière ;
• Le taux de descente caractérise la capacité de l'avion à réaliser une approche à forte pente pour se conformer à la réglementation de certains aéroports visant à limiter les nuisances sonores ou les risques de collisions avec un relief ;
• La consommation de carburant à l'altitude de croisière influant sur le coût d'exploitation de l'avion ;
• La charge marchande, particulièrement importante pour les avions de ligne, représentant la masse de fret ou de passager(s) que l'avion peut transporter ;
• Le rayon d'action d'un avion est la distance franchissable entre le décollage et l’atterrissage. Cette distance dépend de la masse maximale autorisée, de la masse maximale de carburant pouvant être embarquée ainsi que de la charge marchande emportée.

Impact climatique

Les réacteurs d'avion contribuent de manière importante à l'effet de serre. Cela est dû principalement au CO₂ produit par la combustion du kérosène, ainsi qu'aux traînées de condensation et aux nuages d'altitude qu'elles peuvent parfois générer.

L'impact climatique du transport aérien résulte principalement de la combustion de kérosène dans les réacteurs d'avion. Celle-ci est responsable de l'émission de dioxyde de carbone (CO₂), un gaz à effet de serre qui s'accumule dans l'atmosphère et dont les émissions représentent de 3 à 4 % des émissions mondiales, ainsi que d'autres émissions à courte durée de vie, dont la contribution à l'effet de serre n'est pas évaluée avec autant de précision. Il s'agit en particulier des émissions d'oxydes d'azote (NO_x), qui provoquent indirectement le réchauffement du climat, et surtout des traînées de condensation et des cirrus artificiels qui se forment dans certaines conditions.

Pour consolider les effets sur le climat de l'ensemble des émissions anthropiques, le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) utilise le forçage radiatif qui mesure les conséquences des activités passées et présentes sur la température globale. Il a estimé que le forçage radiatif dû à l'aviation représentait 4,9 % du forçage radiatif total de 1790 à 2005, environ trois fois plus que le seul impact du CO₂. Avec la croissance rapide et continue du transport aérien (de 6 à 7 % par an depuis 2015) et l'incapacité du secteur à la compenser au même rythme par des améliorations techniques ou opérationnelles, son impact climatique ne cesse de croître. Selon des projections de la tendance actuelle, la part des émissions de CO₂ de l'aviation pourrait monter à 22 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre en 2050.

Après plus de 15 ans de négociations, un accord mondial visant à réduire l'impact climatique du transport aérien a été conclu le 6 octobre 2016 sous l'égide de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI). Il vise à combler l'absence de mesures concernant le transport aérien dans l'Accord de Paris de 2015 et à atteindre les objectifs que s'était fixés l'organisation en 2010 : améliorer l'efficacité énergétique de 2 % par an et stabiliser les émissions de CO₂ au niveau qu'elles auront atteint en 2020. Il institue pour cela un système de compensation des émissions de CO₂ pour la fraction des émissions qui dépasserait le niveau atteint en 2020 malgré un « panier de mesures techniques » adoptées dans le même temps. Ce système se traduira par l’achat de crédits-carbone par les compagnies aériennes auprès d’autres secteurs via une bourse d’échanges, sur volontariat à partir de 2021, puis de manière obligatoire à partir de 2027. De nombreuses voix, en particulier celles d'organisations non gouvernementales environnementales (ONGE), ont dénoncé le manque d'ambition de cet accord.

Né en Suède en 2018, le sentiment de flygskam (traduit en français par « honte de prendre l'avion ») défie le transport aérien. Des voyageurs sensibilisés à la protection de l'environnement prennent moins l'avion et privilégient le train^{[12],[13],[14]}.

Depuis les premiers jets, la consommation des avions au siège par kilomètre a déjà baissé de 80 %. Mais l'objectif que s'est fixé le transport aérien, de réduire de 50 % ses émissions de gaz à effet de serre d'ici à 2050 (et même de 75 % en Europe), malgré le doublement attendu du trafic, sera difficile à atteindre. Il passera d'abord par l'achat d'avions plus modernes, dont la consommation de carburant est de moins de trois litres par passager pour 100 km et même moins de deux litres pour un A321neo, ainsi que par l'utilisation de biocarburants, de moitié moins polluants, et un recours accru à l'électricité pour actionner les équipements hydrauliques et pneumatiques. De nouveaux modèles d'aéronefs, comme les avions-taxis et les drones de livraison, utiliseront des moteurs électriques. Les perspectives d'une propulsion 100 % électrique sur des avions de ligne sont beaucoup plus lointaines, voire incertaines : les deux obstacles principaux sont le poids des batteries et la difficulté de sécuriser un réseau à plus de 1000 volts à bord de l'avion. Le projet le plus ambitieux de Safran se limite à un avion de 10 à 12 places pour des distances de 400 à 500 km, qui associerait à deux moteurs à hélices turbopropulsés classiques, six petits moteurs électriques, réduisant d'au moins 50 % les émissions de gaz d'un turbopropulseur, lui-même déjà de 40 à 50 % plus vertueux qu'un jet. Il pourrait être lancé dès 2025, avec un marché potentiel de plusieurs milliers d'appareils. L'étape suivante pourrait être la mise au point, vers 2030, d'avions régionaux de 40 sièges, toujours à motorisation hybride. D'autres pistes sont les biocarburants et l'hydrogène^[15].

Écobilan

La fabrication des avions fait appel à des matériaux dont la production est également — en amont — source d'impacts énergétiques, écologiques et sanitaires. Et le traitement des avions en fin de vie pose encore problème, avec un nombre d'avions à démanteler de plus en plus élevé (300 avions par an), sans compter les épaves déjà stockées à proximité des aéroports dans le monde. Des avions ont été transformés en récifs artificiels, mais avec des controverses sur les impacts de ce type d'opération. Les avions contiennent des matériaux précieux dont la fabrication a causé l'émission d’importantes quantités de gaz à effet de serre et de métaux lourds, mais les carlingues n'ont pas été conçues pour faciliter la récupération de ces matériaux en fin de vie.

En France, le programme Pamela piloté par Airbus (3,242 millions d'euros aidé par l'Europe), à Tarbes, expérimente des procédés de déconstruction et valorisation ou recyclage des matériaux^[16].