I. Les intérêts de l'aérodynamisme
a. L'origine de l'aérodynamisme
L’aérodynamique a vu le jour à la fin du XIXème siècle, lorsque les premiers pionniers de l’aviation ont tenté de faire voler des engins « plus lourds que l’air ». En effet, le vol était connu depuis plus d’un siècle avec les « plus légers que l’air », c’est-à-dire les montgolfières et les ballons (la première montgolfière a volé en 1782 à Versailles, grâce aux frères Montgolfier). L’idée que des engins plus lourds que l’air puissent voler paraissait irréalisable pour beaucoup car le principe de l’aile n’était pas connu. Le premier vol au sens strict d’un avion eu lieu le 9 octobre 1890 en France, avec Clément Ader et son prototype, l’Eole. C’est de lui que nous vient le mot avion.
A cette époque, on essaie d’abord de créer de la portance et on ne s’occupe pas de la traînée car les avions et les voitures ne vont pas encore assez vite. Ce n’est que dans les années 1910 que l’on va commencer à profiler les fuselages et les carrosseries. Dans l’automobile, c’est le constructeur Peugeot qui va développer cela pour la première fois sur ces voitures « de course ». En effet, avec l’aide de Gustave Eiffel passionné par l’aérodynamique, ils créent une soufflerie, dans la tour Eiffel car celle-ci est menacée de démolition. Il prétend donc en faire un laboratoire en aérodynamique. Il mène ses premières expériences sur la Peugeot L45 de course dont on profile toute la partie arrière, une grande première pour l’époque.
b. Son évolution jusqu'à nos jours
L’aérodynamique se développe ensuite très rapidement, notamment grâce à la Première Guerre mondiale : alors que les premiers avions qui sont entrés en guerre en 1914 n’étaient fait que de toile et de bois, et ne disposait pas d’un fuselage profilé, les avions entrés en guerre en 1918 étaient construits en acier et avaient une forme de goutte d’eau.
Après la Grande Guerre, l’aérodynamique s’étend à l’automobile où là encore, on tente de réduire la traînée. Les roues, qui étaient alors laissées à l’air libre, faisaient obstacle au flux d’air, on les a donc carénées, c’est-à-dire recouvertes par la carrosserie. Les voitures utilisaient aussi la forme de la goutte d’eau.
Encore une fois, c’est la guerre qui va considérablement accélérer les technologies, dont l’aérodynamique. A la fin de la Seconde Guerre mondiale, on découvre de nouveaux types d’ailes. Autrefois tous les avions étaient équipés de voilure « droites », on invente alors les ailes en flèches, qui sont aujourd’hui les plus utilisées, comme sur les avions de ligne avec l’exemple de l’airbus A320 que nous avons utilisé sur SolidWorks
L’aile delta apparaît par la suite, d’abord aux Etats-Unis puis dans le monde entier. L’aile delta est particulièrement adaptée au vol supersonique, c’est pourquoi de nombreux avions de chasse l’adoptent. Pour les avions de ligne, seul le célèbre Concorde et le Tupolev 144 ont utilisé cette solution, car ils volaient à des vitesses supersoniques (2 179 km/h pour le concorde).
Depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale, tous les avions rapides (au-delà de 600 km/h) abandonnent les ailes droites pour adopter l’une ou l’autre de ces solutions. Dans les années cinquante et soixante, d’autres types d’ailes sont essayées, notamment les ailes à géométrie variable, qui permettaient à l’avion d’avoir soit des ailes droites, soit des ailes en flèche.
Plus récemment (dans les années quatre-vingt) le constructeur russe Sukhoï testa des ailes en flèche inversée mais ce projet n’aboutit à rien, de même que bien d’autres tests, comme l’aile oblique, qui pouvait pivoter pendant le vol.
En somme voici tous les principaux types d’ailes :
Dans le domaine automobile, on décide d’appliquer le principe de la portance, mais dans le sens inverse ; on développe la déportance pour permettre aux voitures une meilleure adhérence à la piste et donc plus de stabilité surtout dans les virages. On installe alors des ailerons à l’arrière et à l’avant des voitures, les Formules 1 furent les premières bénéficiaires de cette innovation vers la fin des années soixante.
Aujourd’hui, ces ailerons ont bien évolué et sont désormais appliqués sur de nombreuses voitures de sport, de course ou de série. Ils sont même parfois rétractables : on appelle cela de l’aérodynamique active.
L’aérodynamisme possède une telle importance de nos jours que la France possède la plus grande soufflerie du monde. La soufflerie de Modane, par l’ONERA, a testé les maquettes des plus grands programmes aéronautiques français et européens comme le Concorde, les Airbus, le Mirage, le Falcon, le Rafale, et bien d’autres encore.
c. Les tests actuels
La plupart des tests aérodynamiques sont effectués en soufflerie pour l’aviation et l’automobile, c’est pour cette raison qu’aujourd’hui de nombreuses souffleries ont été construite. Notamment chez les constructeurs automobiles car les nouveaux objectifs de consommation de carburant et de pollution les obligent à optimiser la forme de leurs véhicules. Actuellement de nombreuses entreprises utilisent la simulation numérique suite au progrès des nouvelles technologies comme nous l’a permis Flow Works sur SolidWorks que nous vous présenterons en fin de dossier. Bien entendu cette technique de simulation n’est que complémentaire face aux souffleries et aux tests réels qui sont réalisables par différentes techniques. On relève notamment l’utilisation de tubes de Pitot, ils permettent de mesurer la vitesse d’un flux d’air à un endroit spécifique par différenciation de pression de l’air. De plus il existe des peintures flow-viz (pour flow visualization) qui consistent en une goutte d’huile mélangée à un colorant. On dépose cette goutte à un endroit précis sur le véhicule pour qu’avec la vitesse du flux d’air elle crée une trace. Ces techniques sont notamment utilisées en Formule 1 et en aviation :
