Stabilité (aéronautique)

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La stabilité d'un avion est son aptitude à revenir à son état d'équilibre initial quand il a été modifié par le pilote ou par une agent extérieur (ascendance, turbulence).

Le retour à l'équilibre initial demande de fournir un moment, c'est-à-dire une force agissant avec un bras de levier :

• les forces produites sont d'origine aérodynamique,
• les distances dépendent de la configuration (de la géométrie) de l'avion.

Axes de stabilité

On étudie la stabilité d'un aéronef sur trois axes :

• la stabilité en lacet, capacité de l'aéronef à conserver sa direction
• la stabilité en tangage, capacité de l'aéronef à conserver son assiette (L'assiette désigne la position ou l'état d'équilibre d'un élément dans son milieu par rapport au plan horizontal. )
• la stabilité en roulis, capacité de l'aéronef à conserver son inclinaison en ligne droite et en virage

Lorsque l'aéronef est stable sur un axe, il conserve son équilibre sur cet axe sans action sur les commandes de vol.
Au contraire, un aéronef instable s'écarte de cet axe, ce qui demande d'agir sur les commandes pour corriger.

Stabilité passive, stabilité active

Quand un mouvement de la masse d'air modifie la position d'équilibre de l'avion, on peut avoir deux types de corrections :
. Avec une stabilisation classique dite "passive", la nouvelle position de l'avion par rapport à la masse d'air détermine des moments aérodynamiques stabilisants.
. Avec une stabilisation "active", les mouvements de l'avion sont détectés par des capteurs, analysés par un calculateur qui détermine les moments de gouvernes nécessaires pour rétablir l'équilibre initial. L'avion peut être naturellement instable, le calculateur corrige en permanence.

Stabilité et performances

• La stabilité passive en tangage entraîne une traînée suppémentaire dite traînée d'équilibrage. Le Centre de Gravité (CG) étant en avant du centre de portance, l'empennage est déporteur (il pousse vers le bas). Cela augmente la traînée induite (par la portance) de l'aile qui doit porter cette déportance en plus du poids de l'avion. L'aile doit être un peu plus grande, plus lourde, etc...
• la stabilisation active en tangage permet de reculer le centre de gravité; le stabilisateur peut être légèrement porteur en vol. Sur l'avion A 310-300 équipé d'un réservoir arrière (placé dans l'empennage horizontal), le recul du CG en vol et le carburant supplémentaire permettent d'augmenter la distance franchissable de 16 % par rapport au modèle A 310-200 non équipés de réservoirs arrières.

Stabilité et confort

Plus l'air est agité et plus l'avion a de la stabilité passive, plus il réagit aux perturbations, plus il est inconfortable. Sur les avions de transport commercial, comme l'Airbus, la stabilité active est un élément essentiel de sécurité et de confort en vol.

Stabilité et maniabilité

Sur un avion de combat ou de voltige aérienne, la stabilité passive diminue la capacité de manœuvre en évolution.

Stabilité des avions

Concernant la stabilité en tangage, il y a un facteur commun aux avions ci-dessous : le positionnement du centre de gravité par rapport à la portance des surfaces (ailes et plans stabilisateurs). Pour être plus précis, il faudrait parler de la position du centre de gravité par rapport au foyer aérodynamique.

Avions à empennage (classique)

Quelle que soit la configuration, la stabilité en tangage est asurée par le différentiel des pentes de portance des deux surfaces plus ou moins éloignées. Elles peuvent être jointives dans le cas des ailes volantes.

L'empennage étant placé à l'arrière par définition :

• la stabilité en lacet est assurée par la dérive (empennage vertical),
• la stabilité en tangage est asurée par le stabilisateur (empennage horizontal),
• la stabilité en roulis en ligne droite est faiblement positive, nulle ou faiblement négative.
• la stabilité en roulis en virage dépend du couplage de l'effet dièdre avec la stabilité de lacet.

Avion à effet de sol

Voir Ekranoplane.

• la stabilité en tangage et le maintien de l'altitude sont asurés par le différentiel des pentes de portance et de positionnement vertical des deux surfaces.

Avion canard

• la stabilité en tangage est assurée par le différentiel des pentes de portance des deux surfaces, obtenu par la différence de charge alaire, de type de profil utilisé et de Nombre de Reynolds des deux plans porteurs.
• la stabilité en lacet est assurée le plus souvent par des dérives en bout d'aile ou (winglets).

Aile delta

• la stabilité en tangage est assurée par le choix d'un profil porteur non déstabilisant (à coefficient de moment en tangage "Cm" positif).
  
  

  Lockheed XF-90 (1946)

Le vol à vitesse supersonique modifie le moment de tangage de l'aile : le Concorde faisait varier son centrage en vol.

• la stabilité en lacet est assurée classiquement par la dérive.

Aile volante

• la stabilité passive en lacet est généralement assurée par des dérives en bout d'aile. Quand ces dérives sont supprimées (pour réduire la signature radar), la stabilité en lacet est obtenue par une stabilité active (artificielle) : une traînée différentielle d'aérofreins (AF) ou une poussée différentielle si la vitesse est trop faible pour que les AF soient efficaces.
• la stabilité en roulis en virage dépend du couplage avec la stabilité de lacet. La traînée différentielle des ailerons à la mise en virage s'accompagne d'un moment de lacet inverse difficilement compensé par la faible stabilité en lacet. Il est souhaitable d'obtenir le roulis avec des systèmes ne générant pas de lacet inverse (spoiler).
• la stabilité en tangage est réduite par l'absence d'empennage. Les profils porteurs habituels présentent un coefficient de moment en tangage négatif déstabilisant, qui doit alors être équilibré par :

- l'utilisation sur toute l'envergure d'un profil d'aile présentant une ligne moyenne en "S" à coefficient de moment de tangage (Cm) positif. Ces profils sont moins porteurs.

- une forme en plan de l'aile en flèche arrière présentant un vrillage négatif (diminution du calage des profils en bout d'aile). On a alors transformé le bout d'aile en empennage classique, non porteur. La flèche arrière donne un dièdre effectif, ce qui renforce le roulis induit et le couplage roulis-lacet.

Les stabilités sur tous les axes étant faibles, il faut particulièrement limiter les effets déstabilisants de la propulsion en tangage et en lacet (effets de souffle, décalage vertical entre l'axe de traction et le centre de traînée, dissymétrie en cas de panne d'un moteur latéral).

Hélicoptère

L'hélicoptère est instable en tangage et roulis, mais la mise en équilibre des différentes forces transmises par les rotors et par des éléments aérodynamiques fixes, dérives de profondeur et de direction rend cette instabilité très limitée: on peut la mesurer par le temps que met l'appareil à doubler l'angle du rotor avec le plan horizontal.