TPE 2018 LFCG

TPE

Elèves: Emilien CORRE 1eS3, Laurent CHAN 1eS3  et Guillaume VITEL 1eS4

Tuteurs: M.Cadeddu (Physique-Chimie) et Mme. Peterschmitt (SVT)

Matières concernées: Sciences de la Vie et de la Terre, Physique-Chimie

Thème choisi : Transports et transferts

Problématique : Dans quelles conditions météorologiques extrêmes un avion peut-il voler ou atterrir ?

Introduction : L’avion est aujourd’hui le moyen de transport le plus utilisé pour les trajets sur des très longues distances (+1000km). Il est également le moyen de transport le plus sûr au monde avec aucunes morts en 2017. Néanmoins, des accidents se sont produits dans le passé et quand ils n’étaient pas dû à l’erreur humaine, leur cause était la météo. On peut alors s’interroger sur les limites de la technologie aéronautique moderne face aux conditions de  météos les plus rudes. Notre problématique est donc : Dans quelles conditions de météo extrêmes un avion peut-il voler ou atterrir ?

I) Le givre

Introduction: Le givre est une couche de glace qui se forme lors de la congélation de gouttes surfondues. Ce phénomène peut se produire dans la vie de tous les jours lorsque la température est inférieur à 0°C. Cependant, le givre peut aussi s’avérer être un perturbateur de vol. Nous pouvons alors nous demander :

Comment le givre peut-il perturber les conditions de vol d’un avion ?

1. Le givre, un état métastable de l’eau

Le givrage est dû à la présence d’eau sous forme liquide à des températures négatives, bien que la température de solidification de l’eau soit de 0°C. Lorsqu'une goutte est produite par condensation (changement d’état gazeux à l’état liquide) sous une température inférieur à 0°C, celle-ci devient alors une gouttelette en surfusion. La surfusion est l'état d’une matière qui parvient à rester en état liquide alors que sa température est inférieur à son point de solidification, cet état est dit métastable, cela signifie que l’état est stable mais qu'à la moindre perturbation la matière changera d’état pour en atteindre un plus stable que le précédent. Le principe de la métastabilité peut être schématisé par une boule en équilibre dans un creux peu profond, dès qu'elle bougera légèrement elle tombera dans un creux profond ou elle sera stable.

Par conséquent quand un avion entre en contact ,avec des gouttelettes en surfusion, celles-ci sortent de leur état métastable et deviennent solides car la température de solidification de l’eau est 0°C.

Donc lorsque qu’un avion entre en contact avec des gouttelettes en surfusion, celles-ci sortent de leur état métastable et deviennent solides. Les zones où la températures varient entre 0°C et -10°C présente le plus gros risques de givrage car les nuages sont composés majoritairement de gouttelette, le reste du nuage est fait de cristaux de glaces qui ne se transformeront pas en givre.

entre -10°C à -20°C les nuages sont composés de cristaux de glaces et de gouttelettes donc le risque de givrage est toujours présent mais il est moins important.

Sur ce schéma, on peut observer la température de l’air en fonction de l’altitude. Un avion de ligne vol a une altitude d’environ 9000m. Sur ce tableau, on observe donc qu'à son altitude de croisière, aucun givre ne se formera sur ses ailes.

Cependant avant qu’il n’atteigne cette altitude il passera par les zones à forts risques de givrage. Ce qui nous mène à la question de quels sont donc les conséquences du givre sur un avion?

B) Les conséquences de la givre

Nous allons étudier le type de givre le plus fort que peut subir un avion : le verglas.

Comme on peut le voir sur ce schéma , un avion subi 4 forces : la portance, la traction, la traînée et le poids. Les deux forces qui permettent à l’avion de voler sont la portance qui est engendré par la traction. Ce qui signifie que plus la trainées et le poids de l’avion sont élevés plus l’avion aura du mal à conserver son altitude.

L’accumulation de givre sur un avion entraîne une perte de portance:

La formule du calcul de la portance est la suivante: Portance = Cz.p.S.V²/2 avec Cz étant le coefficient de portance.

Voici la formule pour calculer Cz=Fz/q.S avec Fz en newton. Plus un objet est lourd plus son poids est élevé donc plus la masse de l’avion est élevé plus son coefficient de portance est élevé et par conséquent sa portance augmente.

La portance est la force subit par un corps en mouvement dans un fluide, cette force s’exerce perpendiculairement au sol. La portance est la force principal qui permet  à un avion de voler, donc si celle ci chute trop, l’avion a de plus en plus de mal a voler jusqu'à pouvoir subir un décrochage, c’est à dire que l’avion n’a plus assez de portance pour conserver son altitude et perd donc de l’altitude. Lorsque qu’un avion subit une perte de portance, cela entraîne une augmentation de sa trainée, de son poids et de sa vitesse de décrochage. Si une perte de portance trop importante n’est pas réparer l’avion risque donc de s’écraser.

L’angle d’incidence est l’angle à partir duquel l’avion n’arrive plus à conserver son altitude. Si l'angle d’incidence de l’avion chute en dessous de 0° il commence donc à chuter. Sur le schéma, on observe même de petite quantité de givre font chuter drastiquement l’angle d’incidence et que lorsque si l’avion subit une couche de givre égal à 1/50e de la corde l’angle de décrochage est environ 1°.

Pour un 1 mm/m² de givre on a 1L/m² de givre ce qui nous donne 1Kg/m²  ! Les avions de ligne sont limités à 3mm de givre maximum ce équivaut à 600 kg.

...