Pourquoi les avions volent-ils et comment la portance est-elle créée ?

Un avion se maintient en l’air lorsque ses ailes produisent une force dirigée vers le haut : la portance. Pour obtenir cette force, l’appareil doit avancer dans l’air, généralement grâce à la poussée de ses moteurs. En rencontrant les ailes, l’écoulement de l’air est modifié par leur forme et leur orientation. Il en résulte une pression plus faible au-dessus de l’aile et plus élevée en dessous, dont la combinaison produit une force capable de compenser le poids de l’avion. La portance dépend toutefois de plusieurs facteurs, notamment la vitesse, la densité de l’air et l’angle d’attaque.

La différence de pression autour de l’aile

Les ailes des avions modernes possèdent souvent une surface supérieure plus bombée que leur surface inférieure. Lorsque l’avion avance, cette géométrie, combinée à l’inclinaison de l’aile par rapport à l’écoulement, accélère l’air au-dessus de l’aile. Selon la relation entre vitesse et pression décrite par le principe de Bernoulli, cette accélération s’accompagne d’une diminution de la pression sur la surface supérieure. Sous l’aile, la pression reste relativement plus élevée : elle contribue donc à pousser l’aile vers le haut. La différence de pression entre les deux faces, répartie sur toute la surface de l’aile, constitue l’essentiel de la portance. L’aile dévie aussi une partie de l’air vers le bas ; en réaction, l’air exerce sur elle une force vers le haut. Ces deux descriptions, fondées sur la pression et sur la variation de quantité de mouvement de l’air, rendent compte du même phénomène physique.

Le rôle de la vitesse et de l’angle d’attaque

La portance augmente avec la vitesse de l’air qui arrive sur l’aile. Toutes choses égales par ailleurs, elle est proportionnelle au carré de cette vitesse : une augmentation de la vitesse produit donc une hausse importante de la force disponible. C’est pourquoi l’avion doit accélérer sur la piste avant de décoller. La densité de l’air intervient également : dans une atmosphère moins dense, comme à haute altitude, une même aile produira moins de portance à vitesse et configuration identiques. L’avion peut alors compenser en augmentant sa vitesse, son angle d’attaque ou en adaptant sa configuration. L’angle d’attaque est l’angle entre la corde de l’aile et la direction de l’écoulement de l’air. S’il augmente dans certaines limites, la portance augmente ; mais au-delà d’un seuil, l’écoulement se décolle de la surface de l’aile. C’est le décrochage, caractérisé par une forte diminution de la portance.

Les dispositifs qui modifient la portance

Les ailes sont équipées de surfaces mobiles qui permettent d’adapter les forces aérodynamiques aux différentes phases du vol. Les volets, placés principalement sur le bord de fuite, augmentent la courbure de l’aile et parfois sa surface effective. Ils permettent ainsi de produire davantage de portance à faible vitesse, notamment au décollage et à l’atterrissage, en contrepartie d’une augmentation de la traînée. Les ailerons, situés généralement vers les extrémités des ailes, agissent de manière dissymétrique : lorsqu’un aileron se relève et l’autre s’abaisse, la portance varie d’une aile à l’autre, ce qui fait rouler l’avion autour de son axe longitudinal. Ils ne servent donc pas principalement à augmenter la portance totale, mais à contrôler l’inclinaison latérale. D’autres gouvernes, comme la profondeur et la direction, participent au contrôle de l’assiette et de l’orientation de l’appareil.

L’équilibre des forces pendant le vol

En vol horizontal stabilisé, la portance compense approximativement le poids de l’avion, tandis que la poussée des moteurs compense la traînée aérodynamique. Si la vitesse diminue trop, la portance peut devenir insuffisante ; si l’angle d’attaque est excessif, le décrochage peut se produire. À l’inverse, une modification de la vitesse, de l’assiette ou de la position des volets change la distribution des pressions autour des ailes et donc la portance. Les pilotes et les systèmes de commande ajustent continuellement ces paramètres. Un avion ne vole donc pas parce que ses ailes seraient simplement « poussées » vers le haut par l’air : il avance dans un fluide, crée un écoulement organisé autour de ses ailes et exploite la différence de pression qui en résulte pour produire une force ascendante.