La cellule : structure et surfaces de vol

Fuselage, voilure, empennage, commandes de vol, compensateur et volets.

La cellule regroupe les éléments structurels qui encaissent les charges auxquelles l'avion est soumis, au sol comme en vol : le fuselage, la voilure, l'empennage et les commandes de vol. Comprendre comment elle est construite éclaire directement certains points de la visite prévol — pourquoi on inspecte telle zone, ou pourquoi un jeu excessif sur une gouverne n'est jamais anodin.

Les charges appliquées à la structure

Quatre types de charges s'exercent sur une structure d'avion. La traction tend à étirer un élément — les pièces conçues pour y résister sont des tirants. La compression, à l'inverse, tend à raccourcir un élément — on parle alors de mâts ou de montants. Le cisaillement tend à faire glisser une face de matériau sur une autre, ce que les rivets doivent encaisser. En vol, une aile fléchit et subit les trois à la fois : traction sur l'intrados, compression sur l'extrados, cisaillement au cœur de la structure.

Le fuselage : trois types de construction

Une vraie construction monocoque ne devrait comporter aucune ouverture ; en pratique, portes et trappes doivent être renforcées pour préserver l'intégrité de la structure. C'est pourquoi la grande majorité des avions modernes adoptent plutôt la construction semi-monocoque : des cadres et des lisses (longerons longitudinaux) soutiennent une peau en alliage léger, les charges se répartissant entre la peau et cette ossature.

La voilure

Les ailes génèrent la portance qui soutient l'avion, et doivent absorber des charges plusieurs fois supérieures au poids de l'appareil lors des manœuvres. Sur une aile cantilever (non haubanée, la plus répandue aujourd'hui), un ou plusieurs longerons encaissent l'essentiel de la flexion, les nervures maintiennent le profil aérodynamique et transmettent les charges concentrées à la structure, les lisses rigidifient la peau en compression, et la peau elle-même participe à la résistance en flexion et en torsion. Les avions bi-plans ou à ailes haubanées, plus anciens, reportent une partie de ces charges sur des mâts et des câbles externes, au prix d'une traînée supplémentaire.

L'empennage et les axes de l'avion

L'empennage regroupe les surfaces stabilisatrices : le plan fixe horizontal (ou stabilisateur), qui assure la stabilité longitudinale, et la dérive (ou stabilisateur vertical), qui assure la stabilité directionnelle. Certaines configurations combinent leurs fonctions différemment — le T-tail place le plan horizontal au sommet de la dérive, le stabilator est un plan horizontal entièrement mobile, et le canard reporte la fonction de stabilité longitudinale à l'avant de l'appareil.

Pour rester en équilibre, un avion doit être maîtrisé sur trois axes qui se croisent en son centre de gravité :

Les commandes de vol primaires

Sur un avion léger, les commandes de vol primaires sont reliées mécaniquement aux gouvernes par câbles, rotules et leviers. Les ailerons, situés au bord de fuite des ailes et se déplaçant en sens opposé, contrôlent le roulis. La gouverne de profondeur, au bord de fuite du plan horizontal, contrôle le tangage. La gouverne de direction, au bord de fuite de la dérive, contrôle le lacet. Certaines configurations combinent ces fonctions sur une même surface : l'élevon (elevator + aileron) sur les avions sans empennage, le ruddervator sur les empennages en V, ou le stabilator déjà mentionné.

Des butées mécaniques, appelées butées primaires et secondaires, limitent la course de chaque gouverne pour éviter de surcharger la structure en conditions normales de vol.

Le flottement des gouvernes (flutter)

Le flottement est une oscillation rapide et incontrôlée d'une gouverne, causée par l'interaction entre forces aérodynamiques, forces d'inertie et élasticité de la structure. Il peut conduire à une rupture structurelle catastrophique. On le prévient en équilibrant la masse des gouvernes (un contrepoids déplace leur centre de gravité vers l'avant de l'axe de charnière), ce qui modifie leur fréquence propre d'oscillation. Un jeu excessif ou une flexibilité anormale dans les commandes — signe d'un entretien insuffisant — peut abaisser le seuil de vitesse à partir duquel le flottement apparaît, parfois en dessous de la vitesse normale d'utilisation.

Le compensateur (trim) et les volets

Un avion est compensé (trimé) lorsqu'il maintient son assiette et sa vitesse sans que le pilote n'ait à exercer de force sur les commandes. Une petite surface articulée au bord de fuite d'une gouverne — la tab de compensation — se règle pour ramener cette force à zéro. Un compensateur de tangage doit être réajusté après tout changement d'assiette, de vitesse ou de puissance ; certains avions disposent aussi de tabs fixes, réglables au sol par un technicien pour corriger un déséquilibre permanent.

Les volets, surfaces articulées au bord de fuite de l'aile, augmentent la cambrure et donc la portance — et la traînée — à une vitesse donnée, ce qui réduit les distances de décollage et d'atterrissage et permet des approches plus pentues. Sortir les volets change l'assiette de l'avion ; l'ampleur et le sens de ce changement dépendent du type de volet, de sa position sur l'aile, et de la position du plan horizontal.