Pourquoi un avion vole-t-il ?

Un avion en vol stabilisé est soumis à quatre forces : la portance, le poids, la poussée et la traînée. Le poids l'attire vers la Terre. La poussée, fournie par les hélices ou les moteurs à réaction, le propulse vers l'avant. La traînée, résistance de l'air, le freine vers l'arrière. La portance, produite principalement par les ailes, agit vers le haut et soutient l'avion. En vol en palier, sans accélération, la portance égale le poids et la poussée égale la traînée, et toute la question de savoir pourquoi un avion vole se résume à comprendre comment une aile crée de la portance.

Une aile est profilée et inclinée de sorte que l'air qui la traverse soit dévié vers le bas. La troisième loi de Newton en donne l'explication la plus simple : l'aile pousse une grande masse d'air vers le bas, et l'air pousse l'aile vers le haut avec une force égale. L'approche par la pression dit la même chose avec d'autres mots. L'air qui passe au-dessus de la surface supérieure, courbée et plus longue, et autour de l'aile inclinée accélère et sa pression chute, tandis que l'air sous l'aile est ralenti et légèrement comprimé. La différence de pression entre les deux surfaces, intégrée sur toute la surface de l'aile, constitue la portance. Le principe de Bernoulli et les lois de Newton ne sont pas des explications rivales mais deux façons de décrire un même écoulement ; l'idée répandue selon laquelle l'air au-dessus et au-dessous doit se rejoindre au bord de fuite au même instant est fausse, et les images de soufflerie montrent que l'écoulement supérieur arrive bien avant.

Deux variables dominent. La première est la vitesse : la portance croît avec le carré de la vitesse, ce qui explique pourquoi un avion de ligne a besoin d'environ 250 à 300 km/h (135-160 nœuds) avant de pouvoir quitter la piste, et pourquoi il peut voler avec bien moins de puissance en croisière qu'au décollage. La seconde est l'angle d'attaque, l'angle entre la corde de l'aile et l'air qui arrive. Lever le nez augmente la déviation de l'air et la portance, jusqu'à un certain point. Au-delà d'un angle critique, typiquement 15 à 20 degrés pour une aile conventionnelle, l'écoulement d'air au-dessus décroche et la portance s'effondre : c'est le décrochage, et une grande partie de la formation de base d'un pilote consiste à apprendre à l'éviter.

Une planche plate inclinée produit de la portance, comme le démontre tout avion en papier, et une aile symétrique vole parfaitement bien en inversé, ce qui permet aux avions de voltige de maintenir un vol inversé. Les profils cambrés sont choisis parce qu'ils produisent de la portance avec moins de traînée et décrochent plus en douceur, non parce qu'ils seraient la seule façon de voler. Les volets et becs se déploient à basse vitesse pour augmenter la cambrure et la surface, ce qui explique pourquoi l'aile d'un avion de ligne en approche paraît si différente de la même aile en croisière. Les moteurs ne soulèvent pas l'avion ; ils fournissent la vitesse vers l'avant qui maintient l'air en mouvement sur l'aile, et un planeur sans aucun moteur vole en échangeant de l'altitude contre ce même écoulement d'air.