Puisque vous avez été nombreux à lire la première partie de ce reportage, le magazine Aviation est heureux de pouvoir vous en offrir la suite. Car en apparence, rien ne semble lier les pilotes de Formule 1 et ceux des aéronefs. Leur environnement de travail est pour l’un l’asphalte et pour l’autre le ciel. Pourtant, ces deux mondes ont des liens qui les font se rejoindre par la technologie aéronautique. Les forces aérodynamiques sont donc présentes en aviation tout comme en Formule 1.
Dans les deux cas, les ingénieurs utilisent des recherches en aérodynamisme pour augmenter la vitesse de pointe de leurs bolides et pour réduire la consommation en carburant en réduisant la traînée d’un aéronef ou d’une monoplace de type Formule 1. Aujourd’hui, l’aérodynamique est devenue un atout important en aviation tout comme en Formule 1. C’est un facteur déterminant qui permet de gagner de précieuses secondes.
L’aérodynamique
Les forces aérodynamiques sont présentes dans le domaine de l’aviation, tout comme dans le monde de la Formule 1. C’est une science spécialisée dans l’étude des écoulements d’air. Les recherches sont de plus en plus approfondies par les chercheurs qui tentent d’améliorer la performance des aéronefs de même que celle des voitures de catégorie Formule 1.
Depuis le début de l’histoire de l’aviation, l’aérodynamique a donc été un élément important du développement moderne des aéronefs. Une meilleure compréhension des phénomènes physiques a permis d’améliorer les composantes que sont les ailes, les ailerons, les bords d’attaque, le fuselage, les gouvernails de direction et de profondeur, les hélices, les pales, les aubes tournantes ainsi que les structures des moteurs à réaction.
L’aérodynamique en Formule 1
Pour tout constructeur, il ne suffit plus de construire tout simplement un avion, un hélicoptère ou un bolide avec des performances données. Il lui faut agir par l’expérience scientifique, par les connaissances récentes des ingénieurs afin de trouver les meilleures architectures ou les structures optimales et indispensables au développement des programmes aéronautiques.
C’est ainsi que certains éléments physiques venus de l’aviation s’appliquent au monde de la Formule 1 puisque le champ de pression s’exerce sur tout obstacle, aéronef ou voiture de course. Quand nous regardons une course de Formule 1 à la télévision ou lors d’un Grand Prix, il faut penser aux innombrables heures, aux longues journées, aux semaines et mois de recherches qu’il a fallu pour que nous voyions les magnifiques performances des voitures imaginées par de solides équipes.
Chaque saison, les écuries de Formule 1 s’assurent d’intégrer les derniers développements en matière d’aérodynamique. Plusieurs ingénieurs, concepteurs et chercheurs sont à l’œuvre pour trouver les meilleures solutions afin d’améliorer l’aérodynamisme des voitures monoplaces, et cela, selon les règlements de la FIA. Outre les pilotes qui repoussent toujours de plus en plus leurs limites, les « hommes de l’ombre » (ingénieurs et techniciens) travaillent sans relâche sur les voitures de compétition dans tous les domaines afin de les rendre plus performantes.
Il faut savoir qu’une monoplace de Formule 1, c’est aussi un corps solide qui est en mouvement dans le fluide de l’air et est soumis à plusieurs forces, dont la résistance de l’air, le poids et le frottement répartis en surface (CX). Ces forces résultent des caractéristiques du fluide air, de son environnement, de la vitesse relative et certainement de la forme du corps (forme du bolide de course). Lors des performances en piste, il est nécessaire d’évaluer également la rugosité de la surface de la piste de course. Elle aura un impact versus l’aérodynamique.
Sur le plan de l’efficacité, les ailes d’un avion et les ailerons d’une voiture de F-1 atteignent presque les mêmes buts. En fait, les voitures de courses possèdent des ailerons s’approchant d’une aile d’avion, mais travaillant dans le sens inverse. Les ailes d’un avion, surtout lorsque les volets sont déployés, ont une forte cambrure. C’est ce qui permet de neutraliser le poids des aéronefs lors de l’atterrissage. L’écoulement d’air étant plus rapide sur le dessus de l’aile, il engendre ainsi une dépression de l’aile en la tirant vers le haut. C’est différent pour la Formule 1. L’aileron possède aussi une grande cambrure et agit au contraire vers le bas. L’écoulement de l’air est plus rapide sous le dessous du profil. Dans cette action, la pression baisse, de sorte qu’il se produit un phénomène de déportance qui plaque le véhicule vers le sol.
La portance
Les chercheurs et les scientifiques utilisent une formule savante pour définir la portance voulue, soit (Fz = 0.5 x ρ x S x Cz x V²). Donc, la portance (Fz) varie avec la masse volumique de l’air (ρ), la surface de l’aile (S), le coefficient de portance (CZ) défini par le profil des ailes et le carré de la vitesse (V) de l’écoulement de l’air autour d’un aéronef. Autrement dit, c’est une force perpendiculaire au profil d’une aile d’avion, dirigée vers le haut. Elle aide donc à élever un objet ou un avion vers le haut et l’aide à se maintenir dans les airs. En Formule 1, les voitures de courses utilisent les mêmes principes de vol que dans le domaine de l’aviation, mais comme les ailerons d’un bolide de course sont comme une aile d’avion inversée, ils produisent une poussée vers le sol.
En aviation, la portance s’oppose au poids de l’appareil et assure la sustentation. Mais, contrairement à l’avion, en Formule 1, le but étant de rester au sol, les ingénieurs cherchent à limiter au maximum la portance. Alors, la géométrie des appendices aérodynamiques est étudiée en vue de contrôler complètement le phénomène. Pour les voitures de F-1, la portance sert aussi à limiter l’usure des pneus. La déportance est également importante pour contrôler la vitesse en général ou la vitesse en courbe. Ça revient donc aux ingénieurs de devoir faire les ajustements en ce sens. Les ailerons de formule 1 sont ajustables selon les situations en compétition.
La traînée
Pour le calcul scientifique, le coefficient de la force de la traînée est basé comme (CX) pour la vitesse du fluide, de sa densité et de la surface de référence. Au plan scientifique, la traînée représente une force qu’exerce un fluide sur un objet, tel le serait un aéronef ou une monoplace de F-1 quand le fluide ou l’objet est en mouvement l’un par rapport à l’autre. La résistance de la traînée est parallèle à la trajectoire du fluide et elle est emmenée dans le sens du fluide. La traînée s’oppose alors à l’avancement de l’objet et de ce qui est en mouvement dans un fluide. En aviation, la force de la traînée s’exerce dans la direction opposée à la vitesse de l’avion. Elle s’oppose donc au mouvement de l’avion. C’est la résistance à l’avancement de l’aéronef.
Lors d’un déplacement de l’air, la force parallèle au sol contraint la progression de l’objet dans l’air. Dans cette action, ces forces permettent un frottement, que ce soit sur un avion ou une voiture de Formule-1. Dans le domaine de la course automobile, plus la traînée est limitée, plus la voiture monoplace pourra atteindre une vitesse élevée pour une puissance donnée. Malheureusement, la traînée est une source de pertes de performances aérodynamiques pour un aéronef ou pour un bolide de course. Mais, depuis toujours, les ingénieurs cherchent à limiter au maximum cette force qu’il est impossible d’éliminer totalement.
Dans un prochain numéro de votre magazine Aviation, vous pourrez lire la suite de ce reportage qui relie l’aviation aux voitures de courses de Formule 1. Nous verrons davantage les ailerons, les déflecteurs et les tests en soufflerie.
Pour leur générosité, le magazine Aviation tient à remercier M. Giorgo Toso, inspecteur technique reconnu par la FIA du Grand Prix du Canada de 1981 à 2014 et son équipe.
Pour leur aide à ce reportage, un grand merci est également adressé à Mme Nathalie Coutu, conseillère en communication, direction des communications, des affaires publiques et des relations gouvernementales, et aux professeurs Stéphanie Arpin et Pierre Ménard de l’École nationale d’aérotechnique du cégep Édouard-Montpetit de Longueuil.
