Un avion en montée a besoin de moins de portance aérodynamique qu'en vol horizontal, pas plus.

Maintenant, j'ai votre attention, j'espère. La raison est assez simple:

La portance est égale au poids, et juste parce que le pilote choisit un angle de trajectoire de vol différent, le poids de l'avion ne change pas. Le total de toutes les forces de levage doit toujours équilibrer le poids, mais en montée, vous obtenez une petite contribution de levage du (des) moteur (s) car sa (leur) poussée pointera vers le haut tout comme le reste de la cellule.

Ne laissez pas les nombreuses flèches et lettres grecques vous confondre. Pour être en équilibre, la portance (L, bleu foncé), la traînée (D, rouge), la poussée (T, vert) et le poids (m⋅g, noir) doivent s'additionner de manière à pouvoir être combinés en une série fermée de vecteurs . J'ai fait cela avec les vecteurs de couleur plus claire autour du poids. Puisque la trajectoire de vol pointe vers le haut, il en va de même pour la poussée qui a maintenant une petite composante verticale. Le vecteur de portance peut être un peu plus court maintenant.

Considérez le cas extrême de la montée verticale: désormais, toute la poussée supporte le poids, et la portance aérodynamique n'est plus nécessaire.

Il y a un Deuxièmement, effet beaucoup plus subtil: lorsque vous montez, l'air devient plus mince et les performances du moteur diminuent proportionnellement. À la même vitesse air indiquée, l'avion diminuera continuellement sa vitesse de montée, et cette décélération libère une minuscule force d'inertie, qui ajoute à nouveau à la portance et contrebalance le poids.

Inversement, au début d'une montée phase dont l'avion a besoin pour créer momentanément plus de portance pour s'accélérer vers le haut. Seulement alors, lorsque la vitesse de montée augmente, la portance doit être plus grande que le poids pour surmonter l'effet d'inertie qui à ce moment agit vers le bas. Pour les supernerds: si vous intégrez le déficit de portance dans le temps de l'effet susmentionné et la portance supplémentaire au fil du temps pour l'accélération de la montée, les deux s'annulent exactement.

Pour répondre directement à votre question: Pour grimper, vous devez augmenter l'excès d'énergie, pas la vitesse. Cela se fait normalement en augmentant la puissance du moteur ou en réglant l'avion à une vitesse inférieure où la traînée est moindre, de sorte qu'il reste plus de puissance pour monter. Cette question contient plus de détails sur la manière de faire monter un avion. Notez en particulier l'analogie avec le godet de @ SteveV.

Si vous utilisez l'énergie cinétique de l'avion comme source de poussée, le même mécanisme peut être appliqué aux montées instationnaires, où la vitesse est échangée contre l'altitude, comme dans les planeurs .

L'attitude à cabrer est simplement le résultat d'une trajectoire de vol différente. Étant donné que la portance aérodynamique requise sera presque la même, l'angle d'attaque sera également presque le même et tout l'avion devra voler à cabrer. Ceci est similaire à une voiture qui a la même attitude vis-à-vis de la route, mais lorsque vous conduisez en montée, la voiture et la route seront inclinées vers le haut.

Cette analogie se décompose lorsque vous changez de vitesse - voler à une vitesse inférieure a besoin de plus d'angle d'attaque pour créer toujours la même portance, et ce changement de cabré sera ajouté à votre angle d'attitude.

Tenez compte du débit d'air relatif. Lorsqu'un avion ne monte pas, le flux d'air relatif est horizontal, et donc l'angle auquel l'air rencontre les ailes, c'est-à-dire l'angle d'attaque, est mesuré à partir de l'horizon (cas A sur le diagramme). Cependant, lorsqu'un avion monte, le vent relatif est incliné vers le bas par la composante ascendante de la vitesse de l'avion. Si l'avion n'inclinait pas le cabré, l'angle d'attaque se rapprocherait de zéro à mesure que le taux de montée augmentait, ce qui réduirait la portance et l'efficacité (cas B), de sorte que l'avion aérien doit incliner le nez pour maintenir l'angle d'attaque une gamme efficace (cas C). !

Bien que la réponse de @Peter Kämpf soit tout à fait vraie et solide, je pense qu'elle rate un point et ne répond pas vraiment à la question principale du PO.

Est-il juste que fondamentalement un avion a besoin d'accélérer pour monter?

Oui, c'est fondamentalement vrai. Une vitesse horizontale plus élevée produit plus de portance et fera grimper l'avion. https: //www.grc.nasa.gov/www/k-12/WindTunnel/Activities/lift_formula.html

Mais ce n'est pas la seule façon de faire grimper un avion. L'augmentation du tangage (tout en donnant plus de poussée) est l'autre et a été expliqué par Peter.

Qu'est-ce qui est le plus efficace? Un avion est conçu pour une efficacité optimale à la vitesse de croisière et au vol en palier. Vous voudrez peut-être garder votre vitesse dans une plage étroite autour de cet optimum. L'augmentation de la vitesse augmentera également la traînée (au carré de v) voir https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/drageq.html La traînée est ce que vous voulez absolument à minimiser car c'est de l'énergie qui est complètement perdue (transformée en chaleur).

C'est pourquoi augmenter le pitch / AoA, tout en maintenant la vitesse constante est la meilleure façon de faire. De cette façon, la traînée reste à peu près la même. Bien sûr, vous devez toujours fournir plus de poussée (donc d'énergie), car maintenant une partie de votre poussée est dirigée vers le bas (et une partie de votre portance vers l'arrière), mais vous convertissez cette énergie plus directement en altitude, éliminant ainsi la perte de traînée.

Donc pour répondre à votre question, oui, il est possible de monter dans une assiette horizontale stricte en augmentant la vitesse, mais il est plus économe en énergie de monter en augmentant le tangage. (Poussée augmentée dans les deux sens)

Vous pouvez répondre à cette question de manière empirique.

Coupez votre avion pour un vol rectiligne et en palier et réglez la puissance sur Vy. Regardez l'IA ou l'horizon visuel et notez l'attitude du terrain.

Maintenant, réglez la puissance sur son réglage de montée Vy et configurez l'avion (boule, volets de capot, mélange, hélice, etc.) pour la configuration de montée, mais ne pas redimensionner la gouverne de profondeur . Ajustez les ailerons pour maintenir le vol droit.

L'avion se cabrera de lui-même à son assiette de montée Vy.

Je pense que vous devez considérer le type d'avion ici! Si je suis un nouveau pilote de F-22 avec un rapport poussée / poids désagréable essayant d'intercepter des méchants et que j'ai besoin d'atteindre rapidement de l'altitude, vous pouvez parier que je vais lever le nez et partir comme une fusée.

Mais en réalité, tout est question de vecteurs de vitesse. Si vous voulez monter, alors voyagez! Les moteurs se propulsent en direction du nez. (Sauf si vous êtes ce pilote F-22 hotshot d'avant). Considérez également que les avions ont des limites de vitesse à certaines altitudes, et considérez également que le vieux Bernoulli n'est pas la seule raison pour laquelle les avions volent, M. Newton a également quelque chose à dire à ce sujet.

Parce que la majeure partie de la portance provient de l'angle d'attaque (AoA) des ailes. Un AoA plus élevé signifie plus de portance (jusqu'à un certain point).

De plus, la plupart des avions se cabreront lorsqu'ils augmenteront leur vitesse en raison de la conception.

En règle générale et sans une longue explication technique sur comment et pourquoi, voici une réponse simple que mon fils de 8 ans pourrait saisir. En vol rectiligne et en palier, si vous réduisez la puissance sans modifier l'attitude de l'avion, l'avion descendra, inversement si vous augmentez la puissance de l'avion, il montera. Maintenant, le même avion sans modifier ses paramètres de puissance si vous modifiez son attitude en soulevant le nez, il ralentira donc avec les mêmes paramètres de puissance en abaissant le nez, l'avion augmentera sa vitesse. Donc, votre règle de base est «la puissance égale la hauteur» et «l'attitude égale la vitesse». Allez prendre une leçon de pilotage et essayez-la, et vous verrez ce que je veux dire.

Normalement, dans un avion, vous modifiez votre altitude en utilisant la puissance. Si vous augmentez la puissance, votre altitude augmente. Si vous réduisez la puissance, l'avion descend. Dans les deux cas, l'aéronef est normalement à un angle de tangage proche du niveau.

La raison de ce comportement est que l'aile est en permanence inclinée vers le haut d'une certaine quantité, appelée "angle de corde" ou "angle d'incidence". L'angle est choisi de manière à ce qu'en conditions normales, à puissance moyenne, l'avion reste à la même altitude. Si les ailes étaient plates, l'avion aurait tendance à descendre constamment.

La principale exception à ce qui précède est lorsque vous décollez et que vous souhaitez gagner rapidement de l'altitude pour des raisons de sécurité. Dans ce cas, le manche ou le joug est tiré vers l'arrière et l'avion s'incline vers le haut et monte rapidement. Ce qui en est la cause est la profondeur (ou stabilisateur horizontal) qui se trouve sur la queue de l'avion:

La profondeur permet au pilote de changer le pas des ailes . Plus la surface de l'aile est exposée à l'air, plus la force ascendante est élevée. Vous pouvez le démontrer vous-même en tenant votre main à l'extérieur de la fenêtre d'une voiture en mouvement rapide. Si vous tenez votre main au niveau puis inclinez le bord d'attaque vers le haut, votre main sera forcée vers le haut par le vent et vice versa. Si vous inclinez le bord d'attaque de votre main vers le bas, votre main sera forcée vers le bas par le vent. La même chose arrive à un avion.

Le pilote choisit une trajectoire de vol différente. Cette nouvelle trajectoire de vol augmente en altitude et par là change l'énergie potentielle. masse * gravité * 9,81 * delta Hauteur. Nous devons voler plus lentement avec une traînée plus faible et utiliser l'énergie supplémentaire pour grimper ou nous devons augmenter la puissance de l'hélice pour surmonter le changement d'énergie potentielle. Lorsque l'altitude change, nous devons également augmenter la vitesse en raison de la densité de l'air plus faible. La densité de l'air plus faible affecte la portance et la confiance que l'hélice peut offrir pour un RPM généreux

Nous pouvons calculer la confiance en examinant les vecteurs de force Portée et Poids. Lorsque l'avion change de cap, le vecteur de portance et le vecteur de poids qui étaient dans la direction opposée sont dans une trajectoire de montée travaillant sous un petit ange, le taux de montée. Pour contrer le poids, nous devons augmenter l'ascenseur de l'ascenseur r1 à l'ascenseur r2. Mais le résultat est aussi une traînée vectorielle r1. Ce vecteur de traînée est ajouté à la traînée en vol de niveau. En conclusion, nous pouvons dire que nous devons augmenter la confiance pour surmonter la traînée supplémentaire et nous devons augmenter la portance pour contrer le poids.

une plus grande portance entraîne un gain d'altitude

Voici où vous vous êtes égaré pour la première fois. La portance est en fait inférieure au poids dans une montée linéaire soutenue. L'élément fondamental qui rend possible une montée soutenue en régime permanent est que le vecteur de poussée pointe vers le haut plutôt qu'horizontalement , ce qui n'est vrai que lorsque poussée est supérieur à Glisser . Nous reviendrons sur ce point plus loin dans cette réponse.

Mais pourquoi les avions montent-ils en "pointant le nez vers le haut" ?

Que nous choisissions de 1) grimper à un angle d'attaque élevé (mais constant) et à une vitesse plus faible, ou à 2) accélérer à une vitesse plus élevée et monter à une vitesse faible (mais constante), l'avion sera quelque peu piqué dans la montée car la trajectoire de vol est dirigée vers le haut et l ' assiette du fuselage est la somme de l ' angle de montée de la trajectoire de vol plus l' angle d'attaque de l'aile moins le angle-of-incidence (c'est-à-dire "l'angle de gréement" de l'aile par rapport au fuselage).

Une troisième façon de monter serait de garder la même assiette en tangage que l'avion avait en vol en palier (altitude constante), mais cela contraindre l'angle d'attaque à rester très bas - plus le taux de montée est élevé et plus la trajectoire de montée est raide, plus l'angle d'attaque serait bas. Ce n'est pas le genre de boucle de rétroaction qui conduit à un taux de montée élevé!

Pour comprendre pourquoi, dans la situation artificielle où l'assiette de l'aéronef est contrainte d'être fixe, l'angle de la trajectoire de montée affecte l'angle d'attaque de l'aile, il faut comprendre que le flux d'air ou " le vent relatif "ressenti par un aéronef en vol est exactement dans la direction opposée à la trajectoire de l'avion dans la masse d'air - qui dans ce cas est la trajectoire de la montée. (Pour simplifier, nous supposons qu'il n'y a pas de vent ou de courant ascendant / descendant - ces choses peuvent changer l'angle de montée obtenu par rapport au sol sans changer le "vent relatif" ressenti par l'avion, mais ce n'est pas vraiment le sujet de cette question.) Comprendre que le vent relatif "ressenti" par un avion est toujours exactement opposé à la trajectoire de vol de l'avion à travers la masse d'air, est l'une des choses les plus importantes pour comprendre comment un avion vole.

Par conséquent, même dans un avion avec un angle d'incidence inhabituellement élevé comme le B-52, l'avion sera en piqué dans une montée raide.

En théorie, même un avion avec un angle d'incidence nul pourrait générer une portance avec le fuselage exactement horizontal. Si la trajectoire de vol montait légèrement, alors l'aile volerait à un angle d'attaque légèrement négatif, mais un profil aérodynamique cambré peut toujours créer de la portance dans une telle situation. Mais l'avion générerait un rapport de portance / traînée beaucoup plus élevé si l'aile était à un angle d'attaque plus élevé. Même si la portance est inférieure au poids dans une montée, un rapport élevé de portance / traînée est toujours corrélé à un angle de montée raide. Consultez cette réponse ASE associée pour savoir pourquoi: Lève-t-il le même poids en montée?

Les rapports L / D les plus élevés sont générés à des angles d'attaque relativement élevés. C'est donc à ce moment que nous verrons la montée la plus raide angle . La montée la plus élevée rate a un angle d'attaque un peu plus faible, mais le nez de l'avion sera toujours bien au-dessus de l'horizon, du simple fait que le assiette en tangage du fuselage est la somme de l ' angle de montée de la trajectoire de vol plus le angle d'attaque de l'aile moins l 'angle- de-incidence de l'aile par rapport au fuselage.

Est-il juste qu'un avion ait simplement besoin d'accélérer pour monter?

Non, pour une montée linéaire en régime permanent à une vitesse constante, l'avion doit également créer plus de poussée que de traînée, et il doit également pointer le vecteur de poussée vers le haut .

À ce stade, nous devons revoir le paragraphe commençant par "Une troisième façon de monter serait de garder la même assiette en tangage que l'avion avait en niveau (vol à altitude constante) ". Il y a en fait un autre problème ici, outre le fait que nous forcerions l'aile à voler à un très faible angle d'attaque, où le rapport L / D est médiocre. L'autre problème est que le vecteur de poussée reste horizontal, et donc une montée en régime permanent est possible.

(Naturellement, nous pouvons zoomer ou même boucler un planeur sans aucune poussée. boucle ou zoom escalade l'exigence d'un polygone vectoriel proche de Portée, Poids, Traînée et Poussée (le cas échéant) disparaît, donc les contraintes sont complètement différentes de celles d'une montée en régime permanent.)

Prenons le cas d'un avion comme le B-52. L'aile est montée à un angle d'incidence élevé par rapport au fuselage pour s'adapter à la conception du train d'atterrissage «vélo» en permettant un décollage sans rotation, et pour réduire la traînée en vol de croisière à longue distance. Même avec le niveau du fuselage par rapport au flux d'air, l'aile est à un angle d'attaque efficace, avec un rapport L / D élevé. Si l'aéronef crée plus de portance que son poids, cela signifie-t-il qu'il est établi dans une montée en régime permanent? Non, cela signifie que la trajectoire de vol va se courber ou se plier vers le haut, provoquant un tangage de l'avion vers le haut, ce qui donne au vecteur de poussée une composante ascendante . À ce stade, la portance diminuera légèrement à une valeur qui est plus petite que le poids lorsque l'avion s'installe dans une montée en régime permanent avec une poussée supérieure à la traînée, le nez pointant au-dessus. horizon, et le vecteur de poussée pointant vers le haut et aidant à supporter une partie du poids de l'avion.

Notez que lorsque nous changeons l'angle d'attaque de l'aile et modifiez le rapport entre le coefficient de portance et le coefficient de traînée, pour des angles de montée ou de descente peu profonds à modérés, la vitesse anémométrique répond finalement de telle sorte que la portance reste en fait presque constante, tandis que la traînée varie considérablement. La raison pour laquelle nous choisissons un angle d'attaque optimal pour l'escalade n'est pas vraiment de maximiser la portance, mais plutôt de minimiser la traînée et ainsi maximiser le rapport poussée / traînée. Mais que nous ayons choisi un angle d'attaque qui donne un rapport L / D élevé ou un faible rapport L / D, si le vecteur de poussée pointe horizontalement plutôt que vers le haut, alors nous ne sommes pas ' t escalade - du moins pas plus d'un bref instant. (Plus à ce sujet plus tard!)

Encore une fois, pour en savoir plus sur la relation entre la poussée, la traînée, la portance et le poids dans une montée, voir la réponse ASE correspondante Est-ce que soulever le même poids dans une montée?

Une note de clôture - une situation exotique qui n'est pas caractéristique du vol libre normal (ce qui signifie que l'avion n'est pas relié par une remorque à un autre véhicule qui fournit la force de poussée) a été abordée dans cette question et réponse ASE. La situation implique une aile glissant de haut en bas sur un poteau attaché à un chariot. Dans ce cas, même si le vecteur de poussée peut être interprété comme horizontal, l'aile peut en effet remonter lentement le pôle tout en conservant une assiette de tangage de niveau constant, mais son angle d'attaque par rapport au flux d'air sera diminué au fur et à mesure de sa montée. le taux augmente, provoquant un effet auto-limitatif sur le taux de montée, comme indiqué dans la présente réponse.

Et maintenant une note de clôture à la note de clôture - plus tôt, nous avons déclaré " si le vecteur de poussée pointe horizontalement plutôt que vers le haut, alors nous ne montons pas . " Nous avons également noté qu'un planeur peut être bouclé sans aucune poussée. Un avion motorisé peut également être "zoomé" même si la poussée est inférieure à la traînée, mais la vitesse diminuera. Notez que pendant la "montée en zoom", la ligne de poussée pointe toujours vers le haut.

Pouvons-nous proposer un cas vraiment artificiel où nous "zoomons en escalade" sans faire du tout? Oui, nous pouvons - mais la montée sera très brève. Par exemple, disons que nous sortons d'une boucle. Disons que nous "tirons" des 4G - le vecteur de portance est quatre fois le poids de l'avion. Juste avant d'atteindre une assiette horizontale, la vitesse est généralement décroissante, ce qui signifie que la traînée est supérieure à la poussée. Alors que nous continuons à tirer, il y aura un instant dans le temps où l'assiette de tangage est exactement horizontale, mais la portance est toujours beaucoup plus grande que le poids. À cet instant, si nous relâchons la contre-pression et avançons le manche au besoin pour geler exactement l'assiette en tangage de l'avion , la trajectoire de vol restera continuer à se courber vers le haut pendant un très bref intervalle de temps , jusqu'à ce que la courbe ascendante de la trajectoire de vol diminue l'angle d'attaque de l'aile au point où le vecteur de portance est égal au vecteur de poids , ou plus précisément, le point où le vecteur de portance est égal à la composante du vecteur de poids qui agit perpendiculairement à la trajectoire de vol. A cet instant, l'accélération centripète est nulle. L'accélération linéaire ne peut pas être nulle - alors que nous continuons à maintenir constante l'assiette du fuselage, la vitesse anémométrique diminuera, puis la trajectoire de vol se courbera à nouveau vers le bas jusqu'à ce qu'elle soit exactement horizontale. Lorsque le vecteur de poussée est exactement horizontal, le vol en régime permanent n'est possible que dans le sens horizontal, et non vers le haut ou vers le bas. Du point de vue du pilote, qu'est-ce qui est arrivé, c'est que nous avons atteint une assiette de tangage de niveau et ensuite nous avons plutôt rapidement «déchargé» l'aile à un état proche de 1-G et sommes passés à un vol approximativement horizontal. Le fait que l'avion ait monté très brièvement avec le fuselage exactement au niveau serait probablement impossible à détecter sans instrumentation spéciale. Mais oui, techniquement, il est possible d'obtenir un très bref intervalle de vol en montée avec le vecteur de poussée restant exactement horizontal , et en fait quelque chose de proche se produit presque à chaque fois nous passons d'une plongée à une assiette horizontale, à moins que nous ne parvenions d'une manière ou d'une autre à contrôler l'accélérateur de manière à ce que la vitesse reste exactement constante pendant la dernière partie du retrait.

Il devrait être clair maintenant pour le lecteur que ce très bref intervalle de vol en montée avec une assiette horizontale fixe, n'est pas la dynamique que nous voyons lors d'une montée en régime permanent.

Ces réponses sont si riches en connaissances et en théorie de l'Aviation Stack Exchange qu'elles valent la peine d'être revisitées, plus pour les pilotes GA à hélice. Premièrement:

Pourquoi les avions lèvent-ils le nez pour monter?

Nous constatons que ce n'est pas toujours vrai.

La portance qu'un avion produit dépend de la vitesse et de l'angle d'attaque. Pour un aéronef stable à l'électricité statique, qu'il soit planeur ou sous tension, le compensateur de profondeur contrôle la vitesse anémométrique . L'ajout de poussée accélère initialement l'avion, mais le même mécanisme de régulation de vitesse incline le nez jusqu'à ce que la vitesse de compensation soit rétablie , tout en maintenant l'AOA.

Les avions qui ne sont pas statiquement stables accéléreront avec une poussée supplémentaire, et ne «lèveront pas leur nez» à moins d'être commandés par l'ascenseur.

La portance est moindre que le poids dans une montée?

Mieux vaut continuer à utiliser cette aile. Dans une montée de 45 degrés, 70% du vecteur Lift est toujours vertical. Les 30% restants doivent être constitués par le vecteur de poussée vertical. Le vecteur de force de portance de l'aile est 4x plus grand que le vecteur de poussée et ne change pas en amplitude si la vitesse est maintenue .

Le vecteur vertical de poussée compense-t-il la perte de portance verticale de l'aile?

Pas à des angles de montée inférieurs. Ce qui change, c'est la quantité de contre-pression requise sur le joug pour maintenir l'AOA pendant l'accélération vers le haut, en raison de la force supplémentaire vers le bas sur le stabilisateur horizontal. Ceci est transitoire jusqu'à ce que le tangage atteigne un point où la force nette vers le haut est égale à le poids et la traînée verticale et l'accélération vers le haut s'arrête.

Cependant, dans les avions plus performants , une augmentation excessive de la poussée peut augmenter la probabilité d'un "dépassement" de la hauteur, d'une boucle vraiment ratée et d'une puissance au décrochage.

Comme dans un virage incliné, l'accélération augmente la force latérale sur la queue. En tangage, l'accélération vers le haut ralentit à mesure que le tangage augmente car l'hélice n'est pas aussi efficace que l'aile en portance.

Donc, on rajoute de la poussée pour monter, il y a vraiment 2 choix, monter avec l'aile ou monter avec l'accessoire, ou un troisième ... grimper avec les deux . C'est Vy!

Les avions lèvent le nez dans une montée pour contrôler leur vitesse à pleine puissance , utilisant à la fois leur poussée et leur aile pour grimper à la traînée la plus faible et à la poussée la plus élevée possible.

Selon Wikipédia et ce que je me souviens de mes premiers jours d'entraînement en tant que pilote privé:

Relation entre l'angle d'attaque et la portance [modifier] Une courbe de coefficient de portance typique. d'un aéronef à voilure fixe varie avec l'angle d'attaque. L'augmentation de l'angle d'attaque est associée à l'augmentation du coefficient de portance jusqu'au coefficient de portance maximum, après quoi le coefficient de portance diminue.

À mesure que l'angle d'attaque augmente, la portance augmente également. Le dépassement de l'angle critique d'attaque illustre davantage ce point.