Principalement les options 2 et 1 de votre liste.

Ce que personne n'a mentionné jusqu'à présent, mais qui est assez important ici, c'est que l'angle d'attaque dépend de la vitesse ¹ et poids . Bien que la «vitesse» ne varie pas beaucoup pour la plupart des avions de ligne, la différence entre les avions de ligne vides et complètement chargés est plutôt grande.

Maintenant, si le fuselage était incliné vers le bas, cela générerait une portance dirigée vers le bas et une traînée associée le résultat net de simplement beaucoup de traînée supplémentaire. Ainsi, l'aéronef est conçu pour ne pas voler (en croisière en palier) piqué même lorsqu'il est léger. Mais cela signifie que lorsqu'il est complètement chargé, il vole légèrement vers le haut, car il a besoin de plus de portance et d'un angle d'attaque plus élevé pour l'obtenir.

¹ _{Cela dépend sur la "vitesse indiquée", qui n'est pas du tout la vitesse, mais plutôt la pression dynamique exprimée comme la vitesse à laquelle elle se produirait en se déplaçant dans l'air à la pression standard au niveau de la mer (1013,25 hPa). La pression à haute altitude où les avions de ligne volent normalement est nettement inférieure, de sorte que la vitesse indiquée ne dépasse généralement pas 250 nœuds lorsque la vitesse réelle est bien supérieure à 400 nœuds.}

En fin de compte, la réponse à votre question est le numéro (1) de vos options ci-dessus - C'est comme ça que l'aérodynamique fonctionne .

Pour générer une certaine portance, il faut que l'aile ait un angle d'attaque spécifique à une vitesse donnée. Comme les ailes sont plus ou moins fixées en permanence au fuselage, le réglage de l'angle d'attaque nous oblige à incliner tout l'avion, en modifiant l'angle du pont.

Il y a une très belle page Web illustrant cela avec des détails (très exagérés), donc je ne reproduirai pas l'explication complète des dessins d'& ici.

Quant à pourquoi l'aérodynamique fonctionne de cette façon - cela a probablement quelque chose à voir avec les chiffres (3) et (4) - le confort des passagers et la facilité d'exécution des manœuvres (comme les atterrissages).

La plupart des avions de ligne sur lesquels je suis allé ont un léger angle de pont à cabrer (peut-être 2 degrés) en croisière, ce qui n'est pas vraiment "perceptible" pour la plupart des gens à moins que vous n'ayez un niveau à bulle ou regarder très attentivement votre boisson, mais l'angle exact de montée, de croisière et de descente varie en fonction de l'avion et de la façon dont il a été chargé (vous pouvez à peu près descendre avec n'importe quel angle de pont que vous voulez).
La plupart des gens le feraient s'opposent probablement à voler avec un angle de pont de 10 ou 15 degrés (que ce soit à cabrer ou à piquer), de sorte que pour le confort des passagers, les ailes sont fixées au fuselage d'une manière aérodynamiquement favorable (ne pas essayer de faire glisser la grosse face inférieure de l'avion dans le ciel) et confortable pour les passagers.

À l'inverse, la plupart des avions GA dans lesquels je suis allé semblent naviguer avec un angle de pont plat ou légèrement piqué, bien que cela pourrait tout aussi bien être une illusion d'optique d'avoir la grande fenêtre devant où vous pouvez la voir. (J'évalue l'angle du plateau en fonction de l'inclinaison de la boussole humide car je ne sers généralement pas de boissons.)

Vous avez besoin d'une légère assiette cabré pour voler: vous avez besoin d'un certain angle d'attaque afin de produire la portance nécessaire pour rester en l'air.

Comme vous l'avez imaginé, les ailes sont généralement inclinées avec par rapport au fuselage afin qu'en croisière les ailes aient l'AoA requise tandis que le fuselage sera horizontal pour minimiser la traînée (et donc la consommation de carburant).

Le confort des passagers est beaucoup moins important que cela (et les passagers peuvent toujours pencher leurs sièges).

Mon hypothèse pour votre observation est que le "pitch-up" que vous observez est soit une illusion visuelle / sensorielle en raison du manque de point de référence externe (non, les nuages ne sont pas une référence valide et le sol est trop éloigné) ou vous avez volé dans des avions où le sol n'est pas parallèle au plan xy de l'avion Personnellement, je pencherais vers la première hypothèse, comme ayant un plancher non horizontal en vol crée toutes sortes de nuisances pour le service de cabine (encore une fois, quelque chose que vous voulez éviter).

Vous avez en fait une assez bonne hypothèse ici!

Pour commencer, c'est vraiment "une simple question d'ingénierie pour attacher les ailes au corps à un angle tel que le bon angle d'attaque pour la croisière vol correspondait au corps horizontal ", mais vous avez légèrement manqué les objectifs de conception. Cet angle est appelé l'angle d'incidence, ou l'angle de gréement de l'aile et est la différence entre l'angle du fuselage et l'angle de l'aile. Il s'agit d'un angle très spécifique qui est calculé dans le cadre de la conception de l'avion.

L'incidence de l'aile doit répondre aux exigences de conception suivantes:

1. L'aile doit pouvoir générer le coefficient de portance souhaité pendant le vol de croisière.
2. L'aile doit produire une traînée minimale pendant le vol de croisière.
3. L'angle de réglage de l'aile doit être tel que l'angle d'attaque de l'aile puisse être modifié en toute sécurité (en fait augmenté) pendant l'opération de décollage.
4. L'angle de réglage des ailes doit être tel que le fuselage génère une traînée minimale pendant le vol de croisière (c'est-à-dire que l'angle d'attaque du fuselage doit être nul en croisière).

Ces exigences de conception correspondent naturellement à l'angle d'attaque de la voilure correspondant au coefficient de portance idéal de la voilure (voir figure 5.26).

Le nombre typique d'incidence de l'aile pour la majorité des avions est entre 0 et 4 degrés. En règle générale, l'angle de réglage des ailes chez les chasseurs supersoniques est compris entre 0 et 1 degré; dans les avions GA, entre 2 et 4 degrés; et dans les avions de transport à réaction se situe entre 3 et 5 degrés.

Notez que l'angle d'incidence approprié aura l'aile à son plus efficace pendant la croisière tandis que le fuselage génère également la quantité minimale de traînée . Les deux sont calculés indépendamment et l'angle d'incidence est réglé de manière à ce que les deux conditions soient satisfaites en même temps.

Les décisions relatives à la conception des avions sont généralement un compromis entre des objectifs différents et souvent contradictoires. Il poursuit en disant qu'il peut être ajusté à partir de l'optimum dans certains cas:

L'angle de réglage de l'aile peut être modifié à mesure que le processus de conception progresse. Par exemple, un fuselage avec un grand non-balayage sur la partie arrière pour accepter les portes de chargement arrière peut avoir sa traînée minimale à un petit angle d'attaque positif. Dans de tels cas, l'incidence des ailes sera réduite en conséquence. Une autre considération, moins fondamentale, est que l'arrêt des performances pendant l'opération d'atterrissage pour obtenir le plus de poids possible sur les roues freinées. Ainsi, il y a un avantage à réduire légèrement l'incidence des ailes dans la mesure où le changement ne se fait pas sentir de manière significative dans la cabine. Réduire la longueur du train avant fera la même chose. Cette technique est limitée dans les avions de passagers car un plancher de cabine de niveau est souhaitable au sol. Mais, pour les avions de combat, le plancher de niveau n'est pas une considération de conception.

Une autre raison possible d'ajuster l'angle d'incidence à un nombre non optimal est de s'assurer que lors de l'atterrissage de l'avion, le le nez n'est pas incliné, afin d'éviter une plus grande probabilité de heurter la roue avant en premier à l'atterrissage.

La plupart des éléments de cette réponse proviennent de ce document rédigé par Mohammad Sadraey au Daniel Webster College

Je pense que la réponse peut être l'option 5:

5. L'avion change pendant le vol.

Au début d'un vol, un avion est chargé de carburant. Cela augmente le poids de l'aéronef et nécessite donc une augmentation de l'AoA pour maintenir le vol en palier. Au fur et à mesure que l'avion brûle du carburant, la masse de l'avion diminue et par conséquent l'AoA doit également diminuer.

Selon le type d'avion et la durée du vol, le poids du carburant peut être très important . Par exemple, un Boeing 777-200 a une capacité maximale de carburant de 117 340 litres. Cette quantité de carburant pèse environ. 95 000 kg. La masse maximale au décollage pour ce type d'avion est légèrement supérieure à 247 000 kg. Cela signifie qu'un 777 plein de carburant et avec un poids maximum au décollage perdra un peu moins de 40% de sa masse pendant le vol.

Le confort des passagers est une considération importante! Il est tout simplement plus confortable pour les passagers d'être inclinés d'un ou deux degrés que de s'asseoir exactement de niveau.

J'ai sauté d'un 777 sur un petit a / c (si je me souviens bien, un baron de quelque sorte) pour sauter en île et le fuselage était à peu près de niveau. Il se sentait certainement moins à l'aise et en quelque sorte, même comme s'il se battait pour ne pas descendre. Je préférerais être un peu incliné.

Je crois que certains avions piquent légèrement.

[EDIT]

CAVEAT. Je ne suis pas un expert en physiologie ou en conception d'aéronefs.

Le confort est un facteur important et la question n'est pas "les avions de ligne volent-ils" mais "pourquoi?" Ce qu'ils font est un fait. Je soupçonne qu'il existe de nombreux facteurs, par exemple le fuselage lui-même, lorsqu'il est cabré, générera une certaine portance, mais demandez à tout pilote expérimenté de s'asseoir sur un siège dos à la route, ou de marcher vers l'avant lors d'une descente qui se traduit par un tangage plat ou une assiette en piqué. On se sent moins à l'aise qu'en cabré.

Si l'avion est de niveau et que vous êtes de niveau, vous rencontrez + 1g verticalement et 0g horizontalement. Si vous inclinez le siège, vous obtenez toujours +1 et 0. Si l'avion est cabré, vous rencontrez une petite composante -ve g à l'horizontale. Quel effet cela a psychologiquement, je ne sais pas, mais cela fait une différence. J'ai entendu, de façon anecdotique, que tourné vers l'arrière, par ex. dans un siège en classe biz de British Airways est moins confortable que dans un siège orienté vers l'avant pour exactement cette raison.