Pas beaucoup d'image sur cette page, mais il fallait bien donner quelques explications, désolé...

La manœuvrabilité des avions de cinquième génération et le cas du F35...

Tous les avions de cinquième génération devaient théoriquement afficher une manœuvrabilité, une agilité, très très grande, une super-manœuvrabilité quoi.

Le F35 n'a pas cette capacité (il ne peut pas non plus voler en supersonique sans post combustion, autre "obligation" de la cinquièmze génération).

Désormais, les "décideurs" dans ce domaine ont décidé (ils sont là pour ça...), que le qualificatif de cinquième génération pourrait s'appliquer sans la supermanœuvrabilité..... sans la supercroisière (vol supersonique sans postcombustion) non plus d'ailleurs.....

Le but étant de garantir au F35 sa place dans la cinquième génération..

Ça fait un peu pathétique, comme ça, mais ce qui est surtout criticable, c'est le concept même de génération basée sur des critères imposés.

Mais revenons en au sujet, la (super) manœuvrabilité; et voyons ce qu'il en est du F35 et surtout de l'intérêt de la chose.

Pour différentes raisons, mais les plus courantes sont la défense du F35 et la critique des russes et de leurs avions ultra-manœuvrants, certains passionnés d'aviation affirment que la manœuvrabilité ne sert désormais plus à rien parce que le combat aérien se déroule désormais à très grande distance et que cette évolution est irréversible.

Ils affirment en outre que plus aucun combat rapproché ne s'est produit depuis la guerre du Vietnam.

La dernière affirmation est fausse, mais certains sont aussi influencés par le fait qu'ils croient, ou tout au moins semblent croire, que le combat n'est rapproché que s'il s'effectue au canon, ce qui là aussi est faux. Ça se fait aussi, et même surtout avec des missiles à courte portée, genre Sidewinder ou Asraam.


Pour rappel, il y a eu des combats pouvant être classés comme rapprochés et nécessitant des manœuvres dans au moins ces cas ci:

 -Premier incident du Golfe de Syrte en 1981.
-Combats au dessus de Beyrouth, ainsi qu’au Malouines, en 82.
-Deuxième incident du Golfe de Syrte en 1989.
-Certains engagements durant la guerre du golf 1991.

Pour la nécessité d'une très grande manœuvrabilité:

La demande claire de super-manœuvrabilité pour la cinquième génération et la  poursuite de cette demande pour les générations futures  est un indice.

Ceux qui ont décidé ça ne l'on pas fait pour embellir les futures meetings aériens.

Parmi les justifications d'une manœuvrabilité importante, il y a:

-La possibilité d'évitement d'un missile, même venant de loin.
-La capacité de se placer rapidement dans une position de tir vis à vis d'un agresseur apparaissant brusquement d'une direction inattendue.
-Le fait qu'un tir lointain doit être considéré comme étant, en quelque sorte, un tir "lent", ou pour le dire autrement, plus la distance que le missile doit franchir est grande, plus le temps de vol est long, et plus l'avion ciblé à le temps de préparer ses contremesures, ou aller vers une position non prévue.

Dans l'évolution historique du combat aérien, il y a toujours eu une alternance de mesure et contremesure.
Dans cette optique, le tir lointain n'est pas assuré d'être toujours aussi efficace très longtemps.
Le tir de plus près restera toujours celui qui laisse le moins de temps de réaction donc de possibilité de contre-mesure.

Et si demain se développent les armes à énergie dirigée, c'est en manœuvrant que l'on tentera d'échapper non au rayon lui même, bien sûr, mais seulement au tir en rendant difficile la visée, le pointage.

Bref, la manœuvrabilité reste et restera une nécessité, et les demandes de performances dans ce domaine pour les futures générations d'avions ne cesseront pas.

Les projets américain d'avion de sixième génération dans le cadre de "la nouvelle dominance aérienne", n'oublient pas la manœuvrabilité, le projet du "SCAF", ou même, plus récemment, le "projet Superman" de l'ONERA n'oublie pas la manœuvrabilité(*), et ce n'est pas sans raison valable que les derniers avions russes intègrent la manœuvrabilité comme un élément très important, au point de voir le Su 57 littéralement sacrifier une bonne part de sa furtivité pour la manœuvrabilité (on en reparlera).

(*) Au sujet de cette recherche de manœuvrabilité dans le "projet Superman" de l'ONERA, cela va jusqu'à doter l'avion d'un dispositif inspiré du Su57, permettant le contrôle du flux sur les apex.


Bon, donc la manœeuvrabilité est nécessaire et le restera, celle du F35 n'est pas aussi grande qu'initialement prévue/espérée, mais avant de critiquer, voyons un peu comment on l'obtient et ensuite on aura peut-être une partie des arguments pour juger du niveau probable de certains avions, dont le F35, toujours dans le cadre de cette recherche de bases permettant un jugement un tant soit peu pertinent sur les performances réelles ou supposées des avions.

Comment obtenir une grande manœuvrabilité?

Ce serait une bonne idée de commencer (si ce n'est déjà fait) par lire les pages concernant la portance et aussi celles concernant l'hypermanœuvrabilité, ça aide vraiment à bien comprendre ce qui va suivre.

À part ça.....
Manœuvrer c'est changer de direction, donc c'est "tourner".
Que ce soit dans le plan horizontal, vertical, ou "un peu des deux", changer de direction correspond toujours à "tourner" au sens large du terme.

Tourner c'est accélérer dans la direction intérieure du virage, et inévitablement, cette accélération centripète produit une force de réaction  centrifuge.

C'est toujours vrai, quelque soit le plan (vertical ou horizontal) dans lequel cela se produit.

Pour produire cette accélération centripète ou résister à cette force de réaction centrifuge, il faut générer une force, sinon l'avion "dérape".

Cette force, surtout si elle est importante, ne peut pas être générée par autre chose que les ailes.

C'est pour cela que les avions s'inclinent pour prendre un virage; c'est une partie de la portance des ailes qui génère la force nécessaire pour "tenir" le virage.

Lorsque le virage est très fort, très "serré", l'accélération centripète (et donc la réaction centrifuge aussi)  est très grande (pour les avions de combat, l'accélération peut être de l'ordre de la dizaine de "g", voir parfois plus).

Il faut donc pouvoir générer, grâce à la portance produite par les ailes, une force capable, à la foi de sustenter l'avion (poids) et en même temps de contrer cette réaction centrifuge.

Lors d'un virage "simple", la force de poids est toujours dirigée vers le bas, et la réaction centrifuge toujours dirigée horizontalement en sens opposé à l'accélération centripète, bref vers l'extérieur du virage.

La résultante de ces forces est donc dirigée dans une direction située entre la verticale (pas de virage) et l'horizontale (cas théoriquement impossible correspondant à une accélération centripète infinie).

Quels liens entre l'inclinaison et la "force" du virage?

Pour répondre et en même temps donner un outil utile pour le futur, il faut raisonner comme suit:

Si l'avion ne vire pas, il n'a pas du tout besoin de s'incliner, donc son inclinaison est nulle.

L'angle d'inclinaison vaut 0, et la portance des ailes ne sert QUE à compenser le poids de l'avion, et donc toute la force aérodynamique est orienté vers le bas et son intensité est strictement égale au poids de l'avion.

La force de portance vaut donc ici le poids de l'avion (donc "mg") multiplié par 1.

Si l'avion était au contraire incliné au maximum (90°, cas strictement théorique parce que correspondant à une accélération centripète infinie), alors toute la force aérodynamique serait horizontale et il n'y aurait aucune force verticale.
Bref, la composante verticale de la force aérodynamique vaudrait 0.

Et qu'est-ce qui vaut 1 lorsque l'angle est nul (pas de virage), mais vaut 0 lorsque l'angle vaut 90°? Le cosinus.

On va donc logiquement trouver un lien entre virage et inclinaison qui s'exprimera avec un cosinus.

Lorsqu'un avion vire, la force aérodynamique générée par les ailes doit compenser à la fois le poids de l'avion (ce sera la composante strictement verticale), et elle doit aussi compenser la force de réaction centrifuge (réaction à l'accélération centripète), et là, ce sera la composante horizontale.

Conclusion: La composante verticale de la force aérodynamique est donc le produit de la force aérodynamique totale (ici: "L") multipliée par le cosinus de l'angle d'inclinaison (mg = L.cos∝) avec L, la force aérodynamique dont on parle (L pour "lift" = portance) et∝, l'angle d'inclinaison.

Et à l'inverse donc, la force aérodynamique totale vaut le poids divisé par le cosinus de l'angle d'inclinaison: (L = mg/cos∝)

Si il y a virage, la force aérodynamique doit être supérieure pour, comme on vient de le dire, compenser à la fois le poids et la force de réaction centrifuge.

La force aérodynamique de base (donc sans virage, donc égale à mg) doit donc être multipliée par un facteur dépendant de la force du virage (et donc de la force de réaction centrifuge), et ce facteur multiplicatif est ce que l'on appelle le facteur de charge.

La force aérodynamique en virage doit donc être égale au facteur de charge multiplié par le poids. Sauf que l'on a vu juste au dessus que cette force aérodynamique vaut aussi le poids divisé par le cosinus de l'angle d'inclinaison (L = mg/cos∝, soit L = mg . 1/cos∝  ).
De là, on peut déduire que le facteur de charge = 1/cos∝    
Savoir calculer tout ça, c'est bien, mais comprendre comment juger de la possible ou probable manœuvrabilité d'un avion, c'est mieux.

Donc, continuons dans cette direction: si manœuvrer c'est virer et que virer c'est augmenter le besoin de portance (facteur de charge), alors pour obtenir un avion très manœuvrant, il faut concevoir un avion capable de générer beaucoup de portance.
 
Au vu des enseignements de toutes les pages de ce site concernant la portance, les dispositifs hypersustentteurs, les inducteurs de vortex etc.... pour générer beaucoup de portance, il faut des avions avec une grande surface portante(**) (et donc essentiellement, mais en fait "pas que" une faible charge alaire) et ayant la capacité d'atteindre de grands angles d'attaque sans décrocher, le tout propulsé par un ou des moteurs puissant(s) (idéalement capable(s) d'une poussée supérieurs au poids de l'avion).

Il est bon aussi de faire en sorte que les manœuvres ne produisent pas trop de traînée.

(**) Une grande surface portante...
J'ai écrit "portante" et pas "alaire" parce que la portance n'est pas seulment due aux ailes, mais aussi au reste (le fuselage en gros), surtout pour CERTAINS avions.

En effet, si la contribution du fuselage à la portance est faible sur, par exemple, un Mirage F1, elle devient déjà bien plus importante sur un F15, un F22 ou un F35, du fait de leur fuselage plus large et au "ventre plat".

Et si la contribution du fuselage d'un F15 ou d'un F22 à la portance est déjà "sensible", que dire d'avions comme le F14, les Mig 29 et 35, les Su 27, 30, 33, 34, 35, et 57!!!!!!
Ils ont, entre leur fuseaux moteur, une large surface capable de contribuer significativement à la portance, à laquelle s'ajoute un "dos" plat, lui aussi très large.

Si vous voulez vous faire une idée des capacités de manœuvre (au moins en acceptant une perte de vitesse(1)) d'un avion dont vous avez peu d'information, regardez déjà sa charge alaire, et puis essayez d'ajouter une estimation de la surface du fuselage(2) à condition que celui-ci présente une surface plane(3) (ou presque) qui soit suffisante.

Pour les avions au fuselage "classique", ce n'est pas la peine, ça ne représente rien.

(1) Pour une meilleure estimation sur l'intensité de la perte de vitesse, il faudra ajouter la poussée des moteurs et l'instabilité (couple cabreur, voir: LES AVANTAGES DU COUPLE CABREUR ET LES DELTAS) avec pour indice, l'utilisation de commandes de vol électriques.

(2) Même si l'évolution de la portance d'un fuselage, même très plat, en fonction de l'incidence (polaire), est bien différente des ailes.

(3)Lorsqu'un avion se cabre, la pression de l'air est bien plus forte sur un ventre plat que arrondi, c'est le même principe que pour la traînée aérodynamique, elle est bien plus forte sur une surface plane que bombée, par exemple.

Pour générer de la portance, la surface portante n'est pas l'alpha et l'omega, il y a aussi les dispositifs hypersustentateurs :
Slats:
         

Pourquoi seulement les dispositifs de bord d'attaque (slats) et pas les volets de bord de fuite?

Parce que ces derniers générent vraiment trop de traînée et, pour virer sans (trop de) perte de vitesse, ce n'est pas le bon choix (et du coup, il ne sont pas non plus conçus pour résister à ce genre de traîtement...)

Comme dit juste avant il y a les dispositifs hypersustentateurs et....
... et la capacité de voler avec une grande incidence (la portance est fonction de l'incidence) sans décrocher:

Pour cela, on peut, par exemple, générer des vortex.

Explications:
Pour commencer, voir ici.
Et pour continuer, voir ici.
Et ici.

On génére donc ces vortex avec des décrochements de bords d'attaque:
   

Ou des apex:
Un apex est une extension du bord d'attaque qui s'étend le long du fuselage en avant de l'aile, comme sur ce dessin et cette photo partielle de F18:
 


Et l'effet de ces apex, surtout en incidence et sous fort facteur de charge:
         

Des vortex semblables sont générés par les surfaces canards et, lorsque les canards sont correctement positionnés (près de l'emplanture de l'aile et de préférence un peu plus haut, comme sur le Rafale, l'effet est potentillement encore meilleur (voir: Les canards).

Bref, dès que vous voyez un avion avec beaucoup de surface portante (grande surface d'aile, et fuselage "portant"), et qui dispose en plus de dispositifs hypersustentateurs de bord d'attaque (slats, becs), auxquels s'ajoutent des apex ou des canards ou au moins de solides décrochements de bord d'attaque (c'est moins efficaces, mais mieux que rien), vous pouvez au moins être sûr qu'il est capable de virer très fort (au problème de la perte de vitesse près, dont on va parler juste à la suite).

Après s'être fait une idée des performances "brutes" dues à la seule "géométrie", il faut ajouter la poussée des moteurs et l'éventuelle instabilité volontaire qui permettera d'estimer la capacité de l'avion à "tenir" un virage serré sans trop de perte de vitesse.

En effet, pour virer en inclinaison forte, il faut "braquer" la gouverne de profondeur et donc générer un supplément de traînée qui doit être compensé par la poussée du ou des moteurs tout en étant diminuée par le choix d'un couple cabreur (instabilité volontaire en tangage(4)).

(4) voir (encore?): LES AVANTAGES DU COUPLE CABREUR ET LES DELTAS



Lors d'un virage serré, l'avion est très fortement incliné, et c'est la gouverne de profondeur qui permet le changement de direction.
Ci dessus: on voit clairement que, pour passer de la position 1 à la position 2, c'est la gouverne de profondeur qui a agit.
L'avion delta rouge dessine à droitele montre aussi.

Ci dessus: il est clair que la traînée est bien plus importante avec la gouverne en position 2 plutôt que 1.


C'est pour cela que le maintien d'une cadence angulaire forte (un taux de virage élevé) sans trop de perte de vitesse due au supplément de traînée impose un moteur puissant et/ou une instabilité intrinsèque qui diminue fortement le besoin de grand débattement de la gouverne de profondeur et diminue donc aussi la traînée qui en résulte (voir encore et toujours: LES AVANTAGES DU COUPLE CABREUR ET LES DELTAS.


Pour la poussée des moteurs et l'instabilité intrinsèque, vous n'avez pas d'autre choix que de vous référer aux spécifications publiées (et supposées vraies), alors voyons plutôt en quoi c'est important pour juger des capacités de l'avion.


Petit problème à rappeler (voir ou revoir: Le contrôle en tangage, Le contrôle en tangage suite, et Le contrôle en tangage encore):

On peut comprendre (grâce aux liens ci dessus) que lorsqu'on veut faire des manoeuvres très brutales avec un avion à couple cabreur, on prend vite le risque d'un cabrage excessif avec décrochage à la clé.

Si l'angle d'attaque de la gouverne de profondeur (monobloc) est au départ déjà positif, il peut devenir supérieure à celui de l'aile en tentant de "rattraper" l'avion; dès lors, le risque de voir la gouverne de profondeur décrocher avant l'aile existe.

Dans ce cas, c'est la perte de controle assurée. C'est d'ailleurs pourquoi ces avions sont dits instables.

Cette insbilité est compensée par des commandes de vol électrique contrôlée par un ordinateur qui doit ainsi assurer de ne pas sortir du domaine de vol.

Sauf que ce n'est pas toujours suffisant pour des manœuvres très fortes, et là, c'est le choix de la formule aérodynamique (sa géométrie, en gros) qui va départager ceux qui sont obligé de ne jamais décrocher et ceux qui peuvent se le permettre sans conséquences fâcheuses.

 Exemple: Le décrochage, sur un F16 entraîne l'avion dans un comportement quasiment chaotique, mais sur un F35, le risque est beaucoup, beaucoup plus faible.

L'incidence maximum, en toute sécurité, pour un F16 est d'environ 17°, mais pour un F35, on monte à 50°........

Les méthodes pour parvenir à conserver un "comportement sain aux très très grands angles d'attaques pour un avion à couple cabreur:

L'idée n'est pas simplement d'empêcher tout décrochage, mais de pouvoir garder un contrôle suffisant, même après un décrochage.

On va quand même commencer par tout faire pour retarder le décrochage, et ça, c'est le rôle des inducteurs de vortex entre autres (on en a parlé un peu plus haut).

Ensuite, on va concevoir l'avion (niveau formule aérodynamique), de manière à ce que la gouverne de profondeur ne décroche pas avant l'aile, même si elle présente une incidence supérieure.

Pourquoi?

Parce que c'est précisément la perte du contrôle de la profondeur (décrochage prématuré et souvent violent de la gouverne de profondeur), qui entraîne l'avion dans ses "culbutes" chaotiques.

Encore pourquoi?

Parce que la gouverne de profondeur a, sur ces avions, une contribution positive à la portance (voir ou revoir les liens donnés sur le contrôle en tangage), et que donc son décrochage entraîne une perte de portance sur l'arrière de l'avion qui "s'enfonce" côté queue, et peut même se retourner..

Comment faire pour empêcher la gouverne de profondeur de décrocher trop tôt tout en conservant le principe de couple cabreur?

------Faire en sorte que la gouverne de profondeur reste le plus longtemps possible dans un flux pas trop turbulent et sous une incidence raisonnable pour que son efficacité soit conservée.


L'avion (1) a une aile en position basse et une gouverne de profondeur en position "médiane". On voit en numero 2 que lorsque l'avion prend de l'incidence, la gouverne se retrouve dans "l'ombre aérodynamique" de l'aile, ce qui se traduit par un risque de perte d'efficacité (flux d'air très turbulent et légère dépression).

L'avion (3) a une aile en position "médiane" et une gouverne de profondeur en position "basse". On voit en numero 4 que lorsque l'avion prend de l'incidence, la gouverne reste en dessous de "l'ombre aérodynamique" de l'aile, il n'y a pas de risque de perte d'efficacité (flux d'air n'est pas plus turbulent que dans la position (3).

Mieux, même, on voit en (5) que (dans de bonnes conditions de distance entre aile et gouverne de profondeur) une partie du flux d'air dévié par l'intrados de l'aile, améliore l'écoulement sur la gouverne.

Si le design du reste de l'avion rend impossible le positionnement de la gouverne plus bas que l'aile (genre F4 Phantom) le choix d'un dièdre négatif très prononcé peut être une option; comme ça, une partie au moins de la gouverne se retrouve en position basse, mais alors il faut peut-être compenser ce dièdre très négatif par un dièdre positif, par exemple de l'extrémité des ailes.


------Adopter, dans le design de l'appareil, une formule aérodynamique, une "géométrie", entraînant un recul naturel du centre d'application des forces aérodynamiques après décrochage.

Sur un profile classique, le centre de portance à tendance à, tout d'abord, s'avancer à mesure que l'incidence augmente.

Mais lorsque se produit le décrochage, la force aérodynamique qui agit sur les surfaces (ailes et gouvernes) ne correspond plus à une portance, mais plutôt à une traînée.
Ça veut dire que le centre de la force aérodynamique se situe plutôt du côté de la zone la plus large.
Si donc, il y a assez de surface en arrière du centre de gravité, la combinaison de la force d'inertie et de la force aérodynamique donnera un couple de rappel qui redressera l'avion.

Exemple de type d'avion où les surfaces sont plus importantes en arrière:

Mais ça, UNE méthode.
On peut aussi choisir aussi d'augmenter simplement la surface des gouvernes de profondeur.

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, ça ne nuit pas forcément à l'équilibre de l'avion lorsqu'il vole "normalement" puisque la gouverne est mobile, et donc on peut régler à loisir son incidence et donc son effet sur l'équilibre en tangage, même lorsqu'elle est très grande.


-------Utiliser la poussée vectorielle.
    Là, c'est l'évidence, puisque la poussée vectorielle permet de s'affranchir en grande partie des contraintes strictement aérodynamiques, et, dans ce cas ci, l'avantage est tout simplement que la poussée vectorielle permet de faire pivoter l'avion, même lorsque les conditions sont complétement en dehors du domaine "normal" de vol.  




Conclusion:
Pour qu'un avion soit agile et manœuvrant, il lui faut:

1) Beaucoup de portance: Grande surface alaire, fuselage large, inducteurs de vortex tels que les apex, canards et décrochement de bord d'attaque, et dispositifs hypersustentateurs utilisables en combat (ce n'est pas toujours le cas).

2) Une motorisation puissante.

3) Une instabilité en tangage artificiellement compensée par des commandes électriques contrôlées par ordinateur.

Il ne reste plus qu'à essayer tout ça sur des exemples concrets.