Mécanique du vol et cinématique – point de vu de Alain Arnaud

Mouvements du parapente

Pour celui qui a piloté un parapente, ou même qui a fait un simple vol en biplace, il est évident que le parapente ressemble à une balançoire. Pourtant, il y a une différence fondamentale entre le parapente et la balançoire, c’est que la balançoire est accrochée à un point fixe alors que la voile du parapente sous laquelle le pilote semble être accroché est bien loin d’être fixe, surtout en atmosphère turbulente.

Le pilote et sa voile constituent un mobile.

Un mobile se déplace dans l’espace selon les forces qui s’exercent sur lui. Pour le parapente, il n’y en a que deux :
– le poids ;
– la résultante des forces aérodynamiques (RFA).

Lorsque ces deux forces sont exactement équilibrées, le mobile poursuit une trajectoire rectiligne et uniforme. Simplement dit, il va en ligne droite à vitesse constante.

Si ces deux forces ne sont plus équilibrées, le mobile subit deux sortes d’accélérations :
– une accélération (ou décélération) de son centre d’inertie ;
– une mise en rotation autour de son centre d’inertie.

Comme le poids est constant en intensité et en direction, ce sont les variations en intensité et en direction de la RFA qui gouvernent tous les mouvements du mobile.

Mouvements de la RFA

Mouvements de tangage.

Dans l’analyse des mouvements de tangage, toutes les actions sur les freins et, donc, les forces aérodynamiques sont bien symétriques et n’induisent aucun mouvement de mise en virage.
Avant d’analyser les mouvements, il faut trouver le centre d’inertie du mobile.

Définiton - Le centre d’inertie

Si on lance en l’air un frisbee, il tourne autour de son axe. Le centre d’inertie du frisbee est situé sur l’axe du disque.
Si on lance en l’air un marteau en le faisant tournoyer, on s’aperçoit qu’il tourne autour d’un point de son manche situé tout près de la tête du marteau : du fait de la masse importante de la tête, le centre d’inertie est situé près de la tête.

Le mobile « parapente » est constitué de deux masses : la voile et le pilote. Comme le pilote a une masse environ dix fois plus importante que la voile, on peut en déduire que le centre d’inertie sera dix fois plus près du pilote que de la voile. En fait, il est à peu près au niveau de la tête du pilote.

Nota : il ne faut pas oublier d’ajouter à la masse de la voile, la masse de l’air enfermé dans les caissons. De ce fait le centre d’inertie ne coïncide pas exactement avec le centre de gravité.

Lorsque le mobile est en vol en ligne droite et à vitesse constante, la RFA est facile à déterminer : elle est exactement égale et opposée au poids.

Si le mobile quitte son vol en ligne droite à vitesse constante, c’est que la RFA a bougé. Il n’y a que deux causes susceptibles de faire bouger la RFA dans ce cas :
– soit un changement de l’incidence causé par une turbulence ;
– soit une déformation du profil causée par une action sur les freins.

Définition - l’incidence

Sur un profil d’aile, l’incidence se définit souvent comme l’angle du vent relatif avec la corde de portance nulle. Sur une voile de parapente, la corde de portance nulle est difficile à déterminer puisque la voile fait une fermeture frontale avant que l’on ne parvienne à l’incidence de portance nulle. On peut prendre la corde de portance nulle du profil théorique, mais là aussi, il y a une difficulté car du fait de la déformation du tissu, le profil n’est pas exactement le même sur une cloison et entre deux cloisons au milieu du caisson. Par ailleurs, lorsque l’on bouge les freins, le profil se déforme et la corde de portance nulle du profil se trouve modifiée. On est donc conduit, pour définir l’incidence, à prendre une corde de référence arbitraire, mais fixe par rapport au mobile, par exemple la corde de portance nulle de la cloison centrale, freins lâchés.

Tangage par l’action sur les freins

L’action sur les freins modifie la RFA. D’une façon générale, le freinage incline la RFA vers l’arrière, celle-ci passe alors devant le pilote et, donc, provoque un couple cabreur. De plus, le freinage augmente la RFA et provoque une accélération vers le haut. Le pilote est comprimé dans sa sellette.

Réciproquement, le relâchement des freins fait passer la RFA derrière le pilote et provoque un couple piqueur. La RFA diminue, le pilote est « en lévitation ».

Tangage par changement de l’incidence

Une pure rafale de face provoque une diminution de l’incidence et incline la RFA vers l’arrière. Le mobile subit un couple cabreur. En même temps, le coefficient de portance augmente et le pilote subit une accélération vers le haut : c’est le « coup de pied au cul ».
Une rafale de dos, ou son équivalent, l’entrée dans le gradient de sol, incline la RFA vers l’avant. L’aile subit un dangereux couple piqueur qui survient en même temps qu’un effondrement de la portance. Si on manque de vitesse à ce moment-là, c’est le crash !
L’entrée dans une ascendance provoque une augmentation de l’incidence, le mobile subit un couple piqueur : la voile mord dans la pompe (en général).
Mais attention, l’environnement de la colonne ascendante est très turbulent. Il peut donc y avoir une combinaison ou une succession rapide de ces différents effets.
Selon le cas, c’est l’un ou l’autre de ces effets qui est prépondérant.

Pilotage actif

On voit qu’il y a une parfaite symétrie entre les actions sur la voile dues à des changements d’incidence et celles dues à des actions sur les freins. On peut donc compenser les unes (subies) par les autres (voulues).

Certes, le profil des voiles modernes a été choisi pour minorer les mouvements de la RFA sous l’effet d’une variation d’incidence. Cependant, en atmosphère turbulente, toutes les voiles bougent. Le pilotage actif consiste, par une action volontaire sur les freins, à corriger exactement les déplacements de la RFA induits par la turbulence. C’est ce que l’on appelle « garder sa voile au dessus de la tête ».

Effet immédiat, effet différé.

Si, partant d’un vol rectiligne stabilisé, on actionne les freins, la voile cabre comme on vient de le voir. Si ensuite, on maintient les freins, on voit la voile ralentir, puis vouloir piquer et reprendre de la vitesse. C’est l’effet différé.

De même, après l’entrée dans une rafale qui l’a faite cabrer, l’aile revient spontanément au vol horizontal après quelques secondes.
Toute variation d’incidence, toute action sur les freins produit un effet différé que l’on appelle couramment « rappel pendulaire ».

C’est ce décalage entre effet immédiat et effet différé qu’il faut bien assimiler dans ses sensations si on veut piloter correctement sa voile en tangage : il faut maîtriser le « tempo ». Affaire de dosage qu’il faut étudier, mais cela est une autre histoire. Ce n’est pas ici le propos.

Alain Arnaud
4, bd de Glatigny
78000 VERSAILLES