Facteur de charge & virage

Le facteur de charge (noté n) est simplement le rapport entre la portance que l'aile produit à un instant donné, et le poids réel de l'avion. C'est un nombre sans unité — un multiple du poids.

Sur une trajectoire rectiligne horizontale, à vitesse constante : la portance équilibre exactement le poids, et la traction équilibre exactement la traînée — les deux couples de forces sont équilibrés séparément. Dans cette situation, n = 1, très exactement. C'est la référence à partir de laquelle tout le reste de cette page se compare.

La portance est toujours perpendiculaire aux ailes (page La portance). Quand le pilote incline l'avion, il incline donc la portance — c'est ça, physiquement, "virer" : la portance est dirigée un peu vers l'intérieur du virage, ce qui crée une force déviatrice qui courbe la trajectoire.

Le problème : une portance inclinée se décompose en deux morceaux. La composante verticale doit, à elle seule, continuer d'équilibrer le poids pour que l'avion reste à altitude constante. La composante horizontale fournit la force centripète du virage. Comme une partie de la portance "part" à l'horizontale, il faut une portance totale plus grande pour que la composante verticale seule suffise à porter le même poids.

D'où la règle : pour maintenir le palier en virage (rester à altitude constante), la portance doit être plus grande qu'en vol rectiligne. En virage en palier, la portance est donc toujours supérieure au poids. Pour l'obtenir, le pilote doit passer de la ligne droite au virage en augmentant l'incidence (manche à cabrer) et la puissance moteur, à vitesse constante.

En virage symétrique en palier (altitude constante), le facteur de charge suit une formule précise, qui ne dépend que de l'inclinaison :

Le fait le plus important, et le plus piégeux, du tableau : en virage symétrique à altitude constante, le facteur de charge ne dépend que de l'inclinaison — pas de la vitesse propre de l'avion, pas de sa masse, pas de son type. Deux avions différents, l'un à 80 kt et l'autre à 120 kt, en virage symétrique à 60° d'inclinaison, à la même altitude : ils subissent tous les deux exactement le même facteur de charge, n = 2.

Essaie 60° : n atteint 2, et la vitesse de décrochage grimpe à 1,4× sa valeur en ligne droite. C'est exactement le calcul refait dans la station suivante.

Conséquence directe de la formule précédente : la vitesse de décrochage en virage se calcule ainsi :

À 60° d'inclinaison, n = 2, donc √n = √2 ≈ 1,4. C'est LE ratio le plus cité du programme : Vs en virage à 60° = 1,4 × Vs en ligne droite, soit une majoration d'environ 40%. Cette majoration s'applique quel que soit l'avion, quelle que soit sa Vs de départ.

Calcul complet, avec marge de sécurité : un avion décroche en ligne droite à 45 kt. Vous voulez virer en palier à 60° d'inclinaison, avec une marge de sécurité de 30% par rapport au décrochage. Il y a deux étapes, l'une après l'autre :

Tout effort structural proportionnel au poids apparent (haubans, longerons, ferrures d'aile...) suit le même facteur n que la portance. À 60° d'inclinaison (n = 2), l'effort double.

Exemple : un mât d'aile est soumis à un effort de traction de 400 daN en vol stabilisé horizontal en palier (n=1). Si l'appareil se met en virage à 60° d'inclinaison en maintenant le palier (n=2), le hauban devra supporter 800 daN — exactement le double, comme la portance elle-même.

Le rayon de virage dépend de deux paramètres, dans des sens opposés :

À inclinaison constante, si vous augmentez la vitesse, le rayon de virage augmente — plus vite pour la même inclinaison, le cercle décrit est plus grand. Le facteur de charge, lui, reste constant (il ne dépend que de l'inclinaison, station 03).

À vitesse constante, si vous augmentez l'inclinaison, le facteur de charge augmente et le rayon de virage diminue — plus incliné, à vitesse égale, le cercle décrit est plus serré.

Conséquence pratique : en virage, il faut adopter une vitesse compatible avec l'inclinaison choisie, car la vitesse de décrochage augmente avec l'inclinaison (station 05) — un virage très incliné à vitesse trop basse peut décrocher.

En vol rectiligne en palier stabilisé, exécuter un virage tout en maintenant la vitesse constante implique deux actions simultanées : une action manche à cabrer (augmentation d'incidence, pour fournir le surcroît de portance nécessaire) et une augmentation de la puissance (pour compenser la traînée supplémentaire sans perdre de vitesse).

Si, au contraire, on met en virage à puissance constante (sans ajouter de gaz), la vitesse va diminuer — la traînée supplémentaire, engendrée par l'adaptation de l'assiette (plus d'incidence = plus de traînée induite), n'est plus compensée. En palier, à vitesse constante, la traînée est donc toujours plus forte en virage qu'en ligne droite.

La ressource, c'est l'action de tirer sur le manche pour faire remonter la trajectoire — par exemple pour sortir d'un léger piqué, ou pour arrondir à l'atterrissage. C'est un changement de trajectoire dans le plan vertical, pas horizontal, mais le même principe de facteur de charge s'applique.

Lors d'une ressource : le facteur de charge augmente (la portance devient supérieure au poids, comme en virage) ; la vitesse de décrochage augmente avec lui (même logique que Vs = Vs0 × √n) ; et une flexion accentuée de la voilure est possible, en fonction de l'intensité du facteur de charge — la structure plie, elle est conçue pour ça, dans les limites certifiées.

Plus généralement, lors d'un changement de trajectoire dans le plan vertical (à cabrer ou à piquer), le facteur de charge varie selon le sens du changement : à cabrer (on tire), il augmente ; à piquer fort (on pousse), il peut diminuer, voire devenir négatif. Ce signe dépend directement du sens d'action du pilote sur la gouverne de profondeur.

En virage stabilisé, on "sent" son corps écrasé dans le siège — c'est la résultante du poids réel ET de la force centrifuge ressentie en virage. Cette résultante s'appelle le poids apparent. C'est exactement ce même facteur n qui la quantifie : à 60° d'inclinaison, le poids apparent est le double du poids réel.

En montée rectiligne uniforme (stabilisée, pas d'accélération) comme en descente rectiligne uniforme, le facteur de charge est inférieur à 1 — dans les deux cas, la trajectoire n'est pas horizontale, et une partie du poids est reprise par la traction/traînée plutôt que par la seule portance verticale. L'écart avec 1 reste très faible aux pentes habituelles de l'aviation légère. Le détail des forces en montée et en descente est développé sur la page Montée, descente, vol plané.

Chaque avion est certifié avec des limites de facteur de charge à ne jamais dépasser. Pour un avion certifié en catégorie normale, ces limites sont, en configuration volets sortis : +2 et 0 (n ne doit jamais sortir de cette plage dans cette configuration — plus restrictive qu'en configuration lisse). C'est une des raisons pour lesquelles on évite les manœuvres brusques ou inclinées avec les volets sortis.