Soixante-dix tonnes en l’air et une discussion ouverte

Un avion de ligne de soixante-dix tonnes décolle et, pendant qu'il monte, deux choses sont vraies en même temps : la force qui le soutient est calculée avec une précision qui s'exprime en newtons, et la phrase qui explique d'où sort cette force n'a toujours pas de propriétaire. En février 2020, Scientific American a titré un article « Personne ne peut expliquer pourquoi les avions restent en l'air ».

Ce sont quatre couches différentes et on les mélange toujours. Les voici séparées.

1. Ce qui est mesuré.

Une aile en mouvement envoie de l'air vers le bas. Énormément d'air, en continu. Et au-dessus d'elle se forme une zone de pression plus basse que celle du dessous. Les deux choses se mesurent séparément : la pression, avec des prises réparties le long du profil ; la force, avec une balance dans la soufflerie. Les chiffres sortent, ils se répètent, et c'est avec eux qu'on dessine des ailes et qu'on certifie des avions. Ici, aucune discussion.

2. L'explication du manuel.

C'est le dessin de toujours : le dos de l'aile est plus bombé, donc plus long, et les deux portions d'air qui se séparent au nez « doivent se retrouver » au bord de fuite, de sorte que celle du dessus est obligée d'aller plus vite. Et l'air qui va plus vite a une pression plus faible, ce qui est exact et que Daniel Bernoulli, mathématicien suisse, a formulé en 1738.

Le défaut se trouve dans la phrase entre guillemets, la seule que personne ne justifie jamais. Aucune loi physique n'oblige deux portions d'air séparées à rejoindre ensuite leur partenaire. Le Glenn Research Center de la NASA, qui tient un guide public d'aérodynamique, parle en ces termes d'une hypothèse non physique, et tranche en mesurant : la portion d'air qui passe au-dessus d'une aile qui porte atteint le bord de fuite avant celle du dessous, et va beaucoup plus vite qu'il ne faudrait pour faire match nul. Si l'on calcule la portance avec cette théorie, le résultat reste très en dessous de ce qui soulève réellement l'avion.

3. Les deux réponses en concurrence, et le trou de chacune.

Celle de Bernoulli : en haut l'air va plus vite, la pression baisse et l'aile monte. Elle rend compte de la zone de basse pression. Elle laisse sans explication la raison pour laquelle l'air accélère.

Celle de Newton : l'aile dévie de l'air vers le bas et l'air pousse en sens inverse, c'est la troisième loi. Elle laisse sans explication, à elle seule, la zone de basse pression. Mais elle rend compte de trois faits que celle du manuel ne peut même pas regarder en face.

Un profil symétrique, avec la même courbure dessus et dessous, porte dès qu'on l'incline.

Une plaque plate, sans aucune cambrure, aussi : c'est ce qui fait voler un avion en papier.

Et un avion à profil bombé peut voler sur le dos, ce que les pilotes de voltige font depuis un siècle.

Où en est la question aujourd'hui : depuis les travaux de Doug McLean, ingénieur aérodynamicien chez Boeing, on insiste sur le fait que la pression et la déviation de l'air sont deux parties du même champ d'écoulement, qui se soutiennent l'une l'autre, et que demander laquelle des deux cause l'autre est une question mal posée. L'air du dessus accélère à cause de la courbure des lignes de courant et de la circulation que l'aile installe autour d'elle, pas à cause d'un rendez-vous en attente avec l'air du dessous.

4. Le chiffre avec lequel travaille vraiment un pilote.

Un pilote ne peut pas changer la forme de l'aile en vol. Il change son angle par rapport à l'air qui arrive — l'angle d'attaque —, et c'est cela qui gouverne la portance d'un bout à l'autre. C'est la même chose que l'on sent en sortant la main par la fenêtre d'une voiture en marche et en l'inclinant lentement : la main est plate, elle n'a pas de dos bombé, et la force change tout de même.

Une aile ordinaire tient jusqu'à un angle d'attaque compris entre quinze et vingt degrés. Passé ce point, l'air se décolle du dos, la portance s'effondre et l'avion décroche. C'est le chiffre que surveille un pilote, et il n'est pas nécessaire de gagner la discussion pour le respecter.