question modèle de vol

[Daniel_L]

J'en profite pour poser ici une question aux spécialistes de la conception des avions, je n'ai encore jamais pris le temps de chercher l'info.
Il s'agit de lever une ambiguité/contradiction.

D'une part (comme dans la video de présentation d'X-Plane) je vois Austin qui explique que son simulateur est caractérisé par le fait que les
mouvements de l'avion soient déterminés uniquement par les équations de la physique et d'autre part je lis des commentaires sur les avions
du style "le modèle de vol d'un tel est très fidèle à la réallité" ou l'inverse.

Si le peu de souvenirs qu'il me reste de la mécanique des corps solides est encore valable, et si Austin dit vrai, je ne vois pas ce
que le concepteur d'avion aurait de plus à fournir que la forme exacte de son avion (pour qu'X-Plane calcule les forces aérodynamiques induites),
sa masse (pour la gravitation) et la position du son centre de gravité (pour les mouvements autour de celui-ci). J'oublie tout ce qui est
lié à la propulsion mais disons qu'on se limite par exemple aux planeurs.

Est-ce qu'il faut comprendre que les affirmations d'Austin sont en fait très exagérées et que c'est au concepteur de l'avion à calculer/bidouiller lui-même
plein de paramètres qui en théorie découlent de la physique mais en pratique sont hors de portée du moteur de calcul (ça n'a rien de choquant,
ce n'est pas pour rien qu'on utilise encore des souffleries). Aussi si c'est le cas, ils sont de quel type ces paramètres additionnels à fournir (les principaux) ?
Ou alors c'est moi qui plane ?

Merci !

(si Clochette me répond que c'est dans le wiki, ce qui est très possible, je lui promets d'en lire désormais un peu tous
les soirs avant d'aller me coucher ;-)

Je vais créer un nouveau sujet pour cette question.

Daniel

[Daniel_L]

Si le peu de souvenirs qu'il me reste de la mécanique des corps solides est encore valable, et si Austin dit vrai, je ne vois pas ce
que le concepteur d'avion aurait de plus à fournir que la forme exacte de son avion (pour qu'X-Plane calcule les forces aérodynamiques induites),
sa masse (pour la gravitation) et la position du son centre de gravité (pour les mouvements autour de celui-ci). J'oublie tout ce qui est
lié à la propulsion mais disons qu'on se limite par exemple aux planeurs.

Est-ce qu'il faut comprendre que les affirmations d'Austin sont en fait très exagérées et que c'est au concepteur de l'avion à calculer/bidouiller lui-même
plein de paramètres qui en théorie découlent de la physique mais en pratique sont hors de portée du moteur de calcul (ça n'a rien de choquant,
ce n'est pas pour rien qu'on utilise encore des souffleries). Aussi si c'est le cas, ils sont de quel type ces paramètres additionnels à fournir (les principaux) ?

X-Plane est un simulateur de vol qui travaille en éléments finis, mais ce n'est pas une soufflerie. Il calcule les éléments séparéments mais il y a toujours des approximations pour leurs liaisons. Quelques exemples :

- Pour un élément d'aile on dispose dans le fichier airfoil des valeurs de portance, trainée et moment en fonction de l'incidence. Ces valeurs auront été calculées via une soufflerie virtuelle comme XFoil ou relevées dans une documentation sur le profil.
Ces valeurs sont valables pour une envergure infinie, c'est à dire sans les effets de bord. En effet lorsqu'on arrive à l'extrémité de l'aile le flux d'air ne peux plus rester en dépression au dessus et en surpression en dessous, ça fuit par le coté au lieu d'aller jusqu'au bord de fuite d'où une moins grande performance du profil à l'extrémité de l'aile. C'est pour ça que les planeurs ont de longues ailes, pour réduire cette perte.
Pour régler cela, Austin diminue l'efficacité du profil en fonction de sa proximité avec l'extrémité de l'aile et de la corde du profil à cet endroit.

- Les ailerons, quand on les braque on modifie le profil de l'aile.
Cette modification des caractéristiques du profil n'est pas dans le fichier airfoil. En plus ses effets ne sont pas toujours symétriques. Braquer un aileron légèrement vers le haut peut réduire la trainée. Vers le bas ça l'augmente toujours. Quand on fait par exemple un virage à droite, on relève l'aileron gauche pour relever l'aile et on baisse celui de droite. Toujours en virage à droite l'aile gauche va aller un peu plus vite que la droite. Seulement l'aileron gauche qui est abaissé va trainer plus que l'autre et dans la cas d'un planeur avec de longues ailes le bras de levier de la trainée de cet aileron est sensible.
Un pilote de planeur avait montré cet effet à Austin en lui faisant effectuer un vol en planeur. Il a depuis introduit des coefficients pour le reproduire.
Plus d'infos sur cet effet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Lacet_inverse

D'autres exemples à suivre,
Daniel

[Daniel_L]

...
sa masse (pour la gravitation) et la position du son centre de gravité (pour les mouvements autour de celui-ci)
...

Là aussi il y a des approximations. En effet la masse et le centre de gravité ne suffisent pas.

L'exemple flagrant a été pendant de nombreuses versions d'X-Plane la sensibilité du Boeing 747 à la gouverne de profondeur.
Sur cet avion les centres de gravité des différents sous-ensembles, fuselage, moteurs, ailes, sont très proches longitudinalement du centre de gravité global. Résultat, quand on braque la gouverne de profondeur le moment qui va constituer la résistance à cette commande sera faible.

Déjà Austin scinde la masse globale en éléments. Suivant le type et la puissance des moteurs il va affecter une certaine masse à l'endroit où on place le moteur. Ca a dans le passé posé des problèmes à ceux qui avaient essayé de modéliser les avions de course de Reno. La puissance des moteurs gonflés pour les courses engendrait un calcul de masse trop important ce qui fait qu'on ne pouvait pas voler avec ces avions. Austin avait du revoir ses coefficients.
Sa répartition calculée ne pouvant résoudre tous les cas, exemple le 747, il a créé le paramètre Radii of gyration dans la page Weight & Balance de Plane-Maker. On peut mettre une valeur pour chaque axe ce qui permet de donner plus d'inertie à l'appareil.
Le 747 en 10.51 ne l'utilise pas, le Baron l'utilise.

Dans la série des moments, sur la page Control Geometry, les valeurs de trainée, portance et moment des volets est à trouver soi-même.

On doit pouvoir obtenir de très bons résultats avec Plane-Maker. Encore faut-il avoir toutes les données pour l'alimenter correctement.

Daniel

[Oscar Pilote]

Là aussi il y a des approximations. En effet la masse et le centre de gravité ne suffisent pas.

Tu es bien clément, ce n'était pas une approximation c'était juste une énorme bêtise (pas une coquille, une bêtise ! je ferai pénitence avec 3 heures de wiki ;-),
qu'on mette les réservoirs en bout d'aile ou proche du fuselage, ça ne fait pas le même effet...
Le centre de gravité ET les moments d'inertie suivant les 3 axes, cette fois ça fait bien 6 comme disait papet30.

il a créé le paramètre Radii of gyration dans la page Weight & Balance de Plane-Maker. On peut mettre une valeur pour chaque axe ce qui permet de donner plus d'inertie à l'appareil.

Ben oui les re-voilà. Ce que je comprends de ce que tu dis c'est qu'avant (et toujours maintenant si on ne remplit pas les cases) il essayait de déduire tout seul les moments d'inertie en fonction
des "composants" de l'avion, et que maintenant si tu remplis il prend tes chiffres comme argent comptant. Ca fait sens.

En tout cas merci Daniel pour ta réponse détaillée, elle m'inspire d'autres questions mais il est l'heure de manger !

[Daniel_L]

...
qu'on mette les réservoirs en bout d'aile ou proche du fuselage, ça ne fait pas le même effet...
...

Les réservoirs, on peut indiquer où ils sont dans Plane-Maker. X-Plane en tient ensuite compte en fonction de leur remplissage.

Daniel

[Sim-Air]

Austin a pris la décision de baser son modèle de vol sur les données géométriques de l'avion, contrairement à d'autres simulateurs. Celà a ses avantages et ses inconvénients. L'avantage est qu'en rentrant dans le logiciel les données géométriques de l'avion, qui sont généralement facile à obtenir, on obtient très vite un modèle au comportement plausible. L'inconvénient est que le calcul du modèle de vol se fait selon des modèles mathématiques simplifiées (similaire aux algorithmes utilisées lors du pré-dimensionnement d'un avion lors de sa phase de conception) qui ne donnent qu'une approximation du comportement et des performances de l'avion. Avoir 15 ou 20% d'écart avec la réalité n'est pas surprenant, même si l'avion est parfaitement modélisé dans plane-maker.

A l'heure actuelle, le mieux que l'on sait faire sur ordinateur c'est la CFD. Les calculs prennent des heures, la préparation du calcul pour une condition donnée peut prendre des jours, et même comme ça on n'a des fois qu'un résultat approximatif. Bref il est complètement inimaginable que cette approche qu'Austin a choisi donne un jour des résultats précis, même avec des ordinateurs surpuissants.

Il faut savoir aussi que le comportement d'un avion peut être très influencé par des détails qui ne sont absolument pas pris en compte dans x-plane (état de surface, stall strips, cloisons d'aile, turbulateurs, déformation de la structure sous charge et j'en passe...).

De plus, comme le dis Daniel, le modèle de vol de X-Plane considère par exemple une aile 2d dont le comportement 3d est extrapolé, ce qui donne des résultats complètement faux sur les avions dont les effets 3d sont importants (forte flèche, faible allongement ou autre caractéristique non communes).

[Daniel_L]

Là où X-Plane pourrait faire quelques progrès c'est sur la résistance des matériaux. Pour l'instant il y a juste des valeurs maximales pour les G positifs et négatifs et la VNE (vitesse à ne jamais dépasser sous peine de dommages à la structure).

Austin pourrait rajouter des valeurs pour les G admissibles pour chaque jambe de train d'atterrissage par exemple. On sait que le train principal est généralement plus résistant que la roulette de nez d'où la casse de celle-ci si elle touche le sol en premier. Les jambes de train d'un avion léger sont largement moins résistantes que celle d'un avion militaire opérant sur porte-avions car à l'appontage il n'y a pas vraiment d'arrondi.

Les déformations de la structure ne sont pas gérées. Maintenant depuis la v10 il y a la déformation des ailes qu'on peut paramétrer dans Plane-Maker. Je n'ai pas vérifié si c'était seulement cosmétique (visuel) ou si le dièdre modifié des portions d'ailes était pris en compte dans le calcul. C'est dans l'onglet Wing Flex dans la page Wings de Plane-Maker.
La déformation peut en réalité se faire aussi en torsion et là X-Plane ne gère pas du tout. On n'est pas près de voir le Flutter géré dans notre simulateur de vol favori. Pour voir à quoi ça ressemble, quelques extraits de vidéos impressionantes :

https://youtu.be/OhwLojNerMU

Daniel

[Oscar Pilote]

Merci à tous les deux. Mais sans aller aussi loin que les flux non laminaires, les déformations ou les résonances (et pourquoi pas le shimmy ;-)
comment X-Plane gère-t-il déjà la partie dissymétrique du vent relatif ? (le "bordel la bille!"). Daniel dans ton premier post tu écris "en fonction
de l'incidence", c'est très 2D et ça laisse penser que seul le vol symétrique soit pris en compte. J'imagine qu'Austin a quand même voulu simuler
les glissades et les dérapages. Est-ce qu'il calcule la traînée additionnelle en se basant sur la section des surfaces au vent ?

(Edit : âge 24 et inscription en 2007, tu es tombé dans la marmite étant petit et les effets chez toi son permanents ? :-)

[Daniel_L]

X-Plane gère le vol en attaque oblique mais de façon simplifiée.
Le fuselage est géré comme un corps de missile pour simplifier les calculs, et parce que Austin avait trouvé des données aérodynamiques de ce type de "fuselage" (je ne sais pas si c'est toujours le cas en v10 v11). L'aile en oblique voit ses caractéristiques dégradées en fonction de l'angle plus ou moins important. Si l'aile est découpée en nombre suffisant d'éléments, le flux de l'hélice pourra toucher d'autres éléments que ceux juste derrière en fonction de l'angle du déplacement.

Ce que X-Plane ne gère pas à ma connaissance c'est le masquage des éléments par d'autres. Il le fait pour les surfaces type ailes et empenages entre elles mais pas du fuselage sur ces éléments. Ainsi une section d'aile qui devrait être masquée par le fuselage recevra toujours le flux d'air comme si elle ne l'était pas.
Il faut dire que ce n'est pas simple car les ailes hautes, basses et médianes n'ont pas les mêmes réactions et X-Plane n'est toujours pas une soufflerie virtuelle.

Il y a donc du bon et du moins bon, comme d'hab. En tout cas on peut faire de belles glissades pour se ralentir quand on arrive trop long. Je les avais expérimentées en premier dans X-Plane avant d'avoir à m'en servir en vrai en ULM.

Daniel