Les plus legers que l'air.

Edit important: Une erreur de calcul à été relevée dans cet article... Celà ne change pas le fond, mais attention tout de même! Pensez à consulter le commentair!

Comment ça vole?

Les plus légers que l’air.

Pourquoi parle t’on de plus léger que l’air? Après tout, dégonflé et rangé, un ballon et sa nacelle restent très lourds…
C’est parce qu’en condition d’utilisation, le ballon est gonflé par un gaz plus léger que l’air qui l’entoure. L’ensemble est alors plus léger que l’air.
Ce gaz peut être de l’air chaud, de l’hélium, notez tout de même que l’on évite l’hydrogène depuis la fin des années 30 et la catastrophe du Hindenburg…

Comment devient-on plus léger que l’air? Tout simplement grâce à Archimède, ou plutôt grâce à la poussée qui porte son nom. Pour rappel, tout corps plongé dans un liquide et déplaçant un certain volume de ce liquide reçoit en contre partie une poussée verticale dirigée vers le haut égale au poids du volume ainsi déplacé. Dans le cas du ballon, le liquide, c’est l’air.

Pour résumer, quand on déplace de l’air, il lutte pour reprendre sa place. Si l’ensemble qui à poussé l’air est plus dense (plus lourd pour un même volume), alors la poussée d’Archimède est insuffisante, et l’objet reste au sol. Si au contraire l’objet est moins dense, alors la poussée devient plus importante que le poids. L’objet décolle.

Mise en situation: Prenons un individu normal, dans la moyenne de la population : moi.
Je déplace environ 75 litres d’air (0,75Mm3), c’est le volume de mon corps (si si…. Même sans rentrer le ventre!). A 20°c, la densité de l’air est d’environ 1,199 Kg/m3.
Ce qui veut dire que je déplace moins de 90 grammes d’air… Cela veut dire que mon corps subit une poussée verticale dirigée vers le haut de 90g… Insuffisant toutefois pour espérer s’envoler…

Partie « scientifique »:
En remplissant mon ballon d’hélium (densité 0,178Kg/m3), il me faut un ballon d’environ 740 litres pour contrer mon poids. En effet, 740 litres d’hélium pèsent 13,72kg, alors que 740 litre d’air à 20° pèsent 88,72 Kg... Comme ces deux masses occupent le même volume, et Archimède faisant le reste, mon poids est vaincu par la différence entre le poids de l’hélium et le poids d’air…
En remplissant avec de l’air à 100°C (densité 0,766Kg/m3), il me faut un ballon d’environ 1740 litres pour contrer mon poids. En effet, 1740 litres d’air à 100° pèsent 133,28kg, mais déplacent 208,62Kg d’air à 20°...
Dernier exemple, avec l’hydrogène, le volume de mon ballon ne sera plus que de 680 Litres (soit 6Kg d’hydrogène qui déplacent 88 Kg d’air à 20°)

On peut facilement calculer le volume du ballon en fonction de la charge et du gaz à utiliser:

1) Poser la masse que l’on veut soulever: On va l’appeler P (En Kg) Attention, ne pas négliger le poids du ballon lui-même, et de son équipement!

2) Calcul de la masse d’air déplacée en fonction du volume du ballon:
Poids de l’air déplacé = Pa (En gramme)
Masse volumique = Mv (En Kg/m3)
Volume = V (en m3)
On à: Pa = Mv x V
Comme j’ai mis mon poids en Kg, je divise par 10 pour retrouver ici aussi des Kg…

Pa = (Mv x V) / 10

3) Calcul de la masse de gaz en fonction du volume:
Même formule, même volume, il faut juste penser à changer Mv, et à poser Pg (poids de gaz) au lieu de Pa…

4) P = Pa - Pg.
Soit

V = (10 x P) / (Mvair – Mvgaz)

V est le volume de notre ballon (m3).
P est le poids de la charge (Kg).
Mvair est la masse volumique de l’air à 20° (Kg/m3)
Mvgaz est la masse volumique du gaz dans le ballon (Kg/m3)







Warning! Important edit: A calculation error as occured in my article below... Think to consult the commentaries to correct it.

How does it can fly?

Lighter than the air.

Why do we spoke about air lightest? Finally, not inflated, a hot air balloon with it’s nacelle are very heavy…
That’s because during the use, the hot air balloon is inflated with a gaz lightest than the ambient air. Then, the combinations is lightest than air.
This gaz can be hot air, helium, … Note that is none employed since the end of the 30’s and the Hindenburg catastrophe…

How to become lightest than air? Simply thank to Archimède, or thank to the phenomena who’s got is name. For remind, for all corps putted into a liquid and who displace a certain volume of this liquid will receipt a vertical push directed on the top, and equal to the liquid volume displaced mass. In case of ours balloon, the liquide is air.
To resume, when air is displaced, it try to take back its area. If the density of the thing who has taken the area is more important, then, the Archimedes push is not sufficient, and the objects stay on the ground. Opposite case, if the density of the object is less, then, the push is more important than the weight, and the object is take off.

Overview: Take a normal individual, in the middle of the population: me.
The air volume I displace is nearly 75 Litres (0,75Mm3), this is my body volume (YA ya…. Even without bringing in the stomach!). At 20°c, the air density is nearly 1,199 Kg/m3.
It means that my body displaces less than 90 grams of air… So, my body receipt a vertical push of 90g directed on the top. Not sufficient to flight, I think…

“Scientific” explanation:
If I take my balloon, and fill it with helium (density 0,178Kg/m3), I need a balloon nearly 740 litres to flight, because 740 litres of helium weight is 13,72kg, while 740 litre of air at 20° weight is 88,72 Kg... The two mass get the same volume, Archimedes do the work, my weight is loosed by the weight difference between the air and the helium.
If we take hot air (density of air at 100°: 0,766Kg/m3), I need a balloon nearly 1740 litres to flight. Indeed, 1740 litres of air at 100° weight is 133,28kg, but it displaces 208,62Kg of air at 20°...
Last example with hydrogen, my balloon volumes will be only 680 Litres (Or 6Kg of hydrogen who take the place of 88Kg of air at 20°)

We can easily calcule the balloon volume in function of the weight we need to transport, and the gaz we want to use:

1) Determine the weight we want to carry out. Call it P (In Kg). Don’t forget the balloon and equippement weight!

2) Calcul the displaced air mass in function of the balloon volume:
Air displaced weight = Pa (In grams)
Volume mass = Mv (En Kg/m3)
Displaced volume = V (en m3)
We’ve got: Pa = Mv x V
My weight is in Kg, so, to simplificate, I divide by 10 to refound Kg…

Pa = (Mv x V) / 10

3) Gaz mass calcul in function of the volume:
It’s the same, just have to think to change Mv, and replace Pa by Pg (Gaz weight)…

4) P = Pa - Pg.

So:

V = (10 x P) / (Mvair – Mvgaz)

V is the volume of ours balloon (m3).
P is the charge weight (Kg).
Mvair is the volumic mass of the air at 20° (Kg/m3).
Mvgaz is the volumic mass of the gaz in the balloon (Kg/m3).

Turbojet engine

Embraer 170.

Le turboréacteur inventé par Charles Louvrié (brevet déposé en 1863) à du attendre Aout 1939 et le Henkel HE 178 avant de voler pour la première fois. Le 18 Aout 1942, Messerschmitt fit voler le ME 262, premier avion de série (plus de 1400 exemplaires produits) à exploiter un turboréacteur. Trop bruyant, trop gourmand, après une courte apogée dans les années 60, ce moteur fut abandonné par l’aviation civile, malgré des capacités intéressantes à très haute vitesse comme l’ont prouvés le Concorde et les applications militaires (Le Lockheed SR71 BlackBird est l'avion à turboréacteurs le plus rapide: il est capable d’atteindre Mach 3,5 soit plus de 4000 km/h!).

Petit schéma de principe pour comprendre ce qu’est un turboréacteur:


Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par le compresseur B. Du carburant est injecté et enflammé en C. L’énergie produite est récupérée par la turbine D. Les gaz sont ensuite expulsés dans la tuyère E. A noter : l’air chaud qui sort de la tuyère ne se mélange pas avec l’air froid de l’extérieur du moteur (des fluides de températures différentes se mélangent toujours difficilement), mais il se crée une zone de forte turbulence à la frontière entre les deux flux. En plus de nuire à la performance de l’avion, ces turbulences produisent énormément de bruit.

Le cas de la post combustion: sur certains moteurs à très haute performances, on injecte du carburant dans la tuyère E. Cela à pour effet d’augmenter encore les performances du moteur, Mais la consommation d’un moteur en mode postcombustion est catastrophique.

Ici, un Fokker 100 à Saint Exupery.

Here, an Fokker 100 in Lyon Saint Exupery.

La solution qui fut trouvée pour rendre ces moteurs moins bruyants et plus économe fut le turboréacteur à double flux, ou turbofan.
Le bruit étant en grande partie provoqué par la détente des gaz en sortie de réacteur, on ajoute une grosse hélice carénée (fan en anglais) devant pour « envelopper » les gaz d’échappement, et augmenter la poussée (et donc le rendement).
Fonctionnement:

Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par la soufflante B. Une partie de cet air est éjecté directement en C pour produire jusque 80% de la poussée pour un avion civile. Pour le fonctionnement de la turbine D, voir au dessus. En effet, pour simplifier, le turboréacteur à double flux n'est qu'un turboréacteur auquel on aurait ajouté un compresseur supplémentaire de grande taille, la soufflante. A noter tout de même que l’arbre principal est divisé en trois parties, ce qui permet trois vitesses de rotation différentes. Le cône E n’est pas un artifice inutile : il permet de lisser le flux et permet casser et ralentir les lignes de flux supersonique, ce qui évite des turbulences. De plus, le flux chaud est entouré par le flux froids. Deux flux de température différente ne se mélangent toujours pas, mais cela permet de réduire fortement les turbulences, et donc, le bruit produit.
Pour ce genre de moteur, on parle de taux de dilution. C’est le rapport entre le flux froid massique (dit secondaire) qui est généré par la soufflante, et le flux dit chaud massique (dit primaire) qui sort de la turbine. Ce taux est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique peuvent avoir un taux de dilution en dessous de 1, alors que les moteurs utilisés pour propulser les avions civils, optimisés pour des croisières autour de 900Km/h ont des taux de dilution allant de 5 à 10.


747's 3rd engine.

Moteur N°3 d'un 747.


The turbojet engine was invented by Charles Louvrié (copy right in 1863). It needs to wait August 1939 with the Henkel HE 178 before to fly for first time. On 1942, August, the 18th Messerschmitt do the first flight of the ME 262, first serial airplane (more than 1400 built) to use a turbojet engine. Too noisy, too gourmand, after a short highlight during the 60’s, this engine was abandoned by civilians airplane, even if it can have interesting capacities on very high speed, like proved by Concorde and military applications (The Lockheed SR71 BlackBird is still the fastest turbojet engine airplane: it can fly at Mach 3,5 or more of 4000 km/h!).
Little scheme to understand how it works:


The air flow come on the engine in A and is sucked up and comprimed by the compressor B. Some fuel is injected and burned in C. The power delivered is got back by the turbine D. Then the gaz are expulsed by the nozzle E. To be noted: the hot flow that goes out the nozzle didn’t mix with the cold flow outside of the engine (different temperatures fluids cannot mix them easy), but a strong turbulence area is created on the frontier of the two flows. It decreases the airplane performance, and also made a lot of noise.

The post combustion case: on certain high performance engine, some fuel is injected on the nozzle E. It increase the performance of the engine, but the consumption in post combustion mode is very heavy.

CRJ100 turbofan.

Turbopropulseur double flux d'un CRJ100.

The solution founded to made these engines less noisy and more economic was the double flow turbojet engine, or turbofan.
The bigest part of the noise is due to the gaz detente on the nozzle exhaust. So, we add a big fan in front of the engine to « wrap » the exhaust gaz, and increase the engine performance.
Work:

The air flow come in to the engine in A, and is sucked and comprimed by the fan B. A large parts is directly ejected by C to product to 80% of the engine push for a civilian airplane. For the turbo jet engine D, see fonctionnement behind. In fact, to simplify, the double flow turbojet engine is only a turbojet engine for who we add a supplementary big compressor, the fan. To be précised: the principal driveshaft is divised in tree parts, it permise to obtain tree different speed. The cone E is not an inutile device : it permit to break and slow down the supersonic flow line, and avoid turbulence, so noise and bad work. Other point: the hot flow is surrounded by the cold flow. Two flow with different temperature still not mix, but it reduce strongly the turbulence, and so, the noise…
For this kind of engine, we speak about dilution rate (I don’t know if the English expression is really this one!). It is the relationship betwen the mass of the cold flow generated by the fan and the mass of the hot flow generated by the turbojet. This rate is variable between the engine. More the airplane is destined to have low speed, more this rate will be hight. The military engine, optimised for supersonic flight can have a dilution rate under 1, wihle the engine use on airliner, optimised to flight 900Km/h as dilution rate near 5 to 10.

Turbojet engine number 3 and 4.

Turbopropulseur double flux N° 3 et 4 d'un 747.

Turboprop: What it is and how does it work?

Qu’est ce qu’un turbopropulseur et comment ça marche?

Parler de turbopropulseur est un abus de langage. En effet, le mot vient de l’anglais « turboprop » qui est l’assemblage de turbo (pour la turbine) et propeller (pour l’hélice). Ainsi, nous comprenons que ce moteur est l’assemblage d’une turbine et d’une hélice.
L’idée de l’utilisation des turbopropulseurs remonte en 1939, aux U.S.A. quand J. Northrop débuta l'étude d’une turbine à gaz en remplacement du moteur à explosion pour propulser des avions. Mais en 1944, le turboréacteur fut mis au point avec succès avec le Messerschmitt ME262. La turbine à gaz fut donc oubliée au profit du turboréacteur pour alimenter l'hélice: Le turbopropulseur était né. Le premier turbopropulseur à atteindre le banc d'essai était le Rolls-Royce Trent en mars 1945. Il fut couramment utilisé sur tous type d’avions avant de céder la place au turbopropulseur à simple, puis à double flux. Un peu tombé en désuétude, il est de nouveau fortement sollicité de nos jours pour les avions de transport régionaux, de capacité réduite, ou les hélicoptères afin de répondre aux défis majeurs du rendement économique et des normes environnementales toujours plus serrées.
L’inconvénient de cette motorisation est qu’un appareil ainsi équipé est limité en vitesse par son hélice. La formation des ondes de choc sur les hélices est connu depuis les années 20, en effet, des recherches avaient été déjà faites sur des hélices tournant à grande vitesse. La vitesse de l'air frappant hélice est due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. A mesure que ces deux vitesses augmentent, l'extrémité des pales subies des ondes de choc transsoniques, ainsi à 800 km/h, un tiers de la longueur des pales est touché par ces ondes, diminuant l’efficacité de 50%! Il est couramment admis que cette vitesse est le plafond de vitesse pour un avion à hélice (même si le F-84 H atteindra tout de même 1050 km/h soit pratiquement Mach 1!) Le turbopropulseur est donc employé généralement sur des avions dont la vitesse n'excède pas 500 à 600 km/h, tels que les avions de tourisme ou les appareils de capacité réduite. On utilise aussi le turbopropulseur sur les hélicoptères. Il est intéressant de noter que c'est ce même phénomène qui limite la vitesse des hélicoptères à 400Km/h car l'hélice, en position horizontale, subit plus de contrainte.

Détail du fonctionnement :

Une partie de l’air poussé par l’hélice A pénètre dans le moteur en B. Ce flux est comprimé par le compresseur C.
Le flux arrive ensuite dans la chambre de combustion à flux inversé D, dans laquelle il est mélangé au carburant. Un système d’allumage provoque la combustion du mélange.
L’énergie ainsi crée est utilisée de deux façons :
-Elle entraine les turbines E qui transmettent une forte puissance et un régime de rotation élevé mais un faible couple au réducteur F. Celui-ci transforme cette énergie en forte puissance, régime de rotation modéré mais couple élevé.
-Elle fournie entre 10 et 15% de la poussée du moteur par échappement par la tuyère G.

What is a Turboprop, and how does it work? Turboprop is the assembly of a turbine and a propeller. The idea to use turbine engine to actione a proppler is borne on the U.S.A. in 1939, when J. Northop begin the studie of a gaz turbine to replace the traditional piston engine to propulse the airplane. But in 1944, the turboreacteur was succesfully built with the Messerschmitt ME262. So, the gaz turbine was forget and replaced by the turboréacteur to entrain the proppler: the turbopropulseur was born. The first one was the Rolls-Royce Trent in march 1945. It was largely used in all airplane type before to be replaced by a simple Flux, then to a double flux turbopropulseur. Forget during the 60's, it is strongly asked today for small and regional airplane, or for the hélicoptères in order to responde to the defial of the economical return and to the environmental law stronger every year. The less of thi kind of motor is that speed of the airplane equiped with it is limited by it's proppler. The formation of shock waves on the proppler is knew since the 20's, some research have proved that the air who strike the proppler turning at heavy fast is due to the rotation of the proppler, and also to the airplane speed. due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. As these two speeds increase, the extremity of pales undergone by transsoniques shock waves, so, at the speed of 800 km/h, one on three of the pales lenght is touched by these waves, this cause the lost of 50% of the efficacity! It's often admetted that this speed is the maximum speed for a proppler airplane (even if the F-84 H as reach 1050 km/h, nearly the sound wave speed!) The turbopropulseur is so generaly used on airplanes who dont go faster than 500 to 600 km/h, like tourism or small airplane. It's also used on helicopters. It is interessting to constate that it is the same phénomena who limite the helicopters speed to 400Km/h, because the proppler in horisontal position sudden more forces.

Working details:

One parts of the air flow pushed by the proppler A go in the engine by the open B. This air flow is comprimed by the compressor C. The flow arrived in the inversted stream combustion chamber D, in wich one it is mixed with carburant. Then, an ignition device burn this mix. The power delivred is used pf two manners:

-It made turn the turbines E, who transmitted a strong power and a hight regime of rotation but a low torque to the reducer F. This one is changing this energy in high power, low regim rotation, but hight torque.

-It furnish near 10 and 15% of the engine with the exhaust by the nozzle G.

Chambery airport

Chambery est historiquement la ville la plus importantes des Alpes Française. Elle dispose de son propre aeroport internationnal. Quasiement inutilisé hors saison, en hiver, il frôle la saturation...

Chambery is historically the most important town of the French Alpes. It's got its own international airport. Nearly not used during summer, in winter, it's nearly saturated...

Je me suis rendu aujourd'hui à cet aéroport pour voir le balais des vols charters.

Today, i went on this airport to see the charters works.

Pour les gens qui paient des impôts en France, regardez de quelle manière votre argent est dépensé...

Arrivée en hélicoptère...

For people whom paid any taxes in France, look how your money is spend... Arrived by helicopter...

Et petit jet privé, rentabilisé par un remplissage fabuleux... (je n'ai vu que 3/4 personnes monter à bord...)

And small private airplane, fully occupated (i've see nearly 3/4 guys coming inside...)

Pour mémoir, un airbus A319 tel que celui ci peut emporter de 107 à 129 passager...

For memory, an airbus A319 like this one can take inboard from 107 to 129 passengers...

Turbo-propre

L'avion est il si polluant que ça?
Je me suis rendu à Limoges en avion Lundi dernier. Le même jour, des collègues ont effectués le même déplacement, eux en voiture...
Sur ce trajet au départ de Lyon, l'avion à consommé 216 Kg de carburant dans le réservoir gauche, et 225 coté droit.
La masse volumique du kérosène étant d'environ 800kg/m3 à 20°C, je conclue que nous avons consommé environs 551 litres de kérosène.
447 Km de voyage, ce qui veux dire que nous avons consommé 123 litres par 100Km.
Mes collègues, eux, n'ont consommé qu'une moyenne de 7,5 litres par 100Km.
Au niveau écologique, la voiture est donc largement avantagée par ce calcul… Vraiment?
La voiture avait deux passagers (remplissage 5O%). Nous étions 35 dans l'avion (remplissage 45%)…

Par passagers, la consommation était donc de 3,75 litres par 100Km en voiture.
Par passager, l'avion, lui à consommé 3,52 litres par 100Km. Et pourtant, il était lui aussi loin du remplissage optimal...

Alors? L'avion pollue t il vraiment tant que ça? Et si c'était plutôt la manie que nous avons a vouloir nous déplacer sans arrêt qui était source de pollution?

As the airplanes are the biggest sources of pollution?
I was in Limoges on the last Monday by airplane. The same day, two team mates have done the same trip in car…
On this travel, departure from lyon, the airplane have burn 216 Kg of fuel in the left tank, and 225 on the right tank.

The fuel volumic masse is nearly 800kg/m3 at 20°C, so, we have burn 551 litre of fuel.

The travel is 447Km fare, it means that the fuel consumption it 123 litre for 100 Km.

My team mate have only burn 7,5 litre for 100Km.

For the environment, the car is so better than the plane… Really?

The car has two passengers (50% full). We are 35 in the plane (45% full)…

By passengers, the car consumption was 3,75 litre by 100Km.
For the plane, 3,52 litre by 100 Km… And it was also fare from it's optimal passengers load.

So? As the airplane is polluting a lot? And if it is ours comportment to always want to go in trip who is polluting?

New trip with Airlinair.

Aujourd'hui, grace a la gentillesse de l'équipage de mon vol Airlinair, j'ai pu assister à toute la phase de descente et atterissage depuis le cocpit, avec en prime les conversation radio de l'équipage!

Today, thanks to the team of my Airlinair's flight, i've assited to the whole down and landing process from the front cocpit, with in more the rodio conversation of the team!

After landing. Après l'atterissage.

En vol à plus de 10000 pieds. In flight, at more than 10000 foot.

Parcked in Limoges.

Vortex at the end of the wing.

Vortex en bout d'aile.

Go on board on the morning.

L'embarquement pour l'allé ce matin.