Roulis – Rotation autour de l’axe longitudinal en aviation

Le roulis en aviation est la rotation d’un aéronef autour de son axe longitudinal, qui s’étend du nez à la queue en passant par le centre de gravité. Lorsqu’un avion effectue un roulis, une aile monte tandis que l’autre descend, ce qui incline l’aéronef à gauche ou à droite. Le roulis est un mouvement fondamental en vol, essentiel pour amorcer et maintenir les virages, ainsi que pour manœuvrer et stabiliser l’appareil.

L’axe longitudinal : l’axe du roulis

L’axe longitudinal sert de référence autour duquel le roulis s’effectue. Cette ligne imaginaire s’étend du nez à la queue et passe par le centre de gravité de l’aéronef. Lorsque le pilote commande un roulis, l’avion pivote autour de cet axe, modifiant l’orientation des ailes par rapport à l’horizon. Les concepteurs d’avion veillent à ce que le centre de gravité soit correctement aligné sur l’axe longitudinal pour garantir l’équilibre et la contrôlabilité.

Les ailerons : surfaces de contrôle principales du roulis

Les ailerons sont des surfaces de contrôle articulées situées près des extrémités des ailes sur le bord de fuite de chaque aile. Ils sont les principaux dispositifs utilisés pour induire le roulis. Lorsque le pilote déplace le manche ou le volant à gauche ou à droite, les ailerons se déplacent en sens opposé — l’un vers le haut, l’autre vers le bas. L’aileron relevé réduit la portance sur son aile, tandis que l’aileron abaissé augmente la portance sur l’aile opposée, créant ainsi un moment de roulis.

Certains avions, en particulier ceux à grande envergure, utilisent des ailerons différentiels (avec plus de mouvement vers le haut que vers le bas) ou combinent l’action des ailerons avec des spoilers pour améliorer la réponse en roulis et réduire le lacet inverse.

Vitesse de roulis : rapidité du mouvement de roulis

La vitesse de roulis mesure la rapidité avec laquelle un aéronef peut changer son angle d’inclinaison, généralement exprimée en degrés par seconde (°/s). Elle dépend de l’efficacité des ailerons, de la vitesse, de la conception de l’aile et du moment d’inertie de l’aéronef autour de l’axe longitudinal. Les avions de haute performance et de voltige sont conçus pour des vitesses de roulis rapides, tandis que les avions de ligne ont des vitesses de roulis plus lentes et contrôlées pour le confort et la sécurité des passagers.

La vitesse de roulis est un paramètre de performance critique, et les normes de certification exigent des vitesses minimales pour garantir la manœuvrabilité et la sécurité. Des commandes de roulis excessives ou brusques, surtout à grande vitesse, peuvent solliciter excessivement la structure de l’avion.

Angle de roulis (angle d’inclinaison) : mesure du roulis

L’angle de roulis ou angle d’inclinaison indique la mesure dans laquelle l’aéronef a pivoté autour de son axe longitudinal par rapport à une position à plat. Un angle de 0° signifie que les ailes sont à plat ; des angles positifs (par convention) indiquent que l’aile droite est basse. Les pilotes utilisent des instruments de vol comme l’indicateur d’assiette pour surveiller et contrôler l’angle de roulis, surtout en vol aux instruments.

Le maintien d’angles d’inclinaison appropriés est crucial : des inclinaisons prononcées augmentent le facteur de charge (g), le risque de décrochage et exigent plus d’habileté pour maintenir l’altitude et le cap.

Lois de commande de roulis dans les avions à commandes de vol électriques (FBW)

Les avions modernes à commandes de vol électriques utilisent des systèmes de contrôle électronique pour interpréter les commandes du pilote et contrôler le roulis. Les commandes du pilote sont traitées par des ordinateurs, qui déplacent les ailerons et parfois les spoilers afin d’obtenir la vitesse de roulis et l’angle d’inclinaison souhaités, tout en maintenant automatiquement les limites de sécurité et les protections de l’enveloppe de vol.

Par exemple, les avions Airbus utilisent souvent une loi « commande de vitesse/maintien d’attitude », où le déplacement du manche latéral commande une certaine vitesse de roulis, et le relâcher maintient l’angle d’inclinaison actuel. Les systèmes FBW peuvent inclure des limites d’angle d’inclinaison, des limiteurs de vitesse de roulis, et la coordination automatique du gouvernail.

Les trois axes de rotation : roulis, tangage et lacet

Le mouvement d’un aéronef est décrit par rapport à trois axes :

• Longitudinal (roulis) : Rotation autour de l’axe du nez à la queue, contrôlée par les ailerons.
• Latéral (tangage) : Rotation autour de l’axe d’aile à aile, contrôlée par les gouvernes de profondeur.
• Vertical (lacet) : Rotation autour de l’axe vertical passant par le centre de gravité, contrôlée par la gouverne de direction.

Un contrôle précis sur ces trois axes est fondamental pour un vol sûr et coordonné.

Sens du roulis et règle de la main droite

Le sens du roulis est standardisé grâce à la règle de la main droite : pointez le pouce droit le long de l’axe longitudinal (du nez à la queue) ; les doigts se courbent dans la direction du roulis positif (aile droite basse). Cette convention est utilisée dans les manuels de vol, les systèmes avioniques et les enregistreurs de vol afin d’assurer la cohérence dans toute l’industrie aéronautique.

Roulis et virages de l’aéronef

Pour amorcer un virage, le pilote incline l’appareil en effectuant un roulis. Cela incline le vecteur de portance, créant une composante horizontale qui agit comme force centripète nécessaire au virage. L’angle d’inclinaison détermine la vitesse de virage : des inclinaisons plus prononcées produisent des virages plus rapides mais augmentent les charges structurelles.

La relation entre l’angle d’inclinaison, la vitesse et la vitesse de virage est donnée par :

[ \text{Vitesse de virage (°/s)} = \frac{1091 \times \tan(\text{angle d’inclinaison})}{\text{Vitesse (nœuds)}} ]

Les virages à taux standard (utilisés en vol aux instruments) sont généralement effectués à un angle d’inclinaison de 15–20° pour les avions de transport.

Lacet inverse et roulis coordonné

Le roulis avec les seuls ailerons produit un lacet inverse — le nez de l’avion part dans la direction opposée à celle du roulis à cause de l’augmentation de la traînée sur l’aile avec l’aileron abaissé. Les pilotes utilisent une action coordonnée sur la gouverne de direction pour compenser cet effet, maintenant ainsi le nez aligné avec la trajectoire souhaitée. Une coordination correcte est essentielle pour des virages efficaces et sûrs, et constitue une compétence fondamentale lors de la formation des pilotes.

Stabilité de roulis et stabilité latérale

La stabilité de roulis (ou stabilité latérale) est la tendance naturelle de l’aéronef à revenir en vol à plat après une perturbation en roulis. Des caractéristiques de conception comme l’angle dièdre (ailes inclinées vers le haut du fuselage vers les extrémités) renforcent la stabilité en roulis. Le dièdre génère une force de rappel lorsque l’avion est incliné, l’aidant à revenir à plat. À l’inverse, des ailes en flèche négative (anédre) réduisent la stabilité et sont utilisées sur certains jets pour améliorer la manœuvrabilité.

Amortissement du roulis

L’amortissement du roulis désigne les forces aérodynamiques qui s’opposent aux changements de roulis, aidant à stabiliser l’attitude de l’appareil. Lorsqu’une aile monte et l’autre descend lors d’un roulis, le flux d’air différentiel crée des forces opposées qui ralentissent et finissent par arrêter le mouvement de roulis. Un amortissement suffisant est essentiel pour une bonne maniabilité et constitue une exigence importante en conception et certification des aéronefs.

Systèmes d’augmentation de la commande de roulis

De nombreux avions modernes utilisent des systèmes d’augmentation de la commande de roulis (tels que les amortisseurs de roulis et les systèmes de commandes de vol électroniques) pour améliorer la réponse et la stabilité en roulis. Ces systèmes peuvent ajuster automatiquement les ailerons, spoilers et la gouverne de direction pour maintenir le contrôle du roulis, compenser une poussée asymétrique et corriger les perturbations. Ils sont particulièrement importants sur les avions de grande taille ou à grande vitesse, où la réponse naturelle au roulis peut être insuffisante pour une exploitation sûre.

Roulis dans la formation à la prévention et à la récupération des pertes de contrôle (UPRT)

L’UPRT forme les pilotes à reconnaître et à récupérer les attitudes inhabituelles, y compris un roulis excessif. Les pertes de contrôle en roulis peuvent résulter de turbulences, de sillages turbulents ou de défaillances de commande. Les pilotes apprennent à identifier les angles d’inclinaison inhabituels ou les vitesses de roulis rapides et à appliquer les techniques de récupération appropriées. L’UPRT est obligatoire pour les pilotes professionnels et comprend de la formation en simulateur et en vol réel.

Roulis dans la surveillance des données de vol et l’enquête sur les accidents

Les enregistreurs de vol consignent en continu l’angle, la vitesse et l’accélération de roulis. Ces données sont essentielles lors des enquêtes sur les accidents pour reconstituer les événements et identifier d’éventuels problèmes de contrôle. La surveillance des paramètres de roulis aide les compagnies aériennes à détecter des événements dangereux (comme des angles d’inclinaison excessifs) et à améliorer la sécurité opérationnelle.

Roulis en voltige et manœuvres avancées

Le roulis est au cœur du vol de voltige. Des figures telles que les tonneaux, vrilles et tonneaux barriqués reposent sur un contrôle du roulis rapide et précis. Les avions de voltige sont conçus pour des vitesses de roulis élevées et pour résister aux charges structurelles générées lors de ces manœuvres. Les pilotes de voltige doivent maîtriser le contrôle du roulis pour garantir la sécurité et la performance.

Roulis en vol en formation

En vol en formation, un contrôle précis du roulis est vital pour maintenir la position et l’espacement entre les appareils. Même de petites erreurs de roulis peuvent perturber l’intégrité de la formation et augmenter le risque de collision. Les équipes de voltige aérienne synchronisent leurs manœuvres de roulis, exigeant une coordination et une précision exceptionnelles de la part des pilotes.

Références et lectures complémentaires

• OACI Doc 4444, 8168, 10011, Annexe 8, Annexe 13
• Manuel de connaissances aéronautiques du pilote FAA
• EASA CS-23, FAR Partie 23
• FAA Instrument Procedures Handbook
• Fédération Aéronautique Internationale (FAI) – Normes de voltige

Le roulis est un concept fondamental en aérodynamique, en commande de vol et en formation des pilotes. La maîtrise des principes du roulis est essentielle à tout pilote et ingénieur aéronautique, car elle sous-tend la sécurité, l’efficacité et la précision des opérations aériennes.