Pourquoi les avions volent-ils si haut ?

Pourquoi perdre autant d’énergie et de temps pour monter en altitude alors qu’il serait tellement simple de faire voler les avions plus bas ? C’est la question à laquelle nous allons essayer de répondre aujourd’hui !

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Sur un vol entre Paris et Strasbourg, le Commandant de Bord vous annonce une altitude de croisière de 30.000 pieds, soit un peu plus de 9.000 mètres. Mais quelle idée de monter si haut !

Afin de comprendre la suite, jetons tout d’abord un œil là-haut afin de voir ce qui est différent entre le sol et 9.000 d’altitude. Ou pour faire plus simple, quelle différence observons-nous entre l’air que nous respirons actuellement et celui qui entrerait dans nos poumons en haut du Mont Blanc ?

Tout d’abord l’air en altitude est plus froid. Il suffit d’aller en montagne pour constater cette baisse de température.

Pour vous donner un ordre d’idée, la température chute de 6,5°C à chaque fois qu’on s’élève de 1000m. Donc s’il fait 30°C au pied du Mont Blanc, on peut s’attendre à une température de l’ordre de 0°C au sommet.

Ensuite, la densité de l’air diminue avec l’altitude. Cela signifie qu’une boîte à chaussure (ou n’importe quelle autre boîte de dimensions définies si vous n’aimez pas les chaussures) contiendra une plus grande quantité d’air si elle se trouve à Paris qu’au sommet de l’Everest. Pour le comprendre je vous propose d’imaginer l’air comme plein de petites particules qui flottent en apesanteur. Au niveau du sol, ces particules vont être nombreuses et donc serrées, proches les unes des autres. En altitude, ces même particules sont moins nombreuses, donc moins serrées, plus éloignées les unes des autres. Vous visualisez ? Parfait !

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Encore une fois pour avoir un ordre d’idée, la densité de l’air est environ deux fois plus faible à 5.000m qu’au sol. Par rapport notre exemple précédent, il y a deux fois moins de particules en suspension : elles ont donc vraiment de la place !

C’est justement cette diminution de densité de l’air qui nous intéresse pour expliquer pourquoi les avions volent si haut : il existe deux raisons principales qui motivent à exploiter les avions en altitude : la première est liée à l’aérodynamique (c’est à dire le comportement de l’avion par rapport à l’air qui l’entoure), la seconde concerne les moteurs.

La raison aérodynamique : quand on se réfère à l’explication précédente de la densité de l’air, on comprend facilement que l’air oppose moins de résistance à l’avancement de l’avion en altitude. Il va donc être possible d’aller plus vite sans que cela demande plus d’efforts. On a donc tout intérêt à monter autant que possible ! Tout simplement.

Pour connaître sa vitesse, un avion dispose d’instruments qui vont en quelque sorte « compter le nombre de particules d’air » qui s’écoulent autour de l’avion (ce qu’on appelle une pression dynamique). Quand la densité de l’air est plus faible, l’avion va donc plus vite pour une même vitesse affichée. En altitude, on va donc plus vite !

→ La raison liée aux moteurs : pour fonctionner, les moteurs ont besoin à la fois d’oxygène (contenu dans l’air) et de carburant. Et comme dans toute recette de cuisine, il faut mettre la bonne quantité de chaque ingrédient afin d’obtenir un bon résultat. Saviez-vous par exemple que pour votre voiture, le mélange idéal est d’environ 15 grammes d’air pour 1 gramme de carburant. Stupéfiant, non ? La quantité d’air diminuant avec l’altitude, il en va donc de même pour la quantité de carburant nécessaire. Au final, plus un avion vole haut, moins il consomme !

Pour aller plus loin :
Comme l’explique un des lecteurs de « Comment ça vole ? », en réduisant la consommation de carburant proportionnellement à l’arrivée d’air, le moteur va alors fournir moins de puissance. Mais comme en altitude, l’air est moins dense, il y a moins de traînée (moins de frottement) et donc on a aussi besoin de moins de puissance. Au final, on est donc gagnant en consommation !

Nous venons de voir qu’avec de l’altitude, un avion va plus vite et consomme moins. Dans ce cas, pourquoi se priver ? Cela explique donc la raison pour laquelle les avions volent si haut.

On notera cependant qu’il existe une limite haute qui empêche les avions de monter au-delà d’une certaine altitude et qu’au final, l’altitude adoptée par un avion de ligne sera un compromis prenant en compte de multiples contraintes. Mais cela sera l’objet d’un prochain article !

By | 2016-12-09T18:55:55+00:00 2 avril 2014|Compagnies aériennes, Technique|25 Comments

About the Author:

Pilote professionnel, instructeur et ingénieur aéronautique, je suis le fondateur du site "Comment ça vole ?" et me passionne pour la vulgarisation aéronautique ! Ca tombe bien, non ?

25 Comments

  1. Betty 17 avril 2014 at 13h51 - Reply

    Toujours aussi intéressants tes articles ! et pour les néophytes comme moi, tes petits dessins ça aide !!!

    • Julien 17 avril 2014 at 14h51 - Reply

      J’essaierai d’en mettre davantage dans les prochains articles ! 😉

  2. Lynxoa64 25 avril 2014 at 0h40 - Reply

    Super articles dans ce site. Étant pilote, je confirme que tout est parfaitement exact. Merci de simplifier l’environnement aéro comme vous le faites. Bravo. La photo illustre ici, non pas un avion de ligne mais un DR400 🙂

    • Julien 25 avril 2014 at 14h57 - Reply

      Bonjour Lynxoa64 et merci pour votre message ! Il s’agit en effet d’une photo prise depuis un DR400 en survolant la Loire. A bientôt pour un nouvel article !

  3. Valérie 25 avril 2014 at 21h04 - Reply

    encore des articles!

    • Julien 26 avril 2014 at 0h21 - Reply

      Promis, il y en aura un nouveau chaque semaine ! 🙂

  4. Pascal 1 mai 2014 at 11h26 - Reply

    « Saviez-vous par exemple que pour votre voiture, le mélange idéal est d’environ 15 grammes d’air pour 1 gramme de carburant. Stupéfiant, non ? La quantité d’air diminuant avec l’altitude, il en va donc de même pour la quantité de carburant nécessaire. Au final, plus un avion vole haut, moins il consomme ! »

    Nécessaire à quoi? Attention, à trop simplifier, vous pourriez être mal compris. On ne réduit pas la consommation d’un moteur simplement en réduisant l’arrivée d’air.

    Si on parle de mélange idéal (proportions stoechiométriques) , alors on consommera toujours une quantité A d’air pour bruler une quantité B de carburant pour produire l’énergie C. Si on garde le mélange idéal, je peux réduire les quantités en gardant les bonnes proportions, mais si j’espère obtenir la même chose de mon moteur, je peux toujours rêver.

    On consomme moins à haute altitude et à haute vitesse parce que les moteurs y sont plus efficaces. (Pour tout un tas de raisons, d’ailleurs, la relation entre les performances d’un moteur, la vitesse, et l’altitude est complexe, que ce soit un moteur à piston, ou une turbine).

    • Julien 1 mai 2014 at 21h18 - Reply

      Bonjour Pascal,
      Merci pour cette réponse détaillée.
      C’est vrai qu’il est souvent difficile de trouver un bon compromis entre simplification, vulgarisation et rigueur de raisonnement et d’explication. Je tâcherai d’y prêter plus attention à l’avenir.
      Bonne continuation et à bientôt,
      Julien

  5. etchenic bruno 9 mai 2014 at 18h10 - Reply

    Il y a aussi une autre raison que vous pouvez rajouter à votre explication. Le confort! Voler au dessus des nuages évite de voler dans un air perturbé par des poches d’air de différentes masses volumiques qui créeraient des turbulences en permanence.

    • Julien 10 mai 2014 at 1h05 - Reply

      Effectivement. D’ailleurs, comme expliqué dans l’article « Pourquoi y a-t-il des turbulences ? », une grande partie des phénomènes atmosphériques à l’origine de ces perturbations de la masse d’air ont lieu dans les basses couches.

  6. BRESSON 2 juin 2014 at 12h24 - Reply

    Pas tout à fait d’accord avec Pascal… On appauvrit (manuellement) un moteur à pistons en altitude parce que le carburateur manipule des volumes et le rapport stœchiométrique manipule des poids! L’air étant de moins en moins dense au fur et à mesure que l’altitude augmente, il faut donc diminuer le volume de carburant pour respecter le bon rapport. Sur les moteurs à pistons à injection, c’est une capsule barométrique qui se charge de la bonne proportion du mélange. Mais, bien évidemment, la puissance baisse proportionnellement! D’où l’usage de compresseurs, ou de turbocompresseurs, pour « gaver » le moteur et rétablir, ou essayer de rétablir, la puissance nominale. La fameuse « altitude de rétablissement » des anciens avions militaires à moteurs à piston…
    Pour les moteurs à turbines (turbo-prop ou réacteur), même chose. Et la consommation diminue drastiquement, d’autant plus que la trainée de l’avion diminue d’autant plus que la densité de l’air est faible!
    Par contre, quel bonheur de se balader à 1500 pieds dans un DR400, même si, des fois, ça turbule sévère!

    • Julien 3 juin 2014 at 21h34 - Reply

      Bonjour Dominique,
      Merci pour ces précisions qui intéresseront certainement les plus curieux des lecteurs.
      Bonne soirée,
      Julien

  7. Tutur 17 juillet 2014 at 15h24 - Reply

    Bonjour
    Je n’ai pas tous a fait compris car en réduisant la consomation de carburant proportionnellement à l’arrivée d’air le moteur va alors fournir beaucoup moins de puissance?

    • Frédéric 24 décembre 2014 at 14h41 - Reply

      Vous avez raison, la vulgarisation est allée un poil trop loin là…
      On aura en effet moins de puissance en appauvrissant le mélange. Mais comme en altitude, l’air est moins dense, il y a moins de traînée (moins de frottement) et donc on a aussi besoin de moins de puissance.
      Au total donc, on aura parcouru nos X km avec moins de carburant et on est donc gagnant en consommation.

      • Julien 24 décembre 2014 at 18h21 - Reply

        Bonjour Tutur et Frédéric,
        Merci d’avoir pris le temps de faire des commentaires. Je modifie l’article dès maintenant pour les prendre en compte.
        Bonne fêtes de fin d’année,
        Julien

  8. ratel 2 avril 2015 at 21h11 - Reply

    votre site et super intéressant, passioné d’aviation depuis l’âge de 10ans, j’ai 76 ANS , et croyer moi avec le 21emes siécles nous faisons des pas de géant, je suis de prét solar -impulse un bijoux de technologie, l’espace aussi me passionne, je ne veux en aucun cas partir idiot!!!!

  9. jo 14 mai 2015 at 4h16 - Reply

    Écoute.Ta manière d’expliquer avec des raisonnements simples est juste génial.
    Cette explication me servira.
    Encore merci

  10. Dan Filingué 30 novembre 2015 at 14h51 - Reply

    vraiment tu as bien détaillé cet article tous est claire merci bien

  11. Gab 18 mai 2016 at 9h42 - Reply

    Bonjour,
    Utilisant flightradar24.com pour suivre le voyage de mes proches (et aussi parce que ça me fascine) il y a des trucs qui m’échappent : Par exemple une amie prend un avion Paris-San Salvador. Je regarde sur ce site et m’aperçoit que son avion (un A330) navique à 34 000 pieds à la vitesse de 430 Kn. Dans le sens inverse je peux observer des avions similaires voler jusqu’à 540 Kn et à des altitudes plus élevées (entre 37 000 et 40 000 pieds). La différence de vitesse s’explique par les courants aériens est-ouest et ne porte pas là-dessus. Mais pourquoi l’avion de mon amie ne monte-t-il pas plus haut pour gagner en vitesse ? Merci de votre réponse et merci pour votre site

    • Coail 22 juin 2016 at 12h00 - Reply

      Bonjour Gab,
      Il faut aussi prendre en compte le fait que les routes aériennes sont réglementées. Ainsi, la différence d’altitude entre la route Paris-Salvador et Salvador-Paris évite à votre amie de se retrouver nez à nez avec un autre avion.

  12. Sngal 7 juillet 2016 at 18h16 - Reply

    Merci
    Ce avez assouvi ma curiosité …
    Bonne suite

  13. amen 24 août 2016 at 16h39 - Reply

    très très très bon tes articles grâce à eux je connais mieux les avions auxquels je me passion depuis tout petit.

  14. Mira 18 décembre 2016 at 5h24 - Reply

    Franchement Bravo !! Une pédagogie ultra simplifié en direction de nouveaux passionés de l’avion, une modestie que je souhaite saluer!!
    Merci de partager votre savoir, je reste à l’écoute.

  15. Alan 26 juillet 2017 at 11h46 - Reply

    On peut aussi rappeler qu’en cas de panne moteur la distance que sera capable de parcourir l’avion sera plus importante.

  16. Moussa 14 septembre 2017 at 11h20 - Reply

    Merci pour cet article très clair.

    Une objection cependant: la baisse de densité (via augmentation de l’altitude) diminue bien la traînée, mais aussi la portance. Du coup, il faut augmenter l’incidence, ce qui résulte en une augmentation de la traînée (traînée induite).

    Bref, tout ça pour dire que le raisonnement est plus complexe que « plus on monte moins on consomme », et qu’en fait il existe une altitude optimale de croisière qui équilibre les 2 phénomènes (baisse de traînée avec altitude et augmentation de trainée induite)

    Cette altitude optimale est dépendante de la masse, ce qui explique que les longs courriers augmentent leur altitude de croisière au cours du temps (car ils s’allègent avec la conso carburant)

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