Voilure (aéronautique)

La voilure (ou simplement l'aile) est la partie d'un avion assurant la transformation de la vitesse de l'avion en force de portance qui permet le vol. L'empennage la complète au point de vue de la stabilité.

« La portance est une fleur qui naît de la vitesse », phrase attribuée au capitaine Ferber, un pionnier de l'aviation.

Le principe physique de génération de la portance est identique à celui de la traction exercée par une hélice au travers de ses pales (voir aérodynamique). C'est pourquoi un appareil comme l'hélicoptère, qui utilise un rotor principal pour assurer sa sustentation, est appelé « appareil à voilure tournante » (par opposition à l'avion qui est un « appareil à voilure fixe »).

Sommaire 1 Description 1.1 Historique 1.2 Position sur le fuselage 1.2.1 Terminologie 1.2.2 Structure 1.2.3 Surfaces mobiles 1.2.4 Chargement 2 Géométrie et aérodynamique de l'aile 2.1 Portance et stabilisation classique (passive) 2.1.1 Cas de deux surfaces 2.1.2 Cas d'une seule surface 2.2 Stabilisation assistée (active) 2.3 Angle de flèche 2.4 Forme en plan 3 Application de l'aérodynamique à l'aile 4 Notes et références 5 Annexes 5.1 Article connexes 5.2 Lien externe

Description

Historique

La surface de voilure nécessaire au vol dépend de la masse et de la vitesse et donc de la puissance des moteurs disponibles. Au début de l'aviation les moteurs disponibles étaient peu puissants, la vitesse faible ; il fallait donc une grande surface portante, ce qui a conduit à réaliser des aéronefs à plusieurs voilures superposées reliées entre elles par des mâts et des haubans, car les techniques de l'époque et les matériaux employés ne permettaient pas de construire des structures donnant des portes-à-faux importants. Les appareils multiplans étaient donc la réponse la plus appropriée compte-tenu des techniques des débuts de l'aviation, surtout pour les appareils de combat qui ont grandement contribué aux progrès, parce que les contraintes qu'ils devaient subir étaient très élevées.

Dans la première moitié du XX^e siècle, on a donc construit des avions biplans (à deux voilures superposées) voire triplans (à trois voilures superposées). Ceci permettait d'obtenir une portance supplémentaire sans trop augmenter l'envergure et la masse de l'aile. Avec l'augmentation de la puissance des moteurs, l'apparition de nouvelles méthodes constructives et de nouveaux matériaux, l'amélioration des moyens de calcul et de dimensionnement et le développement de la science de la résistance des matériaux, la construction d'avions à ailes métalliques plus épaisses mais sans haubans a permis de réduire la traînée et de gagner en vitesse.

Depuis la Seconde Guerre mondiale, la quasi-totalité des avions sont monoplans : leur voilure est constituée de deux ailes en porte à faux ou cantilever placées de chaque côté du fuselage.

Position sur le fuselage

On distingue les ailes en fonction de leur implantation sur le fuselage :

• ailes basses ;
• médianes ;
• hautes.

Les ailes hautes permettent de protéger les moteurs contre l'ingestion de corps étrangers (ou d'eau dans le cas des hydravions, comme par exemple sur le Beriev Be-200) ou faciliter l'emport de charges volumineuses en soute (ex. Transall C-160). Sur les avions de tourisme légers, elles assurent une meilleure visibilité vers le bas, sauf en virage (ex. Cessna 152).

Terminologie

En longitudinal : le bord avant est appelé bord d'attaque et le bord arrière bord de fuite.

En transversal : la jonction de l'aile au fuselage s'appelle l'emplanture. La jonction du bord d'attaque au fuselage peut être prolongée vers l'avant par un apex (LERX en anglais).

L'extrémité de l'aile (ou saumon) peut être simplement coupée net, ou bien se terminer par une forme spéciale courbée vers le haut ou vers le bas. Il existe aussi des ailettes marginales (ou winglets en anglais), simples (vers le haut) ou doubles (vers le haut et vers le bas).

Structure

Chaque demi-voilure est constituée d'un (ou de plusieurs) longerons attachés au fuselage au niveau de l'emplanture. Les nervures supportent les revêtements supérieur (extrados) et inférieur (intrados) et transmettent les charges aérodynamiques aux longerons. La voilure peut également être le support de différents systèmes de navigation comme les feux de position (aux extrémités), les phares d'atterrissage, ou de pilotage (détecteur de décrochage). Y sont également fixés d'autres dispositifs, par exemples de fines tiges parfois terminées par des brosses en fibres de carbone (déperditeur de potentiel) permettant d'éliminer la charge électrostatique formée par la friction de l'air.

Emplanture Longerons Nervures Bord d'attaque Bord de fuite Saumon

Surfaces mobiles

L'aile présente des surfaces mobiles ou gouvernes permettant le contrôle aérodynamique de l'avion :

• gouvernes en roulis : ailerons
• gouvernes en tangage et en roulis : gouvernes de profondeur plus ailerons, séparées ou bien regroupées (élevons) sur les ailes delta
• becs et volets hypersustentateurs, aérofreins permettant le contrôle de la portance et de la traînée.

Ailette verticale marginale (Winglet en anglais) Aileron basse vitesse Aileron haute vitesse Rail de glissement des volets Becs de bord d'attaque de type Krüger Becs de bord d'attaque de type slats Volets intérieurs de type Fowler Volets extérieurs de type Fowler Spoilers (destructeur de portance) Spoilers / aérofreins

Chargement

L'aile peut aussi servir de point d'attache pour les ensembles de propulsion, le train d'atterrissage et pour l'emport de charges sur les avions militaires. Elle contient des caissons servant de réservoirs de carburant.

Géométrie et aérodynamique de l'aile

La géométrie d'une aile se définit en fonction de plusieurs éléments (voir sous aérodynamique les définitions des termes se rapportant à une aile d'avion) :

• envergure, surface alaire, allongement
• flèche : c'est l'angle horizontal formé entre le lieu du quart avant des cordes et l'axe transversal de l'avion.
• dièdre : c'est l'angle vertical formé entre le lieu du quart avant des cordes et l'axe transversal de l'avion.
• profil, corde, épaisseur.
• angle de calage : c'est l'angle entre la corde du profil d'emplanture et l'axe longitudinal de référence du fuselage, généralement horizontal à la vitesse de croisière. En vol de croisière stabilisé, l'angle de calage est égal à l'angle d'incidence.

Portance et stabilisation classique (passive)

Cas de deux surfaces

La stabilité en tangage est obtenue généralement par un positionnement spécifique du centre de gravité et par le différentiel de portance de deux surfaces portantes éloignées l'une de l'autre.
Ces deux surfaces présentent des calages différents : c'est le V longitudinal. Les surfaces peuvent être disposées de plusieurs façons :

• disposition classique : aile à l'avant, stabilisateur à l'arrière (20 à 25 % de la surface de l'aile). Le stabilisateur présente un calage inférieur à celui de la voilure principale, il est légèrement déporteur en croisière. Son potentiel de moment à cabrer permet d'équilibrer le moment à piquer élevé des volets hypersustentateurs qui augmentent fortement la portance de l'aile.

L'effet d'une différence de calage est le suivant : si une perturbation fait augmenter l'angle d'incidence, celui du plan de profondeur augmente proportionnellement plus que celui de la voilure principale. Or, la portance étant pratiquement proportionnelle à l'incidence, celle du stabilisateur augmente plus que celle de la voilure principale. Cela entraîne un couple piqueur qui va faire diminuer l'incidence^[1].

Exemple chiffré :

Incidence en vol stabilisé de la voilure principale : 4°

Incidence en vol stabilisé du plan de profondeur : 2°

Augmentation l'incidence due à la perturbation : 1°

Augmentation de portance de la voilure principale : 20 % (4°+1° par rapport à 4°)

Augmentation de portance du plan de profondeur : 50 % (2°+1° par rapport à 2°)

• disposition canard : petite surface à l'avant, aile à l'arrière. Les deux portent, l'aile avant ayant un coefficient de portance plus élevé que celle de l'arrière. La portance ne varie pas de la même manière avec l'angle d'attaque (pente de portance).

• disposition en tandem, surfaces voisines (Pou du ciel, Quickie, Dragonfly). Les deux portent, idem canard.

• Aile en mouette, en forme de « M ».
• Aile en mouette inversée, en forme de « W ».

Cas d'une seule surface

Les solutions (Aile volante avec ou sans flèche, Aile delta) sont diverses :

aile sans flèche, usage d'un profil à double courbure (positive dans la partie avant du profil et négative dans la partie arrière),

aile en flèche et vrillage négatif. Le bout d'aile (plus reculé et à calage plus faible) agit comme empennage stabilisateur,

aile delta, profil symétrique ou à faible courbure, élevons légèrement relevés (donnant un profil à double courbure)

Faute d'empennage reculé, la stabilité longitudinale, obtenue par des artifices diminuant la portance, est faible et ne permet pas le montage de volets qui amèneraient des moments piqueurs trop élevés. Le coefficient de portance maximale reste limité, ce qui oblige à augmenter la surface de l'aile.

Stabilisation assistée (active)

Dans ce cas l'avion peut être centré plus arrière et instable aérodynamiquement. La stabilisation en tangage est assurée par un calculateur qui contrôle les gouvernes en permanence (fly by wire). L'empennage étant moins déporteur, la traînée due à la stabilisation est plus faible.

Angle de flèche

• Les ailes droites (perpendiculaires au fuselage), à flèche nulle, sont adaptées aux vitesses subsoniques (< Mach 0,7)
• Les ailes en flèche ont moins de traînée au delà de Mach 0,7-0,8 que les ailes droites.
• Les ailes en flèche inversée, rarement mises en œuvre et priviégiant la maniabilité par rapport à la stabilité
• Les ailes à géométrie variable sont capables de modifier la flèche en vol pour tirer profit des avantages offerts par les ailes droites et les ailes en delta. Proposées par des aérodynamiciens allemands pendant les années 1940, elles n'ont été utilisées qu'à partir des années 1970 sur des avions comme le F-14 Tomcat, le F-111, le Tornado, le Su-17/20/22 et le MIG-23. Une configuration expérimentale (non poursuivie) est celle de l’aile oblique (X-plane, à ne pas confondre avec le X-Wing), qui peut pivoter autour d'un point de fixation situé sur le fuselage et présenter ainsi une flèche positive d'un côté et négative de l'autre. Pour explorer ce concept, la NASA Ames a fait voler un prototype AD-1 construit par Burt Rutan entre 1979 et 1982.

Forme en plan

• Ailes elliptiques. Les ailes présentant une distribution de portance elliptique ont théoriquement une traînée induite minimale aux vitesses subsoniques (Supermarine Spitfire). En pratique, l'avantage sur une aile trapézoïdale n'est pas significatif.
• Les ailes delta (Mirage III, Concorde) ont des performances optimales aux vitesses supersoniques (finesse environ 7) mais sont moins efficaces aux vitesses subsoniques (finesse du Concorde en subsonique 11,5 au lieu de 18 à 20 pour un Airbus)
• Les ailes Rogallo sont deux demi-cônes creux de tissus, une des ailes les plus simples à construire,
• Les ailes en anneau ont des surfaces portantes jointes et une meilleure finesse aérodynamique (en théorie, toujours) que les ailes planes pour le même rapport d'exposition (?). En pratique les plans porteurs se rejoignant à leur extrémité sont peu décalés en longitudinal, ce qui amène des difficultés de stabilisation en tangage réduisant l'intérêt de la formule.

Application de l'aérodynamique à l'aile

Lorsque cet appendice se déplace dans un fluide, sa forme particulière induit une traction de l'intrados vers l'extrados, perpendiculaire au plan de leur face. Si ce fluide est l'air, cela permet le vol. Mais lorsqu'il ne se déplace pas dans un fluide, sa forme induit une traction de l'extrados vers l'intrados, parallèle au plan de leur face, et égale à la relation X²/UZ+3-2QS² ou, plus simplement, au delta de pression dû à la différence des vitesses d'écoulement entre les deux faces (voir Bernoulli).

Notes et références

Annexes

Article connexes

• Configuration d'aile

Lien externe

• Définitions et configurations d'ailes - Avions légendaires

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