Voilure (aéronautique)

Infos
La voilure d'un Airbus A300 La voilure (ou simplement l'aile) est une partie d'un avion. Elle transforme une partie de la force nécessaire à la vitesse de l'avion en force de portance qui permet le vol. ::"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 trav
Voilure (aéronautique)

La voilure d'un Airbus A300 La voilure (ou simplement l'aile) est une partie d'un avion. Elle transforme une partie de la force nécessaire à la vitesse de l'avion en force de portance qui permet le vol. ::"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).

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 étrésillons et des haubans. Dans la première moitié du XX siècle on a donc construit des avions biplans (à 2 voilures superposées) voire triplans (à 3 voilures superposées). Ceci permettait d'obtenir une portance supplémentaire sans trop augmenter l'envergure et la masse de l'aile. Cependant, les nombreux câbles créant une forte traînée, la voilure en porte-à-faux (ou cantilever) s'est vite imposée dès la construction d'avions entièrement métalliques. Depuis la Seconde Guerre mondiale, la quasi-totalité des avions sont monoplans : leur voilure est constituée de deux ailes (ou demi-voilures) 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 (ex. Cessna 152). Avion à ailes basses Avion à ailes hautes

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 'emplanture'. La jonction du bord d'attaque au fuselage peut être prolongée vers l'avant par une aigrette (strake 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) doubles.

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.

Surfaces mobiles

L'aile supporte des surfaces mobiles permettant le pilotage 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.

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

Structure en bois d'une aile d'avion du début du siècle 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. Aile droite d'un C-130 Hercules Aile en flèche d'un F-16 Aile delta du Concorde

Portance et stabilisation

Cas de deux surfaces L'équilibre longitudinal est obtenu généralement, en plus d'un positionnement spécifique du centre de gravité, par le différentiel de portance de deux surfaces portantes éloignées l'une de l'autre :
-soit la portance ne varie pas de la même manière avec l'angle d'attaque (pente de portance),
-soit avec des calages d'angle d'attaque différent : c'est le V longitudinal. Dans le cas de la disposition classique, avec un stabilisateur situé à l'arrière, l'effet d'une différence de calage est le suivant : l'angle de calage du stabilisateur est inférieur à celui de la voilure principale. 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. :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°) Ces deux surfaces peuvent être disposées de plusieurs façons :
- 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 celui de l'arrière.
- disposition en tandem, surfaces voisines (Pou du ciel, Quickie, Dragonfly). Les deux portent, idem canard.
- 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 (sauf stabilisation artificielle). 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. Cas d'une seule surface Les solutions sont diverses : usage d'un profil à cambrure négative (?), profil à double courbure (positive dans la partie avant du profil et négative dans la partie arrière), stabilisation active assurée par un calculateur (fly by wire).
-Voilure delta (Mirage, Concorde), Aile volante. Faute d'empennage reculé, la stabilité longitudinale, obtenue par des artifices diminuant la portance, est faible et ne permet pas le montage de volets amenant des moments piqueurs élevés. Le coefficient de portance maximale reste limité, ce qui oblige à augmenter la surface de l'aile.

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 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 très particulière est celle de '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 très forte flèche, positive d'un côté et négative de l'autre La NASA Ames avait fait voler un prototype construit par Burt Rutan appelé AD-1 entre 1979 et 1982.

Forme en plan

-Ailes elliptiques. Les ailes présentant une distribution de portance elliptique ont théoriquement une traîné 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

:voir aussi les articles Portance et Profil (aéronautique). 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).

Références

Liens

-
- Catégorie:Construction aéronautique Catégorie:Aérodynamique appliquée à l'avion am:ክንፍ bg:Крило ca:Ala (aeronàutica) cs:Křídlo da:Vinge de:Tragfläche en:Wing es:Ala (aeronáutica) fa:بال fi:Siipi he:כנף (מטוס) hr:Krilo zrakoplova id:Sayap it:Ala (aeronautica) ja:翼 nl:Vleugel (vliegtuig) oc:Ala sl:Krilo tr:Kanat zh:机翼
Sujets connexes
Aile delta   Aile volante   Aileron (aéronautique)   Avion   Aérodynamique   Aérofrein   Beriev Be-200   Bernoulli   Biplan   Bord d'attaque   Bord de fuite   Burt Rutan   Cessna 152   Concorde   Croisière (pilotage)   Dispositif hypersustentateur   Dièdre (avion)   Elevon   Emplanture   Envergure   Extrados   Flèche   Fuselage   General Dynamics F-111   Gouverne   Grumman F-14 Tomcat   Géométrie variable   Hélice   Hélicoptère   Incidence   Intrados   Longeron   Mikoyan-Gourevitch MiG-23   Mirage   Moteur   Nervure   Pale   Panavia Tornado   Pente de portance   Portance   Porte-à-faux   Profil (aéronautique)   Rotor principal   Saumon (aéronautique)   Seconde Guerre mondiale   Sikorsky X-Wing   Soukhoï Su-17   Supermarine Spitfire   Train d'atterrissage   Triplan   Winglet  
#
Accident de Beaune   Amélie Mauresmo   Anisocytose   C3H6O   CA Paris   Carole Richert   Catherinettes   Chaleur massique   Championnat de Tunisie de football D2   Classement mondial des entreprises leader par secteur   Col du Bonhomme (Vosges)   De viris illustribus (Lhomond)   Dolcett   EGP  
^