vendredi 21 septembre 2012

Les ailes des avions et quelques unes de leurs propriétés (Enrichi le 14 / 05 / 2016)

aux origines


Les ailes d'un avion lui apportent la sustentation (c'est à dire ce qui le maintient en l'air), dès lors qu'un système quelconque assure à l'engin un minimum de vitesse sur sa trajectoire.

Lorsque l'homme a pensé à voler, c'est évidemment parce qu'il était jaloux des oiseaux qui pouvaient lui échapper en utilisant une dimension qui lui était inaccessible.

Bien sûr, il a commencé par observer ceux des oiseaux qui pouvaient voler sans même remuer les ailes. La notion de moteur était encore inconnue.

Il est très probable que le mythe d'Icare décrive la première tentative de vol tentée par un humain... et le premier crash de l'histoire de l'Aviation : Il y a 3000 ans, voire plus, les matériaux disponibles n'étaient pas très résistants et, surtout, leur assemblage devait être particulièrement peu fiable.


les débuts réels


Si les toutes premières ailes fabriquées de main d'homme s'inspirent des oiseaux ou des chauve-souris par leurs formes en plan, celles des avions qui leur succèdent se simplifient notablement. Mais les profils restent en gros ceux d'une aile de pigeon : Très minces, fortement courbés - surtout au premier quart avant - avec une épaisseur maximale un peu en aval de la zone de courbure maximale.

Sur le Blériot XI de la Traversée de la Manche, la corde du profil (largeur mesurable de l'aile) est inclinée de 7.5° sur l'axe de l'avion lorsqu'il est en vol rectiligne. Vue sa faible charge alaire, il devait être très vite en l'air. Par contre, il lui fallait voler avec une attitude penchée vers l'avant, ce qui n'améliorait pas sa finesse.
Quand on pense à tout ce que cet avion a obtenu comme records et a fait comme manœuvres aériennes, on ne peut qu'admirer le talent et le courage incroyable de ses pilotes.

Les 3 termes que j'ai mis en gras - formes en plan, profils et corde du profil - vont revenir souvent dans le texte de ce post et dans le suivant.


la maturité


Peu après 1918, les nécessités du combats cèdent la place à celle du commerce, donc des échanges de biens et de personnes à l'échelle des continents, voire même à une échelle intercontinentale.

Les avions de combats, de quelques types qu'ils aient été, avaient démontré leur fiabilité et leur capacité à supporter des manœuvres brutales. Une partie non négligeables d'entre eux démontraient des vitesses de pointe comparables, voire supérieures, à l'extraordinaire record mondial établi par Maurice Prévost en 1913 (203,85 km/h).

Mais l'aviation commerciale, si elle était tributaire de la vitesse, exigeait de plus grandes capacités de transport à la fois en volume et en masse.

Comme les moteurs issus de la guerre étaient surabondants, il était peu raisonnable de chercher à en réaliser de nouveaux, il fallait plutôt les fiabiliser davantage.

La seule voie d'amélioration des avions résidait dans la réalisation de structures plus légères.

Et une des voies royales existant pour cela consistait à créer des ailes de profil plus épais, de 15 à 20% d'épaisseur relative. Ces nouveaux profils permettaient d'alléger la voilure :
  • La rigidité était accrue mécaniquement par les profils dont l'intrados et l'extrados étaient convexes ;
  • La portance de ces profils était plus forte, ce qui permettait de diminuer un peu la surface de voilure.
Bien évidement, on ne résista pas à la tentation de créer des profils trop épais (plus de 20%) ! C'était une erreur car ces profils présentaient une traînée trop élevée et leurs caractéristiques de décrochage n'étaient pas optimales (trop brutales).

Ensuite il fallut de nouveau gagner de la vitesse.

On pouvait bien sûr affiner le fuselage, mais le gain n'était pas monstrueux. La voilure générant beaucoup de traînée, il fallait s'en occuper d'abord.

Les gains furent obtenus au moyen de diverses méthodes qui touchaient soit à la géométrie du profil, soit à celle de la forme en plan des ailes. Ce post est dédié à ce dernier point.


forme en plan des ailes


aile rectangulaire


La forme la plus simple, la plus facile à construire, donc la plus économique, est l'aile rectangulaire, illustrée parfaitement par le Morane Rallye.



MS 880 : Aile rectangulaire, saumons arrondis




Ce type d'aile est le gage d'une très grande facilité de pilotage. 

Le Rallye que j'ai choisi comme illustration était (et est encore) un avion déconcertant de sécurité.

Pourquoi tous les avions n'utilisent pas cette aile ? parce qu'elle ne permet pas d'atteindre de très grandes vitesses. Une explication simple réside dans la création de tourbillons aux extrémités des ailes (ou vortex) qui sont créés lorsque l'air à haute pression qui vient de l'intrados remonte vers l'extrados qui est à basse pression. Ces vortex freinent les avions.



Schéma de création des vortex

Il y a 80 ans, on commença à lutter contre ces vortex en augmentant l'allongement de l'aile.

L'allongement d'une aile est le rapport entre le carré de l'envergure et la surface alaire. Pour une aile rectangulaire, c'est simplement le rapport entre l'envergure et la corde.

Il a pourtant existé (entre 1953 et 1959) un avion très rapide pour son époque (Mach 1.9) qui utilisait une aile rectangulaire très peu allongée : Le prototype d'intercepteur SO 9050 Trident II, bébé de l'ingénieur Servanty, père du Concorde, et qui monta à 26 000 m.


SO 9050 Trident II


Mais l'avion était très léger, ses ailes étaient minces (6.5%) et les réacteurs disposés en bout d'aile assuraient une canalisation efficace des vortex.

Dans les années 1920 à 1930, de telles solutions étaient inenvisageables car les ailes minces étaient incapables de résister à de telles contraintes.

Une des premières solutions trouvées fut de terminer les bouts d'ailes par des surfaces recourbées : les saumons d'ailes. Il en est de multiples formes.



Mis dans une situation délicate, ce Nieuport 622 (avion conçu en 1923) montre que ses ailes rectangulaires sont terminées par des saumons qui s'évasent vers l'extérieur - site : Base de Romilly

Les ailes rectangulaires restent toujours d'actualité pour les avions légers.


aile trapézoïdale


Une voie plus sophistiquée consiste à dessiner des ailes trapézoïdales.


Messerschmitt Bf 109 B sur the blueprints

Le Messerschmitt Bf 109 des versions allant de B à E en est une parfaite illustration : il était rapide, solide, maniable, facile à rattraper en décrochage. 

Les ailes des versions suivantes du même chasseur (F,G,K) auront des saumons arrondis. 


Bien évidement, lorsque l'on en arrive à ce stade,on peut jouer, outre l'allongement de la voilure, sur un nouveau facteur : l'effilement, c'est à dire le rétrécissement de l'aile vers son extrémité libre (apex). 

Le Nieuport 161 présente des ailes plus allongées (coefficient d'allongement de 8) et bien plus effilées que celles du Bf 109 E, deux éléments qui favorisaient une traînée moindre.



Le Nieuport 161 (ici, le 02, avec son mât "anti-capotage" greffé sur la dérive et ses 6 prises d'air dispersées) présentait des ailes trapézoïdales plus effilées que celles du Mersserschmitt 109 


Cela eut une conséquence grave lorsqu'il fallut appliquer le règlement de 1934 pour la certification des avions civils qui était issu des cerveaux des ingénieurs du CEMA. 

Ces hommes ignoraient encore l'existence de l'effet de sol, propriété qui réduit considérablement la traînée d'un avion lorsque son altitude au dessus du sol est égale ou inférieure à son envergure.  

Le Nieuport avait 11 m d'envergure, une voilure et un fuselage fins et aucun aérofrein : Il lui était quasiment impossible de se poser à moins de 450 m d'un obstacle de 8 m de haut (voir mon article ici).


Mais on peut aller bien plus loin dans l'effilement. 

Ce fut le cas du Junkers 86 P de reconnaissance stratégique Allemand à très haute altitude mais aussi de l'hydravion torpilleur Français Latécoère 298.





Laté 298 : Effilement maximal des ailes - Fiche technique (aviafrance)


Si cet hydravion fut très apprécié par les équipages, son pilotage demandait un très bon entraînement.

L'effilement de sa voilure entraînait des réactions pouvant être brutales, ce qui, bien sûr, se traduisit par des accidents.

Même si l'engin était lourd pour sa puissance (5 000 kg au décollage), s'il possédait une aile de forte surface (31 m²) et si son moteur à compresseur bridé ne permettait pas de voler à 4 000 ou 5 000 m, il volait quand même à 295 km/h à 1 500 m d'altitude malgré les traînées supplémentaires de sa torpille non carénée, de ses gros flotteurs et de leurs mats de soutènement.


Actuellement, les inconvénients des grands effilements disparaissent du fait de l'informatisation des commandes de vol.


aile trapézoïdale en flèche


Lorsque les avions à réaction sont apparus, l'aile en flèche ne s'installa pas instantanément.

Mais, l'arrivée des vitesses transsoniques y conduisit nombre de constructeurs. Le premier d'entre eux a avoir été satisfaisant fut le Messerschmitt 163 qui passait facilement les 1 000 km/h.



Me 163 A sur le site maquetland


L'aile en flèche permet le maintien d'un centrage correct malgré les perturbations liées à la compressibilité de l'air à haute vitesse.

Une série d'essais furent tentés depuis le milieu de la 2ème guerre mondiale pour voir ce que donnerait une inversion du sens de la flèche.

Même si les Allemands ont tenté l'utilisation de ce concept (Junker 287), les techniques et matériaux disponibles à cette époque ne permettaient pas une réelle utilisation opérationnelle.

La NASA a fait voler, il n'y a pas si longtemps, le Gruman X29 qui semble avoir tenu ses promesses.
  

Grumman X29 sur wikipedia en langue anglaise
on voit les brins de laine qui visualisent les écoulements

Cependant, je n'ai pas encore vu d'avion de transport utilisant cette disposition...


aile elliptique


Une autre voie fut explorée : l'aile elliptique. L'illustration la plus célèbre en est celle du Spitfire.


Spitfire Mk 1 A - sur ce site


Elle est d'abord apparue en plein jour avec le prototype du bombardier monomoteur Heinkel 70.

C'était une sorte de pré-Battle Allemand qui devait ses performances supérieures à celles des chasseurs encore prototypes à un état de surface exceptionnel et à son train d'atterrissage escamotable.

Il influença de nombreux constructeurs puis finit très rapidement, une fois construit en série, par rentrer dans l'oubli à cause de sa médiocrité.

Le Dewoitine D.513, chasseur raté qui vola en 1936, possédait lui aussi une très belle aile elliptique mais il n'arriva jamais à obtenir ni une stabilité suffisante (fuselage trop court) et ni des performances décentes (très mauvais dessin du radiateur frontal et de la proue).


En ce qui concerne le Spitfire, ses qualités de vitesse semblent plus avoir été liées à une épaisseur relative très faible - 12.5% - (pour l'époque) qu'à ses ailes elliptiques.

Par contre, la réalisation industrielle rendait particulièrement longue la fabrication des ailes elliptiques (17 000 h pour un Spitfire) qui, de ce fait, n'existent pratiquement plus maintenant.



l'aile delta

Une autre forme d'aile est possible : l'aile triangulaire, autrement dit en delta.


Le créateur de ce dispositif fut Rolland Payen, en France. 

Je me dois de montrer son projet de chasseur PA112 de 1938.




PA 112 sur ce site en langue espagnole - le plan canard, très important, paraît coplanaire avec l'aile delta,
ce qui  n'était pas forcément judicieux ni pour la visibilité ni aérodynamiquement. 
La dérive est bien trop faible... mais quelle gueule !


Bien sûr, il était très mal motorisé, et sa dérive était bien trop réduite pour le vol aux grands angles, mais quand même, quelle énorme anticipation ! 

C'était un vrai delta canard, et avec 60 années d'avance !



Le CAO 200, ex-Nieuport 60, qui succédait au Nieuport 161, avait aussi une voilure quasi triangulaire avec un angle moins marqué. 

Il avait aussi un empennage plus classique, aux dérivettes près.

La voilure très innovante de ce chasseur avait considérablement surpris le journaliste de la revue Britannique Flight lors du salon aéronautique de Paris en fin 1938. 




Document personnel de l'auteur - CAO 200


Cet avion fut trouvé rapide et maniable, puis commandé en cachette à 12 exemplaires.

On comprend que, par la réduction de taille des apex alaires, et par plusieurs méthodes différentes, on en était arrivé partout à une réduction significative des vortex (= tourbillons), donc de la traînée.


La liaison ailes-fuselage dans le cas des avions disposant d'ailes en porte-à-faux


Lorsque les avions commencèrent à voler couramment au-dessus de 300 km/h, nombre d'entre eux expérimentèrent des vibrations insupportables qui pouvaient mener à la destruction même de l'avion.

L'un d'entre eux fut le remarquable chasseur Michel Wibault 210 qui vola à partir d'Avril 1929.

Cet avion volait bien plus vite - 350 km/h au niveau de la mer - que tous ses concurrents Français et étrangers qui frôlaient juste les 300 km/h, et ceci bien que son moteur ait été dépourvu de compresseur.




Wibault 210  - La liaison aile - fuselage paraît pourtant très soignée (pour l'époque).

Cependant, cet avion, qui battait ses concurrents de 50 à 70 km/h, n'eut aucun succès parce qu'il entrait facilement dans d'intenses vibrations (buffeting) liées à des perturbations aérodynamiques sur l'empennage.

En 1938, une liaison de ce genre ne se voyait presque plus : On installait un raccord Karman (du nom de l'aérodynamicien Américain d'origine Hongroise qui l'avait inventé),  qui instaurait une transition souple entre la zone de l'aile (nappe horizontale de filets d'air) et les parois du fuselage (où les filets d'airs constituent une nappe quasi-orthogonale à celle précédemment décrite). 

Cela peut être vu comme un dispositif diminuant fortement l'épaisseur relative de l'aile à un endroit où elle est souvent à son maximum.



Renard R 36 - Le raccord Karman est souligné par la pièce de tole qui descend du cockpit et en assure la finition à l'extrados.



Cependant, deux chasseurs célèbres de l'US Navy se passaient allègrement de raccords Karman : Le Grumman Hellcat et le Chance-Vought Corsair




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