Voilure (aéronautique) - Définition et Explications

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La voilure d'un Airbus A300
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 (La fleur est constituée par l’ensemble des organes de la reproduction et des enveloppes qui les entourent chez les angiospermes (aussi...) qui naît de la vitesse (On distingue :)", phrase attribuée au capitaine Ferber, un pionnier de l'aviation (L'aviation est une activité aérienne définie par l'ensemble des acteurs, technologies et règlements qui permettent d'utiliser un aéronef...).

Le principe physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) de génération de la portance est identique à celui de la traction exercée par une hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) au travers de ses pales (voir aérodynamique). C'est pourquoi un appareil comme l'hélicoptère (Un hélicoptère est un aéronef à voilure tournante dont le ou les rotors procurent à eux seuls la propulsion et la sustentation pendant toutes les phases du vol.), qui utilise un rotor principal (Le rotor principal est l'élément composé de plusieurs pales qui par sa rotation permet la sustentation, le pilotage et la propulsion d'un hélicoptère.) pour assurer sa sustentation, est appelé appareil à voilure tournante (par opposition à l'avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le...) qui est un appareil à voilure fixe).

Description

Historique

La surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) de voilure nécessaire au vol dépend de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) et de la vitesse et donc de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) 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.

Dans la première moitié du XXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération...) 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 (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour définir un oiseau, un chiroptère, un avion (ou planeur).) et la masse de l'aile. Avec l'augmentation de la puissance des moteurs, la construction d'avions à ailes métalliques plus épaisses mais sans haubans a permis de réduire la traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz. Mathématiquement c'est la composante des...) et de gagner en vitesse.

Depuis la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle plan. La...) 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 (Le fuselage désigne l'enveloppe d'un avion qui reçoit généralement la charge transportée, ainsi que l'équipage. Le fuselage d'un avion supporte...).

Position sur le fuselage

On distingue les ailes en fonction de leur implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) sur le fuselage :

- ailes basses,
- médianes,
- hautes.

Les ailes hautes permettent de protéger les moteurs contre l'ingestion de corps étrangers (ou d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans le cas des hydravions, comme par exemple sur le Beriev Be-200) ou faciliter l'emport de charges volumineuses en soute (Une soute est la partie d'un bateau aménagée dans l'entrepont ou la cale où l'on entrepose le matériel ou les provisions et les vivres.) (ex. Transall C-160). Sur les avions de tourisme (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée supérieure à 24 heures. Ce qui implique la consommation d'une...) légers, elles assurent une meilleure visibilité (En météorologie, la visibilité est la distance à laquelle il est possible de distinguer clairement un objet, quelle que soit l'heure. On peut mesurer la visibilité horizontale et verticale, souvent...) vers le bas, sauf en virage (ex. Cessna (La Cessna Aircraft Company est une entreprise américaine de construction aéronautique, dont le siège est à Wichita (Kansas). Elle produit aussi...) 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 (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") de l'aile au fuselage s'appelle l'emplanture. La jonction du bord d'attaque au fuselage peut être prolongée vers l'avant par une aigrette (strake ou apex 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 (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) comme les feux de position (aux extrémités), les phares d'atterrissage (L’atterrissage désigne, au sens étymologique, le fait de rejoindre la terre ferme. Le terme recouvre cependant des notions différentes suivant qu'il est...), 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 (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (déperditeur de potentiel) permettant d'éliminer la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) formée par la friction de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...).

  1. Emplanture
  2. Longerons
  3. Nervures
  4. Bord d'attaque
  5. Bord de fuite
  6. Saumon (Le terme saumon est un nom vernaculaire ambigu désignant en français plusieurs espèces de poissons de la famille des salmonidés qui compte onze genres et soixante-six espèces. Plusieurs autres poissons de cette famille...)

Surfaces mobiles

L'aile présente des surfaces mobiles ou gouvernes permettant le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) aérodynamique (L'aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte principalement sur la compréhension et l'analyse des écoulements d'air, ainsi qu'éventuellement sur leurs effets sur des éléments solides...) 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.
  1. Ailette verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) marginale (Winglet en anglais)
  2. Aileron basse vitesse
  3. Aileron haute vitesse
  4. Rail (Un rail (ou lisse en québécois) est une barre d’acier profilée. Deux files parallèles de rails mis bout à bout forment une voie ferrée. Ils reposent...) de glissement des volets
  5. Becs de bord d'attaque de type Krüger
  6. Becs de bord d'attaque de type slats
  7. Volets intérieurs de type Fowler
  8. Volets extérieurs de type Fowler
  9. Spoilers (destructeur de portance)
  10. Spoilers / aérofreins

Chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :)

L'aile peut aussi servir de point (Graphie) d'attache pour les ensembles de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme en force motrice...), le train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou...) d'atterrissage et pour l'emport de charges sur les avions militaires. Elle contient des caissons servant de réservoirs de carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.).

Géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) et aérodynamique de l'aile

Structure en bois d'une aile d'avion du début du XXesiècle
Structure en bois d'une aile d'avion du début du XXesiècle

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 (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la droite » ou vice versa.) formé entre le lieu du quart avant des cordes et l'axe transversal de l'avion.
  • dièdre : c'est l'angle vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) 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 (La vitesse de croisière d'un aéronef est la vitesse correspondant au régime des moteurs prévu pour la partie courante d'un vol, c'est-à-dire...). En vol de croisière stabilisé, l'angle de calage est égal à l'angle d'incidence.
Aile droite d'un C-130 Hercules
Aile droite d'un C-130 Hercules
Aile en flèche d'un F-16
Aile en flèche d'un F-16
Aile gothique du Concorde
Aile gothique du Concorde (Le Concorde est un avion de transport supersonique construit par l’association de Sud-Aviation (devenue par la suite l’Aérospatiale après sa fusion avec...)

Portance et stabilisation

Cas de deux surfaces
L'équilibre longitudinal est obtenu généralement, en plus d'un positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et...) spécifique du centre de gravité (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur. Il est également le point d'intersection de tous les...), par le différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de rotation de façon adaptative aux besoins d'un ensemble mécanique.) 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[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°)

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 (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace...) de portance plus élevé que celle de l'arrière.
  • disposition en tandem, surfaces voisines (Pou du ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.), Quickie, Dragonfly). Les deux portent, idem canard (Les canards sont des oiseaux aquatiques au bec caractéristique, domestiqués ou non. Le terme « canard » est un terme générique qui désigne des espèces...).
  • 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 (Le verbe « piquer » a de nombreuses acceptions :) élevé des volets hypersustentateurs qui augmentent fortement la portance de l'aile.

Cas d'une seule surface
Les solutions sont diverses :

usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) d'un profil à double courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :) (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), gothique (Concorde), Aile volante (Une aile volante désigne un aéronef ne possédant ni fuselage ni empennage. Les différentes surfaces mobiles nécessaires au pilotage de l'appareil sont toutes situées sur l'aile....).

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.

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 (La voilure à géométrie variable est une voilure dont la forme peut être modifiée en cours de vol, afin de rendre un aéronef...) 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 l'aile oblique (X-plane, à ne pas confondre avec le X-Wing), qui peut pivoter autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) 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 (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence...) 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 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 (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...), 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 (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et...), sa forme particulière induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en...) une traction de l'intrados vers l'extrados, perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du...) 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 (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) dû à la différence des vitesses d'écoulement entre les deux faces (voir Bernoulli).

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