Géométrie variable - Définition
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Introduction
La voilure à géométrie variable est une voilure dont la forme peut être modifiée en cours de vol, afin de rendre un aéronef capable d'évoluer à différentes vitesses sans perte d'efficacité.
La solution la plus courante consiste à articuler tout ou une partie de la voilure pour pouvoir augmenter sa flèche à grande vitesse, et la diminuer à basse vitesse.
Ce type de voilure est utilisé uniquement sur les avions militaires. Parmi les exemples les plus connus on peut citer le F-14 Tomcat américain, le Tornado européen et le MIG-23 Flogger soviétique.
Explication aérodynamique
Le choix de la voilure d'un avion résulte d'un compromis entre la portance, représentée par le coefficient de portance (Cz), et la traînée, représentée par le coefficient de traînée (Cx) - ainsi que d'autres facteurs tels que la masse, la possibilité d'accrochage de pods, etc. La voilure est, en général, optimisée pour la vitesse de croisière de l'avion.
Les avions militaires, en particulier ceux dont les missions sont multiples, ont plusieurs régimes de vol "normaux" l'un en subsonique, l'autre en supersonique. À basse vitesse il est nécessaire d'obtenir un Cz élevé ce qui entraîne un Cx élevé très pénalisant en supersonique. Une partie de la valeur du Cx est liée à la flèche de la voilure, d'où l'intérêt de la voilure à flèche variable et, plus généralement, à géométrie variable.
La géométrie variable permet d'optimiser l'avion pour plusieurs régimes de vol ce qui lui donne une autonomie plus importante. Par contre elle entraîne un accroissement de la masse, des risques de pannes liés au dispositif de changement de géométrie et l'impossibilité d'accrocher des armes ou des pods sous la voilure.
Le morphing
Le démonstrateur MFX-1, produit par la société américaine NextGEN avec le soutien de Boeing, possède des ailes dont la forme peut varier extrêmement en vol. Lors des essais en vol, la surface alaire de la voilure a été modifiée de 40 % et l'envergure de 30 %, la flèche peut varier entre 15° et 30°.
Historique
Le premier avion au monde capable de changer la flèche de sa voilure en vol fut l'avion expérimental américain Bell X-5, qui fit son premier vol le 20 juin 1951. Le X-5 ressemblait beaucoup au prototype Messerschmitt Me P.1101, dont la construction avait été interrompue par défaite de l'Allemagne à la fin de la Seconde Guerre mondiale, et dont la flèche pouvait être modifiée au sol. Cependant, dans le cas du P.1101, cette nouveauté avait sans doute été introduite uniquement pour permettre de tester différentes configurations lors des vols d'essais. Les deux X-5 construits effectuèrent environ 200 vols d'essais jusqu'en 1958.
En parallèle des expérimentations du X-5, le constructeur Grumman proposa à l'US Navy un avion de chasse à réaction équipé d'une aile à deux positions : l'une pour le décollage et l'appontage, l'autre pour le vol normal à vitesse élevée. Le prototype XF10F Jaguar fit son premier vol le 19 mai 1952 mais présentait tant de défauts que le projet fut abandonné en avril 1953.
La technique de la géométrie variable fini par être maitrisée dans les années 1960, et le premier avion de ce type mis en service dans le monde est le bombardier américain General Dynamics F-111 en 1967. Il sera suivi par le célèbre F-14 Tomcat en 1974. De leur côté, les soviétiques mettent en service en 1970 à la fois l'avion d'attaque Soukhoï Su-17 et le chasseur MIG-23, dont les prototypes ont volé respectivement en 1966 et 1967. En France, le Mirage III G fait son premier vol en 1966 mais n'aboutira sur aucune construction en série. Parmi les autres pays européens, l'Italie, le Royaume-Uni et la RFA on conçu le Tornado.
Seuls une dizaine de modèles d'avions à géométrie variable ont cependant été construits en série, et aucun nouvel avion de ce type n'a été mis en service depuis les bombardiers Rockwell B-1 Lancer (américain) et Tupolev Tu-160 Blackjack (soviétique) au milieu des années 1980.
