Winglet - Définition et Explications

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Introduction

Winglet d'un Airbus A319

Une winglet est une ailette sensiblement verticale située au bout des ailes d'un avion et qui permet de réduire la traînée induite par la portance sans augmenter l'envergure (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour...) de l'aile. Ce mot anglais reste le plus largement utilisé, bien que des équivalents français penne ou ailerette aient été proposés.

Les winglets ont été mises au point (Graphie) dans le centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) à Langley (États-Unis) en 1974 (publication en 1976) par l'aérodynamicien américain Richard Whitcomb, connu par ailleurs pour ses travaux sur la loi des aires (Aires (en espagnol, les airs) est une compagnie aérienne intérieure de Colombie.) et sur les profils supercritiques.

Principe

Tourbillon créé par le passage d'un avion, il est ici révélé par de la fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...).

A l'extrémité de l'aile, le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) de l'intrados en surpression a tendance à passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) sur l'extrados en dépression, générant un tourbillon marginal (Marginal (sous-titrée Anthologie de l'imaginaire) est une collection des éditions OPTA,...). Ce dernier augmente non seulement la traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un...) de l'avion mais cause de la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse...) derrière l'appareil qui persiste sur de longues distances. Il est particulièrement dangereux d'entrer dans ce tourbillon derrière un avion gros porteur, ce qui conduit à des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) et des distances de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) minimales dans la gestion des mouvements d'avions.

La façon de pallier cet effet est d'allonger l'aile, ce qui n'est évidemment pas possible indéfiniment. Un allongement plus grand (à surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) égale) provoque une augmentation des efforts de flexion de l'aile et une augmentation de son épaisseur, donc une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) accrue. Correctement positionné, le winglet (Une winglet est une ailette sensiblement verticale située au bout des ailes d'un avion et qui...) peut récupérer une partie de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) du tourbillon et le diffuser. Cela a pour effet d'augmenter l'allongement effectif de l'aile et de réduire la traînée induite par la portance, sans augmenter l'envergure.

La winglet recevant un flux d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) oblique peut redresser ce flux et développer une portance latérale légèrement dirigée vers l'avant, ce qui peut annuler sa traînée propre. Le gain d'efficacité est de l'ordre de quelques pour-cents et varie avec l'incidence (l'efficacité sera nulle ou même négative à forte vitesse) ; le chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) de 2% pourrait être retenu comme valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...).

Terminologie

Winglet est le terme anglais généralement utilisé pour désigner une ailette marginale, pas forcément verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...). Le terme français donné par l'arrêté du 20 février 1995 relatif à la terminologie des sciences et techniques spatiales est ailerette. Ce terme ailerette étant arrivé 20 ans plus tard que winglet, il n'est pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) utilisé.

Sur le Boeing 787 (Le Boeing 787, également connu à la fois par son surnom Dreamliner et par son nom de code...), l'extrémité de voilure s'arrondit pour former une extension dirigée vers le haut sans point de cassure (En minéralogie, la cassure désigne l'aspect de la surface d'un minéral qui,...) net. La revue aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de...) Air et Cosmos utilise ici le terme extrémité biseautée de voilure.

Histoire et application

Développement NASA

Le concept a été mis au point par Richard Whitcomb, un ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) du Centre de recherche Langley de la NASA, dans les années 1970. Il a été appliqué sur un ravitailleur en vol KC-135 de l'U.S. Air Force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) testé au centre de recherche de Dryden en 1979, puis testé sur un Lockheed (La Lockheed Corporation (d'abord appelée la Loughead Aircraft Manufacturing Company)...) L-1011 et sur un McDonnell Douglas DC-10 (Le DC-10 est un avion tri-réacteur long-courrier de McDonnell Douglas, produit par la Douglas...). Le Boeing 747-400 (Le Boeing 747-400 est, en 2009, le seul Boeing 747 en production et était le plus gros avion...) a été équipé de winglets en 1988, le MD-11 en 1991.

Sur le Boeing 747 (Le Boeing 747, encore surnommé Jumbo Jet, est un avion de ligne conçu par l'avionneur...) Shuttle Carrier Aircraft (Le Shuttle Carrier Aircraft (SCA), ce qui signifie en français avion de transport de navette,...) qui transporte la navette (Une navette spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est un véhicule aérospatial...) américaine des dérives supplémentaires ont permis d'améliorer la stabilité directionnelle (fortement perturbée par le sillage de la navette sur la dérive axiale). Cependant ce sont bien des dérives, et non pas des winglets.

Avions "canards"

Ayant pris connaissance des travaux de la NASA, Burt Rutan a installé des winglets sur son prototype "VariEze". Cet avion (qui est le premier avion de construction amateur en matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) composites) a effectué son premier vol (Le premier vol ou vol inaugural d'un avion est la première occasion pour celui-ci de prendre...) le 21 mai 1975. Comme le VariEze est de type canard (Les canards sont des oiseaux aquatiques au bec caractéristique, domestiqués ou non. Le...), le montage de winglets sur l'aile arrière a permis de réduire la traînée induite de l'aile tout en assurant la stabilité et le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) directionnel. Cette solution a été reprise sur d'autres avions canards de Burt Rutan : le Long-EZ, le bimoteur push-pull Defiant et sur le Beechcraft (Beech Aircraft Corporation, auparavant la Beechcraft Division de Raytheon, et maintenant une...) Starship qui a effectué son premier vol en 1986.

Beechcraft Starship 2000


Des winglets ont été montés également sur le Rutan Voyager, le premier avion à avoir effectué le tour du monde (Le mot monde peut désigner :) sans ravitaillement et sans escale (Une escale est un arrêt marqué par un véhicule de transport durant un trajet au long...) en 1987. Au cours du décollage (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état...), les ailes fortement chargées en carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...) ont fléchi vers le sol et les winglets ont été arrachés. L'équipe au sol ayant recalculé la consommation prévisible, le vol fut maintenu malgré la perte des winglets.

Aviation (L'aviation est une activité aérienne définie par l'ensemble des acteurs,...) d'affaires

Les winglets ont été utilisés sur de nombreux avions à réaction pour obtenir les bénéfices d'un allongement effectif supérieur : réduire la distance pour décoller et atterrir sur des aéroports secondaires, augmenter l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) de vol pour augmenter la vitesse (On distingue :) sol.

En plus de l'installation de winglets sur les nouveaux appareils, il existe un marché du retrofit pour installer des winglets sur les vieux appareils. Le winglet est devenue populaire pour les avions d'affaires ; seul Dassault a (temporairement) résisté à cette mode. Cessna (La Cessna Aircraft Company est une entreprise américaine de construction aéronautique, dont le...) a annoncé dernièrement un partenariat avec la société Winglet Technology pour tester des winglets de forme elliptique, dans le but d'augmenter l'autonomie et la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) marchande.

Learjet (Learjet est un constructeur aéronautique spécialisé dans la construction de petits appareils...)

Learjet exposa le prototype modèle 28 en 1977 à la convention NBAA. Le modèle 28 est le premier avion à réaction du monde à utiliser des winglets. Learjet a développé les winglets sans l'aide de la NASA. Bien que le modèle 28 soit resté un prototype, les performances étaient tellement améliorées que Learjet les a conservé pour sa production (note : l'aile du Learjet est à faible allongement, ce qui augmente l'effet positif des winglets). Les essais en vol donnèrent avec ou sans winglet une différence de 6.5 % en autonomie et une amélioration de la stabilité. Learjet a utilisé les winglets sur les nouveaux modèles comme les Learjet 55, 31, 60, 45 et le 40.

Gulfstream Aerospace

Gulfstream a étudié les winglets à la fin des années 70 et a installé des winglets sur les modèles Gulfstream III, IV et V. Le Gulfstream V avait une autonomie de 6500 km ce qui permet de relier sans escale New-York à Tokyo. Le Gulfstream V a décroché plus de 70 records nationaux et mondiaux.

Essai en soufflerie du Gulfstream V

Dassault aviation (Dassault Aviation est un constructeur aéronautique basé en France. Il construit surtout...)

Le modèle F7X sera pourvu de winglets fabriqués en matériaux composites. Avec l'évolution des technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), la société a appliqué la technologie des winglets à toute sa gamme.

Boeing (Boeing (nom officiel en anglais The Boeing Company) est l'un des plus grands constructeurs...)

Boeing annonça en 1985, une nouvelle version du B-747, à savoir le 747-400 avec une autonomie et une capacité de chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :) augmentées. L'aile de ce modèle présente une augmentation de l'envergure et le montage de winglets. L'autonomie a augmenté de 3.5 % par rapport au 747-400D qui a la même envergure.

Sur les nouvelles version du B-737 long range, Boeing a installé des winglets.

Airbus (Airbus est un constructeur aéronautique européen et également un acteur majeur dans...)

Airbus emploie lui, le terme de "Sharklets" (ailerons de requin) pour désigner les winglets qui équiperont la prochaine déclinaison de sa famille A320.

Planeurs

Dès 1985 le planeur (Un planeur est un aérodyne qui est, par définition, dépourvu de moteur. Il existe...) français Pégase de la Centrair a été équipé en option de winglets étudiées par l'ONERA et appelées pennes, sans grand succès commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.). Il a fallu attendre une dizaine d'années pour que les winglets réapparaissent et deviennent à la mode ; depuis la fin des années 1990 tous les planeurs de compétition en sont équipés.

En 1987, Peter Masak ingénieur en mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) confia à Mark D. Maughmer (professeur d'école ingénieur en aéronautique) la conception de winglets pour améliorer les performances de son planeur de 15 mètres d'envergure. D'autres ont essayé d'appliquer les winglets de Whitcomb, mais les performances n'étaient pas toujours satisfaisante car cela augmentait les performances de montée (à fort coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain...) de portance) mais pas en palier. Masak était convaincu qu'il était possible de surmonter cette difficulté. Après des essais, ils ont développé avec succès un winglet pour planeurs de compétition.

En 1991, au championnat du monde de vol à voile (Le vol à voile est une activité de loisirs et de compétition au cours de laquelle...) dans la ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour...) de Uvalde, au Texas, le trophée de la vitesse la plus élevée a été donné à un planeur de 15 mètres équipé de winglets. Masak a gagné en 1993, la coupe nationale américaine en 15 mètres d'envergure avec son planeur Scimitar équipé de winglets.

Beaucoup de pilotes qui ne font pas de compétition, on fait installer des winglets pour obtenir un gain de performance et de maniabilité (La maniabilité désigne la plus ou moins bonne aptitude d'un véhicule terrestre, naval ou aérien...).

Exemples dans la nature

Certains oiseaux (cigognes, rapaces...) peuvent courber leurs rémiges en bout d'aile afin d'augmenter leur portance et de diminuer les turbulences lors de leurs vols. Ce sont d'ailleurs ces derniers qui ont inspiré les travaux sur les winglets.

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