Winglet - Définition

Introduction

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 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 dans le centre de recherche de la NASA 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 et sur les profils supercritiques.

Principe

A l'extrémité de l'aile, le flux de l'intrados en surpression a tendance à passer sur l'extrados en dépression, générant un tourbillon marginal. Ce dernier augmente non seulement la traînée de l'avion mais cause de la turbulence 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 et des distances de séparation 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 égale) provoque une augmentation des efforts de flexion de l'aile et une augmentation de son épaisseur, donc une masse accrue. Correctement positionné, le winglet peut récupérer une partie de l'énergie 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 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 de 2% pourrait être retenu comme valeur moyenne.

Terminologie

Winglet est le terme anglais généralement utilisé pour désigner une ailette marginale, pas forcément verticale. 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 utilisé.

Sur le Boeing 787, l'extrémité de voilure s'arrondit pour former une extension dirigée vers le haut sans point de cassure net. La revue aéronautique 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 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 testé au centre de recherche de Dryden en 1979, puis testé sur un Lockheed L-1011 et sur un McDonnell Douglas DC-10. Le Boeing 747-400 a été équipé de winglets en 1988, le MD-11 en 1991.

Sur le Boeing 747 Shuttle Carrier Aircraft qui transporte la navette 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.

Appareil d'essai de la NASA

Winglet monté sur le KC-135 pour les essais de la NASA

Shuttle Carrier avec dérives supplémentaires en bout d'empennage

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 composites) a effectué son premier vol le 21 mai 1975. Comme le VariEze est de type canard, 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 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 Starship qui a effectué son premier vol en 1986.

Des winglets ont été montés également sur le Rutan Voyager, le premier avion à avoir effectué le tour du monde sans ravitaillement et sans escale en 1987. Au cours du décollage, les ailes fortement chargées en carburant 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 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 de vol pour augmenter la vitesse 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 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 marchande.

Learjet

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.

Dassault aviation

Le modèle F7X sera pourvu de winglets fabriqués en matériaux composites. Avec l'évolution des technologie, la société a appliqué la technologie des winglets à toute sa gamme.

Boeing

Boeing annonça en 1985, une nouvelle version du B-747, à savoir le 747-400 avec une autonomie et une capacité de chargement 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.

Winglet d'un Boeing 747-400

Un Boeing 747-400 équipé de Winglet

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

Comparaison entre Boeing 737-800

Winglet de Boeing 737

Airbus

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 français Pégase de la Centrair a été équipé en option de winglets étudiées par l'ONERA et appelées pennes, sans grand succès commercial. 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 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 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 dans la ville 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.

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.