Les ailes

L’aile est la partie principale de la structure de l’avion lui permettant de voler. Leur constitution a largement évoluée jusqu’à nos jours, du bois aux matériaux composites en passant par l’aluminium et autres matériaux légers.

1. La forme de l’aile:

Les ailes ont plusieurs types de formes possibles, principalement fonction de leurs objectifs. De nos jours, les avions de lignes utilisent un type de profil en flèche et monoplan. Ce modèle est le plus utilisé car c’est structurellement le plus efficace, diminuant la compressibilité et la traînée. Les ailes sont constituées d’une partie fixe et de parties mobiles qui servant à diriger et modifier la portance et la traînée de l’avion afin d’améliorer les performances durant le décollage et l’atterrissage.

aile

Les différentes parties de l’aile

(1) winglet     (2) aileron basse vitesse     (3) aileron haute vitesse     (4) rail de glissement des volets     (5) / (6) becs de bord d’attaque      (7) volet intérieurs     (8) volets extérieurs     (9) spoilers (destructeurs de portance)     (10) spoilers/aérofreins

2. Les matériaux utilisés:

Tel que décrit dans notre article « Les caractéristiques des matériaux » de l’Axe I de notre TPE, les matériaux doivent respecter les contraintes physiques, thermiques et économiques de l’aviation civile moderne.

En respectant ces conditions, les matériaux les plus couramment utilisés pour la construction d’une aile sont les alliages d’aluminium (AlliagesTi, AlliageOrg…) ainsi que plus récemment les matériaux à structure composite. L’aile du Boeing 787 est ainsi réalisée en grande majorité en fibre de carbone et fibre de verre, les alliages d’aluminium ne sevrant qu’à la construction du bord d’attaque de l’aile.

3. Le profil de l’aile:

L’aile est utilisée comme principal réservoir de carburant. Cela permet de conserver plus de volume disponible dans le reste de la structure de l’avion et facilite aussi l’alimentation en carburant des moteurs.

profil

Profil d’une aile d’avion classique

aile

Les quatre parties de l’aile

 

L’aile est composé de 4 parties différentes: -Bord d’attaque; -Extrados; -Intrados; -Bord de fuite

 

 

 

Le bord d’attaque est la première partie qui vient couper l’air, il forme alors « l’angle d’attaque ». L’air défile alors sur les deux côtés de l’aile en formant des différentes pression, sur l’extrados il se forme une basse pression; sur l’intrados il se forme une haute pression.

La basse pression et la haute pression

Ces pressions représentent la force de la portance, la haute pression (surpression) fait que l’avion vole, elle pousse l’avion vers le haut. La basse pression (dépression) est moindre à la surpression et donc ne contrebalance pas la force exercé.

Son rôle essentiel reste toutefois sa fonction aérodynamique. L’amélioration des performances aérodynamiques de l’aile est un des chalenges majeurs de l’aviation. De nombreuses contraintes, difficilement compatibles, doivent être respectées pour y parvenir :

  • Réduire le poids de l’aile tout en conservant une résistance suffisante pour un poids de cellule d’avion supérieur
  • Augmenter le volume intérieur disponible de l’aile pour plus d’emport de carburant
  • Améliorer les formes aérodynamiques pour de meilleures performances de vitesses en haute altitude tout en réduisant la consommation de carburant
  • Améliorer les formes aérodynamiques pour de meilleures performances au décollage et à l’atterrissage
  • Respecter une envergure maximum pour limiter les contraintes aéroportuaires

 

De l’utilisation d’un profil de type « Supercritique », notamment par Airbus à partir des années 1980, qui permettait une augmentation de vitesse ainsi qu’un plus grand emport de carburant grâce à son épaisseur plus importante, nous voyons aujourd’hui de nouveaux types de profils apparaitre sur le Boeing 787 et l’Airbus A350. De conception très avancé, leurs formes ne seraient envisageables sans l’utilisation de matériaux composites qui donnent une beaucoup plus grande flexibilité dans la conception.

Au fil des années et à cause des nouvelles contraintes économique frappant l’industrie de l’aviation la conception des ailes aura dû changer radicalement. Il existe en particulier une partie de l’aile qui aura subi une évolution très significative : son extrémité.

Dans les années 80 est apparu sur l’Airbus A310-300 un appendice supplémentaire sur le bout d’aile, le wingtip, appelé aussi winglet. Grace à l’utilisation de matériaux composites, la conception de formes très spécifiques appliquées en bout d’aile, ont vu le jour.

Winglet au bout de l'aile

Winglet

La forme du winglet a énormément evolué ces dernières années. Avant d’arriver à cette forme courbe, les winglets sont passés par d’autres modèles comme celui en flèche vertical et un autre tout simplement relevé.

Winglet Airbus A319

Winglet Airbus A319

Winglet Airbus A350 XWB

Winglet Airbus A350 XWB, l’un des derniers modèles

Winglet Boeing 747-400

Winglet Boeing 747-40

Le Winglet vise à récupérer une partie de l’énergie tourbillonnaire induite par la portance. À l’extrémité de l’aile, le flux de l’intrados en surpression relative a tendance à passer sur l’extrado en dépression relative, 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.

Une façon de pallier cet effet est d’allonger l’aile. Cependant 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. 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.

Tourbillon créé par le passage d'un avion, il est ici révélé par de la fumée rouge.

Tourbillon créé par le passage d’un avion, il est ici révélé par de la fumée rouge.

Ce nouveau design cherche également à s’adapter à l’aérodynamique « naturelle » de oiseaux ou du moins les recherches ont conduit à ce modèle.

Aigle qui plane

Aigle qui plane

Airbus A350

Airbus A350

On constate bien ici une certaine ressemblance quant aux bout des ailes de l’ A350 et de l’aigle lorsqu’ils planent.

 

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