Aile fermée - Closed wing
Une aile fermée est une aile qui a effectivement deux plans principaux qui se confondent à leurs extrémités de sorte qu'il n'y a pas de bout d'aile conventionnel . Les conceptions d'ailes fermées comprennent l'aile annulaire (communément appelée aile cylindrique ou annulaire ), l'aile jointe, l'aile carrée et les dispositifs à pointe spiroïde.
Comme de nombreux dispositifs de bout d' aile , l'aile fermée vise à réduire les effets de gaspillage associés aux tourbillons de bout d' aile qui se produisent aux extrémités des ailes conventionnelles. Bien que l'aile fermée n'ait pas de prétention unique à de tels avantages, de nombreuses conceptions à voilure fermée offrent des avantages structurels par rapport à un monoplan en porte -à- faux conventionnel .
Caractéristiques
Les tourbillons d'extrémité d'aile forment une composante majeure de la turbulence de sillage et sont associés à la traînée induite , qui contribue de manière significative à la traînée totale dans la plupart des régimes. Une aile fermée évite le besoin de bouts d'aile et devrait donc réduire les effets de traînée de bout d'aile .
En plus des avantages structurels potentiels par rapport aux ailes ouvertes en porte-à-faux, les surfaces des ailes fermées ont des propriétés aérodynamiques uniques :
- Pour un système de levage contraint de s'insérer dans une boîte rectangulaire de dimensions horizontales (dans le sens de l'envergure) et verticales fixes, vu dans le sens de l'écoulement libre, la configuration qui fournit la traînée induite minimale absolue pour une portance verticale totale donnée est un système fermé, c'est-à-dire un aile rectangulaire avec des surfaces de levage occupant entièrement les quatre limites de la zone rectangulaire autorisée. Cependant, les performances de traînée induite de l'aile à caisson fermé idéale peuvent être approchées de très près par des configurations ouvertes telles que l'aile en C discutée ci-dessous.
- Pour tout système de levage (ou partie d'un système de levage) qui forme une boucle fermée vue dans le sens de l'écoulement libre, la distribution optimale de la portance (ou circulation) qui donne la traînée induite minimale pour une portance verticale totale donnée n'est pas unique, mais est défini uniquement à une constante près sur la partie en boucle fermée. En effet, quelle que soit la répartition de la circulation au départ, une circulation constante peut être ajoutée à la partie en boucle fermée sans modifier la portance totale du système ou la traînée induite. C'est la clé pour expliquer comment le C-wing produit presque la même réduction de traînée induite que le système entièrement fermé correspondant, comme indiqué ci-dessous.
Le résultat est que, bien que les systèmes fermés puissent produire d'importantes réductions de traînée induite par rapport à une aile plane conventionnelle, il n'y a pas d'avantage aérodynamique significatif qui découle uniquement du fait qu'ils sont fermés plutôt qu'ouverts.
Configurations
Différents types d'aile fermée ont été décrits :
- Aile de boîte
- Aile rhomboïdale
- Aile annulaire plate
- Aile et fuselage concentriques
Histoire
Années pionnières
Un premier exemple de l'aile fermée était sur l' avion Blériot III , construit en 1906 par Louis Blériot et Gabriel Voisin . Les surfaces portantes comprenaient deux ailes annulaires montées en tandem. Le plus récent Blériot IV a remplacé l'aile annulaire avant par un biplan et a ajouté un avant- plan canard pour en faire un avion à trois surfaces . Il a pu quitter le sol par petits sauts avant d'être endommagé de manière irréparable.
Sur la base des travaux de GJA Kitchen, Cedric Lee et G. Tilghman Richards ont construit et piloté plusieurs avions à voilure annulaire dans lesquels les segments avant et arrière étaient au même niveau. Le premier était un biplan. Il a été suivi par une série de monoplans, le dernier de la ligne restant en service jusqu'en 1914.
La Seconde Guerre mondiale
En 1944, le designer allemand Ernst Heinkel commença à travailler sur un monoplace multirôle VTOL à voilure annulaire appelé Lerche , mais le projet fut rapidement abandonné.
Après la guerre
Au cours des années 1950, la société française SNECMA a développé le Coléoptère , un avion monoplace à voilure annulaire VTOL . L'avion s'est avéré dangereusement instable malgré le développement et les tests de plusieurs prototypes, et la conception a été abandonnée. Les propositions ultérieures de conception à voilure fermée comprenaient le système d'appui-feu aérien avancé Convair modèle 49 (AAFSS) et le concept Lockheed "Flying Bog Seat" des années 1980 .
Le Dr Julian Wolkovitch a continué à développer l'idée dans les années 1980, affirmant qu'il s'agissait d'un arrangement structurel efficace dans lequel la queue horizontale fournissait un support structurel à l'aile tout en agissant comme une surface stabilisatrice.
Le winglet Spiroid , une conception actuellement en cours de développement par Aviation Partners , est une surface d'aile fermée montée à l'extrémité d'une aile conventionnelle. La société a annoncé que les winglets montés sur un Gulfstream II réduisaient la consommation de carburant en phase de croisière de plus de 10 %.
La société finlandaise FlyNano a fait voler un prototype d' avion ultraléger à voilure fermée , le FlyNano Nano le 11 juin 2012.
Un avion a également été conçu et construit avec une aile fermée en Biélorussie .
Divers exemples modernes incluent :
- Étude de Stanford
- Lockheed Ringwing
Les ailes fermées restent principalement confinées aux domaines des études et des conceptions conceptuelles, car les défis techniques liés au développement d'une aile fermée solide et autoportante pour une utilisation dans les grands avions de ligne qui bénéficieraient le plus d'augmentations d'efficacité doivent encore être surmontés.
L'aile fermée est également utilisée dans l'eau, pour les ailerons de planche de surf du type également connu sous le nom d' aileron tunnel .
Projet d'aviation responsable de Lockheed Martin
En 2011, le Environmentally Responsible Aviation Project de la Direction de la mission de recherche en aéronautique de la NASA a sollicité des propositions d'études en vue d'atteindre l'objectif de la NASA de réduire de 50 % la consommation future de carburant des avions par rapport à 1998. Lockheed Martin a proposé une conception d'aile en caisson ainsi que d'autres technologies de pointe.
Aile de boîte de Prandtl
En 1924, l'aérodynamicien allemand Ludwig Prandtl a suggéré qu'une aile carrée, dans certaines conditions, pourrait fournir la traînée induite minimale pour une portance et une envergure données. Dans sa conception, deux ailes horizontales décalées ont des ailes verticales reliant leurs extrémités et formées pour fournir une répartition linéaire des forces latérales. On dit que la configuration offre une efficacité améliorée pour une gamme d'avions.
Dans les années 1980, les Ligeti Stratos ont utilisé cette approche. Le nom "PrandtlPlane" a été inventé dans les années 1990 dans les recherches d'Aldo Frediani et. Al. de l' Université de Pise . Il est actuellement également utilisé dans certains avions ultra-légers ,
.jpg)
IDINTOS (IDrovolante INnovativo TOScano) est un projet de recherche, cofinancé par le gouvernement régional de Toscane (Italie) en 2011 afin de concevoir et de fabriquer un PrandtlPlane ultraléger amphibie. Le projet de recherche a été réalisé par un consortium de partenaires publics et privés toscans, dirigé par la section aérospatiale du département de génie civil et industriel de l'université de Pise, et a abouti à la fabrication d'un prototype VLA à 2 places.
La configuration est également censée être théoriquement efficace pour les avions de ligne à large fuselage. Le plus grand avion de ligne commercial, l' Airbus A380 , doit faire des compromis d'efficacité pour maintenir l'envergure en dessous de la limite de 80 mètres dans la plupart des aéroports, mais une aile fermée avec une envergure optimale pourrait être plus courte que celle des conceptions conventionnelles, permettant potentiellement des avions encore plus gros d'utiliser l'infrastructure actuelle.
Aile C
Le C-wing est une configuration théorique dans laquelle une grande partie de la partie centrale supérieure d'une aile carrée est supprimée, créant une aile qui se replie et se replie aux extrémités mais ne se rejoint pas au centre. Une aile C peut atteindre à peu près les mêmes performances de traînée induite qu'une aile carrée correspondante, comme le montrent les calculs illustrés ci-dessous.
Chacune des trois premières rangées de l'illustration montre une configuration d'aile C différente telle qu'elle est prise à travers une séquence de calculs théoriques de traînée induite dans laquelle les extrémités des ailes sont rapprochées, culminant dans le cas limite à droite, où l'écart a été ramené à zéro et la configuration est devenue une aile caissonnée fermée (appelée "Aile C quasi fermée" car les calculs ont été effectués à la limite lorsque l'écart est passé à zéro).
Le paramètre ε est le rapport d'efficacité aérodynamique optimal et représente le rapport entre l'efficacité aérodynamique d'une aile non plane donnée et l'efficacité correspondante d'une aile en porte-à-faux classique de référence avec la même envergure et la même portance totale. Les deux efficacités sont évaluées pour leurs distributions de levage optimales respectives. Les valeurs de supérieures à 1 indiquent une traînée induite plus faible que celle d'une aile en porte-à-faux classique pour laquelle ε = 1.
Notez que toutes les configurations C-wing ont ε supérieur à 1 et qu'il y a peu de différence (aucune différence avec les deux décimales indiquées dans deux des cas) entre une configuration avec un écart substantiel (la deuxième entrée de chaque ligne) et la configuration fermée correspondante (la troisième entrée de chaque ligne). En effet, la charge de portance optimale calculée pour les cas quasi-fermés est très faible sur la section centrale supérieure, et cette partie de l'aile peut être retirée avec peu de changement de portance ou de traînée.
Les distributions de portance montrées ici pour les cas quasi-fermés sont différentes de celles typiquement montrées pour les ailes en caisson dans la littérature classique (voir Durand, figure 81, par exemple). La solution classique de Durand a été obtenue par une analyse de cartographie conforme qui s'est avérée être formulée de manière à conduire à des charges ascendantes égales sur les panneaux horizontaux de la boîte. Mais la répartition optimale de la portance n'est pas unique. Un chargement constant vers l'intérieur (correspondant à une circulation constante particulière) peut être ajouté à un chargement classique comme celui montré par Durand pour obtenir un chargement comme ceux des cas quasi-fermés ci-dessous. Les deux méthodes d'analyse donnent des versions différentes de la charge optimale qui ne sont pas fondamentalement différentes. Hormis de petites différences dues à la méthode numérique utilisée pour les cas quasi-fermés, les deux types de chargement ne sont en principe que des versions décalées l'une de l'autre.
