Aile en croissant - Crescent wing
L' aile en croissant est une configuration d'avion à voilure fixe dans laquelle une aile en flèche a un angle de flèche plus grand sur la section intérieure que sur l'extérieur, donnant à l'aile une forme de croissant.
La forme en plan tente de réduire plusieurs effets secondaires désagréables de la conception de l'aile en flèche, notamment sa tendance à « cabrer », parfois violemment, lorsqu'elle s'approche d'un décrochage .
Concept de base
Lorsqu'un avion pénètre dans la région transsonique proche de la vitesse du son , l'accélération de l'air au-dessus des zones courbes peut entraîner un flux supersonique . Cela génère une onde de choc et crée une traînée considérable , connue sous le nom de traînée d'onde . L'augmentation de la traînée est si rapide et puissante qu'elle donne naissance au concept de mur du son .
La vitesse à laquelle cet effet devient perceptible, connue sous le nom de mach critique , est basée sur le taux de courbure sur les surfaces supérieure et inférieure; les profils aérodynamiques avec une plus grande courbure auront une vitesse Mach critique inférieure et souffriront donc plus lourdement de la traînée des vagues. Une aile conçue pour de bonnes performances transsoniques et supersoniques doit étaler la courbure de l'aile sur une plus longue distance. Cela conduit naturellement à des conceptions minces, à cordes longues et à faible rapport d'aspect comme l'aile du Lockheed F-104 Starfighter . Ces conceptions souffrent d'une traînée induite beaucoup plus importante , ce qui les rend moins efficaces à des vitesses plus lentes. Ils présentent également des inconvénients pratiques, notamment un manque de place pour le carburant et le stockage du train d'atterrissage .
Les ailes en flèche sont un moyen de réduire la quantité de courbure effective d'une aile sans avoir une corde physique plus longue . Au lieu de rencontrer directement la courbure du bord d'attaque , le balayage de l'aile allonge la trajectoire du flux d'air sur l'aile par le sinus de l'angle de balayage, augmentant la corde effective. Cela permet à une aile plus épaisse d'avoir le même Mach critique qu'une conception non balayée plus mince. La plupart des conceptions transsoniques utilisent le balayage pour cette raison, leur permettant d'utiliser une aile suffisamment épaisse pour un stockage interne pratique sans encourir une lourde pénalité de traînée des vagues.
Dans les conceptions du monde réel, l' emplanture de l' aile , où l'aile rencontre le fuselage, est plus épaisse que le bout de l' aile . En effet, le longeron d'aile doit supporter les forces de l'ensemble de l'aile extérieure, ce qui signifie qu'il y a très peu de force sur le longeron à l'extrémité, mais la force de portance de l'ensemble de l'aile à l'emplanture. Les longerons deviennent généralement beaucoup plus gros à mesure qu'ils s'approchent de l'emplanture pour tenir compte de ces forces, et la rationalisation du profil de l'aile autour de telles conceptions nécessite généralement que l'aile soit beaucoup plus épaisse et plus incurvée à l'emplanture qu'à la pointe.
Si l'on souhaite garder le nombre de Mach critique presque constant sur une telle conception, les sections extérieures les plus minces de l'aile devraient avoir moins de flèche que la racine plus épaisse. Façonner une aile pour incorporer un Mach critique constant le long de la travée lui donne naturellement la forme d'un croissant. La conception a deux avantages supplémentaires, qui sont liés l'un à l'autre. La combinaison de ces effets permet à l'aile en croissant d'avoir de meilleures caractéristiques de maniabilité sur une plus large plage de vitesses.
Lorsque l'air circule sur une aile en flèche, il rencontre une force vers le bout de l'aile. À grande vitesse, cette force est trop faible pour avoir un effet avant que l'air ne dépasse l'aile. À des vitesses inférieures, ce mouvement latéral devient plus évident, et à mesure que le mouvement latéral pousse l'air à l'extérieur de celui-ci, ce flux dans le sens de l'envergure devient de plus en plus perceptible vers les extrémités des ailes. A très basse vitesse, le flux peut devenir si latéral que le flux avant-arrière, qui est à l'origine de la portance, n'est plus supérieur à la vitesse de décrochage de la voilure, et les extrémités des ailes peuvent décrocher. Parce que le balayage signifie que les pointes sont derrière le centre de gravité , cette perte de portance à l'arrière de l'avion provoque une force de cabré, ce qui peut provoquer un décrochage supplémentaire. Un effet d'emballement dangereux peut se produire, connu sous le nom de cabré .
Une aile en croissant réduit ce problème. Étant donné que l'angle de balayage à la pointe est inférieur à celui à la racine, la force latérale est réduite. Considéré sur toute la largeur de l'aile, cela peut réduire considérablement le flux dans le sens de l'envergure, et ainsi réduire les vitesses de décrochage des extrémités. De plus, même lorsque les extrémités des ailes décrochent, elles sont situées plus en avant qu'elles ne le seraient dans le cas d'une aile droite en flèche. Cela signifie que la perte de portance se produit plus près du centre de gravité et réduit ainsi l'amplitude des forces de tangage.
A l'opposé de la plage de vitesse, un autre effet entre en jeu. Lorsqu'une aile est chargée, elle se plie vers le haut. Dans le cas d'une aile en flèche, parce que ces charges sont en arrière de la corde moyenne, cette force ascendante devient un couple autour du longeron, provoquant une rotation des pointes vers le bas. Cela réduit la portance au niveau des pointes au fur et à mesure qu'elles s'aplatissent par rapport au flux d'air ou qu'elles « se lavent » . Cela provoque la même force de cabré que le cas à basse vitesse, et à haute vitesse, les forces impliquées peuvent être très élevées et conduire à des problèmes structurels. Encore une fois, comme les extrémités de l'aile du croissant sont plus proches du centre de pression, ces forces sont réduites.
Les ailerons , situés aux extrémités des ailes, créent également une force de couple importante lorsqu'ils sont actionnés. Cela peut provoquer un problème connu sous le nom d' inversion des ailerons , où le mouvement de torsion de l'aile entière provoque l'application de la force opposée. Ce problème était bien connu sur le Supermarine Spitfire et nécessitait un fort renforcement de son aile pour contrer cet effet. Dans le cas d'une aile en croissant, cet effet n'est ni plus ni moins prononcé que sur d'autres conceptions. Cependant, il fixe une exigence de résistance à la torsion minimale qui peut être plus élevée que ce qui serait autrement nécessaire en raison de l'abaissement de la forme en croissant des charges de manœuvre, compensant ainsi potentiellement cet avantage.
La capacité d'auto-évasement, souvent mentionnée dans les discussions sur le Handley Page Victor , n'est pas inhérente à l'aile en croissant, mais peut se produire sur n'importe quel avion à queue haute avec un certain balayage d'aile. Cet effet est dû au fait que l'aile pénètre dans l' effet de sol avant l'empennage, qui est monté haut dans le boîtier en T. Cela crée une brève période de portance supplémentaire sur l'aile qui n'est pas contrée par la queue, provoquant le soulèvement du nez. Cette rotation s'arrête dès que l'avion descend suffisamment bas pour que la queue commence également à entrer dans l'effet de sol.
Histoire
La forme en plan d'aile en croissant a été inventée par l'aérodynamicien allemand Dipl.-Ing. Rüdiger Kosin et Walther Lehmann , alors qu'ils travaillaient pour Arado Flugzeugwerke Gmbh pendant la Seconde Guerre mondiale. Un prototype d'aile a été construit en avril 1945, avec l'intention de l'adapter à la cellule prototype Arado Ar 234 V16. Cependant, avant qu'il ne puisse être installé, l' armée britannique a envahi le site et l'aile a été détruite.
Le personnel de conception de l'avionneur britannique Handley Page - dont l'ingénieur Gustav Lachmann - a été envoyé en Allemagne, où ils ont été impressionnés par le travail à Arado. Ils ont ensuite incorporé la configuration dans leur proposition pour le bombardier V HP.80, qui sera plus tard nommé Victor .
Handley Page a proposé un planeur de recherche à l'échelle d'un tiers, le HP.87, mais l'a rapidement abandonné au profit d'un avion de recherche motorisé, le HP.88 ayant une aile à l'échelle 0,36. Le HP.88 effectua son premier vol le 21 juin 1951. Au cours de sa brève carrière, il montra une tendance aux oscillations de tangage et, le 26 août 1951, cela se produisit de plus en plus violemment avant que l'avion ne se brise en l'air.
À ce moment-là, la conception de Victor était déjà bien avancée, avec le premier prototype volant le 24 décembre 1952 et des exemplaires de production entrant en service en avril 1958. Le problème vu sur le HP.88 a finalement été attribué à un servomécanisme sur les commandes de queue, pas un problème inhérente à la disposition du bombardier.
Pendant ce temps en France, Bréguet a proposé la conception Br.978A pour un avion de ligne à ailes en croissant, qu'ils appelaient le "croissant". La conception n'a pas été construite. La mise en page a également été sélectionnée pour le Supermarine 545 , une version supersonique du Supermarine Swift , mais cela n'a pas été mis en production.
Les premières versions de l' Avro Vulcan avaient des bords d'attaque droits, et celles-ci présentent des problèmes à des vitesses transsoniques élevées. Cela comprenait des extensions sur le bord d'attaque qui ont donné aux parties intérieures moins de balayage. Le résultat a été une disposition d'aile révisée qui est essentiellement une version delta de l'aile en croissant.
Handley Page Victor
Le Victor était le seul type à ailes en croissant à entrer en production. Il a servi dans la Royal Air Force pendant de nombreuses années, occupant divers rôles en plus de bombardier, notamment en tant que ravitailleur en vol pendant la guerre des Malouines .
Le profil et la forme de l'aile en croissant ont fait l'objet de réglages et de modifications considérables tout au long des premiers stades de développement, en particulier pour contrer un comportement de tangage défavorable en vol.
Lors des essais en vol du premier prototype, le Victor a prouvé ses performances aérodynamiques, volant jusqu'à Mach 0,98 sans problèmes de maniement ni de tremblement ; il n'y avait pratiquement aucun changement aérodynamique entre le prototype et l'avion de production. Les avions de production comportaient une opération de volet avant automatisée pour contrer la tendance de l'avion à se cabrer vers le haut pendant des nombres de Mach faibles à modérés. Une caractéristique de vol inhabituelle du premier Victor était sa capacité d'atterrissage automatique; une fois aligné avec la piste, l'avion s'arrondirait naturellement lorsque l'aile entrait dans l' effet de sol tandis que la queue continuait de couler, donnant un atterrissage amorti sans aucune commande ou intervention du pilote.
Le Victor avait une bonne maniabilité et d'excellentes performances, ainsi que des caractéristiques de vol à basse vitesse favorables et a été décrit comme un avion agile, atypique pour un gros bombardier; en 1958, un Victor avait effectué plusieurs loopings et un tonneau lors des entraînements pour un vol de démonstration au Farnborough Airshow .
Le Victor a été conçu pour voler à des vitesses subsoniques élevées, bien que plusieurs cas se soient produits dans lesquels le mur du son a été brisé.
Les références
Remarques
Bibliographie
- Butler, P.; et Buttler, A.; Aerofax : Handley Page Victor . Midland Publishing, 2009. ISBN 1-85780-311-6 .
- Vert, W. ; Avions de guerre du Troisième Reich , Macdonald et Jane's, 1970.
- Hygate, B. Avion à réaction expérimental britannique , Argus, 1990; Pages 106-112.
- Lee, GH (14 mai 1954). « Aérodynamique de l'aile en croissant » (PDF) . Vol International . p. 611-612.
Liens externes
- "The Crescent Wing" , une vidéo de Handley Page sur le design du Victor