Aile volante - Flying wing

Le bombardier furtif Northrop B-2 Spirit

Une aile volante est un avion à voilure fixe sans queue qui n'a pas de fuselage défini , avec son équipage, sa charge utile, son carburant et son équipement logés à l'intérieur de la structure de l'aile principale. Une aile volante peut avoir diverses petites protubérances telles que des gousses, des nacelles , des cloques, des flèches ou des stabilisateurs verticaux .

Des conceptions d'avions similaires, qui ne sont pas techniquement des ailes volantes, sont parfois désignées comme telles. Ces types comprennent les avions à fuselage mixte et les avions à fuselage levant , qui ont un fuselage et pas d'ailes définies. La configuration de base des ailes volantes est devenue un objet d'étude importante au cours des années 1920, souvent en conjonction avec d'autres conceptions sans queue.

Histoire

Les premières recherches

Le prototype de bombardier Northrop YB-35 a commencé son développement pendant la Seconde Guerre mondiale.

Les avions sans queue ont été expérimentés depuis les premières tentatives de vol. Le Britannique JW Dunne a été l'un des premiers pionniers, ses conceptions de biplan et de monoplan à ailes en flèche ont affiché une stabilité inhérente dès 1910. Son travail a directement influencé plusieurs autres concepteurs, dont GTR Hill , qui a développé une série de conceptions expérimentales d' avions sans queue , collectivement connues sous le nom de Westland-Hill Pterodactyls , au cours des années 1920 et au début des années 1930. Malgré les tentatives de poursuivre les commandes du ministère de l' Aviation , le programme Pterodactyl a finalement été annulé au milieu des années 1930 avant toute commande pour le Mk. VI a été délivré.

L'Allemand Hugo Junkers a breveté son propre concept de transport aérien à voilure uniquement en 1910, le considérant comme une solution naturelle au problème de la construction d'un avion de ligne suffisamment grand pour transporter une charge raisonnable de passagers et suffisamment de carburant pour traverser l' Atlantique en service régulier. Il pensait que le volume interne potentiellement important de l'aile volante et sa faible traînée en faisaient une conception évidente pour ce rôle. Son aile monoplan à cordes profondes a été incorporée dans le Junkers J 1 par ailleurs conventionnel en décembre 1915. En 1919, il a commencé à travailler sur sa conception "Giant" JG1 , destinée à accueillir des passagers dans une aile épaisse, mais deux ans plus tard, la Commission aéronautique alliée de Le contrôle a ordonné la destruction du JG1 incomplet pour avoir dépassé les limites de taille d'après-guerre sur les avions allemands. Junkers a conçu des ailes volantes futuristes pouvant accueillir jusqu'à 1 000 passagers ; l' avion de ligne Grossflugzeug à 34 places Junkers G.38 de 1931 , qui comportait une grande aile à corde épaisse offrant de l'espace pour le carburant, les moteurs et deux cabines passagers. Cependant, il fallait encore un fuselage court pour loger l'équipage et les passagers supplémentaires.

Le soviétique Boris Ivanovich Cheranovsky a commencé à tester des planeurs à ailes volantes sans queue en 1924. Après les années 1920, des concepteurs soviétiques tels que Cheranovsky ont travaillé indépendamment et en secret sous Staline . Avec une percée significative dans les matériaux et les méthodes de construction, des avions tels que le BICh-3 , BICh-14 , BICh-7A sont devenus possibles. Des hommes comme Chizhevskij et Antonov sont également devenus sous les projecteurs du Parti communiste en concevant des avions comme le BOK-5 sans queue (Chizhevskij) et l'OKA-33 (le premier jamais construit par Antonov) qui ont été désignés comme "planeurs motorisés" en raison de leur similitude. aux planeurs populaires de l'époque. Le BICh-11, développé par Cheranovsky en 1932, a concouru avec les frères Horten H1 et Adolf Galland aux neuvièmes compétitions de planeurs en 1933, mais n'a pas été présenté aux Jeux olympiques d'été de 1936 à Berlin.

En Allemagne , Alexander Lippisch a d'abord travaillé sur des types sans queue avant de passer progressivement aux ailes volantes, tandis que les frères Horten ont développé une série de planeurs à ailes volantes dans les années 1930. Le planeur H1 a volé avec un succès partiel en 1933, et le H2 qui a suivi a volé avec succès à la fois en planeur et en version motorisée.

Le Northrop YB-49 était le bombardier YB-35 converti en puissance à réaction.

Aux États-Unis , à partir des années 1930, Jack Northrop et Cheston L. Eshelman ont travaillé indépendamment sur leurs propres conceptions. Le Northrop N-1M , prototype à l'échelle d'un bombardier à longue portée, a volé pour la première fois en 1940. L' Eshelman FW-5 , communément appelé The Wing , était un monoplan expérimental à cabine. Parmi les autres exemples de véritables ailes volantes des années 1930, citons le planeur AV3 du Français Charles Fauvel de 1933 et le planeur américain Freel Flying Wing piloté en 1937. doté d'un profil autostabilisant sur une aile droite.

Deuxième Guerre mondiale

Au cours de la Seconde Guerre mondiale , les problèmes aérodynamiques sont devenus suffisamment compris pour que le travail sur une gamme de prototypes représentatifs de la production puisse commencer. Dans l'Allemagne nazie , les frères Horten étaient de fervents partisans de la configuration de l'aile volante, développant leurs propres conceptions autour de celle-ci - uniquement pour l'époque en utilisant la "distribution de portance en forme de cloche" en forme d'oiseau de Prandtl. L'un de ces avions qu'ils ont produit était le planeur Horten H.IV , qui a été produit en petit nombre entre 1941 et 1943. Plusieurs autres conceptions militaires allemandes de la fin de la guerre étaient basées sur le concept d'aile volante, ou des variantes de celui-ci, comme solution proposée pour étendre la portée des avions à très courte portée par ailleurs propulsés par les premiers moteurs à réaction .

Le Horten Ho 229 allemand a volé pendant les derniers jours de la Seconde Guerre mondiale et a été la première aile volante à réaction.
Partie d'un Horten Ho 229 V3, non restauré en 2007, à l' installation Paul Garber du Smithsonian

L'exemple le plus célèbre de ces conceptions serait le chasseur Horten Ho 229 , qui a volé pour la première fois en 1944. Il combinait une aile volante, ou Nurflügel , conception avec une paire de moteurs à réaction Junkers Jumo 004 dans son second, ou "V2" (V pour Versuch ) prototype de cellule ; en tant que telle, c'était la première aile volante au monde à être propulsée par des moteurs à réaction jumelés , son premier vol aurait eu lieu en mars 1944. La V2 était pilotée par Erwin Ziller, qui a été tué lorsqu'une extinction dans l'un de ses moteurs a entraîné un crash. Des plans ont été faits pour produire le type comme le Gotha Go 229 pendant les dernières étapes du conflit. Malgré les intentions de développer le Go 229 et un Go P.60 amélioré pour plusieurs rôles, y compris en tant que chasseur de nuit , aucun Go 229 ou P.60 construit par Gotha n'a jamais été achevé. Le « V3 », ou troisième prototype, qui n'a pas volé et presque terminé, a été capturé par les forces américaines et renvoyé pour étude ; il s'est retrouvé entreposé à la Smithsonian Institution .

Les Alliés ont également fait plusieurs avancées pertinentes dans le domaine en utilisant une distribution de portance elliptique conventionnelle avec des surfaces de queue verticales. En décembre 1942, Northrop a piloté le N-9M , un avion de développement à l'échelle d'un tiers pour un projet de bombardier à long rayon d'action ; plusieurs ont été produits, tous sauf un ont été mis au rebut après la fin du programme de bombardement. En Grande-Bretagne, le planeur Baynes Bat volait en temps de guerre ; il s'agissait d'un avion expérimental à l'échelle d'un tiers destiné à tester la configuration pour la conversion potentielle de chars en planeurs temporaires .

Le britannique Armstrong Whitworth AW52 G de 1944 était un banc d'essai de planeur pour la recherche sans queue, la société ayant pour ambition de développer un grand avion de ligne à voilure volante capable de desservir les routes transatlantiques . L'AW52G a ensuite été suivi par l' Armstrong Whitworth AW52 , un modèle à réaction tout en métal capable d'atteindre des vitesses élevées pour l'époque; une grande attention a été portée au flux laminaire . Premier vol le 13 novembre 1947, l'AW52 a donné des résultats décevants; le premier prototype s'est écrasé sans perte de vie le 30 mai 1949, l'occasion étant la première utilisation d'urgence d'un siège éjectable par un pilote britannique. Le deuxième AW52 vola avec le Royal Aircraft Establishment jusqu'en 1954.

Après la guerre

Les projets ont continué à examiner l'aile volante pendant l' après - guerre . Les travaux sur le Northrop N-1M ont conduit au bombardier à long rayon d'action YB-35 , avec des machines de pré-production volant en 1946. Cela a été remplacé l'année suivante par la conversion du type en jet comme le YB-49 de 1947. La conception n'offrait pas un grand avantage en termes de gamme, présentait un certain nombre de problèmes techniques et n'entrait pas en production. En Union soviétique, le BICh-26 est devenu l'une des premières tentatives de production d'un avion à réaction supersonique à ailes volantes en 1948 ; L'auteur de l'aviation Bill Gunston a qualifié le BICh-26 d'en avance sur son temps. Cependant, l'avion n'a pas été accepté par l'armée soviétique et la conception est morte avec Cheranovsky.

Plusieurs autres pays ont également choisi d'entreprendre des projets d'ailes volantes. La Turquie était l'un de ces pays, le Turc Hava Kurumu Ucak Fabrikasi produisant le planeur sans queue THK-13 en 1948. Plusieurs fabricants britanniques ont également exploré le concept à cette époque. Les premières propositions pour l' Avro Vulcan , un bombardier stratégique à armes nucléaires conçu par Roy Chadwick , ont également exploré plusieurs dispositions d'ailes volantes, bien que la conception finale ait un fuselage.

Après l'arrivée des avions supersoniques dans les années 1950, l'intérêt militaire pour l'aile volante s'est rapidement réduit, car le concept d'adopter une aile épaisse pouvant accueillir l'équipage et l'équipement était directement en conflit avec l'aile mince optimale pour le vol supersonique.

L'intérêt pour les ailes volantes a été renouvelé dans les années 1980 en raison de leurs sections efficaces de réflexion radar potentiellement faibles . La technologie furtive repose sur des formes qui reflètent les ondes radar uniquement dans certaines directions, ce qui rend l'avion difficile à détecter à moins que le récepteur radar ne se trouve à une position spécifique par rapport à l'avion, une position qui change continuellement à mesure que l'avion se déplace. Cette approche a finalement conduit au Northrop Grumman B-2 Spirit , un bombardier furtif à aile volante . Dans ce cas, les avantages aérodynamiques de l'aile volante ne sont pas les principales raisons de l'adoption de la conception. Cependant, les systèmes de vol électriques modernes contrôlés par ordinateur permettent de minimiser de nombreux inconvénients aérodynamiques de l'aile volante, ce qui en fait un bombardier à long rayon d'action efficace et stable.

En raison du besoin pratique d'une aile profonde, le concept d'aile volante est le plus pratique pour les avions subsoniques . Il y a eu un intérêt continu à l'utiliser dans le grand rôle de transport où l'aile est suffisamment profonde pour contenir des marchandises ou des passagers. Un certain nombre de sociétés, dont Boeing , McDonnell Douglas et Armstrong Whitworth , ont effectué à ce jour un travail de conception considérable sur des avions de ligne à voilure volante , aucun de ces avions de ligne n'est encore entré en production à partir de 2020.

Depuis la fin de la guerre froide , de nombreux véhicules aériens sans pilote (UAV) comportant l'aile volante ont été produits. Les nations ont généralement utilisé de telles plates-formes pour la reconnaissance aérienne ; ces drones comprennent le Lockheed Martin RQ-170 Sentinel , le Northrop Grumman Tern et l' aile volante Nanning Huishi . Des entreprises civiles ont également expérimenté des drones, comme le Facebook Aquila , comme satellites atmosphériques . Divers prototypes de véhicules aériens de combat sans pilote (UCAV) ont été produits, notamment le Dassault nEUROn , le Sukhoi S-70 Okhotnik-B et le BAE Systems Taranis .

Concevoir

Aperçu

Une aile volante propre est parfois présentée comme la configuration de conception théoriquement la plus efficace sur le plan aérodynamique (la traînée la plus faible) pour un aéronef à voilure fixe. Il offrirait également une efficacité structurelle élevée pour une profondeur d'aile donnée, ce qui conduirait à un poids léger et à un rendement énergétique élevé .

Parce qu'elle manque de surfaces stabilisatrices conventionnelles et des surfaces de contrôle associées, dans sa forme la plus pure, l'aile volante souffre des inconvénients inhérents d'être instable et difficile à contrôler. Ces compromis sont difficiles à concilier, et les efforts pour y parvenir peuvent réduire voire annuler les avantages attendus de la conception de l'aile volante, tels que les réductions de poids et de traînée . De plus, les solutions peuvent produire une conception finale encore trop dangereuse pour certaines utilisations, telles que l'aviation commerciale.

D'autres difficultés découlent du problème de l'installation du pilote, des moteurs, de l'équipement de vol et de la charge utile dans la profondeur de la section d'aile. D'autres problèmes connus avec la conception de l'aile volante concernent le tangage et le lacet . Les problèmes de tangage sont abordés dans l'article sur les avions sans queue . Les problèmes de lacet sont discutés ci-dessous.

Conception technique

Une aile suffisamment profonde pour contenir le pilote, les moteurs, le carburant, le train d'atterrissage et d'autres équipements nécessaires aura une surface frontale accrue, par rapport à une aile conventionnelle et à un fuselage long et fin. Cela peut en fait entraîner une traînée plus élevée et donc une efficacité inférieure à celle d'une conception conventionnelle. Typiquement, la solution adoptée dans ce cas est de garder l'aile raisonnablement mince, et l'avion est alors équipé d'un assortiment de blisters, de cosses, de nacelles, d'ailerons, etc. pour répondre à tous les besoins d'un avion pratique.

Le problème devient plus aigu aux vitesses supersoniques, où la traînée d'une aile épaisse augmente fortement et il est essentiel que l'aile soit amincie. Aucune aile volante supersonique n'a jamais été construite.

Stabilité directionnelle

Pour qu'un avion puisse voler sans correction constante, il doit avoir une stabilité directionnelle en lacet.

Les ailes volantes manquent de n'importe où pour attacher un stabilisateur vertical ou un aileron efficace. Tout aileron doit se fixer directement sur la partie arrière de l'aile, donnant un petit bras de moment du centre aérodynamique, ce qui signifie à son tour que l'aileron est inefficace et pour être efficace, la surface de l'aileron doit être grande. Un tel aileron a des pénalités de poids et de traînée, et peut annuler les avantages de l'aile volante. Le problème peut être minimisé en augmentant la flèche de l'aile et en plaçant des ailerons jumeaux à l'extérieur près des extrémités, comme par exemple dans une aile delta à faible allongement, mais étant donné la réduction correspondante de l'efficacité, de nombreuses ailes volantes ont une flèche plus douce et ont par conséquent, à meilleure stabilité marginale.

Une autre solution consiste à incliner ou à incliner les sections de bout d'aile vers le bas avec un anhédral important , augmentant la zone à l'arrière de l'avion lorsqu'elle est vue de côté.

Le rapport hauteur/largeur d'une aile en flèche vue dans la direction du flux d'air dépend de l'angle de lacet par rapport au flux d'air. Le lacet augmente l'allongement de l'aile de tête et réduit celui de l'aile arrière. Avec suffisamment de balayage en arrière, la traînée induite différentielle résultant des tourbillons de pointe et du flux transversal est suffisante pour réaligner naturellement l'avion. C'est le schéma de stabilisation utilisé dans les premières ailes volantes de Northrop, en combinaison avec des nacelles de moteur verticales (YB-35) ou des stabilisateurs diminutifs (YB-49).

Une approche complémentaire utilise une torsion ou un lavage différentiel, ainsi qu'une forme en plan d'aile en flèche et une section de profil aérodynamique appropriée. Prandtl, Pankonin et d'autres ont découvert que le lessivage était fondamental pour la stabilité en lacet des ailes volantes des frères Horten des années 1930 et 1940. Sur une distribution de portance elliptique conventionnelle, l'élevon descendant provoque une augmentation de la traînée induite qui fait que l'avion sort du virage en lacet (« lacet défavorable »). Les Hortens ont décrit une "distribution de portance en forme de cloche" sur l'envergure de l'aile, avec plus de portance dans la section centrale et zéro aux extrémités en raison de leur angle d'incidence négatif dû à un lessivage extrême. La restauration de la portance extérieure par l'élevon crée une légère poussée induite pour la partie arrière (extérieure) de l'aile pendant le virage. Ce vecteur tire essentiellement l'aile arrière vers l'avant pour provoquer un « lacet proverse », créant un virage naturellement coordonné. Bien que Reimar Horten n'ait jamais prouvé que le lacet proverse existait, il a finalement été vérifié par le démonstrateur sans queue PRANDTL-D basé sur Hortex-Xc de la NASA.

Contrôle de lacet

Dans certaines conceptions d'ailes volantes, les ailerons de stabilisation et les gouvernails de commande associés seraient trop avancés pour avoir beaucoup d'effet, ainsi des moyens alternatifs pour le contrôle du lacet sont parfois fournis.

Une solution au problème de contrôle est la traînée différentielle : la traînée près d'un bout d'aile est artificiellement augmentée, provoquant un lacet de l'avion dans la direction de cette aile. Les méthodes typiques incluent :

  • Ailerons séparés . La surface supérieure monte tandis que la surface inférieure descend. Le fait de diviser l'aileron d'un côté induit un lacet en créant un effet de frein à air différentiel.
  • Spoilers . Une surface de spoiler dans le revêtement supérieur de l'aile est surélevée pour perturber le flux d'air et augmenter la traînée. Cet effet s'accompagne généralement d'une perte de portance, qui doit être compensée soit par le pilote, soit par des éléments de conception complexes.
  • Spoiler . Un becquet d'extrados qui agit également pour réduire la portance (équivalent à dévier un aileron vers le haut), provoquant ainsi l'inclinaison de l'avion dans le sens du virage - l'angle de roulis fait que la portance de l'aile agit dans le sens du virage, réduisant la quantité de traînée nécessaire pour faire tourner l'axe longitudinal de l'avion.

Une conséquence de la méthode de traînée différentielle est que si l'avion manœuvre fréquemment, il créera fréquemment une traînée. Ainsi, les ailes volantes sont à leur meilleur en croisière en air calme : en air turbulent ou en changeant de cap, l'avion peut être moins efficace qu'une conception conventionnelle.

Aile volante bidirectionnelle

Aile volante bidirectionnelle, vue de dessus

La conception de l'aile volante bidirectionnelle supersonique comprend une aile basse vitesse de longue envergure et une aile haute vitesse de courte envergure réunies sous la forme d'une croix inégale.

L'engin proposé décollerait et atterrirait avec l'aile à basse vitesse à travers le flux d'air, puis tournerait d'un quart de tour de sorte que l'aile à grande vitesse fasse face au flux d'air pour un voyage supersonique. La NASA a financé une étude de la proposition.

La conception est censée présenter une faible traînée d'onde, une efficacité subsonique élevée et peu ou pas de bang sonique.

L'aile basse vitesse proposée aurait un profil aérodynamique épais et arrondi capable de contenir la charge utile et une longue envergure pour une efficacité élevée, tandis que l'aile à grande vitesse aurait un profil aérodynamique mince et tranchant et une envergure plus courte pour une faible traînée à supersonique la vitesse.

Conceptions associées

Certains aéronefs apparentés qui ne sont pas strictement des ailes volantes ont été décrits comme tels.

Certains types, tels que le Northrop Flying Wing (NX-216H) , ont encore un stabilisateur de queue monté sur des poutres de queue, bien qu'ils n'aient pas de fuselage.

De nombreux deltaplanes et avions ULM sont sans queue. Bien que parfois appelés ailes volantes, ces types transportent le pilote (et le moteur le cas échéant) sous la structure de l'aile plutôt qu'à l'intérieur, et ne sont donc pas de véritables ailes volantes.

Un avion de forme plan delta fortement balayée et de section centrale profonde représente un cas limite entre les configurations d' aile volante, de corps d'aile mixte et/ou de corps de levage .

Voir également

Les références

Citations

Bibliographie

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Liens externes