Aile en flèche inverse

par enrimores Lun 25 Aoû - 11:59

L’aile en flèche inverse

I. Introduction
Afin d’apporter une grande agilité aux avions de chasses, les constructeurs ont développés toute sorte de configuration aérodynamique permettant une manœuvrabilité améliorée (plans canards, ailes à flèches variables.. L’aile en flèche inverse (Forward Swept Wing) est une solution originale et peu conventionnelle qui offre de nombreux avantages.

II. Historique
L’idée est née en 1936, quand un aérodynamicien allemand imagina un avion avec des ailes inclinées vers l’avant. Il fallut cependant attendre la seconde guerre moniale pour mettre cette idée en application. Les constructeurs Messerschmitt et Junkers se sont penchés sur ce type de configuration, ce qui a donné des avions comme le Ju-287 (fig.1). Cependant, il faut remarquer que les ingénieurs allemands ont préférés ce type de voilure non pas pour ses caractéristiques aérodynamiques, mais plutôt parce qu’elle permet de placer l’emplanture d’aile en arrière du fuselage, afin de minimiser les interférences de structures avec la soute de bombe par exemple.

Pendant l’après-guerre, les chercheurs américains et russes ont effectués plusieurs études sur l’aile en flèche inverse en soufflerie, sans déboucher sur des projets concrets. En 1964, un business jet à aile en flèche inverse est construit par la Hamburger Flugzeugbau à Hambourg. Le HFB-320 « HansaJet » (fig. 2) est produit à 50 exemplaires. Là encore, le choix de l’aile en flèche inverse est justifié par son implantation en arrière du fuselage.
Afin d’étudier les avantages aérodynamiques de cette voilure particulière, la DARPA (Agence de projets avancés pour la défense) américaine a lancé une compétition pour développer un prototype à la fin des années 70. Le constructeur Grumman et son projet X-29 (fig. 3) son sélectionné en 1981 et deux prototypes seront construits. Le premier vol du X-29 à lieu en 1984, et de nombreux vols d’essai suivront. Les avantages aérodynamiques de cette voilure seront confirmés, mai jugés peu intéressant.

La voilure en flèche inverse est ensuite restée à l’état de concept, jusqu’à l’apparition en 1997 du Sukhoi S-37 « Berkout » (fig.4). Après de nombreux essais en vol, cet avion reste actuellement au stade de prototype. Manque d’engouement pour la flèche inverse, ou manque de moyens financiers, la question reste en suspens.

III. Aérodynamique
D’un point de vue aérodynamique, l’aile en flèche inverse offre une excellente manœuvrabilité à fort angle d’attaque, et un rapport portance/traînée très avantageux dans les domaines haut subsonique et transsonique.

L’amélioration de la manœuvrabilité à fort angle d’attaque s’explique de manière simple. Sur une aile droite, l’air sur l’aile s’écoule dans le sens du vent relatif, grossièrement perpendiculairement au bord d’attaque (fig. 5). Ainsi, à angle d’attaque élevé, le décrochage de l’écoulement se produit simultanément le long de l’aile. Pour une aile en flèche, l’écoulement s’éloigne du fuselage vers les bouts d’ailes. A angle d’attaque élevé, le décrochage commence aux bouts d’aile et se propage vers le fuselage.
Au contraire sur une aile en flèche inverse, l’air s’écoule du bout d’aile vers le fuselage, et le décrochage commence à la racine de l’aile (fig. 6).

Or les ailerons mobiles de bord de fuite qui permettent le contrôle en roulis de l’appareil se situent en bout d’ailes. On comprend alors que l’aile en flèche inverse permet aux ailerons de contrôler l’avion à des angles d’attaques plus élevés que sur une aile classique. De plus l’air s’écoulant vers le fuselage, l’empennage horizontal garde également un meilleur contrôle, car le flux d’air est plus important. La manœuvrabilité est encore amélioré par l’utilisation de plan canard pour le contrôle en tangage, de LERX (Leading edge root extension – extension de la racine du bord d’attaque), ce qui permet d’obtenir une agilité sans commune mesure.

Les performances en régime transsonique sont également meilleures pour une aile en flèche inverse. La flèche donnée à une aile transsonique ou supersonique permettent de réduire la forte traînée crée par l’onde de choc, ainsi qu’à retarder cette augmentation de traînée. Or une l’inversion de la flèche permet de donner un angle plus faible au bord d’attaque pour des performances identiques, ce qui permet de réduire encore plus la traînée et le moment de flexion à la racine. De plus, le moment de flexion étant plus faible, l’aspect de l’aile est légèrement plus élevé, ce qui permet de réduire encore la traînée. Il s’ensuit un rapport portance/traînée nettement plus avantageux dans ce domaine.
IV. Divergence de l’aile
La principale difficulté dans la réalisation concrète d’une aile en flèche inverse est due à la divergence de l’aile, qui peut entraîner une rupture de la structure de l’aile.

La portance appliquée sur une aile droite entraîne une faible flexion de la structure vers le haut. Sur une aile en flèche classique, la portance cause également une faible flexion et également une torsion due à l’angle de flèche. Cette dernière est maximale en bout d’aile, et incline le bord de fuite vers le haut. Cet effet est contré par le flux d’air qui va alors exercer une portance négative sur le bout d’aile, stabilisant la torsion de l’aile. La structure est donc soumise à des efforts relativement faibles.

Dans le cas de la flèche inverse, la torsion s’exerce dans le sens inverse : c’est le bord d’attaque en bout d’aile qui va se soulever. Ainsi l’air passant sur l’intrados va créer un supplément de portance dans cette zone, ce qui va accentuer le phénomène de torsion ! Du point de vue de la torsion, une aile en flèche inverse est donc instable et la structure est soumise à des efforts intenses. Afin de ne pas alourdir de façon considérable l’aile, il a fallu attendre l’apparition des matériaux composites pour que des ailes en flèche inverse (à flèche assez élevée) puissent voir le jour.
V. Conclusion :
Les propriétés aérodynamiques de l’aile en flèche inverse n’ont pus être étudiées que récemment, grâce à l’apparition des matériaux composites. Cette configuration combinée à des plans canards et des LERX permet de donner à l’aéronef une agilité fantastique, et d’excellentes performances en vol transsonique. Cependant, ce concept n’a pas été encore appliqué sur un avion de série. Il semble que l’aile en flèche inverse est une solution originale, mais à un problème que personne ne cherche à résoudre.