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La voilure est la surface assurant la portance d'un aérodyne par déflexion d'une masse d'air, due à son mouvement[1]. Dans le cas d'un appareil « à voilure fixe » (avion ou planeur) il s'agit de l'aile, par opposition à un appareil à voilure tournante (hélicoptère, autogire), où il s'agit d'un rotor.

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La voilure d'un Airbus A300
La voilure d'un Airbus A300

Description



Historique


Fabrique d'avions. Angleterre. Première Guerre mondiale.
Fabrique d'avions. Angleterre. Première Guerre mondiale.

La surface de voilure nécessaire au vol dépend de la masse et de la vitesse et donc de la puissance des moteurs disponibles. Au début de l'aviation les moteurs disponibles étaient lourds et peu puissants, la vitesse faible ; il fallait donc une grande surface portante, ce qui a conduit à réaliser des aérodynes à plusieurs voilures superposées reliées entre elles par des mâts et des haubans, car la technique de l'époque ne permettait pas de construire des ailes à grand allongement. Les appareils multiplans étaient donc une configuration fréquente aux débuts de l'aviation.

Dans la première moitié du XXe siècle, on a construit des avions biplans (à deux voilures superposées) voire triplans (à trois voilures superposées). Ceci permettait d'obtenir une portance supplémentaire sans trop augmenter l'envergure et la masse de l'aile. Avec l'augmentation de la puissance des moteurs, l'apparition de nouvelles méthodes constructives et de nouveaux matériaux, l'amélioration des moyens de calcul et de dimensionnement et le développement de la science de la résistance des matériaux, la construction d'avions à ailes métalliques plus épaisses mais sans haubans a permis de réduire la traînée et de gagner en vitesse.

Depuis la Seconde Guerre mondiale, la quasi-totalité des avions sont monoplans : leur voilure est constituée de deux ailes en porte à faux ou cantilever placées de chaque côté du fuselage.


Position sur le fuselage


Avion à ailes basses
Avion à ailes basses
Avion à ailes hautes
Avion à ailes hautes

On distingue les ailes en fonction de leur implantation sur le fuselage :

Les ailes hautes permettent de surélever les moteurs et les hélices pour pallier l'ingestion de corps étrangers (ou d'eau dans le cas des hydravions, comme sur le Beriev Be-200) ou faciliter l'emport de charges volumineuses en soute (ex. : Transall C-160). Sur les avions de tourisme légers, elles assurent une meilleure visibilité vers le bas, sauf en virage (exemple : Cessna 152).


Terminologie

En longitudinal : le bord avant est appelé bord d'attaque et le bord arrière bord de fuite.

En transversal : la jonction de l'aile au fuselage s'appelle l'emplanture. La jonction du bord d'attaque au fuselage peut être prolongée vers l'avant par un apex (LERX en anglais).

L'extrémité de l'aile (ou saumon) peut être simplement coupée net, ou bien se terminer par une forme spéciale courbée vers le haut ou vers le bas. Il existe aussi des ailettes marginales ou winglets, simples (vers le haut) ou doubles (vers le haut et vers le bas). C'est sur l'extrémité de l'aile que sont placés les feux de navigation : rouge à gauche et vert à droite.


Structure

Chaque demi-voilure est constituée d'un (ou de plusieurs) longerons attachés au fuselage au niveau de l'emplanture. Les nervures supportent les revêtements supérieur (extrados) et inférieur (intrados) et transmettent les charges aérodynamiques aux longerons. La combinaison des longerons d'aile avant et arrière et les revêtements d'aile supérieur et inférieur forment éventuellement le caisson de voilure. La voilure peut également être le support de différents systèmes de navigation comme les feux de position (aux extrémités), les phares d'atterrissage, ou de pilotage (détecteur de décrochage). Y sont également fixés d'autres dispositifs, par exemple de fines tiges parfois terminées par des brosses en fibres de carbone (déperditeur de potentiel) permettant d'éliminer la charge électrostatique formée par la friction de l'air.

  1. Emplanture
  2. Longerons
  3. Nervures
  4. Bord d'attaque
  5. Bord de fuite
  6. Saumon

Surfaces mobiles

Voilure d'un A319 à l'atterrissage
Voilure d'un A319 à l'atterrissage

L'aile présente des surfaces mobiles permettant de faire varier la portance et la traînée :

et des gouvernes permettant le contrôle de l'avion :

  1. Winglet
  2. Aileron basse vitesse
  3. Aileron haute vitesse
  4. Rail de glissement des volets
  5. Bec de bord d'attaque de type Krüger
  6. Bec de bord d'attaque de type slats
  7. Volet intérieurs de type Fowler
  8. Volet extérieurs de type Fowler
  9. Spoiler (destructeur de portance et aérofrein)
  10. Spoiler (destructeur de portance et aérofrein)

Chargement

L'aile peut aussi servir de point d'attache pour les moteurs, pour le train d'atterrissage et pour l'emport de charges sur les avions militaires. Elle contient généralement des caissons servant de réservoirs de carburant.


Géométrie et aérodynamique de l'aile


Structure en bois d'une aile d'avion du début du XXe siècle
Structure en bois d'une aile d'avion du début du XXe siècle
Aile droite d'un C-130 Hercules
Aile droite d'un C-130 Hercules
Aile en flèche d'un F-16
Aile en flèche d'un F-16
Aile delta « gothique » du Concorde
Aile delta « gothique » du Concorde
Article détaillé : Configuration d'aile.

La géométrie d'une aile se définit en fonction de plusieurs éléments (voir sous aérodynamique les définitions des termes se rapportant à une aile d'avion) :


Portance et stabilisation classique (passive)


Article détaillé : Stabilité longitudinale (aviation).

Cas de deux surfaces

La stabilité en tangage est obtenue généralement par un positionnement spécifique du centre de gravité et par le différentiel de portance de deux surfaces portantes éloignées l'une de l'autre.

Ces deux surfaces présentent des calages différents : c'est le V longitudinal. Les surfaces peuvent être disposées de plusieurs façons :

L'effet d'une différence de calage est le suivant : si une perturbation fait augmenter l'angle d'incidence, la portance du plan de profondeur varie proportionnellement plus que celle de la voilure principale. Cela entraîne un couple piqueur qui va faire diminuer l'incidence[3].

Exemple chiffré.

  • Incidence en vol stabilisé de la voilure principale : 3° (incidence de portance nulle du profil -4°)
  • Incidence en vol stabilisé du plan de profondeur : 1°
  • Augmentation l'incidence due à la perturbation : 1°
    • Augmentation de portance de la voilure principale : 14 % (7°+ 1° par rapport à 7°)
    • Augmentation de portance du plan de profondeur : 100 % (1°+ 1° par rapport à 1°).

Cas d'une seule surface

Les solutions (aile volante avec ou sans flèche, aile delta) sont diverses :

Faute d'empennage reculé, la stabilité longitudinale, obtenue par des artifices diminuant la portance, est faible et ne permet pas le montage de volets qui amèneraient des moments piqueurs trop élevés. Le coefficient de portance maximale reste limité, ce qui oblige à augmenter la surface de l'aile.


Stabilisation assistée (active)


Dans ce cas l'avion peut être centré plus arrière et instable aérodynamiquement. La stabilisation en tangage est assurée par un calculateur et des actionneurs qui contrôlent les gouvernes en permanence (fly by wire). L'empennage étant moins déporteur, la traînée due à la stabilisation est plus faible.


Angle de flèche


Divers angles de flèche.
Divers angles de flèche.

Forme en plan



Application de l'aérodynamique à l'aile


Articles connexes : Portance (aérodynamique) et Profil (aéronautique).

Lorsque cet appendice se déplace dans un fluide, sa forme particulière induit une traction de l'intrados vers l'extrados, perpendiculaire au plan de leur face. Si ce fluide est l'air, cela permet le vol. Mais lorsqu'il ne se déplace pas dans un fluide, sa forme induit une traction de l'extrados vers l'intrados, parallèle au plan de leur face, et égale à la relation X²/UZ+3-2QS² ou, plus simplement, au delta de pression dû à la différence des vitesses d'écoulement entre les deux faces (voir Bernoulli).


Notes et références


  1. Définitions lexicographiques et étymologiques de « Voilure » (sens B) dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
  2. voir : Les différents angles, lavionnaire.fr, consulté le 23 avril 2020
  3. See how it flies. Chap 6.1 The Basic Stability Principle

Annexes



Articles connexes



Lien externe



На других языках


[es] Ala (aeronáutica)

En aeronáutica se denomina ala a un cuerpo aerodinámico de configuración muy fuerte y resistente estructuralmente, compuesta por un perfil aerodinámico o perfil alar envolviendo a uno o más largueros y que es capaz de generar una diferencia de presiones entre su cara superior (extradós) y su cara inferior (intradós) al desplazarse por el aire lo que produce la fuerza ascendente de sustentación que mantiene al avión en vuelo. El ala típica también utiliza el principio de acción y reacción generando una fuerza cuya componente vertical contrarresta al peso. En el caso particular de las alas para aviones supersónicos, el diseño está orientado a usar solo este efecto de la "reacción" y se evita la sustentación aerodinámica. El ala compensará por tanto el peso del avión y a su vez generará una resistencia.[1] El efecto de sustentación aerodinámica existe debido a las características neumáticas del aire, es su compresibilidad la que hace posible el desbalance entre las presiones de las caras del intradós y el extradós.
- [fr] Aile (aéronautique)

[it] Ala (aeronautica)

Con il termine di ala in aerodinamica s'intende una superficie disposta genericamente secondo un determinato assetto, rispetto alla corrente fluida che l'investe (e non necessariamente in posizione orizzontale) e capace di generare una serie di azioni fluidodinamiche (risultante di forze e momenti) causate da complessi meccanismi fisici legati a variazioni locali di velocità, di pressione ed azioni viscose, agenti sulla sua superficie.

[ru] Крыло самолёта

Крыло в авиационной технике — несущая поверхность, имеющая в сечении по направлению потока профилированную форму и предназначенная для создания аэродинамической подъёмной силы. Крыло самолёта может иметь различную форму в плане, а по размаху — различную форму сечений в плоскостях, параллельных плоскости симметрии самолёта, а также различные углы крутки сечений в указанных плоскостях[1].



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