Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les enjeux et défis posés par le concept ultime d’aéronef, constitué d’une aile sans fuselage ni empennage, sont ici présentés. Cette formule d'aéronef offre des avantages pour ce qui est des performances, du volume utile, de l'aménagement, des technologies optimisées et de la mise en œuvre des technologies de développement durable. Ces perspectives ne doivent pas cacher les écueils réels concernant la dynamique du vol, les ouvertures (vision et évacuation des passagers) de coques pressurisées complexes et le pilotage. Cette architecture demeure une éventualité plausible - voire probable - pour l’avion du futur, inaugurant même une nouvelle conception du vol passager. Ces développements peuvent avoir un impact majeur pour le transport aérien du futur, mais aussi des applications terrestres potentiellement importantes.
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The issues and challenges posed by the ultimate aircraft concept, consisting of a wing without fuselage or empennage, are prensented. The benefits are summed up in terms of performance, useful volume, layout, optimized technologies and possibilities to implement sustainable development technologies. These perspectives should not hide the real challenges in terms of flight dynamics (stability) doors (vision and evacuation of the passengers) complex pressurized shapes and piloting.This architecture remains a plausible solution for the aircraft of the future, even leading to a new conception of passenger flight. The developments may have not only a major impact in terms of future air transport, but also potentially raise very important ground applications.
Auteur(s)
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Yves GOURINAT : Professeur de mécanique des structures Institut supérieur de l’aéronautique et de l’espace (ISAE - SUPAERO), Toulouse, France
INTRODUCTION
Depuis un siècle, les avions civils ont adopté une architecture commune, optimisée dans un certain contexte. Cette conception « classique » répond parfaitement aux trois missions dévolues à un aéronef, à savoir : créer de la portance (voler !), emporter une charge utile (transporter) et contrôler la dynamique du vol (piloter). C’est ainsi que chacun de nos avions assument ces trois missions de manière cartésienne avec respectivement leur voilure, leur fuselage et leurs empennages.
Cette architecture présente précisément l’avantage de spécialiser les différents éléments, et d’offrir à la fois une possibilité de certification segmentée et une organisation industrielle par lots (« work packages ») très clairement attribués ; par exemple, un partenaire réalise la voilure, un autre réalise l’empennage horizontal, un troisième la dérive, et d’autres industriels se partagent le fuselage et l’assemblage final.
L’objectif de cet article est de synthétiser les perspectives actuelles offertes par une architecture profondément différente : le « tout en un » de l’aile volante dans le nouveau contexte du développement durable et du transport aérien. Cette formule présente des avantages certains en matière de performance et d’intégration mécanique et de systèmes, mais recèle aussi un certain nombre de défis techniques et réglementaires que nous allons explorer.
L’aile volante exigera ainsi un certain nombre d’évolutions en matière de contrôle, de gestion des volumes et d’aménagements internes et aéroportuaires. Elle nécessite également une conception intégrée « dès le premier coup de crayon » et une vision globale, toutes le fonctions devenant intrinsèquement interdépendantes les unes des autres. Mais ces défis sont précisément porteurs de progrès, et ouvrent en particulier une voie vers l’avion à très faible empreinte carbone.
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KEYWORDS
ecodesign | wing optimization | flight dynamics | aircraft design
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Caractéristiques et enjeux de l’aile volante1. Défi de l’aile volante
1.1 Origines historiques
L’architecture classique des aéronefs avait été pressentie dès le début du XIXe siècle avec en particulier la maquette de planeur proposée par Sir George Cayley (figure 1) qui fut le premier objet volant, fixant la topologie de nos avions.
La plupart des pionniers ont suivi ce modèle (Otto Lilienthal, Octave Chanute…) en y adjoignant souvent le pilotage pendulaire, les plans arrière étant alors fixes mais jouant néanmoins leur rôle stabilisateur (figure 2).
Dès la seconde moitié du XIXe siècle certains précurseurs ont eu l’idée d’intégrer les trois fonctions en un seul dispositif. Le brevet d’aéroplane déposé en 1876 par Alphonse Pénaud et Paul Gauchot proposait ainsi une architecture d’aile volante. Et de fait, le premier aérodyne habité et motorisé qui ait quitté le sol – à savoir l’Éole de Clément Ader en 1890 – était en réalité une aile volante, et même une aile volante bioinspirée (figure 3).
Mais il faut bien dire que, si Ader a réussi à décoller – par effet de sol – il ne contrôlait pas son vol. Le mérite incontestable du contrôle du vol revient à Otto Lilienthal et Octave Chanute pour l’effet pendulaire, et surtout à Wilbur et Orville Wright pour le contrôle sur trois axes, avec des plans de contrôle en lacet et tangage indépendants de l’aile. Et ce contrôle – c’est-à-dire le pilotage lui-même – marque véritablement l’essor de l’aviation.
HAUT DE PAGE1.2 Stabilité en tangage
Une première difficulté liée à l’aile volante (qui justifie précisément la présence d’empennages) est liée à l’instabilité naturelle d’un profil classique. La première instabilité concerne le tangage. En effet, rappelons que la portance provient du contournement de l’air (autour du profil) qui créée essentiellement une dépression sur l’extrados (par force d’inertie centrifuge sur la masse d’air entraînée le long de l’extrados par effet Coanda, voir figure ...
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Défi de l’aile volante
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TORENBEEK (E.) - Advanced Aircraft Design: Conceptual Design, Technology and Optimization of Subsonic Civil Airplanes, - Wiley, ISBN 978-1118568118, 436 pp. (2013).
-
(2) - RAYMER (D.L.) - Aircraft Design: A Conceptual Approach, - American Institute of Aeronautics & Astronautics, ISBN 978-1624104909, 1062 pp. (2018).
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(3) - FRANZ (K.) et al - Life Cycle Engineering in Preliminary Aircraft Design, - In Leveraging Technology for a Sustainable World, Springer, ISBN 978-3642290688.
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(4) - ACADÉMIE DE L’AIR ET DE L’ESPACE - Comment volerons-nous en 2050 ? - Dossier n° 38. https://academieairespace.com/publications/les-dossiers/dossier-n-38-comment-volerons-nous-en-2050/
-
(5) - MEGSON (T.H.G.) - Aircraft structures for engineering students, - Elsevier, ISBN 978-0081009147, 876 pp. (2012).
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