Charges structurales en vol - Dimensionnement de caisson de voilure

Depuis plus d’un demi-siècle, les structures d’avions de transport sont essentiellement à revêtement travaillant et constituent même des coques autoporteuses. Ce constat vaut bien évidemment pour le caisson principal de voilure, qui constitue l’élément porteur de l’aile. Ce caisson est schématiquement constitué d’un longeron avant – sur lequel s’appuient les surfaces aérodynamiques du bord d’attaque, lesquelles sont le plus souvent mobiles –, d’un longeron arrière – support des volets et ailerons –, reliés par les panneaux extrados et intrados. Ces deux derniers panneaux – courbes – constituent à la fois les semelles supérieures et inférieures du caisson de voilure et les surfaces aérodynamiques qui génèrent l’essentiel de la portance de l’aile.

En plus de son rôle structural et aérodynamique majeur, le caisson assume, de par son volume, la fonction de réservoir principal de carburant. Cette caractéristique volumique, issue de l’épaisseur structurale et aérodynamique de l’aile, est porteuse d’avenir pour les architectures futures comme l’aile volante, la place disponible pouvant alors être utilisée pour la charge utile.

Concernant le dimensionnement structural du caisson principal de voilure, plusieurs spécifications, issues de la réglementation, sont à considérer. Le présent article est centré sur les coques tant pour ce qui est de l’épaisseur de peau (critère de tenue structurale) que de la stabilité (technologie de raidissement). Les éléments annexes internes (bielles, nervures, traverses) ne sont pas explicitement retenus, considérant qu’ils sont ajoutés uniquement pour que la coque porteuse puisse précisément assumer sa fonction structurale.

L’objectif de cet article est donc de résumer les méthodes de prédimensionnement d’un caisson de voilure, en s’appuyant sur un exemple typique d’avion de transport civil. Partant des charges en vol – la référence étant le facteur de charge limite (CL) – les panneaux sont abordés les uns après les autres pour parvenir à un dimensionnement à l’emplanture (section critique) très proche de l’optimal.