Avion : caractéristiques des ailes

Les ailes sont des profils aérodynamiques qui, lorsqu'ils se déplacent rapidement dans l'air, créent une portance. Ils sont construits dans de nombreuses formes et tailles. La conception des ailes peut varier pour fournir certaines caractéristiques de vol souhaitables. Le contrôle à différentes vitesses de fonctionnement, la quantité de portance générée, l'équilibre et la stabilité changent tous à mesure que la forme de l'aile est modifiée. Le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aile peuvent être droits ou incurvés, ou un bord peut être droit et l'autre incurvé. Un ou les deux bords peuvent être effilés de sorte que l'aile soit plus étroite à l'extrémité qu'à la racine où elle rejoint le fuselage. Le bout de l'aile peut être carré, arrondi ou même pointu. La figure montre un certain nombre de formes typiques de bord d'attaque et de fuite d'aile.

Les ailes d'un avion peuvent être fixées au fuselage en haut, au milieu du fuselage ou en bas. Ils peuvent s'étendre perpendiculairement au plan horizontal du fuselage ou peuvent légèrement s'incliner vers le haut ou vers le bas. Cet angle est appelé dièdre de l'aile. L'angle dièdre affecte la stabilité latérale de l'avion. La figure montre quelques points d'attache d'aile communs et un angle dièdre.

Structure de l'aile 

Les ailes d'un avion sont conçues pour le soulever dans les airs. Leur conception particulière pour un avion donné dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que la taille, le poids, l'utilisation de l'avion, la vitesse souhaitée en vol et à l'atterrissage et le taux de montée souhaité. Les ailes des aéronefs sont désignées gauche et droite, correspondant aux côtés gauche et droit de l'opérateur lorsqu'il est assis dans le cockpit. 

Souvent, les ailes sont entièrement en porte-à-faux. Cela signifie qu'ils sont construits de manière à ce qu'aucun contreventement externe ne soit nécessaire. Ils sont soutenus intérieurement par des éléments structuraux assistés par la peau de l'avion. D'autres ailes d'avion utilisent des entretoises ou des câbles externes pour aider à soutenir l'aile et à supporter les charges aérodynamiques et d'atterrissage. Les câbles et entretoises de support d'aile sont généralement en acier. De nombreuses entretoises et leurs ferrures de fixation ont des carénages pour réduire la traînée. Des supports courts et presque verticaux appelés jambes de force se trouvent sur des jambes de force qui se fixent aux ailes à une grande distance du fuselage. Cela sert à atténuer le mouvement et l'oscillation de la jambe de force causés par l'air circulant autour de la jambe de force en vol. La figure montre des exemples d'ailes utilisant un contreventement externe, également connu sous le nom d'ailes semi-antilever. Des ailes en porte-à-faux construites sans contreventement externe sont également représentées.

L'aluminium est le matériau le plus courant à partir duquel construire des ailes, mais il peut s'agir de bois recouvert de tissu, et parfois d'un alliage de magnésium a été utilisé. De plus, les avions modernes ont tendance à utiliser des matériaux plus légers et plus résistants dans toute la cellule et dans la construction des ailes. Il existe des ailes entièrement en fibre de carbone ou d'autres matériaux composites, ainsi que des ailes constituées d'une combinaison de matériaux pour une résistance maximale au poids.

Les structures internes de la plupart des ailes sont constituées de longerons et de longerons s'étendant dans le sens de l'envergure et de nervures et de gabarits ou de cloisons s'étendant dans le sens de la corde (du bord d'attaque au bord de fuite). Les longerons sont les principaux éléments structurels d'une aile. Ils supportent toutes les charges réparties, ainsi que les poids concentrés tels que le fuselage, le train d'atterrissage et les moteurs. La peau, qui est fixée à la structure de l'aile, supporte une partie des charges imposées pendant le vol. Il transfère également les contraintes aux nervures de l'aile. Les nervures, à leur tour, transfèrent les charges aux longerons d'aile.

En général, la construction des ailes est basée sur l'une des trois conceptions fondamentales : 1. Monospar 2. Multispar 3. Poutre en caisson.

La modification de ces conceptions de base peut être adoptée par divers fabricants. 

L'aile monospar n'intègre qu'un seul élément principal dans le sens de l'envergure ou longitudinal dans sa construction. Les nervures ou les cloisons fournissent le contour ou la forme nécessaire au profil aérodynamique. Bien que l'aile monospar stricte ne soit pas courante, ce type de conception modifié par l'ajout de faux longerons ou de bandes de cisaillement léger le long du bord de fuite pour le support des surfaces de contrôle est parfois utilisé. 

L'aile à longerons multiples intègre plus d'un longeron principal dans sa construction. Pour donner le contour de l'aile, des nervures ou des cloisons sont souvent incluses.

Le type de construction d'aile à poutre en caisson utilise deux longerons principaux avec des cloisons de connexion pour fournir une résistance supplémentaire et donner un contour à l'aile. Une tôle ondulée peut être placée entre les cloisons et la peau extérieure lisse afin que l'aile puisse mieux supporter les charges de tension et de compression. Dans certains cas, de lourds raidisseurs longitudinaux sont substitués à l'extrados de l'aile et des raidisseurs sur l'intrados en tôles ondulées. Une combinaison de tôles ondulées sur l'extrados de l'aile et de raidisseurs sur l'intrados est parfois utilisée. Les aéronefs de la catégorie transport aérien utilisent souvent une construction d'aile à poutre en caisson.

Longerons d'aile 

Les longerons sont les principaux éléments structurels de l'aile. Ils correspondent aux longerons du fuselage. Ils sont parallèles à l'axe latéral de l'avion, du fuselage vers l'extrémité de l'aile, et sont généralement fixés au fuselage par des ferrures d'aile, des poutres simples ou une ferme.

Les espars peuvent être en métal, en bois ou en matériaux composites selon les critères de conception d'un aéronef spécifique. Les longerons en bois sont généralement fabriqués à partir d'épicéa. Ils peuvent être généralement classés en quatre types différents en fonction de leur configuration transversale. Comme le montre la figure, ils peuvent être (A) pleins, (B) en forme de boîte, (C) partiellement creux ou (D) sous la forme d'une poutre en I. La stratification des espars en bois massif est souvent utilisée pour augmenter la résistance. Le bois lamellé peut également être trouvé dans les longerons en forme de boîte. Le longeron de la figure a subi un retrait de matériau pour réduire le poids, mais conserve la résistance d'un longeron rectangulaire. Comme on peut le voir, la plupart des longerons d'aile sont essentiellement de forme rectangulaire avec la dimension longue de la section transversale orientée vers le haut et vers le bas dans l'aile.

Actuellement, la plupart des avions fabriqués ont des longerons d'aile en aluminium extrudé solide ou des extrusions d'aluminium rivetées ensemble pour former le longeron. L'utilisation accrue de composites et la combinaison de matériaux devraient rendre les aviateurs vigilants pour les longerons d'ailes fabriqués à partir d'une variété de matériaux. La figure montre des exemples de sections transversales de longeron d'aile en métal. 

Dans un longeron de poutre en I, le haut et le bas de la poutre en I sont appelés les chapeaux et la section verticale est appelée l'âme. Le longeron entier peut être extrudé à partir d'une seule pièce de métal, mais il est souvent constitué de plusieurs extrusions ou angles formés. L'âme forme la partie de profondeur principale du longeron et les bandes de recouvrement (extrusions, angles formés ou sections fraisées) y sont fixées. Ensemble, ces éléments supportent les charges causées par la flexion des ailes, les capuchons fournissant une base pour attacher la peau. Bien que les formes de longeron de la figure soient typiques, les configurations réelles de longeron d'aile prennent de nombreuses formes. Par exemple, l'âme d'un longeron peut être une plaque ou une ferme comme le montre la figure. Il pourrait être construit à partir de matériaux légers avec des raidisseurs verticaux utilisés pour la résistance.

Il pourrait également ne pas avoir de raidisseurs mais contenir des trous à bride pour réduire le poids tout en maintenant la résistance. Certains longerons d'aile en métal et en composite conservent le concept de poutre en I mais utilisent une toile à onde sinusoïdale.

De plus, une conception Web Spar à sécurité intégrée existe. La sécurité intégrée signifie qu'en cas de défaillance d'un élément d'une structure complexe, une autre partie de la structure assume la charge de l'élément défaillant et permet un fonctionnement continu. Un longeron avec une construction à sécurité intégrée est illustré à la figure. Ce longeron est composé de deux sections. La section supérieure est constituée d'un capuchon riveté à la plaque d'âme supérieure. La section inférieure est une seule extrusion composée du capuchon inférieur et de la plaque d'âme. Ces deux sections sont assemblées pour former le longeron. Si l'une des sections de ce type de longeron se brise, l'autre section peut encore supporter la charge. Il s'agit de la fonction de sécurité intégrée.

En règle générale, une aile a deux longerons. Un longeron est généralement situé près de l'avant de l'aile et l'autre à environ les deux tiers de la distance vers le bord de fuite de l'aile. Quel que soit son type, le longeron est la partie la plus importante de l'aile. Lorsque d'autres éléments structurels de l'aile sont soumis à une charge, la majeure partie de la contrainte qui en résulte est transmise au longeron de l'aile.

Les faux longerons sont couramment utilisés dans la conception des ailes. Ce sont des longerons comme les longerons mais ne s'étendent pas sur toute la longueur de l'aile dans le sens de l'envergure. Souvent, ils sont utilisés comme points de fixation de charnière pour les gouvernes, comme un longeron d'aileron.

Côtes d'aile 

Les nervures sont les traverses structurelles qui se combinent avec les longerons et les longerons pour constituer le cadre de l'aile. Ils s'étendent généralement du bord d'attaque de l'aile au longeron arrière ou au bord de fuite de l'aile. Les nervures donnent à l'aile sa forme cambrée et transmettent la charge de la peau et des longerons aux longerons. Des nervures similaires sont également utilisées dans les ailerons, les ascenseurs, les gouvernails et les stabilisateurs.  

Les nervures d'aile sont généralement fabriquées en bois ou en métal. Les aéronefs avec des longerons d'aile en bois peuvent avoir des nervures en bois ou en métal, tandis que la plupart des aéronefs avec des longerons en métal ont des nervures en métal. Les nervures en bois sont généralement fabriquées à partir d'épicéa. Les trois types de nervures en bois les plus courants sont la toile de contreplaqué, la toile de contreplaqué allégé et les types de fermes. De ces trois types, le type treillis est le plus efficace car il est solide et léger, mais c'est aussi le plus complexe à construire.

La figure montre des nervures d'âme de ferme en bois et une nervure d'âme en contreplaqué allégé. Les nervures en bois ont un chapeau de nervure ou une bande de chapeau fixée sur tout le périmètre de la nervure. Il est généralement fait du même matériau que la nervure elle-même. La coiffe nervurée raidit et renforce la nervure et fournit une surface de fixation pour le revêtement de l'aile. Sur la figure, la section transversale d'une nervure d'aile avec une âme de type treillis est illustrée. Les sections rectangulaires sombres sont les longerons des ailes avant et arrière. Notez que pour renforcer la ferme, des goussets sont utilisés. Dans la figure, une nervure d'âme de ferme est représentée avec un gousset continu. Il offre un meilleur soutien sur toute la côte avec très peu de poids supplémentaire. Un gousset continu rigidifie la bande de coiffe dans le plan de la nervure. Cela aide à prévenir le flambage et aide à obtenir de meilleurs joints côte/peau là où le clouage est utilisé. Une telle nervure peut mieux résister à la force motrice des clous que les autres types. Les goussets continus sont également plus faciles à manipuler que les nombreux petits goussets séparés autrement nécessaires. La figure montre une nervure avec une âme en contreplaqué allégé. Il contient également des goussets pour prendre en charge l'interface web/cap strip. La bande de capuchon est généralement laminée sur l'âme, en particulier au bord d'attaque.

Une nervure d'aile peut également être appelée nervure simple ou nervure principale. Les nervures d'aile avec des emplacements ou des fonctions spécialisés reçoivent des noms qui reflètent leur caractère unique. Par exemple, les nervures situées entièrement en avant du longeron avant qui sont utilisées pour façonner et renforcer le bord d'attaque de l'aile sont appelées nervures de nez ou fausses nervures. Les fausses côtes sont des côtes qui ne couvrent pas toute la corde de l'aile, qui est la distance entre le bord d'attaque et le bord de fuite de l'aile. Des nervures de bout d'aile peuvent être trouvées sur le bord intérieur de l'aile où l'aile se fixe au fuselage. Selon son emplacement et sa méthode de fixation, une nervure de bout peut également être appelée nervure de cloison ou nervure de compression si elle est conçue pour recevoir des charges de compression qui ont tendance à forcer les longerons d'aile ensemble. 

Étant donné que les nervures sont faibles latéralement, elles sont renforcées dans certaines ailes par des bandes qui sont tissées au-dessus et en dessous des sections de nervures pour empêcher la flexion latérale des nervures. Des fils de traînée et anti-traînée peuvent également être trouvés dans une aile. Sur la figure, ils sont représentés entrecroisés entre les longerons pour former une ferme pour résister aux forces agissant sur l'aile dans la direction de la corde de l'aile. Ces fils de tension sont également appelés tirants. Le fil conçu pour résister aux forces vers l'arrière s'appelle un fil de traînée ; le fil anti-traînée résiste aux forces vers l'avant dans le sens de la corde. La figure illustre les composants structurels d'une aile en bois de base. 

À l'extrémité intérieure des longerons d'aile se trouve une forme de ferrure d'attache d'aile comme illustré sur la figure. Ceux-ci fournissent une méthode solide et sûre pour attacher l'aile au fuselage. L'interface entre l'aile et le fuselage est souvent recouverte d'un carénage pour obtenir un flux d'air fluide dans cette zone. Le ou les carénages peuvent être retirés pour accéder aux fixations d'aile.

Le bout d'aile est souvent une unité amovible, boulonnée à l'extrémité extérieure du panneau d'aile. L'une des raisons en est la vulnérabilité des bouts d'aile aux dommages, en particulier lors de la manutention au sol et du roulage. La figure montre un bout d'aile amovible pour une grande aile d'avion. D'autres sont différents. L'ensemble de bout d'aile est en alliage d'aluminium. Le capuchon de bout d'aile est fixé à la pointe avec des vis à tête fraisée et est fixé à la structure interspar en quatre points avec des boulons de 1/4 de pouce de diamètre. Pour empêcher la formation de glace sur le bord d'attaque des ailes des gros aéronefs, l'air chaud d'un moteur est souvent canalisé à travers le bord d'attaque du pied d'aile au bout de l'aile. Une persienne sur la surface supérieure de l'extrémité de l'aile permet à cet air chaud d'être évacué par-dessus bord. Les feux de position d'aile sont situés au centre de la pointe et ne sont pas directement visibles depuis le cockpit. Pour indiquer que la lumière de bout d'aile fonctionne, certains bouts d'ailes sont équipés d'une tige Lucite pour transmettre la lumière au bord d'attaque. 

Peau d'aile 

Souvent, la peau d'une aile est conçue pour supporter une partie des charges en vol et au sol en combinaison avec les longerons et les nervures. Ceci est connu comme une conception de peau stressée. La section d'aile entièrement en porte-à-faux entièrement métallique illustrée à la figure montre la structure d'une telle conception. L'absence de contreventement interne ou externe supplémentaire nécessite que la peau partage une partie de la charge. Notez que la peau est raidie pour faciliter cette fonction.

Le carburant est souvent transporté à l'intérieur des ailes d'un avion à peau sollicitée. Les joints de l'aile peuvent être scellés avec un mastic spécial résistant au carburant permettant de stocker le carburant directement à l'intérieur de la structure. Ceci est connu sous le nom de conception d'aile mouillée. Alternativement, une vessie ou un réservoir de carburant peut être installé à l'intérieur d'une aile. La figure montre une section d'aile avec une conception structurelle de poutre en caisson telle que celle que l'on pourrait trouver dans un avion de la catégorie transport. Cette structure augmente la résistance tout en réduisant le poids. Une bonne étanchéité de la structure permet de stocker du carburant dans les caissons de l'aile. 

Le revêtement d'aile d'un aéronef peut être fabriqué à partir d'une grande variété de matériaux tels que le tissu, le bois ou l'aluminium. Mais une seule feuille mince de matériau n'est pas toujours employée. La peau en aluminium broyée chimiquement peut fournir une peau d'épaisseurs variées. Sur les avions avec une conception d'aile à peau sollicitée, des panneaux d'aile à structure en nid d'abeille sont souvent utilisés comme peau. Une structure en nid d'abeilles est construite à partir d'un matériau central ressemblant au nid d'abeilles d'une ruche d'abeilles qui est stratifié ou pris en sandwich entre de fines feuilles de peau extérieures. La figure illustre les vitres en nid d'abeilles et leurs composants. Les panneaux ainsi formés sont légers et très solides. Ils ont une variété d'utilisations sur l'avion, telles que les panneaux de plancher, les cloisons et les gouvernes, ainsi que les panneaux de revêtement d'aile. La figure montre les emplacements des panneaux d'aile en nid d'abeille sur un avion de transport à réaction. 

Un panneau en nid d'abeille peut être fabriqué à partir d'une grande variété de matériaux. Le noyau en nid d'abeille en aluminium avec une peau extérieure en aluminium est courant. Mais le nid d'abeilles dans lequel le noyau est une fibre Arimid® et les feuilles extérieures sont revêtues de Phenolic® est également courant. En fait, une myriade d'autres combinaisons de matériaux telles que celles utilisant de la fibre de verre, du plastique, du Nomex®, du Kevlar® et de la fibre de carbone existent toutes. Chaque structure en nid d'abeille possède des caractéristiques uniques en fonction des matériaux, des dimensions et des techniques de fabrication utilisées. La figure montre un bord d'attaque d'aile entier formé d'une structure en nid d'abeille.

Nacelles 

Les nacelles (parfois appelées "pods") sont des enceintes profilées utilisées principalement pour abriter le moteur et ses composants. Ils présentent généralement un profil rond ou elliptique au vent réduisant ainsi la traînée aérodynamique. Sur la plupart des monomoteurs, le moteur et la nacelle se trouvent à l'avant du fuselage. Sur les avions multimoteurs, les nacelles moteurs sont intégrées dans les ailes ou fixées au fuselage au niveau de l'empennage (section de queue). Parfois, un avion multimoteur est conçu avec une nacelle dans l'axe du fuselage à l'arrière de l'habitacle. Quel que soit son emplacement, une nacelle contient le moteur et les accessoires, les supports de moteur, les éléments structurels, un pare-feu, ainsi que la peau et le capot à l'extérieur pour faire tenir la nacelle au vent.

Certains aéronefs ont des nacelles conçues pour loger le train d'atterrissage lorsqu'il est rentré. La rentrée du train pour réduire la résistance au vent est une procédure standard sur les avions hautes performances/rapides. Le passage de roue est la zone où le train d'atterrissage est attaché et rangé lorsqu'il est rétracté. Les passages de roue peuvent être situés dans les ailes et/ou le fuselage lorsqu'ils ne font pas partie de la nacelle. La figure montre une nacelle de moteur incorporant le train d'atterrissage avec le passage de roue s'étendant dans le pied d'aile.

L'ossature d'une nacelle est généralement constituée d'éléments structuraux similaires à ceux du fuselage. Les éléments longitudinaux, tels que les longerons et les longerons, se combinent avec des éléments horizontaux/verticaux, tels que les anneaux, les gabarits et les cloisons, pour donner à la nacelle sa forme et son intégrité structurelle. Un pare-feu est incorporé pour isoler le compartiment moteur du reste de l'avion. Il s'agit essentiellement d'une cloison en acier inoxydable ou en titane qui contient un feu dans les limites de la nacelle plutôt que de le laisser se propager dans toute la cellule.

Des supports de moteur se trouvent également dans la nacelle. Ce sont les ensembles structuraux auxquels le moteur est fixé. Ils sont généralement construits à partir de tubes en acier au chrome/molybdène dans les avions légers et d'assemblages forgés au chrome/nickel/molybdène dans les avions plus gros.

L'extérieur d'une nacelle est recouvert d'une peau ou muni d'un capotage qui s'ouvre pour accéder au moteur et aux composants à l'intérieur. Les deux sont généralement fabriqués en tôle d'aluminium ou en alliage de magnésium, l'acier inoxydable ou les alliages de titane étant utilisés dans les zones à haute température, comme autour de la sortie d'échappement. Quel que soit le matériau utilisé, la peau est généralement fixée à l'armature par des rivets.

Le capot fait référence aux panneaux amovibles couvrant les zones auxquelles il faut accéder régulièrement, comme le moteur et ses accessoires. Il est conçu pour fournir un flux d'air régulier sur la nacelle et pour protéger le moteur contre les dommages. Les panneaux de capot sont généralement fabriqués en alliage d'aluminium. Cependant, l'acier inoxydable est souvent utilisé comme revêtement intérieur à l'arrière de la section de puissance et pour les volets de capot et les ouvertures des volets de capot proches. Il est également utilisé pour les conduits de refroidisseur d'huile. Les volets de capot sont des parties mobiles du capot de la nacelle qui s'ouvrent et se ferment pour réguler la température du moteur. 

Il existe de nombreuses conceptions de capot moteur. La figure montre une vue éclatée des pièces de capotage pour un moteur opposé horizontalement sur un avion léger. Il est fixé à la nacelle au moyen de vis et/ou d'attaches rapides. Certains gros moteurs alternatifs sont entourés de capots "peau d'orange" qui offrent un excellent accès aux composants à l'intérieur de la nacelle. Ces panneaux d'auvent sont fixés au pare-feu avant par des supports qui servent également de charnières pour l'ouverture de l'auvent. Les supports de capot inférieurs sont fixés aux supports de charnière par des goupilles à dégagement rapide. Les panneaux latéraux et supérieur sont maintenus ouverts par des tiges et le panneau inférieur est retenu en position ouverte par un ressort et un câble. Tous les panneaux de capotage sont verrouillés en position fermée par des loquets en acier décentrés qui sont fixés en position fermée par des loquets de sécurité à ressort.

Un exemple de nacelle de turboréacteur est visible sur la figure. Les panneaux d'auvent sont une combinaison de panneaux fixes et facilement démontables qui peuvent être ouverts et fermés pendant l'entretien. Un capot avant est également une caractéristique d'une nacelle de moteur à réaction. Il guide l'air dans le moteur.