Les concepteurs d'aéronefs doivent-ils prendre une décision fondamentale lors de la mise en forme de l'empennage : les surfaces de commande horizontales doivent-elles être placées devant l'aile comme canard ou derrière elle comme queue conventionnelle? Ce choix s'enroule sur tous les aspects de la performance du vol, de la stabilité et de la maniabilité statiques à l'économie de carburant et au poids structurel.

Aperçu des configurations Empennage

Dans une queue conventionnelle (également appelée un plan arrière ou un stabilisateur horizontal), les surfaces de levage sont placées derrière l'aile principale et contribuent habituellement à équilibrer le moment de piqué du nez généré par l'aile. Dans une configuration canard, un petit plan avant (la canard) est monté devant l'aile principale et produit généralement une force de levage vers le haut pour atteindre le même équilibre. Ces deux approches donnent des comportements aérodynamiques profondément différents, et chacune a été affinée au cours de décennies de recherche et d'essais en vol.

Configuration du Canard

Histoire et exemples notables

La configuration de la canette n'est pas nouvelle. Le Wright Flyer de 1903 utilisait un ascenseur avant, ce qui en faisait un des premiers avions canards. La configuration est tombée de faveur pour une grande partie du 20ème siècle, mais a été relancée notamment par Burt Rutan VariEze et Long-EZ maison construite dans les années 1970, qui a démontré que des canards soigneusement conçus pouvaient améliorer les caractéristiques de décrochage et réduire la traînée. Des aéronefs militaires modernes comme Eurofighter Typhoon, Saab Gripen, et Dassault Rafale utilisent des canards à couple étroit pour améliorer l'agilité dans les combats rapprochés. Plus récemment, le Piaggio Avanti entreprise turboprop emploie une canard pour améliorer l'efficacité et la cabine.

Principes aérodynamiques

Dans un plan canard, l'avant-plan et l'aile principale produisent un levage. Le canon est généralement placé à un angle d'attaque plus élevé que l'aile principale, donc il s'arrête en premier. Cela est bénéfique parce qu'un décrochage du canon provoque une chute du nez, réduisant l'angle d'attaque et empêchant l'aile principale de décroître. Le canon contribue également à un levage total, contrairement à une queue conventionnelle qui produit un levage négatif, ce qui réduit la charge des ailes. Cependant, le lavage du canon peut empiéter sur l'aile principale, modifier son angle d'attaque effectif et modifier sa distribution de levage.

En termes de traînée de coupe, une canard bien conçue peut réduire la traînée totale par rapport à une queue conventionnelle. Puisque la canard monte, l'aile principale peut être plus petite ou fonctionner à un angle d'attaque inférieur pour la même montée totale. Inversement, une queue conventionnelle doit pousser vers le bas, ce qui augmente la lift nécessaire de l'aile et augmente ainsi la traînée induite. Cette différence est particulièrement prononcée à basse vitesse ou à des angles d'attaque élevés.

Avantages des dessins au canard

  • Caractéristiques supérieures du décrochage: La canarde s'arrête avant l'aile principale, ce qui permet un mouvement naturel de tangage et réduit le risque de décrochage profond ou de rotation plate.
  • Dragage réduit :[ Avec les deux surfaces produisant un levage vers le haut, la pénalité de traînée induite est plus faible que dans une queue conventionnelle nécessitant un téléchargement.
  • Capacité accrue de levage:[ La canard contribue à la levage globale, permettant une plus petite aile principale ou une charge d'aile plus élevée sans sacrifier la performance de décollage.
  • Manoabilité améliorée:[ Les configurations de Canard peuvent atteindre des taux de virage instantanés très élevés parce que la canard ajoute rapidement un moment de piqué en cas de basculement, surtout lorsqu'elle est déviée comme un élevon.
  • Résistance au point d'ancrage: À des angles d'attaque élevés, l'aile principale dans un plan de canard tend à rester non totalisée, ce qui retarde l'instabilité du pas.

Inconvénients des conceptions canardes

  • Interactions complexes:[ Le lavage et le réveil du canard peuvent interférer avec l'aile principale, entraînant une réduction de la levée ou de la séparation du débit si elle n'est pas soigneusement alignée.
  • Peuple:[ Placer les surfaces de commande en avant du centre de gravité nécessite souvent un nez de fuselage plus long ou une structure avant plus lourde pour gérer les moments de flexion et les marges de flutter.
  • Interchangement de main/stabilité :[ Les avions Canard sont souvent conçus pour être statiquement instables longitudinalement, nécessitant une augmentation vol par fil. Cela ajoute complexité et coût.
  • Volume limité pour le carburant ou la charge utile dans le nez: La fixation structurelle du canard et les surfaces mobiles consomment de l'espace de fuselage avant.
  • Problème de récupération de la broche:[ Si la canard s'aplatit asymétriquement, le départ résultant peut être plus difficile à récupérer que dans une conception conventionnelle de queue.

Types de canards

  • Canard à couple fermé: Placé très près de l'aile principale pour bénéficier d'une interférence favorable et d'un moment de tangage.
  • Canard à long couple: Situé bien en avant de l'aile principale pour une progression de décrochage plus douce et une plus grande stabilité statique.
  • Canard flottant libre:[ Pas de liaison de contrôle; le canon est libre de charnière et de régler son propre angle d'attaque. Utilisé sur certains modèles Rutan pour imposer la prévention du décrochage.
  • Canard d'incidence variable:[ Peut être tourné pour changer son angle d'attaque pour différentes phases de vol, optimisant l'efficacité.

La configuration conventionnelle de la queue

Histoire et exemples notables

La queue conventionnelle est la disposition dominante depuis plus d'un siècle, du triplan Fokker Dr.I au Boeing 737 et Cessna 172. Son principe fondamental est que la queue, située derrière l'aile, exerce une force vers le bas pour contrer le moment de tangage de l'aile – une méthode éprouvée par des millions d'heures de vol. Parmi les exemples notables, on peut citer Airbus A320, Piper Cherokee, et pratiquement tous les aéronefs de catégorie transport.

Principes aérodynamiques

La queue conventionnelle fonctionne dans le champ de lavage de l'aile. Comme l'aile dévie l'air vers le bas, la queue subit un angle d'attaque réduit qui influe sur son efficacité. Pour parer à l'aéronef, la queue doit produire un levage négatif (charge) lorsque le centre de gravité est vers l'avant – c'est typique pour la plupart des conditions de vol. Le téléchargement augmente la charge totale de l'aile, ajoutant la traînée induite. Cependant, la queue conventionnelle peut être conçue pour être très efficace en croisière, avec une zone minimale mouillée et des poches d'air soigneusement façonnées.

Un avantage aérodynamique de la queue conventionnelle est qu'elle est largement isolée du décrochage de l'aile principale : la queue est généralement réglée à un angle d'attaque inférieur et reste non stabilisée lorsque l'aile s'éteint, ce qui assure un contrôle positif de la hauteur pendant la récupération.

Avantages des queues conventionnelles

  • Stabilité éprouvée: L'avion est naturellement stable en hauteur; si le nez monte, le téléchargement de la queue augmente pour la ramener, et vice versa.
  • Aérodynamique plus simple: Le débit sur la queue est bien compris, et les outils de conception sont matures. Les corrélations de tunnel éolien sont abondantes.
  • Facile d'entretien et d'accessibilité :[ L'ascenseur et le gouvernail sont facilement accessibles au sol, ce qui réduit le temps d'exécution et les coûts d'inspection.
  • Bonnes caractéristiques de récupération de spin:[ Les queues conventionnelles fournissent une forte autorité pour contrer une rotation, et la force vers le bas aide à faire baisser le nez.
  • Les configurations de queue en T permettent de placer le stabilisateur horizontal hors de l'échappement du moteur, en évitant l'empilement des gaz à chaud.

Inconvénients des queues conventionnelles

  • Trim drag penalty:[ Le téléchargement de la queue exige que l'aile produise plus de levage, augmentant la traînée induite, particulièrement à basse vitesse et des angles d'attaque élevés.
  • Drag de la structure:[ La queue se couvre, plus le fuselage arrière-corps, ajouter la zone mouillée et la traînée parasitaire.
  • Poids et équilibre: Le poids de la queue, loin derrière le centre de gravité, nécessite un fuselage plus long pour maintenir un bras à moment approprié, qui ajoute une masse structurelle.
  • Risque de décrochage profond sur les aéronefs à queue en T : Si l'aile décroît et que la queue est élevée dans le sillage de l'aile, elle peut devenir inefficace ou blanchie, ce qui entraîne un décrochage profond avec une récupération limitée.
  • Manutention réduite:[ À un angle d'attaque élevé, le téléchargement de la queue peut s'opposer à un tangage rapide, limitant les performances instantanées de virage.

Variations des queues conventionnelles

  • T-tail:[ Stabilisateur horizontal monté au sommet de la nageoire verticale. Commun sur de nombreux avions balayés (Boeing 727, MD-80). Réduit l'interférence entre les feux de queue mais ajoute du poids et un risque de décrochage profond.
  • Tail cruciforme: Stabilisateur horizontal monté à mi-chemin de la nageoire verticale, support structural d'équilibrage et propreté aérodynamique.
  • H-tail (twin tail):[ Deux nageoires verticales avec un stabilisateur horizontal qui s'étend entre elles. Utilisé sur certains grands transports (An-225) pour la redondance du gouvernail.
  • V-tail:[ Une surface unique qui cante vers le haut pour fournir à la fois le contrôle de la hauteur et de la lacet via un gouvernail. Léger mais sujet à l'inhibitif lacet et autorité de contrôle limitée.

Analyse comparative des compromis aérodynamiques

Récupération des étêtements et des spins

La mise en page de la canette excelle dans la prévention des décrochages : le plan avant décroît d'abord, produisant un moment de repli naturel. Cela donne aux pilotes une large marge de sécurité, ce qui explique pourquoi les canards sont populaires dans les avions en kit et les modèles de sport léger certifiés. Cependant, une fois qu'une rotation se développe, surtout si la canette s'affaiblit asymétriquement, la récupération peut être plus difficile parce que les surfaces avant sont moins efficaces pour briser la rotation.

Traîner et efficacité

Pour une zone de poids et d'aile brute donnée, la dragage de la canarde est généralement moins importante car elle soulève plutôt que pousse vers le bas. Cela se traduit par un avantage d'efficacité de croisière de 5 % à 15 % dans les cas favorables, selon les recherches de la NASA. Cependant, la dragage d'interférence de la canarde compense souvent certains gains, en particulier dans les conceptions rapprochées. La queue conventionnelle, parce qu'elle fonctionne en lavage bas et génère un lifting négatif, subit une pénalité fixe de dragage de la canarde qui augmente avec les conditions de centre de gravité arrière.

Manutention et agilité

Les chasseurs canards comme l'Eurofighter Typhoon peuvent tirer 9 g et atteindre des angles d'attaque très élevés parce que la canard ajoute un puissant moment de piqué indépendant de la levée des ailes. Les chasseurs conventionnels de queue, comme le F-16 (qui utilise une queue conventionnelle avec un plan de queue volant), comptent sur des stabilisateurs horizontaux en mouvement complet qui peuvent également atteindre des taux de tangage élevés, mais ils sont limités par la nécessité de maintenir un contrôle positif de la queue même à des angles d'attaque élevés. La capacité du canon à rester efficace à des angles d'attaque élevés – souvent au-delà de 60° – lui donne un bord dans le combat en vol rapproché, mais au prix d'une augmentation de la traînée de calage et de la charge structurelle.

Intégration structurelle et poids

La structure de la canarde met en péril les concepteurs structuraux : le plan avant et sa structure de support doivent être placés loin en avant, nécessitant souvent un nez plus long ou une boîte à ailes avant. Cela peut ajouter 10 à 15 % de poids de fuselage par rapport à une conception conventionnelle de la queue de charge utile similaire. Inversement, le poids de la queue conventionnelle est concentré loin à l'arrière, ce qui peut être bénéfique pour équilibrer un long fuselage mais ajoute au poids structurel global parce que les surfaces de la queue doivent être assez rigides pour résister à la flutter.

Section transversale et vol du radar

Les considérations de vol à la canne ont ravivé l'intérêt pour les conceptions de canards. Une canard peut être mélangée au fuselage pour créer une forme lisse à faible observation, et sa position avant peut aider à protéger les réflexions d'admission du moteur sous certains angles. Cependant, la canard ajoute une grande surface instable qui est difficile à traiter avec des matériaux absorbants radar. La queue conventionnelle, en particulier une queue en V, peut être plus facilement alignée avec la forme plane de l'aile pour créer un angle de réflexion unique.

Considérations et compromis de conception

Influence du profil de la mission

Un avion d'affaires à longue portée qui privilégie l'efficacité énergétique peut bénéficier d'une queue conventionnelle propre avec une traînée minimale, tandis qu'un entraîneur ou un avion de sport léger qui valorise le comportement de décrochage docile peut s'appuyer sur une canard. Pour les missions de combat, l'agilité et la capacité post-stall favorisent la canarde, mais le coût et la furtivité peuvent pousser vers une queue conventionnelle.

Dynamique des fluides calculateurs et essais dans un tunnel éolien

Les outils CFD modernes permettent aux concepteurs d'analyser les interférences de l'aile à canard, les gradients de lavage et le comportement de coupe non linéaire au début du cycle de conception, réduisant ainsi les risques. Les essais dans les tunnels éoliens demeurent essentiels pour valider les dérivés de stabilité et la progression du décrochage. Il est intéressant de noter que les modèles hybrides sont en train d'apparaître. Certains aéronefs utilisent une petite canard seulement pour l'autorité de la hauteur, tandis qu'une queue conventionnelle fournit un stabilisateur et un gouvernail, comme le montre le Sukhoi Su-35.

Conclusion

Les compromis aérodynamiques entre les configurations de queue conventionnelles et de canard sont subtils et dépendent du contexte. Les canards offrent un comportement de décrochage supérieur, une traînée de coupe réduite et une agilité impressionnante, mais ils exigent une conception aérodynamique soignée et souvent des pénalités de poids et d'entretien. Les queues conventionnelles offrent une stabilité éprouvée, une récupération robuste de spin et des structures plus simples, mais ils portent une pénalité fixe de traînée et peuvent limiter les performances de l'angle d'attaque élevé.


- NASA Technical Paper 1108: "Aerodynamique Caractéristiques des configurations de canons"[
- AIAA Paper 2018-1234: "Interférence de l'aile de canon aux angles élevés d'attaque"[
- SAE Technical Paper 2002-01-2953: "Design of Canard Aircraft"
] - []FlightGlobal Analysis: Canard vs Conventional Tail[]