La structure des ailes mélangées (BWB) représente un changement de paradigme dans la conception aérodynamique, fusionnant le fuselage et les ailes en une seule surface de levage continue. Cette configuration offre des gains substantiels en efficacité énergétique, en réduction du poids de la structure et en atténuation du bruit par rapport aux dispositions conventionnelles des tubes et des ailes. Cependant, pour en tirer parti, il faut gérer avec soin le champ de débit complexe sur le corps intégré. Parmi les surfaces de contrôle les plus critiques, on retrouve les volets, les dispositifs mobiles qui modulent les caractéristiques de levage, de traînée et de moment.

Le concept de corps d'aile mélangée

L'architecture de la BWB, d'abord systématiquement étudiée par la NASA et McDonnell Douglas dans les années 1990 puis affinée par Boeing’s X‐48, élimine le fuselage distinct, en intégrant plutôt la charge utile dans un corps central large en forme de feuille d'air. Cette conception réduit la surface mouillée, réduit la traînée d'interférence et permet à l'ensemble du véhicule de générer plus efficacement des ascenseurs. Le rapport de lift-to-drag (L/D) d'un BWB bien conçu peut être de 20 à 30 % supérieur à celui d'un transport conventionnel comparable. Pourtant, la structure hautement intégrée introduit également des défis aérodynamiques uniques : le corps central produit une distribution de levage à l'échelle différente, et l'absence de queue nécessite un contrôle prudent du pas.

Les fondamentaux de l'aérodynamique des flammes

Déploiement de la génération de lifts et du flap

Les volets augmentent le coefficient de levage maximal d'une aile en augmentant la longueur de la cambre et, dans certains cas, la longueur de l'accord. Lorsqu'ils sont déployés, ils modifient l'angle d'attaque effectif de la section de l'aile locale, en déplaçant la courbe de levage vers le haut. Pour un BWB, qui a déjà une grande longueur d'accord près du centre, les volets doivent être adaptés pour éviter une séparation prématurée. Le calendrier de déploiement – jusqu'où et à quel angle s'étendent les volets – affecte non seulement le levage, mais aussi le moment de pitching.

Mécanismes de réduction des traînées

Les volets peuvent être utilisés pour contrôler le gradient de pression de la travée. Dans un BWB, le corps central subit une distribution de pression différente de celle de l'aile extérieure; les volets qui sont actionnés individuellement peuvent adapter cette distribution pour minimiser la traînée parasitaire. Enfin, les volets affectent la structure de sillage: en modifiant la charge à l'aile (ou à la jonction mélangée), ils peuvent réduire la résistance des tourbillons traînants, coupant la traînée induite. Cette gestion de sillage est particulièrement importante pour les avions BWB parce que leurs sections centrales épaisses produisent des tourbillons forts si elles ne sont pas façonnées correctement.

Configurations de la flamme pour les aéronefs BWB

Flaps de piste-Edge

Les volets à fentes comportent un espace entre le volet et l'aile principale, ce qui permet d'énergiser la couche limite de la surface supérieure. Cette conception retarde considérablement le décrochage. Les volets à fentes s'étendent vers l'arrière en se déroutant, augmentant à la fois le cambriolage et l'accord. Pour un BWB, les volets à fentes sont particulièrement attrayants parce qu'ils peuvent fournir de grands accroissements de charge sans des pénalités excessives de dragage. Le Boeing X‐48B, par exemple, a utilisé des volets à rotation sur les sections d'ailes extérieures pour obtenir l'ascenseur nécessaire pour l'atterrissage. Toutefois, l'intégration des pistes de volets et des carex dans la ligne lisse de moule BWB est difficile mécaniquement.

Dispositifs de guidage

Bien que les volets arrière dominent les systèmes de levage à haut débit, les dispositifs de levage à haut débit comme les volets et les lattes Krueger sont également utilisés sur les avions BWB. Les volets Krueger, qui se déploient de la surface inférieure de l'aile, augmentent le cambrage à la limite supérieure, améliorant les caractéristiques de décrochage à des angles d'attaque élevés. Dans les modèles BWB, l'aile extérieure est souvent plus balayée et a une couche d'air plus mince que le corps central; les volets Krueger aident à maintenir le débit attaché pendant les phases de levage à haut débit. Les lattes, qui s'étendent du bord d'attaque avec une fente, offrent une marge de décrochage encore plus grande. NASA’s recherches dans les systèmes de levage à haut débit de BWB ont exploré l'intégration des dispositifs de réglage à haut débit qui s'harmonisent avec le corps et la géométrie centrale.

Systèmes de laminage spécialisés BWB

Dans certains cas, ces ascenseurs peuvent également fonctionner comme des volets, un concept connu sous le nom de volets. Cette approche multifonctionnelle réduit le poids et élimine les trous qui augmenteraient la traînée. La variante X‐48C utilise une telle disposition, avec onze surfaces de contrôle indépendantes qui pourraient être déviées asymétriquement pour la commande du roulis et symétriquement pour la mise en hauteur ou l'amélioration de la lift-like. Des concepts plus avancés comprennent des volets de morphage continu qui se mélangent à la forme de l'aile sans lignes de charnière discrètes. Ces concepts permettraient des changements lisses dans le cambre, réduisant ainsi la traînée. Des chercheurs de l'American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) ont proposé des bords de traînage à caméra variable pour les avions de BWB qui pourraient s'adapter en vol pour optimiser la L/D dans une gamme de conditions, améliorant ainsi l'efficacité aérodynamique même en croisière.

Gains d'efficacité aérodynamique dans la BWB

Amélioration du rapport de levage aurag

Les volets influent directement sur le L/D pendant le décollage et l'atterrissage, mais ils affectent également la phase de croisière lorsqu'ils sont rétractés. Des systèmes de volets bien conçus qui maintiennent une configuration propre et à faible glissière sont critiques. Dans la BWB, l'absence d'interface d'attache permet de façonner les ailes de façon plus optimale. Cependant, la structure de support des volets doit être enfermée dans des carénages qui perturbent le flux. Des conceptions avancées de volets qui réduisent au minimum les risques de pénétration peuvent maintenir le L/D en croisière dans un rayon de 1 à 2 % de l'aile théorique propre. Pendant le décollage, les réglages optimisés des volets peuvent augmenter le L/D de 15 à 20 % par rapport à une configuration fixe de levage élevé, ce qui entraîne une piste plus courte et une capacité de charge utile plus élevée. Une étude en progrès en sciences aérospatiales] a démontré qu'un BWB avec volets adaptatifs de bord pourrait atteindre un L/D de croisière plus élevé de 12 % par rapport à un BWB non-flapped classique.

Réduction de la traînée

Dans les avions conventionnels, la queue horizontale offre une stabilité mais crée un téléchargement qui doit être contrebalancé par une levée d'aile supplémentaire, augmentant la traînée induite, c'est-à-dire la traînée de compensation. Les avions BWB sont souvent conçus pour être stables naturellement ou pour utiliser une stabilité statique détendue, mais ils nécessitent toujours un contrôle de la hauteur. Les volets peuvent être déployés de façon asymétrique ou comme des élevons pour fournir le moment de piqué nécessaire sans la pénalité de traînée d'une queue. De plus, en planifiant soigneusement la déviation des volets pendant la croisière (p. ex., une légère déviation vers le bas des volets extérieurs), l'aile peut être parée avec une traînée supplémentaire minimale.

Gestion du Vortex de réveil

Les volets peuvent moduler la charge de travée pour briser la structure du vortex et en réduire l'intensité. Par exemple, le déploiement de volets légèrement pendant la croisière peut déplacer la distribution de l'ascenseur vers l'extérieur, réduisant la taille du noyau des tourbillons de traînage et réduisant la traînée induite. Ceci est particulièrement important pour les avions de BWB volant en formation ou près des aéroports, où la turbulence de sillage peut être dangereuse. La commande active des volets peut également aider à répartir la charge de façon plus uniforme sur l'échelle, empêchant la séparation de débit aux carrefours. Les essais en vol X‐48B ont démontré que les réglages différentiels des volets pouvaient réduire la force de sillage mesurée derrière le véhicule.

Défis et solutions de conception

L'intégration des systèmes de volets dans une BWB présente plusieurs défis techniques. Premièrement, l'intégration structurelle : les rails et les actionneurs de volets doivent s'intégrer dans les sections d'ailes latérales minces, qui ont un volume interne limité. Les structures sandwich composites souvent utilisées dans les ailes de BWB sont rigides mais rendent les fixations de charnières plus complexes. Les solutions comprennent l'utilisation de charnières composites co-curisées ou la localisation des actionneurs à l'intérieur du corps central avec des liaisons mécaniques. Deuxièmement, l'intégration aérodynamique : les trous autour des volets doivent être scellés pour éviter le bruit et la traînée. Les conceptions de BWB mettent souvent l'accent sur le bruit faible, de sorte que les joints de séparation sont critiques.

L'interaction entre les volets et le flux du corps central est un autre défi. Comme le corps central a un accord important et une surface supérieure plate, le déploiement des volets peut provoquer une séparation près de la jonction de l'aile du corps. La mise en forme attentive du volet et l'ajout de générateurs ou de microvanes de vortex peuvent atténuer cette situation. Les analyses de dynamique des fluides computationnels (CFD) effectuées par le Centre aérospatial allemand ont montré que placer une petite extension de pointe sur le volet intérieur peut éliminer la séparation prématurée, améliorant ainsi la performance des volets.

Orientations futures

Les systèmes de volets de la prochaine génération de la BWB intégreront probablement la technologie de contrôle du débit actif (AFC). Des jets synthétiques ou des actionneurs plasma peuvent être intégrés à la surface des volets pour retarder la séparation ou le flux de réattache, permettant aux volets d'être plus petits et plus légers tout en obtenant les mêmes performances de levage. Des matériaux adaptatifs passifs, comme les alliages de forme, pourraient permettre aux volets de changer de forme en réponse à des charges aérodynamiques sans actionneurs, réduisant le poids et l'entretien. Le concept d'un volet intelligent -=qui détecte la pression locale et ajuste sa forme en temps réel est déjà testé sur des modèles à petite échelle. Si ces systèmes sont réduits à une BWB complète, ils pourraient améliorer la vitesse de croisière L/D de 2 à 3 % et réduire le bruit en éliminant les lacunes mécaniques.

Certains concepts de BWB, comme le modèle NASA X‐57 Maxwell, utilisent plusieurs petites hélices le long de l'aile pour améliorer encore l'ascenseur. Les volets peuvent être placés dans le slip de l'hélice pour augmenter l'ascenseur généré par l'aile, créant un effet de -lifting motorisé qui réduit considérablement la longueur du champ de décollage. Pour un BWB, cela pourrait permettre l'exploitation à partir de pistes plus courtes sans sacrifier l'efficacité de la croisière. Le couplage entre le DEP et les volets nécessite de nouvelles stratégies de contrôle, mais les simulations précoces montrent un potentiel de réduction de 15 à 20 % de la traînée totale pendant le décollage.

Conclusion

Les volets sont bien plus que de simples dispositifs d'augmentation de l'altitude sur les avions à voilure mixte. Ils font partie intégrante de l'efficacité aérodynamique que promet la BWB, de la réduction de la traînée au décollage et à l'atterrissage à la coupe de l'avion pendant la croisière et de la gestion de son sillage. La géométrie unique de la BWB exige des systèmes de volets soigneusement adaptés à l'accord, à l'échelle et au calendrier de déviation, et qui s'intègrent parfaitement à la structure de levage.