La conception de dispositifs de levage à haute vitesse pour les avions d'affaires supersoniques est un effort essentiel dans le domaine de l'ingénierie aérospatiale moderne. Ces surfaces aérodynamiques, qui sont des flaps, des lamelles et des extensions de pointe, sont essentielles pour générer un levage adéquat pendant le décollage et l'atterrissage, des phases où les aéronefs fonctionnent à des vitesses relativement basses. Toutefois, lors de la croisière supersonique, les mêmes dispositifs peuvent profondément influencer la formation d'ondes de choc qui se fondent dans un boom sonore.

Comprendre les booms soniques et leur impact

Un boom sonore est la manifestation sonore des ondes de choc créées lorsqu'un aéronef dépasse la vitesse du son—Mach 1. Au fur et à mesure que l'aéronef se déplace, les perturbations de pression se propagent à la vitesse du son; une fois que l'aéronef dépasse cette vitesse, ces perturbations s'accumulent en deux ondes de choc primaires : une au nez et une à la queue. Entre elles, la pression change rapidement, formant le motif caractéristique de l'onde N qui atteint le sol comme un double bang fort et impulsif. La force du boom dépend de la taille, du poids, de la forme et des conditions de vol de l'aéronef, habituellement mesurées en livres par pied carré (psf) de surpression.

Aux États-Unis, la Federal Aviation Administration (FAA) interdit le vol par supersonic civil au-dessus du sol, à moins que le boom ne soit réduit à un niveau jugé acceptable, généralement considéré comme inférieur à 0,3–0,5 psf, comparable à un tonnerre éloigné ou à la fermeture d'une porte de voiture. L'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) élabore également des normes de certification du bruit pour les futurs supersonic aéronefs. Par conséquent, chaque aspect de la conception du véhicule, y compris les dispositifs de levage à haute hauteur, doit être optimisé pour produire la signature de boom la plus basse possible tout en maintenant la sécurité et les performances.

Rôle des dispositifs de levage à haute hauteur dans les jets supersoniques

Les dispositifs de levage élevés sont des surfaces mobiles ou fixes qui augmentent la cambrure et la surface efficaces d'une aile, augmentant ainsi le coefficient de levage maximal (CL,max) pendant le vol à basse vitesse. Sur un jet d'affaires supersonique, ces dispositifs doivent fonctionner efficacement dans deux régimes distincts : décollage et atterrissage subsoniques et croisière supersonique.

Les composants communs de levage élevé comprennent:

  • Lattes ou volets à lames de rainure: Prolongez vers l'avant du bord d'attaque de l'aile pour augmenter la cambre et énergiser la couche limite.
  • Flaves à la bordure: Volets Fowler généralement à double ou triple fente qui augmentent la surface et le cambre, ce qui donne un accroissement important de l'ascenseur.
  • Agrandissements de bordures de levier (LEX) ou strates: Générateurs de vortex fixes ou déployables qui améliorent l'ascenseur en créant des tourbillons puissants sur l'aile à des angles d'attaque élevés.

Pendant la croisière supersonique, ces dispositifs sont rétractés et fendus dans le contour de l'aile. Leur forme arrimée ne doit pas créer de ondes de choc inutiles, de gradients de pression ou de traînée. Même de petites erreurs ou des discontinuités peuvent déclencher une formation de choc prématurée, amplifier la flèche. Ainsi, la conception de systèmes de levage à haute hauteur pour les jets supersoniques est un acte d'équilibrage : ils doivent fournir le levage à basse vitesse requis sans compromettre la configuration soigneusement sculptée de -boom-boom-de-la-croisement.

Défis de conception dans les dispositifs de levage à haut débit pour les jets supersoniques à faible boom

L'intégration des dispositifs de levage à haut débit dans une cellule supersonique à faible boom présente plusieurs défis uniques qui repoussent les limites de la conception aérodynamique et structurelle actuelle.

Interaction des ondes de choc

Un défi clé de la conception est de gérer l'interaction entre les ondes de choc générées par le dispositif de levage à haute intensité et celles émanant de l'aile et du fuselage. Lorsqu'un volet ou un lamelle est déployé, il crée des discontinuités de pression locales qui peuvent générer des ondes de choc supplémentaires.Ces chocs peuvent coexister avec le choc primaire de l'aile, augmentant la résistance globale de la flèche. Pour les conceptions à faible boom, l'objectif est de s'assurer que les chocs produits par les dispositifs de levage à haute intensité déployée sont soit très faibles ou positionnés de façon à fusionner en un seul choc plus faible loin du sol.

Considérations structurelles et thermiques

Les appareils de levage à haute température, souvent en alliages d'aluminium légers, doivent résister à ces températures sans adoucir ni déformer. De plus, les mécanismes qui déploient et rétractent les appareils – les alignements, les voies, les actionneurs – doivent fonctionner de façon fiable dans l'environnement thermique. Des matériaux composites à haute température, tels que les résines cyanates renforcées de fibre de carbone, sont en cours de développement pour les composants de levage à haute intensité supersoniques. Ces matériaux offrent des économies de poids mais présentent des défis pour l'assemblage et l'étanchéité. Toute fuite par les trous peut causer des points chauds locaux ou des fluctuations de pression induites par les chocs, compromettant la performance de la flèche.

Échanges de performance aérodynamique

Les dispositifs de levage à haute vitesse sur une aile supersonique doivent aussi faire face à des effets de compression et à une séparation induite par les chocs. À basse vitesse (angles d'attaque élevés), l'aile peut subir une séparation de pointe qui peut être atténuée par des lamelles. Cependant, la lamelle peut elle-même générer un choc à des nombres modérés de Mach (~0,3–0,5) pendant l'approche, ce qui entraîne une augmentation de la traînée et du bruit. Les concepteurs doivent donc optimiser l'appareil pour toute la plage de vitesse : de la vitesse de décrochage (Vs]ss à la vitesse maximale de fonctionnement (M]MO].

Méthodes pour la conception de l'ascenseur à haut niveau à faible intensité

Pour relever les défis ci-dessus, les ingénieurs utilisent une gamme de méthodes numériques et expérimentales adaptées aux exigences uniques des avions supersoniques.

Dynamique des fluides informatiques et optimisation des articulations

Les résolveurs de Navier-Stokes (RANS) moyens de Reynolds sont utilisés pour modéliser le débit autour de la configuration de levage à haute pression, tant aux conditions subsoniques que supersoniques. Pour la prédiction de la pression de la flèche, la signature de pression de champ proche est extraite de la solution de la flèche et propagée au sol à l'aide de méthodes comme le code Thomas ou le sBOOM (NASA). L'optimisation conjointe permet d'ajuster la forme de l'appareil de levage à haute pression de façon à minimiser une fonction de coût qui combine la pression de levage, de traînée et de la surpression de la flèche.

Essais dans un tunnel éolien

Bien que le CFD soit puissant, la validation des souffleries demeure essentielle, en particulier pour les configurations de levage élevées où les effets de nombre de Reynolds et la séparation du débit sont critiques. Les tunnels à vent supersoniques avec des capacités Mach variables sont utilisés pour mesurer les performances aérodynamiques et les signatures de pression à proximité du champ. Les modèles sont équipés de robinets de pression sur les surfaces des ailes et des volets, ainsi que d'un râteau de traversée en aval pour capturer la signature de pression.

Structures morphologiques et adaptatives

L'une des voies les plus prometteuses pour la conception de l'ascenseur à haut boom est l'utilisation de structures de morphage ou d'adaptation qui changent de forme en vol plutôt que de déployer des panneaux discrets. Par exemple, un nez de drague à la pointe sans soudure (comme sur le X‐59) peut fournir un lifting à haut niveau sans les trous et les charnières qui génèrent du bruit et des ondes de choc. De même, un rabat à la pointe conforme qui se plient continuellement plutôt que de se faire du hinging peut maintenir une distribution de pression fluide.

Optimisation de la forme et ailerons mélangés

Une autre approche consiste à intégrer la fonctionnalité de levage à haute vitesse dans la forme plane globale de l'aile. Les ailettes mélangées, par exemple, peuvent agir comme générateurs de vortex qui augmentent la charge à basse vitesse tout en réduisant la traînée induite. Sur les jets supersoniques, les ailettes doivent être alignées pour éviter de créer des chocs supplémentaires. L'optimisation des spires balayées, tapantes et torsadées à l'aide d'algorithmes basés sur le gradient ou évolutionnel peut donner un dispositif qui fournit une augmentation de levage sans dégrader la signature de la flèche.

Études de cas et conceptions conceptuelles

Plusieurs programmes en cours illustrent comment les appareils de levage de haute intensité sont intégrés dans les jets d'affaires supersoniques à faible boom.

NASA X‐59 QueSST

Le X‐59 est un avion expérimental monomoteur conçu pour démontrer qu'une cellule en forme peut produire un thorax ßsonique plutôt qu'un boom sonore complet. Bien que le X‐59 ne soit pas un jet d'affaires, son système de levage élevé comprend une canard et une grande aile à volets à portée complète. Le canon assure le contrôle de la hauteur et l'augmentation de la lifting, permettant aux volets d'ailes d'être moins agressifs et générant ainsi des chocs plus faibles. Les volets X‐59= sont conçus avec une forme lisse et profilée et sont déployés à un angle modéré pour éviter de créer de fortes ondes de choc.

Aerion AS2 et autres concepts

Avant sa fermeture, Aerion Corporation était en train de développer l'AS2, un avion d'affaires supersonique trimoteur ciblant Mach 1.4. L'AS2 présentait une aile très balayée avec des lattes de pointe et des volets de pointe, mais les dessins n'ont jamais été entièrement divulgués. Les dépôts de brevets publics suggèrent que l'équipe utilisait une forme de corps arrière sans choc et que les dispositifs de levage à haut niveau étaient intégrés dans une formule de plan de boom à faible intensité grâce à l'optimisation axée sur le CFD. De même, Boom Technology , Overture, qui utilise une aile delta, est conçue pour un vol subsonique, mais qui utilise une aile delta; ses exigences élevées en matière de levage sont différentes (principalement pour le décollage et l'approche subsoniques).

Recherche universitaire et industrielle

Un article remarquable du Forum aéronautique de l'AIAA de 2023 décrivait une étude conjointe entre l'université et l'industrie, où un véhicule de classe business-jet a été optimisé pour le levage d'atterrissage et la surpression de la flèche. La configuration optimale utilisait un bord d'attaque à caméra variable (morphing de la préchauderie) et un volet de la bordure de piste qui était programmé pour suivre un calendrier de déviation spécifique pendant l'approche. Les auteurs ont obtenu une surpression de la flèche de 0,35 psf tout en répondant aux exigences de longueur du champ.

Orientations futures

La voie à suivre pour les dispositifs de levage à haut débit à faible boom se situe dans trois domaines : matériaux avancés, contrôle actif du débit et conception axée sur la certification.

Les matériaux avancés tels que les composites à haute température, les alliages de forme et les actionneurs piézoélectriques permettront des structures de morphage plus légères et plus efficaces.Ces matériaux réduisent la pénalité de poids associée aux mécanismes complexes et permettent des surfaces lisses et sans discontinuité qui réduisent la production de chocs.

Le contrôle actif du débit[ offre une autre voie : au lieu de surfaces mobiles, les jets synthétiques ou les actionneurs plasma peuvent énergiser localement la couche limite, retarder la séparation et augmenter le levage sans déployer de volets. Des recherches ont montré que les jets pulsés sur le bord d'attaque peuvent augmenter de 20 % le CL,max, avec un impact négligeable sur la flèche, car il n'y a pas de matériel de saillie.

Enfin, les normes de certification pour les avions supersoniques à faible boom sont toujours en évolution. La FAA et l'AESA travaillent sur des procédures de certification du bruit qui nécessiteront probablement une démonstration de la faible boom au décollage et à l'atterrissage, et non seulement de croisière. Les performances élevées des appareils de levage seront un paramètre mesurable. Les fabricants doivent prouver que les appareils peuvent supporter les charges thermiques et aérodynamiques pendant la durée de vie opérationnelle sans que les performances de boom soient dégradantes.

Conclusion

La conception de dispositifs de levage à haute intensité pour les avions d'affaires supersoniques qui permettent d'obtenir des signatures à faible boom sonore est un défi multidisciplinaire qui nécessite une intégration étroite des aérodynamiques, des structures, des matériaux et des commandes. De la façon de façonner les volets pour minimiser les interactions de choc jusqu'à développer des surfaces de morphage qui éliminent les lacunes, les ingénieurs progressent régulièrement. Les études X‐59 QueSST et les études d'optimisation continue démontrent qu'il est possible d'atteindre le levage nécessaire pour un fonctionnement sûr à basse vitesse sans sacrifier les caractéristiques de boom bas essentielles pour le vol supersonique terrestre.