Les appareils à décollage et à atterrissage courts (STOL) sont conçus pour fonctionner à partir de pistes beaucoup plus courtes que celles exigées par les aéronefs classiques. Cette capacité est essentielle pour accéder aux pistes d'atterrissage éloignées, effectuer des opérations de recherche et de sauvetage en terrain confiné et soutenir des opérations militaires dans des champs non préparés. Les dispositifs de levage élevés sont la technologie habilitante qui rend possible la performance de STOL. En augmentant la charge produite par l'aile à basse vitesse, ces dispositifs permettent à un aéronef de décoller et de atterrir sur des distances qui autrement seraient impossibles.

Le principe aérodynamique derrière les dispositifs de levage

Pour une vitesse donnée, la quantité de levage est déterminée par le coefficient de levage (CL[), un nombre sans dimension qui dépend de la forme, de l'angle d'attaque et des conditions de surface de l'aile. Les dispositifs de levage élevés augmentent le maximum réalisable C[L]][Pour un aéronef STOL, un vol à grande vitesse CL]]][FLT:]]][F[F[F[

Coefficient de chargement des ascenseurs et des ailes

La charge d'aile inférieure réduit la vitesse de décrochage, mais les contraintes de structure et de poids empêchent généralement les ailes arbitrairement grandes. Les dispositifs de levage élevés augmentent efficacement le coefficient de levage utilisable sans augmenter la surface d'aile. Un rabat qui double la CL max de l'aile permet au même aéronef d'utiliser à la moitié de la vitesse de décrochage, ce qui réduit considérablement la longueur de piste requise. La relation est saisie par l'équation de l'ascenseur : Lift = 1⁄2 ρ V2 S CL. Pour un poids donné, si CL max] est augmentée, la vitesse de décrochage diminue par la racine carrée de cette augmentation.

Par exemple, une aile avec un CL max[ de 1,5 pourrait atteindre 3,0 ou plus avec des volets et des lattes pleins déployés. Ce doublement du coefficient de levage au décrochage réduit la vitesse de décrochage d'un facteur d'environ √2, soit environ 29 %. Une réduction de la vitesse de décrochage de 60 noeuds à 42 noeuds réduit considérablement la vitesse de roulis au sol au décollage et d'approche, ce qui rend les opérations sur terrain court possible.

Contrôle de la couche limite et séparation des flux

Les dispositifs de levage à haut débit gèrent également la couche limite, la couche mince d'air adjacente à la surface de l'aile. À des angles d'attaque élevés, l'air qui coule sur la surface d'aspiration de l'aile ralentit et peut se séparer de l'aile, entraînant une perte de l'ascenseur et une augmentation de la traînée. Les dispositifs de bord d'attaque tels que les lamelles et les fentes guident l'air à haute énergie du dessous de l'aile pour réalimenter la couche limite sur le dessus, retardant la séparation vers des angles d'attaque plus élevés. Les volets de bord de piste modifient la cambre (courvature) de l'aile, augmentant l'ascenseur généré à un angle d'attaque donné.

Types de dispositifs de levage à haut débit pour aéronefs STOL

STOL aircraft employ a variety of high lift devices, often in combination. The specific devices chosen depend on the aircraft's size, mission, and performance requirements. Below are the most common types, grouped by their location on the wing and mechanism of action.

Dispositifs de bord de piste : Flaps

Les fusibles sont les dispositifs de levage à haute hauteur les plus utilisés. Ils sont des surfaces à charnières à l'arrière de l'aile qui peuvent être abaissées (déflectées) pour augmenter la cambre de l'aile et parfois sa surface. Il y a plusieurs configurations:

  • Plain Flaps: Des sections à charnières simples qui augmentent le cambreur. Elles offrent des augmentations modérées de levage mais aussi une augmentation significative de la traînée.
  • Flapes à éclaboussures: Volant qui se détourne de la surface inférieure seulement, laissant la surface supérieure sans être perturbée. Moins efficace que les volets simples mais produisant une traînée élevée, bon pour les approches raides sur des pistes courtes.
  • Flacons à fentes:Flacons à fentes (flacon) entre le rabat et l'aile principale. L'air passe par la fente de la surface inférieure haute pression à la surface supérieure, énergisant la couche limite et retardant la séparation.Les volets à fentes augmentent le levage et sont communs à de nombreux modèles STOL.
  • Flacons de chasse:Ces volets s'étendent vers l'arrière (translation) avant de se diriger vers le bas. Cette traduction augmente la surface des ailes (longueur du coffre) et peut doubler la surface efficace à pleine mise en œuvre. La combinaison de l'augmentation de la surface et du changement de cambre donne les coefficients de levage les plus élevés parmi les volets mécaniques conventionnels.

Dispositifs de bord de tête : lattes et flaps Krueger

Les dispositifs de bord de tête améliorent l'élévation à des angles d'attaque élevés en modifiant le débit d'air au-dessus de la partie supérieure de l'aile. Ils sont essentiels pour retarder le décrochage et permettre à l'aéronef de fonctionner à basse vitesse sans perdre de contrôle.

  • Fentes fixes: Un espace fixe entre le bord d'attaque et l'aile principale. Ils sont simples mais produisent de la traînée pendant la croisière.
  • Lattes de bord de palier:[ Des surfaces mobiles qui s'étendent vers l'avant du bord d'attaque de l'aile. Lorsqu'elles sont déployées, elles créent une fente qui dirige l'air de haute énergie du dessous de l'aile vers la surface supérieure. Les lattes peuvent augmenter CL max de 30 à 50 % et augmenter de façon significative l'angle de décrochage.
  • Krueger Flaps:[ Des panneaux à charnières sur le bord d'attaque qui se déploient vers le bas et vers l'avant, augmentant la cambrure mais sans créer de fente. Les volets Krueger sont plus simples que les lattes, mais offrent moins de gain de levage.

Systèmes avancés : Flaps soufflés et extensions de racines de bord principal

Pour les performances les plus élevées de STOL, certains aéronefs utilisent des systèmes de levage à haute pression qui contrôlent activement la couche limite en utilisant l'air saigné par moteur ou le souffle mécanique. Le système à volets bâchés dirige l'air à haute pression du moteur par une buse sur la surface supérieure du volet. Le jet d'air augmente l'impulsion de la couche limite, empêchant la séparation à des déformations extrêmes de volets (jusqu'à 60–70°). Cette technique peut atteindre CL max] valeurs dépassant 4.0, permettant un décollage et un atterrissage extrêmement courts.

Impact sur les performances au décollage et à l'atterrissage

Les dispositifs de levage à haut niveau affectent directement les trois phases d'une opération STOL : la roulis au sol au décollage, la montée initiale, l'approche et l'atterrissage.

Écourter le rouleau de terre

La vitesse de décollage est une fraction de la vitesse de décrochage, généralement 1,1 à 1,2 fois VS. En abaissant V[S, les dispositifs de levage à haut débit réduisent la vitesse de décrochage. La puissance est proportionnelle au carré de vitesse, de sorte qu'une réduction de 20 % de la vitesse de décollage réduit l'énergie nécessaire pour accélérer d'environ 36 %. De plus, les volets augmentent la traînée pendant le roulis de décollage, ce qui peut nuire à l'accélération. Par conséquent, les pilotes STOL utilisent souvent un réglage partiel de la bielle (p. ex., 10 à 20°) pour le décollage afin de compenser le gain de levage et la pénalité de dérapage. L'effet net est une roulette de sol plus courte. Par exemple, un Cessna 208 Caravan sur skis en service dans l'Arctique pourrait utiliser 20° de bielle pour couper son parcours de décollage de 2000 pieds à moins de 1000 pieds.

Améliorer le gradient et l'angle d'escalade

Après le décollage, l'aéronef doit monter pour franchir les obstacles. Le gradient de montée (gain vertical par distance horizontale) est déterminé par la poussée excessive sur la traînée. Les dispositifs de levage élevés augmentent la traînée, ce qui peut réduire les performances de montée. Cependant, dans un contexte STOL, la capacité de décoller à une vitesse inférieure et d'accélérer l'effet au sol peut permettre une trajectoire de montée plus raide une fois aéroportée. Certains aéronefs STOL utilisent des réglages de la lap qui se rétractent automatiquement[ pendant la montée, réduisant la traînée tout en conservant l'ascenseur. L'utilisation de lames permet également une vitesse de montée plus lente, ce qui peut être nécessaire pour maintenir un angle de montée raide.

Réduction de la vitesse d'atterrissage

La vitesse d'atterrissage est dominée par la vitesse d'approche, qui doit être supérieure à la vitesse de décrochage mais aussi faible que possible pour minimiser le roulis au sol. Le déploiement complet des volets (souvent combiné avec des lattes) réduit la vitesse de décrochage au minimum possible. La vitesse d'approche est généralement 1,3 fois la vitesse de décrochage dans la configuration d'atterrissage. Pour une aile avec un CL max[ de 3,0 contre 1,5, la vitesse d'approche chute d'environ 29 % : de 78 noeuds à 55 noeuds pour un avion hypothétique. Cette vitesse plus faible réduit l'énergie cinétique qui doit être dissipée par le freinage, ce qui réduit la distance d'atterrissage.

Avantages opérationnels des systèmes de levage à haut débit STOL

La capacité de décoller et de atterrir sur de très courtes distances se traduit par des avantages opérationnels directs pour un large éventail de missions.

Accès aux zones confinées

Les avions STOL peuvent fonctionner à partir de pistes improvisées aussi courtes que 1000 pieds (300 m) ou moins. Cela ouvre des régions sans pistes pavées : barres de gravier, lacs gelés, champs de ferme, vallées de montagne, et même hélistations urbaines. La livraison d'aide humanitaire, les évacuations médicales et les vols de brousse dépendent de cette capacité. Le de Havilland Canada DHC‐2 Beaver et le DHC‐3 Otter sont légendaires pour leur capacité à fonctionner à partir de petits lacs et rivières à l'aide de flotteurs et de dispositifs de levage de haute intensité.

Marges de sécurité dans l'approche et l'atterrissage

Comme les appareils de levage à haute vitesse réduisent la vitesse de décrochage et améliorent la maîtrise à basse vitesse, les pilotes ont une marge plus grande entre la vitesse d'approche et le décrochage. Ceci est particulièrement important dans les conditions de vent rafale ou lors de l'atterrissage sur des surfaces inégales. La capacité de voler une approche lente et raide réduit les risques de flotter au-delà du point de toucher prévu.

Polyvalence pour les missions spéciales

Les transports militaires STOL, comme le C‐130 Hercules, utilisent des dispositifs de levage à haute hauteur (lampes de bord et volets à double glissière) pour fonctionner à partir de bandes semi-préparées près des lignes avant. Le même aéronef peut transporter de lourdes charges sur de longues distances, mais le système de levage à haute hauteur est essentiel pour les atterrissages d'assaut tactique sur des champs courts et difficiles.

Considérations de conception et compromis

Bien que les dispositifs de levage élevés offrent des performances STOL transformatrices, ils sont assortis de défis de conception qui doivent être soigneusement gérés.

Complexité et poids

Chaque surface mobile (flap, lamelle, Krueger) nécessite des actionneurs, des rails, des charnières et des liaisons de commande. Les volets Fowler, en particulier, ont besoin de pistes coulissantes précises ou de mécanismes orientés qui ajoutent beaucoup de poids et de complexité. Sur les petits aéronefs légers, les volets simples ou les lamelles manuelles peuvent être préférés pour maintenir le poids vide faible. Sur les grands aéronefs, l'actionnement hydraulique ou électrique ajoute du poids et des coûts d'entretien.

Entretien et fiabilité

Les systèmes mécaniques de levage à haute intensité sont sujets à l'usure, à la corrosion et au brouillage, surtout dans les environnements difficiles (sable, spray de sel, glace). Un volet ou une lamelle coincé peut considérablement modifier les performances et la sécurité de l'aéronef. Les coûts d'entretien peuvent être élevés pour les aéronefs qui fonctionnent à partir de bandes non pavées, car la saleté et les débris peuvent se recueillir dans les voies et les charnières.

Échanges de performance à la croisière

Les dispositifs de levage à haut débit qui restent étendus pendant la croisière (comme les fentes fixes) créent une traînée parasitaire, réduisant l'efficacité énergétique et la vitesse de croisière. Les dispositifs rétractables résolvent cela mais ajoutent de la complexité. Même si les glissières pour volets et lattes sont arrimées, la conception de l'aile doit compromettre l'efficacité de la croisière et la vitesse de levage à basse vitesse.

Conclusion : L'avenir du transport à grande vitesse dans les aéronefs STOL

Les dispositifs de levage à haut niveau demeurent la pierre angulaire de la conception des avions STOL. L'aviation envisage l'électrification et la mobilité de l'air urbain (eVTOL), les principes de levage à haut niveau sont adaptés pour la propulsion électrique distribuée (DEP), où de nombreuses petites hélices soufflent sur l'aile pour augmenter activement l'ascenseur. Cependant, pour les avions STOL à turbopropulseurs classiques, les chevaux de travail des opérations à distance sont toujours les principaux dispositifs de levage mécaniques pour un avenir prévisible.

Pour de plus amples renseignements sur l'aérodynamique des appareils de levage à haut débit, consulter NASA=s rapport technique sur les systèmes de levage à haut débit et FAA=s manuel de vol d'avion[ pour obtenir des conseils sur l'exploitation.