Présentation

Les avions modernes doivent une grande partie de leur sécurité et de leur efficacité opérationnelles aux dispositifs de levage à haute vitesse, des mécanismes qui modifient la géométrie des ailes pour générer plus de levage à basse vitesse. Parmi ces dispositifs, le volet Krueger se distingue par une solution robuste et de pointe optimisée pour le décollage et l'atterrissage. D'abord développé dans les années 1930 par Werner Krueger, ce panneau articulé est passé d'un simple volet mécanique à un composant sophistiqué intégré avec des systèmes de vol par fil et des matériaux avancés. Aujourd'hui, les volets Krueger sont de série sur de nombreuses plateformes commerciales et militaires, offrant une augmentation de levage essentielle qui réduit les exigences de piste et améliore les marges de décrochage.

Qu'est-ce que Krueger Flaps?

Les volets Krueger sont des dispositifs de levage de pointe qui, lorsqu'ils sont déployés, pivotent vers le bas et vers l'avant du bord d'attaque de l'aile. Cette action augmente la cambrure de l'aile (courbure) et la surface efficace, permettant à l'aéronef de produire un levage plus important à des vitesses plus basses sans exiger une augmentation correspondante de l'angle d'attaque.

Le principe aérodynamique fondamental au travail est l'effet Coanda combiné à une cambre accrue. En étendant une surface courbée vers l'avant et vers le bas, le volet Krueger force l'air à suivre une trajectoire plus longue au-dessus de l'aile, réduisant la pression au-dessus et augmentant le coefficient de levage (CL. Parallèlement, la déviation vers le bas du volet dirige l'air sous l'aile, contribuant à un différentiel de pression favorable.

Les angles de déploiement typiques des volets Krueger varient d'environ 30° à 60° par rapport à la ligne d'accord de l'aile, selon la conception de l'aéronef et la phase de vol. Pendant la croisière, les volets se rétractent en courant dans la surface inférieure de l'aile, minimisant la traînée et préservant l'efficacité aérodynamique.

Évolution historique

Le concept remonte à 1937, lorsque l'ingénieur allemand Werner Krueger breveta la conception en travaillant pour la compagnie aérienne Dornier. Des implémentations précoces ont été trouvées sur le bateau volant Dornier Do 24, où le besoin de soulever à basse vitesse au-dessus de l'eau était primordial.

Dans l'après-guerre, la conception a été affinée pour l'aviation commerciale. Boeing 727 (1963) a été parmi les premiers jetliners à employer les volets Krueger sur ses ailes balayées, suivie par toute la famille 737 (1967 en amont). Airbus A300 (1972) a également présenté les volets Krueger, et le concept est devenu un élément essentiel sur presque tous les avions de ligne court à moyen durant les années 1990.

Conception et fonctionnement

Les volets Krueger sont mécaniquement simples mais aérodynamiquement sophistiqués. La conception de base consiste en un panneau métallique ou composite courbé attaché au bord d'attaque de l'aile par une charnière. L'actionnement est typiquement hydraulique ou électrique; sur la plupart des avions, la puissance hydraulique est préférée pour sa capacité de force élevée et sa fiabilité.

Actionnement et contrôle

Dans les installations typiques, un ordinateur central de commande à haute charge (comme le Slat/Flap Control Computer sur les avions Airbus ou le Flap/Slat Electronic Unit sur les modèles Boeing) commande les actionneurs à volets Krueger. Ces actionneurs tournent un tube de couple qui tourne le long du bord d'attaque, appliquant un mouvement de rotation à chaque segment de volets. Plusieurs segments par aile (souvent 4-6) sont utilisés pour se conformer au balayage des ailes et pour permettre des trajectoires de charge indépendantes.

Les avions modernes intègrent également des systèmes hydrauliques à double-redondants et des moteurs électriques de secours pour satisfaire aux exigences de certification pour la sécurité continue de vol et d'atterrissage après une seule défaillance. La séquence de déploiement est normalement entrecoupée des volets arrière : les volets Krueger se déploient en premier (ou en même temps) pour assurer que l'aile demeure équilibrée aérodynamiquement pendant les changements de configuration.

Matériaux et fabrication

Aujourd'hui, ils sont de plus en plus fabriqués à partir de polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) composites, qui offrent des économies de poids de 20 à 30% par rapport aux modèles d'aluminium existants.Ces panneaux composites sont co-curés ou collés en une seule pièce, éliminant les attaches et réduisant le nombre de pièces. Sur Boeing 787, qui n'utilise pas les volets Krueger (il s'appuie sur des lattes de pointe à caméra variable), le concept se maintient d'autres façons – comme le système de dégivrage de pointe – mais de nombreux corps étroits de la prochaine génération continuent d'utiliser des volets Krueger composites.

Les revêtements de surface ont également progressé. Les revêtements de polyuréthane avec des stabilisateurs UV ajoutés protègent les volets composites de l'érosion et du cycle thermique. Certaines conceptions intègrent des joints résistants à l'usure pour empêcher les trous d'air entre le volet et l'aile lorsqu'ils sont rétractés, réduisant ainsi la charge de traînée.

Avantages en matière de performance

Les volets Krueger offrent des améliorations aérodynamiques quantifiables qui se traduisent par de véritables avantages opérationnels. Les avantages fondamentaux sont résumés ci-dessous, suivis d'une exploration plus approfondie de la physique sous-jacente.

  • Coefficient de levage amélioré:[Les volets Krueger peuvent augmenter le coefficient de levage maximal (CL,max) de 40 à 60 % par rapport à une aile propre, ce qui permet des vitesses d'approche plus faibles et des longueurs de champ plus courtes.
  • Caractéristiques améliorées de l'éclusage:[ En énergisant la couche limite sur la surface supérieure, les volets Krueger retardent la séparation de l'écoulement, en soulevant l'angle d'attaque de 3°–5° et en donnant un avertissement plus doux de décrochage.
  • Reduced Wing Loading:[ Avec un déploiement efficace, la même zone d'aile peut voler plus lentement ou porter plus de poids.
  • Performance optimisée au décollage :[ Un levage plus élevé à une vitesse donnée permet un gradient de montée plus raide, éliminant les obstacles plus rapidement et réduisant les empreintes sonores près des aéroports.
  • Meilleure manipulation au sol:[ Comme les volets Krueger sont des dispositifs de pointe, ils réduisent la vitesse de décrochage de l'aéronef plus que les volets de piste seulement, permettant aux exploitants d'utiliser des pistes plus courtes non notées pour des approches de plus haute performance.

Coefficient de levage et retard de blocage

L'amélioration précise de CL,max dépend du balayage des ailes, du rapport des accords de volets et de l'angle de déploiement. Pour un avion de ligne typique avec un balayage de 25°, le déploiement des volets Krueger à 35° donne un coefficient de levage différentiel (ΔC[L) d'environ 0,8–1,2. Lorsqu'il est combiné à des volets à simple glissière ou à double glissière, le total ΔC[L peut atteindre 2,0–2,5, ce qui réduit la vitesse de décrochage de 15 à 25 %.

Le retard de décrochage se produit parce que le rabat Krueger redirige vers le bas et vers l'arrière un flux d'air de haute énergie, créant ainsi une fente qui accélère la couche limite. Ce flux réengendré s'accroche à la surface supérieure de l'aile plus longtemps avant de se séparer. Lors des essais de soufflerie, on a montré que les volets Krueger retardent la séparation de l'écoulement de 4° à 6° d'angle d'attaque par rapport à un bord d'attaque propre.

Quantification : Sur un Boeing 737-800, le déploiement complet des volets Krueger (avec des volets à 40°) réduit la vitesse de décrochage d'environ 145 KCAS (propre) à environ 105 KCAS, soit une réduction de 28 %, ce qui permet à l'avion de s'approcher à environ 130-135 KCAS, bien à l'intérieur de la marge de sécurité au-dessus du décrochage.

Comparaison avec d'autres dispositifs à haute pression

Les volets Krueger sont l'un des concepts de levage à haute performance. Les solutions les plus courantes sont les lattes à lame de tête (fixes et rétractables) et à lames d'attaque à lames variables.

Krueger Flaps vs. Slats

Les lattes s'étendent vers l'avant de l'aile, créant un espace qui permet à l'air à haute énergie de descendre vers le haut, augmentant l'énergie de la couche limite. Les lattes offrent généralement un accroissement maximum de levage plus important que les volets Krueger—ΔCL jusqu'à 1,6— et sont plus efficaces sur les ailes fortement balayées (p. ex., >30°). Toutefois, les lattes introduisent une complexité mécanique plus grande, y compris des voies, des rouleaux et des points d'action multiples, augmentant le poids et les coûts d'entretien.

Dans la pratique, de nombreux aéronefs modernes utilisent une combinaison.La famille Airbus A330/A340 emploie des lattes à pleine portée, tandis que la Boeing 777 utilise des lattes sur l'aile extérieure et des volets Krueger sur la section intérieure. La Boeing 737 repose entièrement sur des volets Krueger pour tous les ascenseurs de pointe. Le choix est porté par le plan de vol, le numéro Mach de croisière et la partie commune souhaitée au sein d'une gamme de produits du fabricant.

Bords de tête en ambre variable

Certains aéronefs à haute performance, comme F-14 Tomcat et [B-1B Lancer[, utilisent des bords d'attaque à caméra variable qui changent continuellement de forme pour des performances optimales à travers les régimes de vol. Ces systèmes sont extrêmement complexes et lourds, ce qui les rend peu pratiques pour la plupart des avions commerciaux.

Applications dans les aéronefs modernes

Les volets Krueger restent aujourd'hui une visibilité commune sur les avions de production, en particulier dans le segment à corps étroit. Voici des exemples détaillés de leur mise en œuvre sur les plates-formes clés.

Série Boeing 737

Le Boeing 737 utilise des volets Krueger depuis sa création. L'actionnement mécanique original 737-100 et -200 est présenté; les modèles ultérieurs (737NG, 737 MAX) intègrent la commande et la surveillance par fil. Chaque aile d'un 737NG porte six panneaux Krueger, chacun actionné par un actionneur rotatif hydraulique. Le système est relié aux volets arrières par un tube de couple, garantissant un déploiement synchronisé. Sur le 737 MAX, les volets Krueger ont été redessinés avec des peaux composites et optimisés cambr pour compenser les changements aérodynamiques introduits par les plus grands moteurs CFM LEAP-1B. Le volet remodelé permet à l'aile d'atteindre les mêmes caractéristiques de levage avec un léger moindre traîné.

Famille Airbus A320

Airbus a adopté une approche différente avec l'A320 original (1988), optant pour des lattes rétractables s'étendant sur presque toute l'aile. Cependant, Airbus a développé les A321LR et A321XLR, qui exigent des poids élevés au décollage de pistes difficiles, des ingénieurs ont réintroduit les volets Krueger comme option pour le bord d'attaque hors-bord. Cette combinaison -Krueger+slat=» améliore les performances sur le terrain d'environ 5% sans pénalité de poids importante. Les A330 et A340 ont toujours utilisé uniquement des lattes, mais le A380 n'utilise pas étonnamment les volets Krueger; ses ailes massives utilisent un système complexe de lattes d'attaque et de lattes d'attaque.

Jets régionaux et d'affaires

Plusieurs familles de jets régionaux, dont Embraer E-Jet E2 et Mitsubishi SpaceJet[ (désuète), ont adopté les volets Krueger pour atteindre des objectifs de performance sur le terrain court.Bombardier C Series[ (maintenant Airbus A220) utilise plutôt des lattes, mais les compétitions avec les configurations Krueger montrent que l'avantage de poids des volets Krueger peut faire basculer le bilan des cellules aériennes régionales.Gulfstream G650 et G500 emploient des lattes de pointe; cependant, les modèles plus anciens comme le Dassault Falcon 2000 utilisent des lattes Krueger sur l'aile intérieure, en se fondant sur leur simplicité pour une maintenance réduite sur les avions de 20 ans.

Défis et limites

Malgré leurs avantages, les volets Krueger ne sont pas sans inconvénients. Les ingénieurs doivent équilibrer le poids, la traînée et la complexité contre les avantages de l'ascenseur.

  • Pénalité de dragage à angle élevé:[ Lorsqu'ils sont déployés à de grands angles (au-dessus de 40°), les volets Krueger créent une traînée importante, ce qui peut réduire le rapport de levage global au drag. Ceci est acceptable lors de l'atterrissage mais indésirable lors du décollage, où un réglage de la traînée plus bas est préféré.
  • Ice Accrétion:[ Les volets Krueger, comme tous les dispositifs de pointe, sont sujets à l'accumulation de glace en vol. La glace modifie la forme du volet, en réduisant son efficacité et pouvant causer une élévation asymétrique.La conformité avec FAR Partie 25 Annexe C les conditions de givrage exigent des systèmes anti-givrage – généralement de l'air saigné à chaud – intégrés à la structure du volet.
  • Taille et entretien:[ Le nombre accru de pièces – actionneurs, charnières, tubes de couple, capteurs – crée des charges d'entretien. Sur le Boeing 737, les actionneurs à volets Krueger nécessitent une lubrification périodique et un remplacement des joints toutes les 2 000 heures de vol. Les volets composites réduisent les problèmes de corrosion mais introduisent des complexités de réparation pour les dommages causés par les impacts (p. ex., à partir de débris de piste).

Évolution future

L'évolution des volets Krueger se poursuit, sous l'impulsion de la demande d'une plus grande efficacité énergétique et d'une réduction du bruit.

Structures de morphage

Des chercheurs de la NASA et du German Aerospace Center (DLR) explorent des volets de -morphing -Kreeger qui changent de courbure pendant le déploiement pour maintenir une aérodynamique optimale à travers toute la course. En utilisant des alliages de forme-mémory ou des peaux composites flexibles, ces volets de morphage pourraient réduire la traînée de 10 à 15 % par rapport aux modèles rigides.

Intégration avec l'actionnement électrique

Le déplacement vers des avions plus électriques (p. ex., le système électrique Boeing 787) conduit au remplacement des actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques (EMAs). Les EMAs offrent un contrôle précis de la position, une meilleure surveillance de la santé et l'élimination des fuites hydrauliques. Le A320NEO avec des volets Krueger optionnels utilise la puissance de la technologie EMA de 270V DC, réduisant le poids du système de 25% par rapport à la version hydraulique utilisée sur l'A320 original.

Contrôle actif du débit

Une autre frontière est de combiner les volets Krueger avec le contrôle actif du débit – comme les jets synthétiques ou les générateurs microvortex – pour retarder le décrochage. Le programme DLR --Smart High-Lift-- a testé un volet Krueger avec des actionneurs piézoélectriques intégrés qui créent de petites perturbations, réduisant la déviation requise des volets de 15% pour le même gain de levage.

Conclusion

Leur capacité à réduire les vitesses d'approche, à raccourcir la longueur des champs et à améliorer les qualités de manutention en a fait un pilier sur les avions allant des jets régionaux aux Boeing 737. Bien que les lamelles offrent des augmentations de levage plus élevées sur les ailes très balayées, les volets Krueger offrent une solution plus légère et plus rentable pour de nombreuses applications. Avec les progrès continus dans les matériaux composites, les structures de morphage et l'actionnement électromécanique, le volet Krueger est prêt à rester pertinent pendant des décennies, en continuant à contribuer à un vol plus sûr et plus efficace dans le monde entier.

Pour plus de précisions : Pour une analyse aérodynamique détaillée, voir Mémorandum technique de l'ANA 2007-21412 sur les dispositifs de levage à haute altitude de pointe. Pour des précisions de conception dans le Boeing 737, voir Boeing Aero Magazine. Le projet DLR Smart High-Lift fournit des informations sur la transformation future de la technologie des volets Krueger.