Introduction aux effets des flammes sur la distribution des ascenseurs

La capacité de modifier la distribution des ascenseurs d'une aile durant différentes phases de vol est une pierre angulaire de la conception moderne de l'aéronef. Les volets, en tant que principaux dispositifs de levage à haute portée, jouent un rôle déterminant dans cette flexibilité. En étendant ou en rétractant ces surfaces mobiles sur le bord arrière de l'aile, les pilotes et les systèmes de commande de vol peuvent modifier la longueur efficace du cambriolage et de l'accord de l'aile, influençant directement les forces aérodynamiques. La taille du volet (son étendue et sa portée en accord) et son emplacement précis le long de l'aile (à l'intérieur, à l'extérieur ou à plusieurs panneaux) dictent la redistribution de l'ascenseur à travers l'échelle.

Les fondamentaux de la génération des flammes et des ascenseurs

Comment les flammes augmentent le levage

Les volets fonctionnent principalement en augmentant le cambriolage de la section d'aile, et dans certaines configurations, en allongeant la longueur de l'accord. Une augmentation du cambriolage augmente le coefficient maximal de levage (C[L,max) que l'aile peut atteindre avant de décroître. De plus, la déflexion du volet réduit l'angle d'attaque nécessaire pour générer un ascenseur donné, permettant à l'avion de voler à des vitesses plus lentes tout en maintenant le levage.

  • Flaves de protection:[ Simplement la partie arrière de l'aile articulée vers le bas. Ils ajoutent des cambres mais créent une traînée importante à de grandes déviations.
  • Flaves à éclaboussures: La surface inférieure se dévie alors que la surface supérieure reste fixe, produisant plus de traînée que les volets simples avec des incréments de levage similaires.
  • Flaves à glissières:[ Lorsqu'il est déployé, un espace s'ouvre entre le volet et l'aile, permettant à l'air à haute énergie de descendre du bas au-dessus du volet, retardant la séparation du débit et maintenant un CL,max.
  • Flaves de chasse : Ces volets glissent en arrière sur les voies avant de se déformer, augmentant à la fois la longueur de l'accord et le cambre. Ils fournissent la plus grande augmentation de l'ascenseur et sont courants sur les avions commerciaux.

Chaque type de volets produit un changement unique dans la répartition de la pression autour de l'aile, ce qui affecte directement la distribution de levage le long de l'échelle.

Bases de distribution de levage par écailles

Dans une aile idéale et finie, la distribution de levage est elliptique, ce qui signifie que la montée par unité varie sans heurts de la racine à l'extrémité, ce qui réduit la traînée induite. Toute déviation par rapport à une distribution elliptique (due à la réduction, au balayage ou au déploiement des volets) augmente la traînée induite et peut entraîner des tendances de décrochage de la racine ou de l'extrémité. Les flaps modifient le coefficient de levage sectionnel local le long de l'échelle selon leur emplacement et leur angle de déviation.

Taille de la flamme – Effet sur le levage total et la traînée

Étendue et profondeur du processus

La taille d'un rabat peut être définie par son accord comme une fraction de l'accord d'aile (rapport d'accord de la flaque à l'aile) et son étendue spandwide. Un accord de la flaque plus grand (p. ex., 30 % de l'accord d'aile vs. 15 %) produit une augmentation plus importante de C[L[ pour une déviation donnée parce qu'il change une plus grande partie de la ligne de cambrage. Cependant, au-delà d'une certaine taille, la traînée supplémentaire de la séparation de l'écoulement sur le rabat lui-même peut réduire le bénéfice net de l'ascenseur à drag. Par exemple, les volets Fowler sur un Boeing 737-800 ont un rapport d'accord autour de 25-30 % et s'étendent sur environ 70 % de la demi-échelle.

Pénalités et limites pratiques pour le dragage

La dérive totale dans la configuration d'atterrissage peut être de trois à quatre fois la traînée d'aile propre. La taille de la traînée doit être équilibrée avec la nécessité de faire une montée adéquate si un moteur échoue au décollage. Les règlements (p. ex., 14 CFR, partie 25) exigent que les réglages des volets de décollage permettent une pente positive de montée après la panne du moteur. Par conséquent, la sélection de la taille des volets est un compromis entre le levage à basse vitesse et la traînée à grande vitesse.

Placement des flaps et distribution des ascenseurs par évasement

Arrosages intérieurs

Les volets intérieurs sont situés près de la racine et du fuselage. Ils affectent la distribution de l'ascenseur dans la région centrale de l'aile. Comme la racine porte une partie importante de l'ascenseur dans une distribution elliptique typique, les volets intérieurs peuvent produire de grandes augmentations de l'ascenseur total tout en ayant un effet relativement plus petit sur le moment de flexion de l'aile (puisque le bras de la racine est court).

Flaps extérieurs

Les volets extérieurs sont placés près des extrémités des ailes. Ils augmentent la charge dans l'aile extérieure, ce qui peut améliorer la commande du roulis à basse vitesse parce que l'augmentation locale du roulis fournit plus de temps de roulement par unité de déflexion de l'aileron. Cependant, les volets extérieurs déplacent également la répartition du rehaussement vers l'extérieur, ce qui augmente la traînée induite et peut faire que les bouts des ailes se décroissent avant la racine, surtout si les volets sont grands et déviés de façon significative. Cette tendance au décrochage des bouts peut entraîner une perte soudaine de la commande du roulis et un risque de spin.

Panneaux à flammes multiples

La plupart des avions de ligne modernes utilisent plusieurs panneaux de volets indépendants le long de l'échelle (p. ex., volets Fowler à simple glissière à l'intérieur et à l'extérieur de l'Airbus A320). Les sections extérieures ont souvent une déviation maximale plus faible que les sections intérieures pour limiter les effets négatifs sur le comportement du décrochage.

Considérations et compromis de conception

Charges structurelles et actionnement

Les gros volets nécessitent de puissants actuateurs hydrauliques ou électriques, et la structure de l'aile doit être renforcée pour supporter les moments de flexion et de torsion supplémentaires. Le bras de levier des volets extérieurs par rapport à la racine de l'aile exacerbe les moments de flexion de la racine. Pour garder le poids de la structure sous contrôle, les concepteurs peuvent limiter l'étendue de l'aile ou utiliser des plans de déviation différentielle (p. ex., moins de déviation hors-bord). De plus, les rails de l'aile eux-mêmes doivent être fixés à des côtes d'aile robustes, ce qui augmente le coût de fabrication.

Interaction avec d'autres dispositifs à haute pression

La plupart des avions de transport combinent des volets de bord arrière avec des lattes de bord avant ou des volets Kruger. L'effet combiné de ces dispositifs sur la distribution des lattes de levage est complexe. Les lattes, situées sur le bord d'attaque, énergisent la couche limite au-dessus de l'aile, permettant des déviations plus élevées des volets sans décrochage. La position des lattes en accord et en spandwise doit compléter l'arrangement des volets. Par exemple, sur le Boeing 777, les lattes s'étendent presque à l'échelle, sauf pour un segment près du fuselage, tandis que les volets sont divisés en sections intérieure et extérieure.

Intégration de la surface de contrôle

Les ailerons et les spoilers interagissent également avec les volets. Lorsque les volets sont déployés, les ailerons peuvent s'enfoncer (comme sur l'Airbus A330) pour fonctionner comme surfaces supplémentaires des volets, augmentant le levage le long du bord arrière hors-bord. Cela nécessite une engrenage soigneuse pour éviter de surcharger l'aile extérieure. Inversement, les spoilers (spoilers de levage) sont normalement inhibés lorsque les volets se trouvent dans certaines positions parce que leur déploiement pourrait entraîner une levée asymétrique et une perte de contrôle.

Méthodes d'analyse computationnelle et expérimentale

Dynamique des fluides informatiques (CFD)

Les résolveurs de Navier-Stokes (RANS) moyens de Reynolds peuvent prédire le champ de pression autour de l'aile avec des volets déviés, captant la séparation du débit, les interactions de sillage et la traînée induite. Des études paramétriques qui varient l'accord des volets, la portée, l'angle de déviation et l'écart/débordement (pour les volets à fentes) aident les ingénieurs à trouver des configurations optimales. Les résultats CFD sont souvent validés en fonction des données du tunnel éolien pour les charges des volets et les pressions de surface.

Essais dans un tunnel éolien

Les modèles de soufflerie avec volets fonctionnels sont utilisés pour mesurer directement les mouvements de levage, de traînée, de tangage et de pression. Les tufts ou les peintures sensibles à la pression permettent de visualiser les schémas de séparation du flux. Les cellules de charge dans les fixations des volets mesurent les moments de charnière, qui sont critiques pour le calibrage des actionneurs.

Exemples pratiques de conception d'aéronefs

Famille Boeing 737

Le 737 utilise des volets triples à rainure sur les anciennes variantes (737-200) et des volets Fowler à rainure unique sur les séries NG et MAX. La portée des volets s'étend de près du fuselage jusqu'à seulement à l'intérieur de l'aileron. La déflexion des volets extérieurs est limitée à 30 degrés pour le décollage et à 40 degrés pour l'atterrissage, tandis que les volets intérieurs peuvent aller à 60 degrés. Cette déflexion différentielle assure que l'aile extérieure ne se décroît pas prématurément.

Airbus A320 Neo

L'A320 utilise deux panneaux de rabat par aile : un rabat intérieur à simple glissière et un rabat extérieur à simple glissière, tous deux du type Fowler. Le rabat intérieur a une plus grande portée de flexion et un accord plus grand. Le rabat extérieur est conçu pour produire moins de levage par portée unitaire pour éviter le décrochage de la pointe. De plus, les volets (combinés rabat et surfaces aileron) de l'A320 aident à la distribution de levage en approche, s'enfoncent automatiquement avec la sélection des volets.

Aviation générale (Cessna 172)

Le Cessna 172 utilise des volets à simple rainure actionnés électriquement qui s'étendent de l'échelle moyenne à la proximité du fuselage. Le positionnement des volets est entièrement à l'intérieur des ailerons, assurant que l'aile extérieure reste aérodynamiquement propre pour la commande du roulis. La taille des volets (environ 40 % de la demi-échelle et 40 % de l'accord) offre une augmentation suffisante de la charge pour les opérations sur terrain court tout en maintenant une caractéristique de décrochage douce.

Demandes militaires

Les avions de combat comme le F-16 utilisent des volets avant-coureurs (également appelés volets) combinés avec des volets arrière-courriers qui servent souvent de bifonctions d'ailerons. La taille et le positionnement des volets sont optimisés pour manœuvrer à des angles d'attaque élevés, parfois jusqu'à 30 degrés. La distribution de l'ascenseur doit être étroitement contrôlée pour éviter le décrochage asymétrique ou le départ.

Conclusion

Les volets plus grands augmentent le levage, mais aussi la charge de la traînée et de la structure; le positionnement hors-bord améliore le roulis mais le décrochage des extrémités des avions; le positionnement à l'intérieur améliore la stabilité mais peut limiter l'autorité de l'aileron. Grâce à l'utilisation d'outils informatiques avancés et à des essais de grande envergure dans les souffleries, les concepteurs peuvent adapter les volets pour obtenir la distribution souhaitée de l'ascenseur dans toutes les phases de vol. L'application réussie de ces principes est évidente dans les systèmes de transport à grande vitesse des avions de ligne modernes, qui permettent un fonctionnement sûr à vitesse lente tout en maintenant des performances de croisière efficaces.

Pour plus de détails, voir le NASA Glenn Research Center amorcer on high-lift devices et le Manuel de connaissances aéronautiques du pilote de la FAA (Chapitre 4: Aérodynamique du vol). Pour une méthodologie de conception approfondie, voir ScienceDirect's panorama of high-lift device design.