L'impact de la conception d'Aileron sur la consommation de carburant et la réduction des émissions

L'industrie aéronautique est soumise à une pression intense pour réduire son empreinte environnementale. Bien que l'attention soit accordée à la propulsion et aux carburants de remplacement, la cellule elle-même, en particulier les ailes et leurs surfaces de commande, offre des possibilités considérables de gains d'efficacité. Parmi ces surfaces, l'aileron joue un rôle trompeur et complexe. Souvent considérée comme un simple dispositif de contrôle de la rotation, sa conception affecte profondément la traînée aérodynamique, la consommation de carburant et, en fin de compte, les émissions.

Comprendre les ailerons et leur fonction

Les ailerons sont des surfaces de commande de vol articulées situées sur le bord de chaque aile, généralement hors-bord des volets. Leur fonction principale est de contrôler le roulis, la rotation de l'aéronef autour de son axe longitudinal. Lorsque le pilote déplace le empiècement de commande ou le pilon latéral, un aileron se détourne vers le haut tandis que l'autre se détourne vers le bas. L'aileron déflecté vers le haut réduit le levage sur cette aile, tandis que l'aileron déflecté vers le bas augmente le levage sur l'aile opposée, créant un moment de roulement.

Mécanique et aérodynamique

Les forces aérodynamiques sur un aileron dévié ne sont pas simples. Un aileron déflecté vers le haut réduit le cambre et l'angle d'attaque local, diminuant la montée mais aussi augmentant la traînée sur cette section d'aile. Inversement, un aileron déflecté vers le bas augmente la traînée, mais aussi augmente la traînée induite, et à des angles de déviation élevés peut entraîner une séparation du débit, réduisant l'efficacité. Cette asymétrie dans la traînée crée un moment de lacet appelé lacet adverse, qui s'oppose au virage.

La solution classique est le Frise aileron breveté dans les années 1920, dans lequel le bord d'attaque de l'aileron en mouvement ascendant se propulse sous la surface de l'aile, créant une traînée supplémentaire sur l'aile descendante pour contrer les lacets adverses. Les ailerons différentiels, où la déflectation vers le haut est plus grande que la déflection vers le bas, aident également à réduire les lacets négatifs en limitant l'augmentation de l'ascenseur/drag sur l'aile descendante. Ces correctifs mécaniques restent en usage sur de nombreux aéronefs d'aviation générale et commerciaux, mais ils imposent une pénalité de traînée que les systèmes modernes de vol par fil peuvent éviter.

Conception d'Aileron et drag dynamique

La traînée est l'adversaire de l'efficacité énergétique. Un aéronef en vol doit surmonter la traînée parasitaire (par frottement de la peau, par traînée de forme, par traînée d'interférence) et la traînée induite (par le levage).

Distribution induite de la traînée et de l'ascenseur

Sur une aile conventionnelle, la différence de pression entre les surfaces supérieures et inférieures provoque un écoulement spandulaire qui crée des tourbillons de fuite, qui sont associés à la traînée induite. L'efficacité de la production de la tringle est mesurée par le facteur d'efficacité de la tringle. Les déviations d'aileron modifient la distribution locale de la tringle, réduisent l'efficacité de la tringle et augmentent la traînée induite. Par exemple, lorsqu'un aileron est dévié vers le bas, la section de l'aile génère plus de tringlerie locale, ce qui augmente la traînée induite locale.

Une approche consiste à utiliser un système à simple pièce, « ancre d'aileron », où l'aileron peut être enfonce symétriquement pendant la croisière pour réduire la cambre efficace de l'aile ou pour optimiser la distribution de levage par travée. Certains aéronefs, comme le Boeing 787, utilisent un système de volets « changement de caméra » qui intègre efficacement les fonctions d'aileron et de volets. Sur l'Airbus A380, les ailerons hors-bord sont normalement inactifs pendant la croisière et ne sont utilisés que pour la commande de roulis à basse vitesse, réduisant la traînée lorsque ce n'est pas nécessaire.

Drag et qualité de surface parasitaires

Les ailerons conventionnels ont des trous de charnière, des carex de vérin et des tiges de commande qui perturbent le flux d'air. Les conceptions modernes utilisent des volets et des ailerons complets, continus et avec des lignes de charnières scellées ou semi-scellées pour réduire les trous. La construction composite permet des surfaces plus lisses et un habillage plus précis. L'utilisation de carex flexibles et de joints élastomères peut réduire la peine de traînée des trous d'aileron de 30 % dans certaines études de modernisation.

De plus, la forme de l'aileron lui-même est importante. Une section plus épaisse de l'aileron peut fournir une plus grande rigidité structurelle, mais augmente la traînée. Des ailerons à profil bas et étirés avec un rapport épaisseur-chord inférieur à 10% sont communs sur les avions à haute subsonique. L'épaisseur du bord de fuite affecte également la traînée; la fabrication moderne peut atteindre des bords de traînage aussi mince que 0,5 mm, réduisant ainsi considérablement la traînée de base.

Impact sur la consommation de carburant

La consommation de carburant est directement proportionnelle à la traînée totale intégrée sur le profil de vol. Une réduction de 1% de traînée peut entraîner une réduction de 0,5 à 0,7% de la combustion du carburant, selon la mission.

Quantification des effets

Les études sur les avions de transport ont montré que l'optimisation de l'horaire des ailerons (p. ex., légère déviation de l'aileron à bord pendant la croisière pour améliorer la charge de calage) peut réduire la traînée induite jusqu'à 2 %. Combinée à une diminution de la traînée parasitaire des espaces scellés et des surfaces plus lisses, on peut réaliser des économies de 3 à 5 % de traînée totale.

Le programme Active Aeroelastic Wing (AAW) de la NASA a démontré qu'en utilisant des ailerons pour induire une torsion favorable des ailes, la traînée pourrait être réduite de 4% à des vitesses transoniques. Cette technologie a influencé la conception des ailerons en râpés du Boeing 787 et des ailes flexibles, où les entrées d'aileron sont utilisées pour contrôler le moment de flexion et la torsion de l'aile pendant la croisière, réduisant ainsi la traînée induite.

Considérations opérationnelles

Les compagnies aériennes qui adoptent des avions équipés de systèmes d'aileron avancés voient des améliorations mesurables. Par exemple, l'Airbus A350 XWB dispose d'une fonction « aileron droopé », où les ailerons hors-bord sont dragués de 5 à 10 degrés en croisière pour améliorer l'efficacité aérodynamique de l'aile. Selon Airbus, cela contribue à la réduction de 25 % de la combustion de carburant de l'A350 par rapport aux avions de la génération précédente, l'optimisation de l'aileron représentant plusieurs points de pourcentage de cette amélioration.

De même, le Boeing 737 MAX utilise un système amélioré d'aileron qui s'intègre à la nouvelle ailette Advanced Technology. Les ailerons sont prévus pour fournir une distribution optimale de levage à travers l'échelle, réduisant la traînée induite. Boeing affirme que le MAX a une consommation de carburant de 8% plus faible par siège que l'A320neo, avec la conception d'ailes – y compris la configuration d'aileron – jouant un rôle clé.

Réduction des émissions

Chaque kilogramme de carburant brûlé produit environ 3,16 kg de CO2. Une réduction de 1 000 litres de carburant par avion par année évite environ 2,5 tonnes de CO2. Mais l'avantage environnemental va au-delà du CO2. La conception d'Aileron affecte également les émissions d'oxydes d'azote (NOx), de particules et de formation de contrail.

NOx et leurs composants

La formation de NOx est fonction de la température et de la pression de combustion. Bien que la conception de l'aileron ne modifie pas directement le cycle du moteur, la combustion réduite de carburant signifie moins de poussée nécessaire pour la même gamme de charges utiles, permettant au moteur de fonctionner à des températures de combustion plus basses, ce qui réduit la production de NOx.

La formation de contrail est influencée par l'échappement du moteur de l'avion et les conditions atmosphériques ambiantes. Cependant, l'efficacité aérodynamique de l'aile affecte le rapport de levage à drag et le sillage induit. Une aile plus efficace avec des ailerons optimisés produit des vortices plus faibles, ce qui peut affecter le mélange des gaz d'échappement du moteur et la persistance des contrails.

Considérations relatives au cycle de vie

La réduction des émissions de l'aileron peut avoir une plus grande empreinte carbone que les systèmes mécaniques simples. Toutefois, en raison de la longue durée de vie (20-30 ans), les économies de carburant compensent généralement les émissions de fabrication au cours des premières années. Les ailerons composites offrent également des économies de poids, réduisant encore davantage la combustion de carburant et les émissions tout au long de la vie de l'aéronef.

Progrès technologiques dans le design d'Aileron

Au cours des deux dernières décennies, on a assisté à des progrès remarquables dans la technologie de l'aileron, grâce aux systèmes de vol par fil (FBW), aux matériaux avancés et à l'ingénierie des commandes.

Contrôle vol par fil et actif

FBW permet une optimisation « loi de contrôle » qui peut régler la déflexion de l'aileron pour une traînée minimale sur toutes les phases de vol. Sur le Boeing 777 et 787, les ailerons sont utilisés non seulement pour le roulis mais aussi pour la réduction de la charge des rafales et le contrôle de la charge de manoeuvre. En déviant les ailerons symétriquement ou asymétriquement en réponse à la turbulence, le système réduit les charges structurelles, permettant des structures d'ailes plus légères qui économisent du carburant.

Les ailerons adaptatifs, qui changent de cambre en vol, sont une technologie émergente. Le projet Smart Intelligent Aircraft Structures (SARISTU), financé par l'Union européenne, a démontré un bord de fuite adaptatif avec une peau flexible qui peut changer la forme de l'aileron en continu. Cela permet une performance aérodynamique optimale à chaque nombre et angle d'attaque de Mach, réduisant la traînée jusqu'à 5% par rapport aux ailerons fixes.

Matériaux et fabrication

Les ailerons à fibres de carbone renforcées (CFRP) sont maintenant de série sur les nouveaux avions. Ils sont plus légers, plus rigides et plus résistants à la corrosion que l'aluminium, ce qui permet des formes plus fines et plus aérodynamiques. La fabrication additive (3D) est utilisée pour les petits composants d'aileron, réduisant le poids et le nombre de pièces. L'utilisation d'alliages de forme mémoire (AMS) dans les actuateurs d'aileron est également en cours d'exploration; les SMA peuvent changer de forme sous stimulus thermique ou électrique, permettant des mécanismes simples et légers qui peuvent transformer le bord de l'aileron.

Intégration avec les Winglets et les Sharklets

Les bouts d'ailes modernes sont souvent munis de ailes ou de requins qui aident à réduire la traînée induite en brisant les tourbillons d'ailes. La conception d'aileron doit être intégrée à ces dispositifs pour éviter les interférences. Certaines conceptions, comme l'aileron de technologie avancée du Boeing 737 MAX, ont des ailerons montés hors-bord qui s'étendent dans la zone d'aileron.

Défis et compromis

Malgré les avantages évidents, l'amélioration de la conception de l'aileron est un défi. Le poids, la complexité, le coût et la certification sont des facteurs majeurs. Les systèmes aileron actifs nécessitent des actionneurs, des capteurs et des ordinateurs de contrôle supplémentaires, ce qui ajoute du poids et des exigences de maintenance.

De plus, les ailerons adaptatifs qui utilisent des peaux flexibles sont des problèmes de visage avec durabilité et fatigue. La peau doit pouvoir se déformer à plusieurs reprises sans craquer ni perdre de l'allure de surface. Des matériaux comme les peaux segmentées d'élastomère ou les peaux métalliques ondulées ont été testées mais ne sont pas encore certifiés pour un usage commercial.

Les autorités de certification comme la FAA et l'AESA exigent que les surfaces de contrôle fournissent une autorité de contrôle adéquate dans toutes les conditions de vol, y compris les défaillances du système. Cela a toujours limité l'adoption de calendriers d'aileron hautement optimisés parce que les défaillances pourraient conduire à des forces asymétriques.

Orientations futures

La prochaine frontière dans la conception d'aileron est le concept de « aile en transformation », dans lequel toute la surface de l'aile peut changer de forme pour optimiser n'importe quelle condition de vol. Ailerons ferait partie d'un bord de piste en changement de forme continu. La NASA et DARPA financent la recherche sur les structures d'aile d'inspiration biologique qui mimiquent les plumes d'oiseaux, permettant un changement de cambre sans couture.

Dans un avion hybride électrique ou tout électrique, les moteurs peuvent être utilisés pour créer une poussée différentielle pour la commande de roulis, ce qui pourrait réduire ou même éliminer la nécessité de disposer d'ailerons conventionnels. Cela simplifierait l'aile, réduirait la traînée et le poids, mais nécessiterait des systèmes d'électronique de puissance et de batteries avancés. La première génération de véhicules électriques verticaux au décollage et à l'atterrissage (eVTOL) utilise déjà cette approche pour la commande de lacet et de roulis.

Enfin, les bases de données aérodynamiques et l'apprentissage automatique open source permettent d'optimiser rapidement les conceptions d'aileron. Les ingénieurs peuvent maintenant exécuter des milliers de simulations CFD pour trouver des formes d'aileron qui minimisent la traînée dans un profil de mission. Ces méthodes de calcul deviennent standard dans l'industrie, conduisant à des conceptions d'aileron plus efficaces que celles développées par l'essai de soufflerie seul.

Conclusion

La conception d'Aileron est un facteur critique, mais souvent négligé, de l'efficacité énergétique des avions et de la réduction des émissions. Depuis le début des systèmes Frise ailerons jusqu'aux systèmes modernes de vol par fil avec des capacités d'adaptation, chaque amélioration réduit la traînée, réduit la consommation de carburant et réduit les émissions de gaz à effet de serre.