Introduction à la conception de la flamme dans les jets militaires

Les volets sont des surfaces aérodynamiques mobiles montées sur le bord de fuite (et parfois le bord d'attaque) des ailes. En modifiant le cambre, la longueur de l'accord et la zone efficace de l'aile, les volets permettent aux pilotes d'adapter les caractéristiques de levage et de traînée de l'aéronef à différentes phases de vol. Dans les avions de combat, la conception optimisée des volets peut signifier la différence entre une interception réussie et une exposition accrue aux menaces. Cet article fournit une exploration approfondie de la façon dont la conception des volets affecte la vitesse et la consommation de carburant des avions militaires, en examinant l'aérodynamique sous-jacente, les différents types de volets, les choix de matériaux et d'actionnement et les innovations récentes qui repoussent les limites de performance.

Les fondamentaux des volets et de l'aérodynamique des aéronefs

Pour comprendre l'impact de la conception des volets sur la vitesse et la consommation de carburant, il faut d'abord examiner les principes aérodynamiques de base. Une aile génère une levée en déviant le débit d'air vers le bas. La quantité de levée est proportionnelle au carré de la vitesse, de la surface de l'aile et du coefficient de levage (CL[. Les volets augmentent le coefficient de levage maximal en augmentant la cambrure de l'aile et souvent en augmentant la surface effective de l'aile (surtout dans les volets Fowler). Cependant, toute augmentation de la remontée est accompagnée d'une augmentation de la traînée induite et généralement de la traînée de profil.

Les volets peuvent également affecter l'angle d'attaque de l'aile au décrochage. Avec les volets prolongés, l'aile peut atteindre un angle d'attaque plus élevé avant le décrochage, ce qui améliore la sécurité pendant le vol lent. Pour les jets supersoniques, la géométrie des volets doit également être compatible avec les régimes de débit transonique et supersonique, où la formation de chocs peut modifier radicalement la distribution de la pression.

Types de dessins en forme de flamme

Il existe plusieurs configurations de volets, chacune offrant des avantages aérodynamiques et structuraux distincts. Voici les types les plus courants que l'on retrouve sur les jets militaires :

Flacons plats

Les volets simples sont des panneaux à charnières simples qui tournent vers le bas depuis le bord de la piste. Ils augmentent la cambre et le levage, mais créent également une traînée importante, surtout à de grandes déviations. En raison de leur faible complexité et de leur léger poids, les volets simples sont parfois utilisés sur des entraîneurs militaires plus petits ou plus âgés.

Flacons à fentes

Les volets à fentes comprennent un espace entre le volet et l'aile lorsqu'ils sont déployés. L'air à haute énergie du dessous de l'aile traverse cette fente et énergise la couche limite sur la surface supérieure du volet, retardant la séparation et permettant des coefficients de levage plus élevés que les volets simples. Cette conception améliore la levage sans augmenter autant la traînée, ce qui en fait un avantage pour les aéronefs à base de porte qui ont besoin d'angles d'approche raides et de faibles vitesses d'atterrissage.

Flacons de poulet

Les volets Fowler combinent rotation vers le bas et translation vers l'arrière, augmentant ainsi efficacement la surface et l'accord des ailes. Cela entraîne une augmentation substantielle de l'ascenseur avec une pénalité de traînée relativement modérée. Lorsqu'ils sont rétractés, les volets Fowler rationalisent l'aile pour un vol à grande vitesse efficace. Ils sont largement utilisés sur les avions de transport et aussi sur certains jets militaires plus grands comme le C-17 Globemaster III.

Arrosages de Krueger

Les volets Krueger sont des dispositifs de pointe qui se trouvent en avant du dessous de l'aile, augmentant la cambrure et retardant la séparation du flux d'air à des angles d'attaque élevés. Ils sont souvent utilisés en conjonction avec les volets arrière pour fournir une capacité de levage élevée équilibrée à basse vitesse.

Lattes et flapérons de la première ligne

Bien que les lattes et les volets d'avant ne soient pas strictement ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Impact de la conception des volets sur la vitesse de l'aéronef

La vitesse est un paramètre critique pour les avions militaires, que ce soit pour l'interception, la supériorité aérienne ou l'évasion des menaces. La conception des volets affecte la vitesse dans deux régimes principaux : le vol à basse vitesse et le vol à grande vitesse.

Performance à faible vitesse

Pendant le décollage et l'atterrissage, les volets sont étendus pour générer une montée élevée à basse vitesse indiquée. La conception du système de volets détermine la vitesse minimale à laquelle l'aéronef peut se déplacer en toute sécurité en vol ou en descente. Un système de volets bien conçu peut réduire la vitesse d'approche de plusieurs noeuds, ce qui non seulement améliore la sécurité mais réduit également la longueur de piste requise.

Vol à grande vitesse et vol supersonique

Une fois en vol, les jets militaires rétractent les volets pour minimiser la traînée et maximiser l'accélération et la vitesse maximale. À des vitesses subsoniques et supersoniques élevées, la présence de même de petites protrusions ou de trous peut créer des pénalités de traînée induites par les chocs. Par conséquent, les systèmes de traînée doivent être conçus pour se glisser contre l'aile lorsqu'ils sont rétractés. L'interface entre le volet et la structure de l'aile doit être aérodynamiquement lisse pour empêcher la transition de la couche limite et la traînée d'onde.

Les systèmes modernes de vol par fil limitent automatiquement la déflexion des volets à des numéros élevés de Mach pour éviter une surcharge structurelle et une traînée excessive. Cette planification automatique permet à l'aéronef d'atteindre sa vitesse maximale au besoin, que ce soit dans un tiret pour intercepter une cible ou pour échapper à un missile.

Influence sur la consommation de carburant

La consommation de carburant est directement liée au débit de carburant du moteur et à l'efficacité aérodynamique. Pour un réglage de poussée donné, une traînée plus élevée signifie un débit de carburant plus élevé pour maintenir la vitesse.

Pénalités de glissement des volets prolongés

Pendant le décollage et la montée, les volets sont généralement réglés à un angle de déviation modéré (p. ex., 10 à 20 degrés) pour fournir un levage supplémentaire sans traînée excessive. Cependant, la traînée induite par l'extension des volets ajoute environ 15 à 30 % à la traînée totale de l'aéronef pendant la montée initiale. Cela augmente la combustion de carburant par mille marin.

Faites glisser à Cruise

En phase de croisière, les volets sont complètement rétractés. La conception du système de volets est toujours importante parce que toute irrégularité de surface ou fuite d'air par les charnières des volets peut augmenter la traînée de frottement. Les jets militaires utilisent des rails de volets et des carénages étanches pour réduire la traînée parasitaire. Certaines conceptions avancées, comme le concept Boeing X-32 (mais non adopté), ont incorporé des bords de fuite adaptatifs pour maintenir un contour lisse sur une gamme de coefficients de levage, réduisant ainsi la traînée à l'altitude de croisière.

Profil de la mission et efficacité énergétique

Par exemple, l'utilisation d'un réglage plus élevé des volets pour l'atterrissage (p. ex. 30 degrés vs 20 degrés) augmente la traînée et peut nécessiter une approche plus raide, mais elle peut réduire la poussée du moteur nécessaire pour maintenir la pente, réduisant ainsi la combustion de carburant dans la zone du terminal. Inversement, l'utilisation d'un trop grand rabat dans un scénario de remise de gaz gaspille le carburant parce que le pilote doit appliquer une poussée élevée pour surmonter la traînée.

Considérations de conception pour optimiser les systèmes de laminage

Les ingénieurs font face à un ensemble de compromis lors de la conception de volets pour les avions militaires. Les facteurs suivants sont parmi les plus importants:

Résistance et poids du matériau

Les volets doivent résister à des charges aérodynamiques pouvant dépasser 2 à 3 fois les charges statiques lors de manœuvres à haute vitesse. Les matériaux tels que les alliages d'aluminium, le titane et les composites en fibre de carbone sont courants. Les volets plus légers réduisent le poids global de l'aéronef, ce qui améliore l'efficacité énergétique et permet une meilleure capacité de charge utile.

Vitesse de déploiement et fiabilité

Les systèmes d'activation vont des cylindres hydrauliques aux actionneurs électromécaniques (EMAs). Les systèmes hydrauliques fournissent une haute densité de puissance, mais nécessitent une plomberie complexe et sont vulnérables aux dommages. Les systèmes EMA réduisent la maintenance, mais doivent être conçus pour des taux de charge élevés. La fiabilité est primordiale; un volet coincé sur une sortie de combat peut augmenter considérablement la traînée et limiter les performances, ce qui peut mettre le pilote en danger.

Minimiser le glissement aérodynamique

Au-delà du profil de déflexion de base, les ingénieurs travaillent à réduire la traînée parasitaire en éliminant les trous, en utilisant des carex sur les rails des volets et en assurant une transition fluide entre la peau des volets et celle des ailes. Certains modèles intègrent des joints gonflables qui remplissent l'écart entre le volet et l'aile lorsqu'ils sont rétractés, réduisant encore la traînée.

Compatibilité avec les vols à grande vitesse et les vols à grande vitesse

Les chasseurs de la cinquième génération comme les F-22 et F-35 ont besoin de volets qui ne compromettent pas la furtivité. Des bords serrés, de grandes ouvertures ou des reflets des charnières des volets pourraient augmenter la section transversale du radar. Dans ces appareils, les bords des volets sont dentelés ou recouverts de matériaux absorbants par radar. De plus, les volets doivent maintenir leur forme et leur alignement à haute température (du fait du chauffage cinétique à des vitesses supersoniques) sans se déformer.

Intégration aux lois sur le contrôle de la circulation aérienne

Les lois de contrôle prévoient une déflexion des volets en fonction du nombre de Mach, de l'angle d'attaque et du poids. Par exemple, lors d'un virage en haute vitesse, le système peut abaisser symétriquement les deux volets pour augmenter la vitesse de levage et réduire la vitesse de décrochage, ce qui donne au pilote une meilleure performance de virage. Les lois de contrôle imposent également des limites structurelles pour éviter de dépasser les limites de charge des volets. Cette intégration permet à l'aéronef d'extraire les performances maximales du système de volets sans nécessiter une entrée constante du pilote.

Technologies de pointe et tendances futures

À mesure que l'aviation militaire pousse vers des vitesses plus élevées et une plus grande efficacité, les chercheurs élaborent de nouveaux concepts de volets qui pourraient remplacer les surfaces à charnières conventionnelles.

Flaps adaptatifs et morphants

Les volets de morphage changent de forme en vol en utilisant des matériaux intelligents (par exemple, alliages de mémoire de forme, actionneurs piézoélectriques) ou des mécanismes conformes. Au lieu de segments discrets, articulés, l'ensemble du bord de piste peut plier en douceur, optimiser sans heurts le cambriolage pour chaque condition de vol. L'Agence de projets de recherche avancée de Défense (DARPA) a financé des projets explorant de telles ailes -adaptives aux missions. Ces systèmes promettent une traînée plus faible en raison de l'élimination des lacunes et de la capacité de maintenir un rapport de levage optimal sur une large plage de vitesse.

Flacons continus de cambre variables

Dans un système à volets à came variable, les surfaces supérieures et inférieures du bord de fuite sont flexibles et les actionneurs internes changent la courbure par accord. Cette approche permet à l'aile de maintenir un débit laminaire sur une plus grande partie de la surface, réduisant ainsi la traînée de frottement.

Conceptions de flap/aileron mélangées

Les futurs modèles de chasseurs peuvent éliminer entièrement les volets et les ailerons séparés, en utilisant plutôt une seule surface de fond de piste capable de déflexion symétrique et asymétrique. Le X-59 QueSST (démonstrations supersoniques à bas boom de la NASA) utilise une telle conception pour son stabilisateur horizontal, mais pas pour les volets. Sur un avion de combat, cela réduirait les lignes de charnière et les lacunes, améliorant l'efficacité furtive et aérodynamique.

Études de cas sur les systèmes à jets de militaires

L'examen d'exemples concrets illustre comment les choix de conception des volets influent sur les mesures de performance.

F-16 Lutte contre le Falcon

Le F-16 utilise un système de volets à bords arrière qui consiste en volets à fentes. Lorsqu'il est combiné avec les volets à bord avant (qui font partie du système de commande automatique de vol), le F-16 permet une excellente maniabilité à basse vitesse pour une conception delta-aile. Les volets sont programmés par l'ordinateur de commande de vol pour se déployer à des angles d'attaque spécifiques et des numéros Mach. À des vitesses élevées, les volets se rétractent automatiquement pour maintenir une faible traînée; l'aéronef peut atteindre des vitesses supérieures à Mach 2.0. Le système contribue à la réputation du F-16 pour des rapports de levage à drag élevés dans les configurations de combat.

F-22 Raptor

Le F-22 utilise des volets sur le bord de la piste et des volets avant sur les ailes et les stabilisateurs horizontaux. Ces surfaces sont intégrées de façon transparente dans la cellule pour préserver la furtivité. Les volets peuvent agir comme volets pendant le décollage et l'atterrissage, et ils effectuent également le contrôle de roulis en vol à grande vitesse. Les lois de contrôle du F-22 sont extrêmement sophistiquées; pendant le vol supersonique, les volets sont verrouillés pour empêcher les flutters et maintenir un faible coefficient de traînée. Le F-22 peut surcroire à Mach 1,5 sans brûleurs, et la conception des volets joue un rôle en minimisant toute traînée inutile.

F-35 Lightning II

La variante F-35B comprend un ventilateur de levage et une buse arrière qui tourne, mais ses volets d'aile sont essentiels pour générer suffisamment de levage lors de décollages courts et d'atterrissages verticaux. Les volets de levage tombent à 42 degrés pendant l'approche et les volets de pointe se déploient pour améliorer l'ascenseur. À des vitesses supersoniques, les volets sont rétractés et la ligne lisse de moule externe contribue à maintenir une section transversale radar basse. Toutefois, le poids vide relativement élevé du F-35 signifie que le système de volets doit être robuste, ce qui ajoute au poids global et réduit l'économie de carburant sur de longues missions comparativement à un aéronef plus léger.

B-2 Esprit (Bombardier de la ceinture)

Bien que ce ne soit pas un chasseur, le bombardier B-2 utilise un bord de piste unique avec plusieurs élevons qui fonctionnent comme volets, ascenseurs et ailerons. Ces surfaces sont faites de matériaux composites et sont conçues pour maintenir une forme d'attente continue radar tout en fournissant l'autorité nécessaire de pas et de roulis. Le B-2 n'a pas de volets discrets; au lieu de cela, il utilise des gouvernails à traînés fractionnés et la déflexion d'élevon pour obtenir un levage élevé pendant le décollage. Le système est aérodynamiquement efficace pour la croisière haute altitude, mais il ajoute de la complexité au système de vol par fil.

Résumé des facteurs clés qui influent sur la vitesse et la consommation de carburant

  • Type de flap et calendrier de déploiement:[ Les flaps Fowler fournissent un lifting à faible traînée mais ajoutent du poids; les flaps à fentes offrent un bon compromis pour les chasseurs; les flaps Krueger améliorent le lifting à basse vitesse sur le bord d'attaque.
  • Réduction du drag en croisière:[ La conception des volets rétractés doit minimiser les lacunes, les caries des charnières et les discontinuités de surface pour éviter les augmentations de traînée qui augmentent la combustion du carburant.
  • Accélération et vitesse maximale:[ Tandis que les volets sont rétractés pendant le vol à grande vitesse, la capacité du système de volets à rester à la chasse et les lois de contrôle qui empêchent le déploiement indésirable à haute Mach affectent directement la vitesse maximale.
  • Contraintes thermiques et structurelles :[ Les flaps d'un aéronef supersonique doivent résister à des températures élevées; des matériaux comme le titane et les composites avancés aident, mais ils ajoutent au coût et au poids.
  • Considérations de la hauteur:[ Les bords et les trous de la flamme doivent être traités pour réduire la signature radar, ce qui peut être incompatible avec l'optimisation aérodynamique.
  • Intégration vol-par-fils:[ La programmation automatisée des volets améliore les performances sans augmenter la charge de travail du pilote, mais le logiciel doit être soigneusement réglé pour éviter une traînée excessive.

Références externes pour la lecture supplémentaire

Pour les lecteurs intéressés par des détails plus techniques, les ressources suivantes fournissent des informations faisant autorité sur l'aérodynamique des volets et la conception des jets militaires :

Ces références couvrent à la fois les principes aérodynamiques fondamentaux et les dernières innovations dans la conception des volets pour les applications militaires.

Conclusion

Le système de volets d'un avion militaire est un composant hautement perfectionné qui influe directement sur la vitesse et la consommation de carburant dans l'enveloppe de vol. De la sélection du type de volets (plaqué, à fentes, à Fowler, à Krueger ou à rabatteron) au choix des matériaux, à l'actionnement et à l'intégration vol par fil, chaque décision de conception implique l'équilibrage des ascenseurs, de la traînée, du poids et des coûts.