L'évolution des winglets : de la curiosité à la norme industrielle

Les ailes, petites extensions à angle ascendant ou descendant, trouvées aux extrémités de nombreuses ailes modernes, sont devenues l'une des innovations aérodynamiques les plus visibles et les plus percutantes de l'aviation commerciale.Ce ne sont pas seulement des florissantes stylistiques, mais des dispositifs soigneusement conçus qui réduisent directement la traînée, améliorent l'efficacité des ascenseurs et réduisent la combustion de carburant.

L'adresse de défi fondamental est la traînée induite, une forme de résistance aérodynamique qui se présente inévitablement chaque fois qu'une aile génère un levage. En gérant les tourbillons à haute énergie qui se déversent sur les ailes, les ailettes permettent à un aéronef de voler plus efficacement. Les compagnies aériennes ont économisé des milliards de dollars en coûts de carburant et réduit les émissions de dioxyde de carbone en raison de cette technologie.

Qu'est-ce que les Winglets ?

Une aile est une surface verticale ou quasi verticale fixée à l'extrémité d'une aile d'avion. Elle peut s'étendre vers le haut (comme sur la plupart des avions de ligne), vers le bas (comme sur certains avions de cargo), ou à la fois vers le haut et vers le bas dans un plan de division.

Sur un jet de 150 passagers typique, un ailier bien conçu peut réduire la traînée totale par 3–5% pendant la croisière. Cela se traduit par une économie de carburant d'environ 3–5%, ainsi que selon le profil de vol. Pour une compagnie aérienne exploitant des centaines de vols par jour, ces pourcentages s'ajoutent à des réductions significatives des coûts d'exploitation et des impacts environnementaux.

Les winglets ne sont pas une nouvelle idée.Les expériences remontent aux années 1920, mais l'application pratique a dû attendre les progrès de la science des matériaux et de la dynamique des fluides informatiques (CFD). NASA , les années 1980 testent sur un KC-135 Stratotanker a effectué la première validation réelle des avantages des winglets, et peu après que Boeing a introduit des winglets optionnels sur les 747‐400 en 1988. Aujourd'hui, les winglets sont des équipements standard sur la plupart des nouveaux aéronefs, dont le Boeing 737 MAX, la famille Airbus A320neo et l'Airbus A350.

Comment les ailes réduisent la traînée

Pour comprendre pourquoi les ailes fonctionnent, il faut d'abord comprendre les tourbillons d'ailes. Lorsqu'un avion se déplace dans l'air, la différence de pression entre les surfaces supérieures et inférieures de l'aile provoque un écoulement de l'air autour de l'aile de la région à haute pression (ci-dessous) à la région à basse pression (ci-dessus), ce qui crée une colonne tournante d'air – un vortex – qui suit chaque aile.

Formation de vortex et traînée induite
Ces vortices contiennent de l'énergie cinétique qui est effectivement gaspillée. L'énergie nécessaire pour les créer est extraite du mouvement avant de l'aéronef, se manifestant comme un composant de traînée supplémentaire appelé traînée induite. La traînée induite représente environ un tiers de la traînée totale pendant la croisière et une proportion beaucoup plus grande pendant le décollage et la montée.

Les ailes servent de barrière au flux croisé au bout de l'aile. En forçant le vortex à se lancer plus loin à l'extérieur ou en le diffusant sur une plus grande surface, les ailes réduisent l'intensité du vortex et redirigent son énergie. Le résultat est un réveil plus petit et une traînée moins induite. L'effet est analogue à mettre une clôture au bout d'une étagère pour empêcher les livres de glisser : l'aile empêche physiquement le déversement d'air haute pression.

Différentes géométries d'ailelet le permettent de façon légèrement différente. Un ailelet à pliage (le type le plus courant) se courbe en douceur vers le haut et vers l'extérieur, créant une transition progressive qui étend le vortex sur une plus longue distance. Un ailelet à spirateur à spirateur à fente utilise deux surfaces verticales pour briser le vortex.

Améliorer l'efficacité des ascenseurs

Bien que la réduction de la traînée soit le principal avantage, les ailes améliorent aussi le rapport de lifting-to-drag (L/D). Un L/D plus élevé signifie que l'aéronef peut générer la même quantité de lifting avec moins de poussée, ce qui améliore l'efficacité énergétique et étend la portée. Les ailes contribuent à une meilleure L/D en lissant la distribution de la lifting à travers l'aile. Sans une lifting, la distribution de la lifting tend à baisser brusquement à l'extrémité, ce qui entraîne une perte de la portée efficace.

Cet effet est particulièrement important au départ et à la montée. Lorsqu'un aéronef est lourd et qu'il sort d'un aéroport chaud et haut, l'amélioration de la L/D des ailes peut être critique. Par exemple, le Boeing 737 MAX avec sa conception avancée des ailes (le Ailelet technologique avancé réalise une amélioration de L/D d'environ 1,5 % par rapport aux précédents 737 modèles avec des ailes mélangées conventionnelles.

Les ailes améliorent également les performances de l'escalade[. Comme l'aile produit une levée plus efficace par unité de traînée, l'aéronef peut atteindre son altitude de croisière plus rapidement, avec moins de carburant brûlé dans le segment de montée. De plus, les ailes peuvent améliorer la stabilité de la roue[ en produisant un effet d'amortissement autour de l'aile, bien que cela soit un avantage secondaire.

Types d'ailettes en service aujourd'hui

Aillets mélangés

Introduit par Aviation Partners Boeing (APB) à la fin des années 1990, les ailes mélangées présentent une transition lisse et incurvée de l'aile à la nageoire verticale. Elles sont standard sur le Boeing 737NG (sauf le -500), Boeing 757, Boeing 767 et de nombreux jets d'affaires. Le mélange réduit la traînée d'interférence à la jonction tout en offrant une amélioration significative de la portée et de la consommation de carburant (généralement une réduction de 4 à 6 % du carburant en bloc).

Ailes de scimétrie divisées

L'aile de Split Scimitar ajoute une surface secondaire orientée vers le bas sous l'aile, en plus de la nageoire principale vers le haut. Cette disposition bi-surface réduit encore la traînée induite en contrôlant le vortex à partir de dessus et de dessous. APB=S L'aile de Split Scimitar est offerte en tant que mise à niveau pour le Boeing 737NG et est devenue standard sur quelque 737 modèles MAX. Elle permet d'économiser 1,5 à 2 % de carburant par rapport au design mélangé.

Des Wingtips rasés

Utilisé principalement sur des avions à large bande à longue portée, comme le Boeing 777, 787 Dreamliner et Airbus A350. Un bout d'aile rasé n'est pas une nageoire discrète mais une extension de l'aile elle-même balayée à l'arrière et effilée. Il fonctionne de la même façon qu'un bout d'aile en étalant le vortex sur une plus longue portée, mais sans surface verticale. Les bouts d'aile rasé sont plus légers que les bouts d'aile traditionnels et offrent un gain d'efficacité d'environ 3 à 4 %.

Fenêtre pliée / Fenêtre pliée

Airbus emploie une aile plus petite, ressemblant à une clôture, sur la famille A320 (le Sharklet[) et l'A380. Le requinlet est une aile compacte et verticale avec une légère torsion anhédrique qui réduit la traînée induite d'environ 3,5 %. Il est plus léger et moins cher qu'une aile mélangée, mais offre toujours des économies de carburant significatives.

Aillets en forme de S ou courbes

Certains modèles d'aéronefs plus récents comportent des ailes avec un balayage prononcé vers l'avant ou vers l'arrière, parfois décrit comme étant en forme de -S, lorsqu'on les voit de dessus. Le Boeing 737 MAX a, par exemple, un balayage distinct vers l'avant. Cette géométrie optimise davantage la distribution de l'ascenseur et réduit la résistance du vortex. De même, le Bombardier CSeries[ (aujourd'hui Airbus A220) utilise une grande aile en râteau avec un bout d'aile mélangé qui se courbe vers le haut et vers l'arrière.

Au-delà des économies de carburant : avantages supplémentaires

Bien que les économies de carburant soient l'avantage majeur, les ailettes offrent plusieurs autres avantages qui les rendent attrayants pour les compagnies aériennes et les fabricants.

  • Réduction de l'usure et du bruit des moteurs En abaissant la poussée requise, les ailettes réduisent la contrainte sur les moteurs, prolongeant le temps sur les ailes entre les révisions.
  • Émissions de carbone plus faibles Chaque gallon de carburant à réaction économisé empêche environ 21 livres de CO2 d'entrer dans l'atmosphère. Un 737 typique avec des ailes peut réduire les émissions annuelles de CO2 de centaines de tonnes par aéronef (Boeing Aero Magazine).
  • Augmentation de la portée ou de la capacité de charge utile. Comme l'aéronef brûle moins de carburant pour une distance donnée, il peut soit voler plus loin sur la même charge utile ou transporter plus de charge utile vers la même destination.
  • Une valeur de revente améliorée Les aéronefs équipés de ailes sont souvent plus souhaitables sur le marché secondaire parce qu'ils offrent un rendement rapide sur l'investissement grâce à des coûts de carburant moindres (Cirium).
  • De nombreux pilotes signalent que les ailes améliorent l'amortissement du roulis et réduisent les lacets négatifs, bien que l'effet soit subtil sur les avions modernes à fil continu.

Défis et compromis

Les winglets ne sont pas un déjeuner gratuit. Ils ajoutent du poids (habituellement 150 à 400 livres par paire sur un corps étroit), un renforcement structurel et un coût initial. Le bénéfice ne se produit que si la réduction de la traînée l'emporte sur la pénalité de poids, ce qu'il fait habituellement pour les aéronefs à forte utilisation. Cependant, sur des routes très courtes (avec de nombreux décollages et montées), les avantages se rétrécissent parce que les winglets fournissent la plus grande réduction pendant la croisière, et non pendant les opérations au sol.

De plus, les ailes peuvent augmenter l'envergure globale, qui peut dépasser les dimensions de la barrière de stationnement dans certains aéroports (l'exemple classique est le 747‐400, qui avait des ailes repliables pour s'adapter aux portes existantes).Elles ajoutent aussi de la complexité au dégivrage pendant les opérations hivernales et peuvent être susceptibles d'endommager les équipements au sol.

L'avenir de la conception de l'aile-tube

Alors que les concepteurs d'aéronefs font pression pour une consommation de carburant encore plus faible, les bouts d'ailes continuent d'évoluer.

  1. Aile active ou morphante Ces éléments changeraient de forme ou de rotation en vol pour optimiser l'efficacité à différentes phases (p. ex., prolongée pour la croisière, rétractée pour le taxi et l'atterrissage). La NASA et plusieurs universités testent des ailes actives prototypes qui pourraient réduire la traînée de 2 à 3 %.
  2. Les moteurs montés sur des ailes Le placement des moteurs sur les ailes peut réduire davantage la traînée induite en injectant des gaz d'échappement à haute vitesse dans le vortex, ce qui a été effectivement annulé.
  3. Des composites plus longs et plus légers. Avec des ailes en fibre de carbone devenant standard (Boeing 787, A350), les concepteurs peuvent incorporer des bouts plus longs en râpé sans pénalité de poids, rendant potentiellement inutiles les ailes discrètes. L'aile 787="s est déjà l'une des plus grandes de sa catégorie, avec une pointe gracieuse en râpé qui procure la plupart des avantages d'une aile.
  4. UAV et avions électriques. Pour les petits véhicules aériens sans pilote et les taxis d'air électriques, les ailes seront essentielles pour maximiser la portée sur l'énergie limitée de la batterie.

Entre-temps, la modernisation d'aéronefs plus anciens avec de nouvelles conceptions d'ailettes demeure une entreprise prospère. Les partenaires de l'aviation Boeing continuent de développer des kits pour les jets d'avion d'origine, et les détenteurs de certificat de type STC (supplémental type) offrent des ailettes pour des modèles comme le Gulfstream IV, les 737 Classics et même le McDonnell Douglas MD‐80 (NASA – Winglets).

Conclusion

Les winglets sont une technologie éprouvée et mature qui permet d'économiser du carburant, des émissions et des coûts d'exploitation dans le monde réel.Depuis les premières conceptions mélangées des années 1990 jusqu'à nos jours, les spirateurs divisés et les bouts en râpés, l'évolution des dispositifs d'aile reflète l'industrie aéronautique.

La prochaine fois que vous regarderez par la fenêtre d'un avion de ligne et que vous verrez cette petite nageoire verticale à l'aile, vous pourrez apprécier les décennies de recherche et d'ingénierie aérodynamiques qui ont permis de rendre votre vol un peu plus écologique.

Sources et autres lectures:[
NASA – Aillettes
Boeing Aero Magazine – Aillettes
Cirium – Aillettes qui ont encore leur poids en or
Airbus – Aillettes et aérodynamique