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Introduction : La promesse d'un aéronef à corps d'aile mélangé

L'industrie aéronautique est constamment sous pression pour réduire la consommation de carburant, les émissions et les coûts d'exploitation tout en maintenant ou en améliorant la sécurité et les performances. L'un des concepts de cellule les plus prometteurs pour répondre à ces exigences est la configuration du corps d'aile mixte (BWB). Contrairement aux conceptions conventionnelles de tubes et d'ailes, un avion BWB fusionne l'aile et le fuselage en une seule surface de levage lisse.

Toutefois, pour en tirer parti, il faut résoudre des problèmes aérodynamiques et structuraux uniques, en particulier pendant les phases de vol à basse vitesse, comme le décollage, l'approche et l'atterrissage. L'intégration des volets devient essentielle. Les volets, qui se déplacent sur le bord de l'aile, sont essentiels pour générer des ascenseurs supplémentaires à basse vitesse. Dans un BWB, l'absence d'une queue distincte et la géométrie hautement intégrée font que la conception des volets doit être soigneusement adaptée pour maintenir la stabilité du pas, l'autorité de contrôle et un débit d'air efficace.

Quels sont les aéronefs à ailettes mixtes (BWB)?

Un avion à aile mixte présente une transition sans faille entre l'aile et le fuselage, éliminant les jonctions pointues des conceptions traditionnelles. La cellule entière agit comme un corps de levage, la section centrale (où les passagers ou le fret sont logés) contribuant à la génération de levage. Cette configuration offre plusieurs avantages aérodynamiques :

  • Dragage réduit:[ La forme lisse et continue réduit la surface mouillée et forme la traînée. La traînée d'interférence entre aile et fuselage est pratiquement éliminée.
  • Ratio de levage/dérag amélioré: Les conceptions BWB atteignent des rapports L/D plus élevés, en particulier aux conditions de croisière, ce qui se traduit directement par une consommation de carburant plus faible.
  • Efficacité structurelle:[ Le corps central profond peut porter des moments de flexion plus efficacement, permettant des structures plus légères dans certaines zones.
  • Bruit inférieur: Les moteurs montés au-dessus du fuselage arrière peuvent être protégés par la cellule, réduisant ainsi le bruit au sol lors du décollage et de l'atterrissage.

Les recherches sur les configurations de la BWB remontent aux années 1990, avec des expériences de levage de corps X-24 de la NASA et plus tard les manifestants X-48B et X-48C pilotés par Boeing et la NASA. Plus récemment, Airbus a dévoilé le MAVERIC (Aéronef modèle pour la validation d'un concept efficace, résistant et intégré), un démonstrateur de corps d'ailes mélangé à sous-échelle pour la première fois en 2019.

Principales caractéristiques structurales et géométriques relatives aux fusibles

Les avions BWB ont un corps central large et plat qui se transforme en ailes extérieures effilées. Le bord de fuite du corps central est souvent presque droit ou légèrement balayé, ce qui offre un grand espace pour les systèmes de volets. Cependant, l'absence d'une queue horizontale conventionnelle signifie que le contrôle de la hauteur doit être réalisé par des ascenseurs séparés ou des élevons situés sur le bord de fuite du corps central. Le déploiement des volets doit donc être coordonné avec les surfaces de contrôle de la hauteur pour maintenir la garniture.

Rôle des volets dans la performance des aéronefs

Les volets sont des dispositifs de levage à haute vitesse qui augmentent le cambre et, dans certains cas, l'accord d'une aile. Ils permettent à un aéronef de générer la même quantité de levage à une vitesse plus faible, réduisant les distances de décollage et d'atterrissage et améliorant les marges de sécurité. Les volets augmentent également la traînée, ce qui est bénéfique lors de l'approche pour assombrir le chemin de descente sans accumulation excessive de vitesse.

  • Intégration du corps du centre: Les flaps sur la section centrale d'un BWB affectent le moment de tangage de façon significative en raison du grand bras de moment par rapport au centre de gravité.
  • Distribution de charge par inclinaison:[ Les cellules de la BWB sont très sensibles à la distribution de charge par inclinaison. Le déploiement de la torche modifie la distribution de la charge, ce qui augmente potentiellement les moments de flexion des racines.
  • Contrôle de séparation de la flottaison:[ Le corps central épais et les ailes extérieures fortement balayées peuvent conduire à la séparation de l'écoulement à des angles d'attaque élevés.

L'intégration efficace des volets dans les conceptions BWB ne consiste donc pas simplement à copier les géométries conventionnelles des volets; elle nécessite une approche au niveau des systèmes qui tient compte de la stabilité, des charges et des interactions aérodynamiques dans l'ensemble de la cellule.

Types de fusibles utilisés dans les conceptions BWB

Chaque type de volets offre des avantages et des compromis distincts. La sélection dépend de la géométrie spécifique de la BWB, des coefficients de levage requis, de la complexité et des budgets de poids.

Flacons plats

Les volets simples sont les plus simples, articulés au bord de la piste. Lorsqu'ils sont déviés, ils augmentent la cambrure et le levage, mais avec une augmentation modérée de la traînée. Pour les avions BWB, les volets simples peuvent être utilisés sur les sections d'ailes extérieures où la simplicité et le faible poids sont prioritaires.

Flacons à fentes

Les volets à fentes comportent un espace entre le volet et l'aile qui permet à l'air à haute énergie de la surface inférieure de s'écouler sur la surface supérieure du volet, réenclencher la couche limite et retarder la séparation. Cela donne des coefficients de levage maximum plus élevés que les volets simples.

Flacons de poulet

Les volets Fowler s'étendent à l'arrière et vers le bas, augmentant à la fois la zone de cambrage et d'aile. Cela permet une augmentation significative de la charge sans augmentation proportionnelle de la traînée. L'extension de l'accord augmente efficacement le rapport d'aspect de l'aile pendant le vol à basse vitesse. Pour les modèles BWB, les volets Fowler sont particulièrement attrayants pour la section du corps central, où la grande corde permet une extension substantielle sans poids structural excessif.

Flaps draopants (ou ailerons draopés)

Les volets de roulage abaisseront simultanément le rabat et une partie de la surface de contrôle des bords de roulage (comme un aileron). Cette technique est utilisée pour améliorer la commande de roulis à basse vitesse tout en assurant une amélioration de l'ascenseur.

L'intégration de ces types de volets dans un BWB doit tenir compte de l'interaction avec les élevons (qui combinent les fonctions d'ascenseur et d'aileron). De nombreux manifestants du BWB utilisent des élevons pour la commande du pas et du roulis, et le système de volets doit être conçu pour éviter les conflits.

Avantages de l'intégration des volets dans les aéronefs de la BWB

Lorsque les volets sont correctement intégrés dans la conception BWB, les avantages dépassent largement les performances de base de haute charge. Voici les principaux avantages soutenus par des études récentes et des tests en vol.

Production de levage améliorée et vitesse de décollage/atterrissage inférieure

Les avions BWB ont généralement une charge d'aile plus élevée que les modèles classiques, car le corps central contribue à la levage. Cela signifie que sans dispositifs de levage à haut débit, les vitesses de décollage et d'atterrissage seraient impraticablement élevées. Les volets, en particulier les types Fowler ou les fentes, peuvent augmenter le coefficient de levage maximal (CLmax) de 50 à 80 %. Cela réduit la vitesse de décrochage, permettant de réduire les pistes et d'améliorer les marges de sécurité.

Amélioration de l'efficacité énergétique grâce à l'établissement d'un calendrier de mise en place de la flamme adaptive

Les systèmes modernes de vol par fil permettent de régler les volets de façon variable dans l'enveloppe de vol. Par exemple, des volets légèrement étirés pendant la montée peuvent améliorer le rapport L/D à des vitesses plus faibles, réduisant la combustion de carburant. En croisière, les volets peuvent être rétractés pour réduire la traînée. Les avions BWB, avec leur aérodynamique de croisière très efficace, peuvent bénéficier d'une optimisation continue de la position des volets en fonction du poids, de l'altitude et de la vitesse.

Étendue de la portée de vol et capacité de charge utile

La combinaison de la faible traînée de croisière de la forme BWB et des performances de levage élevées et efficaces des volets permet à l'aéronef de fonctionner avec une charge utile plus élevée ou une plus grande autonomie pour la même charge de carburant. Pour les compagnies aériennes, cela se traduit par des options de route plus flexibles et un potentiel de revenus plus élevé.

Meilleures caractéristiques et sécurité des glissières

Dans les avions BWB, l'absence d'un plan arrière signifie que les tendances de tangage au décrochage peuvent être dangereuses. Le déploiement de flap, surtout lorsqu'il est combiné avec des lattes de pointe ou des générateurs de vortex, peut retarder le décrochage et fournir un comportement de décrochage plus bénin. Le programme d'essai X-48C a démontré que la conception prudente des flaps pourrait donner des caractéristiques de décrochage prévisibles sans tangage brusque, une exigence de sécurité critique pour la certification.

Réduction du bruit dans la Communauté

En outre, les cellules de la BWB peuvent protéger le bruit des moteurs, mais le déploiement des volets génère son propre bruit aérodynamique. Grâce à une conception appropriée, l'utilisation de volets à fentes avec des trous optimisés et des charges de criques peut réduire au minimum le bruit des volets. Les systèmes intégrés de volets contribuent ainsi à respecter des règlements rigoureux en matière de bruit, comme le chapitre 14 de l'OACI.

Défis et considérations en matière d'intégration des flaps pour la BCB

Malgré les avantages, l'intégration des volets dans une BWB présente plusieurs obstacles techniques qu'il faut surmonter pour obtenir la certification et la viabilité commerciale.

Augmentation de la complexité et du poids mécaniques

Dans un BWB, les mécanismes de rabat doivent être logés dans les sections d'aile externe mince et le corps central plus épais. Le corps central offre plus de profondeur, mais l'accord large signifie que les volets à long rayon peuvent être lourds. Les concepteurs doivent échanger le poids ajouté des systèmes de rabat contre les avantages aérodynamiques. Matériaux avancés tels que composites et alliages de forme-mémoire peuvent réduire le poids, mais la complexité demeure une préoccupation pour l'entretien et la fiabilité.

Changements de point et de matrice

Dans un avion conventionnel, la queue horizontale se compense à ce moment. Dans un BWB, les élevons sur le bord de la piste doivent fournir le moment de pitch-up nécessaire. Cependant, si les élevons sont déviés vers le haut, ils réduisent l'ascenseur global de l'avion, en neguant partiellement l'avantage du rabat. Ce couplage nécessite des lois de contrôle sophistiquées. Les systèmes de contrôle actif utilisant les rétroactions de l'angle d'attaque et des accéléromètres peuvent programmer la déflexion des volets et de l'élévation pour minimiser la traînée de compensation.

Charges structurales et effets aéroélastiques

Dans un BWB, la racine est dans le corps central, qui doit être renforcé pour supporter des moments de flexion accrus. De plus, les effets aéroélastiques deviennent plus prononcés; la déflexion des volets peut induire une torsion des ailes qui modifie les charges aérodynamiques. Les ingénieurs doivent effectuer une analyse de flutter et s'assurer que le système d'actionnement des volets est suffisamment rigide pour éviter les couplages aéroélastiques défavorables.

Intégration avec les systèmes Fly-by-Wire et autonomes

Les concepts modernes de BWB sont intrinsèquement instables en hauteur et en lacet, en s'appuyant sur des systèmes de vol par fil pour augmenter la stabilité. La commande de la flamme doit être entièrement intégrée à l'ordinateur de contrôle de vol. Les modes de défaillance doivent être analysés : si un volet est bloqué ou déployé asymétriquement, le système de contrôle doit compenser l'utilisation d'autres surfaces ou limiter l'enveloppe de vol. Les exigences de certification pour ces systèmes complexes sont strictes et la redondance est obligatoire.

Systèmes d'activation des flaps pour la BCB : options et échanges

La sélection du bon système d'actionnement est cruciale pour un fonctionnement fiable des volets. Plusieurs technologies sont disponibles :

  • Activateurs hydrauliques:[ Traditionnels et puissants, mais lourds et nécessitent un système hydraulique central. Pour BWB, les lignes hydrauliques doivent passer par le corps central, augmentant le poids.
  • Les actuateurs électromécaniques (EMAs):[ Plus légers et plus efficaces, les EMA gagnent en popularité. Ils éliminent le fluide hydraulique et permettent une architecture distribuée.
  • Actuateurs électrohydrostatiques (EHAs):[ Combinez la puissance hydraulique locale et la commande électrique. Ils offrent la densité de puissance de l'hydraulique avec la flexibilité de la distribution électrique. Les EHAs sont utilisés dans certains avions modernes comme l'Airbus A380 et pourraient être adaptés pour les systèmes de volets BWB.
  • Smart Materials (Shape Memory Allioys, Piezoelectric):[ La recherche explore des volets de morphage qui changent de forme sans charnières conventionnelles. Bien que toujours en cours de développement, de tels systèmes pourraient réduire le poids et le nombre de parties, idéal pour BWB où les surfaces lisses sont aérodynamiques.

Pour un avion BWB de production, un système hybride utilisant des EMA pour les volets d'aile extérieure et des EMA pour les volets de caisse centrale pourrait offrir un équilibre de poids, de fiabilité et de puissance.

Contrôle des flux et gestion de la séparation

L'aérodynamique BWB est très sensible à la séparation du débit, en particulier sur le corps central arrière où se développent des gradients de pression défavorables. Les fusibles peuvent être conçus non seulement comme des dispositifs de levage, mais aussi comme des outils de contrôle du débit actif.

  • Gurney Flaps:[ De petits onglets verticaux au bord de la piste qui augmentent le levage avec une traînée minimale. Ils peuvent être déployés sélectivement pour gérer le chargement au niveau de l'échelle.
  • Age de piste active Camber:[ Variation continue de l'angle de volets le long de la portée pour correspondre à l'angle d'attaque local et empêcher la séparation.
  • Générateurs de tourbillons en amont des volets:[ Ces petites vanes énergisent la couche limite avant qu'elle n'atteigne le volet, permettant des angles de volets plus élevés sans séparation.

L'intégration de ces techniques de régulation du débit avec le système de volets peut améliorer encore les performances de la BWB, en particulier lors des atterrissages hors-conception, comme les atterrissages hors moteur ou les atterrissages en vent de travers.

Études de cas : Intégration des flaps dans les démonstrateurs de la BCB

NASA/Boeing X-48B et X-48C

Le X-48B était un modèle à l'échelle de 8,5 % d'un modèle BWB, piloté de 2007 à 2012. Il utilisait des élevons pour le contrôle du pas et du roulis et avait des volets Fowler sur les ailes extérieures. Les essais en vol ont démontré que les volets ont amélioré la vitesse d'approche et les qualités de manutention. Le X-48C plus tard avait une forme modifiée avec un bord de piste plus prononcé et des élévateurs à glissières.

Airbus MÉDICAL

Airbus , démonstrateur MAVERIC, un modèle à l'échelle 1:10, intègre un corps d'aile mélangé avec une queue en V distinctive et des volets intégrés. Les détails sont exclusifs, mais les présentations publiques suggèrent que le système de volets utilise plusieurs segments pour permettre à la fois l'augmentation de levage et le contrôle directionnel. Le programme MAVERIC explore comment les volets peuvent être utilisés pour le contrôle de la marche et de la lacet dans une configuration sans queue, ce qui pourrait réduire le besoin de queues verticales séparées.

Recherche universitaire : le groupe de travail AVT-183 de l'OTAN

Un groupe de travail de l'Organisation des sciences et de la technologie de l'OTAN, AVT-183, a étudié les caractéristiques aérodynamiques des configurations BWB, y compris les performances de levage élevées. Ils ont utilisé la dynamique des fluides informatiques (CFD) pour optimiser les positions des volets et ont constaté qu'une combinaison d'un volet à fente de 20° sur l'aile extérieure et d'un volet Fowler de 30° sur le corps central a fourni le meilleur rapport de levage à drag à l'atterrissage.

Tendances futures de l'intégration des flaps pour la BCB

À mesure que les concepts de BWB passent des manifestants aux avions de production potentiels, plusieurs tendances apparaissent dans la technologie des volets :

  • Intégration de la propulsion électrique distribuée : Les conceptions de la BWB sont souvent jumelées à des systèmes de la DEP où plusieurs petits ventilateurs électriques sont intégrés dans l'aile. Les volets peuvent être conçus pour souffler de l'air sur les emplacements des ventilateurs ou pour contrôler l'afflux.
  • Morphing Bords lead et Trailing:[ Au lieu de panneaux à volets discrets, les futurs avions BWB peuvent utiliser des surfaces de morphage sans soudure qui changent sans heurts de cambrage.Cela réduit les lacunes et le bruit et améliore l'efficacité aérodynamique.
  • Intelligence artificielle pour l'optimisation des volets en temps réel: Avec les systèmes de vol par fil, les ordinateurs embarqués peuvent ajuster en continu les angles des volets en fonction des conditions de vol actuelles, du poids et même des conditions météorologiques.
  • Maintenance simplifiée par les unités modulaires de volets:[ Pour remédier à la complexité de la maintenance, les fabricants conçoivent des systèmes de volets comme modules de prise et de jeu.Les assemblages de volets complets peuvent être remplacés rapidement, réduisant ainsi le temps d'arrêt des aéronefs.

Conclusion

L'intégration des volets n'est pas seulement une réflexion après-vente dans la conception des avions Blended Wing Body; elle est un catalyseur essentiel de l'efficacité et de la sécurité promises par la configuration. En choisissant soigneusement le type de volets — qu'il s'agisse de vol simples, de vol à fente, de vol à glissière ou de vol à glissière — et en s'attaquant aux défis aérodynamiques et structuraux uniques de la BWB, les ingénieurs peuvent réaliser des gains importants en matière de transport, d'économie de carburant et de qualité de manutention.

Ressources extérieures: