La voilure des avions de combat

Qu’est ce que la flèche ?

Quand on parle de flèche, on parle implicitement d’angle. L’angle de flèche est l’angle entre l’aile de l’avion et une ligne imaginaire perpendiculaire au fuselage de l’avion.

Voilure en flèche

C’est le type de voilure le plus courant sur les avions de combat. Des avions comme le F-16 ou le F-15, mais aussi comme le Spitfire et le Bf-109 pendant la Seconde guerre mondiale ont des voilures en flèche. On distingue différents types de voilures en flèche.

Voilure rectangulaire

Ce type de voilure est, de toute évidence, le modèle le plus simple de voilure. Il est très facile a produire. Malheureusement, il induit beaucoup de trainée. Mais ce type de voilure a l’avantage de décrocher progessivement à partir de l’emplanture.

Ce type de voilure est recontré sur les avions de voltige et des avions de la Seconde guerre mondiale comme le Messerchmitt Bf-109, mais aussi sur les avions monoplans, biplans et triplans de la Première guerre mondiale.

Voilure elliptique

Ce type de voilure offre une faible trainée, mais provoque un décrochage aérodynamique très violent. Cela signifie qu’une fois que l’avion passe dans le domaine de décrochage, il est très difficile à récupérer…

Il est à noter que ce type de voilure est strictement réservé aux faibles envergures.

La voilure elliptique a un angle de flèche nul. Ce type de voilure fait donc partie des voilures à flèche droite.

Ce type de voilure fut souvent rencontré sur les avions de la Seconde guerre mondiale comme par exemple le Spitfire anglais.

Supermarine Spitfire : flèche droite elliptique

Voilure en W

Il y a deux exemples très connu pour ce type de voilure : le Junkers Ju-87 Stuka allemand et le VoughtF-4U Corsair américain.

Cette configuration permet de réduire la trainée.

Dans le cas du Corsair, l’aile en W facilitait la mise au point d’un système de pliage des ailes (il ne faut pas oublier que le Corsair était un avion embarqué) et permettait d’avoir un train d’atterrissage très court (donc meilleure résistance du train lors des appontages) tout en gardant une grande hélice (donc meilleures performances).

Voilure à géométrie variable

Le pilote peut faire varier l’angle de flèche. L’exemple le plus connu est certainement le F-14 Tomcat, mais il y a également le Panavia Tornado et le General Dynamics F-111

F-14 flèche minimale

L’avantage de ce type de voilure est d’avoir deux "types" de vol. Lorsque la flèche est minimale (ailes déployées : cf ci-dessus), l’appareil vole à des vitesses subsoniques (inférieur a Mach 0.8) et transsoniques (de Mach 0.8 à Mach 1.3). De son côté, la flèche maximale (ailes repliées : cf ci-dessous) est optimisée pour les vitesses importantes : les vitesses supersoniques (Mach 1.3+)

F-14 flèche maximale

l’avion tire ainsi parti des deux types de voilure.

Nous pouvons également cité le bombardier américain B-1B Lancer comme exemple d’appareil ayant une flèche à géométrie variable.

Voilure à flèche inversée

Aussi appelé FSW (pour Forward Sweep Wing en anglais), cette configuration est relativement rare. Observée pour la première fois en 1945 sur le prototype du quadriréacteur Junkers Ju-287 allemand, peu d’appareils utilise la flèche inversée.

Nous pouvons citer comme exemple, le prototype américain X-29

X-29

Mais, plus récemment, la firme Sukhoï a utilisé cette configuration pour son démonstrateur de chasseur de cinquième génération : le Su-47

Ce type de voilure augmente la maniabilité par rapport à une aile en flèche classique de surface alaire analogue. Cette aile est optimisée pour les vitesses transsonniques (vitesses auxquelles ont lieu les dogfights).

Elle permet d’augmenter le rayon d’action de l’appareil et de diminuer la distance de décollage et d’atterrissage.

De même, elle diminue un peu la signature radar de l’appareil.

Mais le gros inconvénient d’une telle voilure est sa grande instabilité. Pour avoir une telle voilure, il faut disposer de commandes de vol dernier cri, beaucoup plus performantes que les CDVE actuelles, engendrant un problème de coût financier…

Voilure Delta

Mirage 2000

Ayant une surface alaire plus importante, la charge alaire (charge par m² de voilure) est donc moins importante. En configuration lisse (sans armement) l’avion peut faire des évolutions plus serrées car meilleure répartition des efforts sur les ailes. De même, l’aile delta décale le centre de gravité de l’avion vers l’arrière, augmentant la distance avec le foyer de l’avion. Or, c’est cette distance qui détermine la stabilité de l’appareil. Plus elle est grande, plus l’avion est instable. Ainsi, une aile delta est plus instable qu’une aile en flèche permettant donc d’avoir une excellente maniabilité (il est à noter que le Mirage 2000 est l’un des avions de combat les plus difficiles à "accrocher" au monde)

La surface portante est elle aussi plus importante, permettant de repousser les limites du domaines de vol. En particulier, la vitesse de décrochage est plus faible sur les avions delta que sur les avions à flèche de la même génération.

Ce type de voilure est efficace en vol supersonique, elle est facile à construire. Elle permet un emport d’armement important et un emport de carburant supplémentaire (les ailes sont faites de caissons dont certains servent de réservoirs).

L’inconvénient majeur est qu’il n’y a pas d’empennage horizontal. Ainsi, ce sont les élevons (volets du bord de fuite, positionnés près du fuselage) qui servent de profondeur. Le cabrage de ces élevons entraînent une forte trainée.

De même, on ne peut pas greffer de systèmes d’hypersustentation, renforcant ainsi l’apparition de trainée lors du cabrage maximal des élevons.

Le dernier problème est que les voilures delta n’ont pas d’aérofreins. Ainsi les atterrissages se font sur des distances plus longues. On peut remarquer que les avions à aile delta sont beaucoup plus cabrés que les autres à l’atterrissage est qu’ils restent longtemps "sur deux points" (sur les deux roues arrières) une fois touché le sol. Ceci est fait pour compenser l’absence des fameux aérofreins : ce sont les ailes qui jouent ce rôle. En restant sur les deux roues arrières, ils perdent plus rapidement leur vitesse…

Voilure double delta

La voilure double delta est un mix entre deux voilures delta. Un morceau de l’aile possède une forte flèche et le bout des ailes possède une faible flèche. Cette configuration n’est pas optimisée pour un domaine de vol précis. Par contre elle permet à l’avion d’avoir des performances honorables dans tous les domaines de vol. Alors que dans le cas d’une voilure optimisée pour un domaine de vol précis (supersonique par exemple) l’avion possède d’excellentes performances dans ce domaine de vol mais se traîne lamentablement hors de ce domaine de vol (en subsonique dans notre exemple). La voilure double delta est donc un bon compromis pour un avion polyvalent dont la gamme de mission est très large. Le seul exemple est l’avion Draken de la firme suédoise SAAB.

Aile volante

B-2 Spirit

Lancé par Alexander Lippisch, le principe de l’aile volante fut, par la suite principalement développé par les Allemands (avec le Horten VII) et par un ingénieur Américain John Knudsen Northrop. Les recherches allemandes furent stoppées en 1945 avec la fin de la Seconde guerre mondiale.

Northrop, lui aussi, développa ses idées pendant la Seconde guerre mondiale, donnant naissance au N-1M (qui est l’avion qui apparaît dans Indiana Jones : les Aventuriers de l’Arche Perdu). Après des années d’expérience, Northrop a sorti le B-2 Spirit, dernier né des ailes volantes.

L’aile volante a l’avantage de diminuer la consommation de carburant, car la résistance à l’air est beaucoup plus faible que sur un avion classique (ceci est dû à l’absence d’empennage vertical)

De même, la surface portante de l’appareil est très élevé, répartissant l’effort alaire d’une bien meilleure façon que sur les avions classiques. Ceci permet de diminuer le poids total de l’appareil.

Un autre gros avantage est la faible signature radar de l’appareil.

Le gros problème de ce genre de voilure est son instabilité aérodynamique qui implique que l’appareil soit contrôlé par voie électronique pour maintenir l’équilibre de l’appareil. Cette configuration implique l’utilisation de tuyères orientables, de plus en plus courantes sur les avions de combat modernes (F-16Block60, F-22, …), mais d’un coût assez élevé.

Cette configuration a beaucoup d’avenir car les constructeurs civils pensent à créer un avion de ligne en forme d’aile volante. Les économies de carburant et le nombre important de passagers transportables (jusqu’à 900) sont en faveur d’un développement de cette technologie. Mais le problème de l’électronique embarquée font dire aux spécialistes que l’aile volante civile ne sera pas fiable avant 15 à 20 ans…

PS : Nous pouvons également parler des voilures trapézoidales qui n’ont pas de rapport direct avec les avions de combat en ce sens que c’est la configuration utilisée par les avions de lignes. Ce type de voilure est particulièrement adaptée aux grandes envergures et plus la flèche est grande, plus la trainée est réduite. Le décrochage est également progressif dans cette configuration.