CELLULE   DES   AÉRONEFS

STRUCTURE DES AILES



- Voilure des premiers avions

- Voilure en bois

- Voilure géodésique

- Voilure métallique

- Voilure d'un avion de transport


Les efforts appliqués à la voilure

Sans entrer dans les détails qui seraient beaucoup trop longs avec de nombreux schémas, il faut savoir que les ailes subissent des efforts importants que ce soit en vol ou au sol.
En vol les charges aérodynamiques font subir à l'extrados une compression et à l'intrados un étirement, alors qu'au sol sous le poids de l'aile les forces s'inversent.
En plus pour les ailes dites "tirées" comme les Airbus ou Boeing dont les réacteurs sont accrochés sous les ailes par des nacelles, elles subissent des moments de torsion et de flexion dus aux poids des réacteurs et à leur poussée ainsi qu'un moment tranchant dirigé vers l'arrière.
Pour les ailes dites "poussées" comme les Falcon ou Fokker 28 /100 si la charge due au poids des réacteurs est supprimée, celles-ci subissent toujours les moments de torsion, de flexion et de tranchant.
Aux effets précédents se superposent les efforts aérodynamiques dus au braquage des gouvernes comme les spoilers, aérofreins ou ailerons.
Les atterrissages et décollages engendrent également des efforts sur la voilure.
En général, la construction de l'aile est basée sur l'un des trois conceptions fondamentales:
- 1. Mono-longeron
- 2. Multi-longeron
- 3. Caisson
La modification de ces modèles de base peut être adopté par divers constructeurs.

Voilure des premiers avions

Comme son positionnement ou ses formes la voilure ou l'aile d'un aérodyne à évolué avec le temps.
Dès le début les constructeurs furent conscients que les longerons étaient les pièces maîtresses de l'aile. Les premiers longerons furent construits en bois (en principe du frêne) cloué ou collé en forme de caisson ou de I.
Des nervures en contreplaqué ou en lattes de bois donnant le profil de l'aile s'appuyaient sur les longerons. Des câbles (corde à piano) étaient tendus en diagonale pour augmenter la rigidité. Le tout était recouvert de toiles de lin ou de coton puis enduit.
Comme la puissance des moteurs était faible la surface de l'aile était importante et sa structure devait être légère.

Aile structure ancienne

Les premiers avions ne comportaient pas d'ailerons, la stabilité autour de l'axe de roulis se faisait en gauchissant l'aile. Ce mot gauchissement est quelquefois encore employé.


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Voilure en bois

Evidemment il existe différentes structures d'aile en bois, le choix s'est porté sur l'aile du Jodel.
L'aile comporte un seul longeron en forme de caisson supportant toutes les contraintes. La partie centrale est rectangulaire et plate. Les bouts des ailes en forme trapézoïdale ont un dièdre assez prononcé. Cette partie légèrement "vrillée" engendre une incidence plus faible en bout d'aile qu'au centre. De cette façon l'incidence de décrochage sera atteinte sur la partie centrale de l'aile avant la partie "relevée" du bout d'aile.
Les toiles à usage aéronautiques sont constituées de fibres naturelles (lin et coton) ou de fibres polyester dénommées (Tergal, Dacron, Diolen). Mais d'autres tissus polyester de qualité spéciale peuvent être utilisés.
L'ensemble de l'aile est entoilé en tissu synthétique de type dacron, sauf le bord d'attaque qui est coffré en contreplaqué puis marouflé.
( Le marouflage consiste à fixer une toile sur le contreplaqué à l'aide d'une colle forte dite maroufle qui durcit en séchant ).
Les ailerons occupent tout le bord de fuite de la partie trapézoïdale.
A noter que la voilure d'un Jodel est composée d'une seule partie en passant "sous" le fuselage.

Aile structure Jodel

Partie d'une aile de Jodel avant entoilage

Aile structure nervure

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Différents types de longerons en bois

Le longeron d'un avion est une poutre qui part de l'emplanture de l'aile et qui va jusqu'à son extrémité. C'est cette pièce qui supporte les charges aérodynamiques qui s'appliquent sur la voilure. En général on utilise le pin d'Oregon pour la conception des longerons. Une aile peut comporter deux longerons, un principal, vers l'avant de l'aile, un secondaire, plus en arrière.

Les longerons peuvent être généralement classés en plusieurs types différents par leur coupe transversale. Comme on peut le voir, sur le dessin ci-dessous la plupart des longerons d'une aile sont essentiellement rectangulaire en forme avec la dimension longue de la section orientée de haut en bas.
- A  longeron normal
- B   longeron légèrement creusé au milieu pour réduire le poids, tout en conservant la force d'un longeron rectangulaire
- C  longeron caisson (Type Jodel)
- D  longeron renforcé en forme de I
- E  deux longerons évidés au centre puis collés entre eux pour réduire le poids, tout en conservant la force d'un longeron rectangulaire.

Aile longerons bois

Différents types de nervures en bois

Une nervure d'aile peut désigner plusieurs sortes de nervures:
- nervure simple
- nervure renforcée
- nervure portant le nom de leur emplacement ou de leur fonction
- nervure fausse. Les fausses nervures sont des nervures qui ne vont pas du bord d'attaque au bord de fuite.
Dans cet article nous appellerons les chapeaux de nervures des lattes ou des baguettes.
Les nervures en lattes sont renforcées par des goussets en contreplaqué (okoumé ou bouleau), et s'appuient sur le longeron. L'ensemble est uniquement collé.

Aile nervures goussets

Sur ce type de nervure (ci-dessous) le sens des diagonales est privilégié pour travailler en traction et la fabrication est plus rapide.

Aile nervures diagonales

Ci-dessous la nervure possède des goussets continus. Ces goussets fournissent un renfort plus important à toute la nervure pour un poids supplémentaire relativement faible. Un gousset continu raidit la latte dans le plan de la nervure. Ces goussets continus sont également plus facile à manipuler que les nombreux petits goussets requis pour la même fonction.

Aile nervures continues

Les nervures avec flancs en contreplaqué sont plus simple mais plus lourdes que les autres nervures bien qu'elles contiennent des alvéoles pour diminuer le poids. Des goussets sont également collés pour soutenir les lattes de nervures.

Aile nervures flancs

Voilure géodésique

Conçue par l'ingénieur Barnes Wallis la structure géodésique a été utilisée par le constructeur Vickers, entre les deux guerres mondiales puis pendant la seconde guerre. L'aile est construite à partir de poutres à rainures, faites en alliage d'aluminium (duralumin) et qui forment un grand treillis. Ce tressage en métal donne à l'aile une très grande résistance.
Ci-dessous l'aile du Vickers Wellington au Brooklands Museum.

Aile photo géodésique

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Voilure métallique

Voilure métallique revêtement en toile

L'aile est composée de deux longerons (avant et arrière) en tôle d'aluminium pliée ou en bois et d'un réseau de nervures en tôle d'aluminium formée. La résistance de l'aile est complétée par des tubes de compression et de tension. Le bord d'attaque est revêtu d'une tôle fine.
Comme pour l'aile métallique les nervures comportent des évidements pour diminuer le poids de l'aile sans en altérer sa résistance.

srtucture aile Piper

Ci-dessous ossature d'une aile avant entoilage. La forme des nervures est différentes de celle du dessin

Photo aile Piper

Voilure métallique classique

L'ossature d'une aile dite "classique" est formée de deux longerons (ou plus) reliés entre eux par des nervures. La rigidité de l'ensemble est assurée en partie par le revêtement extrados, intrados qui sont rivetés sur les nervures, les lisses et les semelles des longerons.
Le revêtement extrados et intrados est en tôles d'alliage d'aluminium. Si le revêtement est trop mince, il ne participe pas au partage des contraintes, on dit alors que le revêtement est non travaillant.

Aile structure Profil  Cessna

Détail d'une aile métallique

Sur la plupart des avions la voilure est composée de deux parties aile gauche et aile droite. Chaque partie est fixée sur le fuselage par une ou plusieurs attaches.
Un caisson est la partie comprise entre deux nervures, les âmes des longerons et l'extrados/intrados, il est souvent utilisé comme emplacement ou réservoir de carburant.

Aile structure métal classique

Différents types de longerons métalliques

Actuellement, la plupart des avions métalliques ont des longerons d'aile en aluminium extrudé d'une seule pièce ou constitués de plusieurs profilés, rivetés ensemble pour former le longeron.
Ci-dessous plusieurs types possible de longerons.

Longerons métal

Longeron fail-safe

Ce type de fabrication signifie que si une partie d'une structure complexe se déforme ou cède, l'autre partie de la structure assume la charge et permet un fonctionnement continu sécurisé.
Ce longeron est fait en deux sections. La section supérieure se compose d'une semelle rivetée à l'âme supérieure. La section inférieure est une extrusion simple comprenant la semelle et la plaque de l'âme. Ces deux sections sont raccordées et rivetées ensemble pour former le longeron. Si l'une ou l'autre section du longeron se casse, l'autre section peut supporter toujours la charge.

Longeron FailSafe.png

Détail d'une nervure métallique

Les nervures comportent généralement des bords tombés ou pliures.
Ces pliures ont plusieurs fonctions:
- elles permettent le rivetage du revêtement extrados et intrados.
- elles renforcent la rigidité de la nervure.
Les nervures sont découpées pour laisser passer les lisses.
Elles peuvent également comporter des évidements pour diminuer le poids de l'aile sans en altérer sa résistance.

Nervure structure métal classique

Sur certains avions le carburant est stocké directement à l'intérieur de l'aile. Ceci demande une bonne étanchéité de la structure pour permettre au combustible d'être stocké dans les caissons. Les joints sont réalisés avec un mastic spécial résistant au carburant. Les caissons communiquent entre eux par des ouvertures pas trop grandes pour éviter le déplacement non contrôlé du carburant (formation de vagues).

Aile reservoir
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Voilure d'un avion de transport

Voilure métallique moderne

Comme l'aile classique, l'aile dite "moderne" est formée de longerons et de nervures. La différence est le revêtement de l'extrados et de l'intrados. Ces revêtements auto raidis sont généralement fraisés dans la masse. C'est à dire que les raidisseurs font partie intégrante du revêtement. L'usinage peut se faire également par fraisage chimique. On utilise alors une épargne qui protège la surface de pièce où il ne doit pas avoir d'usinage et l'attaque chimique se fait alors uniquement sur les parties non protégées. L'avantage d'un tel procédé est l'état remarquable de la finition, prix de revient inférieur au fraisage. L'inconvénient pas de récupération de copeaux et comme tout produit chimique la pollution.

Aile structure moderne

Une autre solution est de prendre des lisses et de les souder ou les coller sur le revêtement (peau).


Aile d'un Airbus A320 à sharklets.

AilePhoto A320

Ecorché d'une aile d'Airbus 300

Pour ne pas surcharger l'écorché ci-dessous, les ouvertures entre caissons n'ont pas été représentées.

Aile A300 ecorche

L'extrados doit avoir une excellente tenue en compression le Zicral (AZ5GU) sera principalement utilisé. Quant à l'intrados, il sera fait de duraluminium (Au4G1).

Aile A300 extrados

Ci-dessous le gigantisme de l'emplanture d'une aile de l'Airbus A380.

Emplanture Aile A380

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