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'une 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 a 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.
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.
Voilure en bois
Évidemment, 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 aéronautique 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. Voir Cellule du Jodel - Les ailes
(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.
À noter que la voilure d'un Jodel est composée d'une seule partie en passant "sous" le fuselage.
Partie d'une aile de Jodel avant entoilage
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 rectangulaires 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.
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.
Sur ce type de nervure (ci-dessous),le sens des diagonales est privilégié pour travailler en traction et la fabrication est plus rapide.
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 faciles à manipuler que les nombreux petits goussets requis pour la même fonction.
Les nervures avec flancs en contreplaqué sont plus simples 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.
Fausses nervures
Détail du collage d'une fausse nervure sur le longeron avec des plaques d'épissure ou bandes de tablier supérieure et inférieure et blocs de coin.
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.
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.
Ci-dessous, ossature d'une aile avant entoilage. La forme des nervures est différente de celle du dessin
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.
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.
L'extrados, l'intrados et les longerons peuvent former un caisson de torsion. Cette structure augmente la rigidité de l'aile et résiste aux mouvements de torsion et de flexion sans augmenter la masse des matériaux utilisés pour la construction. Il est souvent utilisé comme emplacement ou réservoir de carburant. Sur les avions plus grands et plus lourds, le caisson de torsion englobe les longerons avant, principal et arrière.
Matériau sandwich du bord d'attaque lié à des éléments métalliques de l'aile.
Différents types de longerons métalliques
Actuellement, la plupart des avions métalliques ont des longerons d'aile en aluminium extrudés d'une seule pièce ou constitués de plusieurs profilés, rivetés ensemble pour former le longeron.
Ci-dessous, plusieurs types possibles de longerons.
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.
Les configurations réelles des longerons d'aile prennent de nombreuses formes. Par exemple, l'âme d'un longeron peut être renforcée par des plaques (goussets), dessin ci-dessous.
Les longerons peuvent être fabriqués à partir de matériaux légers avec des raidisseurs verticaux utilisés pour la solidité.
Certains longerons métalliques et composites conservent le concept de la poutre en I mais utilisent une âme sinusoïdale .
Dessin ci-dessous :
- à gauche, longeron d'aile en tôle avec des raidisseurs verticaux ;
- à droite, longeron d'aile sinusoïdal fabriqué en aluminium ou en matériaux composites.
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.
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).
Voilure d'un avion de transport
Ensemble ailerons et volets sur une aile d'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, et le prix de revient inférieur au fraisage. L'inconvénient : pas de récupération de copeaux et, comme tout produit chimique, la pollution.
Une autre solution est de prendre des lisses et de les souder ou les coller sur le revêtement (peau).
Attache d'une aile au fuselage
Les ailes d'un avion de transport en deux sections sont fixées à la structure du fuselage par une section centrale. Les points d'attache entre les longerons de l'aile et la section centrale du fuselage sont souvent en alliage de titane ou d'acier pour les avions de grande taille. La conception typique d'un point de fixation est illustrée ci-dessous.
Aile d'un Airbus A320 à sharklets.
Écorché d'une aile d'Airbus 300
Généralement, un avion de transport comporte trois longerons.
Pour ne pas surcharger l'écorché ci-dessous, les ouvertures entre caissons n'ont pas été représentées.
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).
Ci-dessous, le gigantisme de l'emplanture d'une aile de l'Airbus A380.
