CELLULE DES AÉRONEFS

LES VOLETS HYPERSUSTENTATEURS

- Les différents types de volets
- Dispositifs divers
- Influence sur la polaire
- Tableau récapitulatif
- Adaptive Dropped Hinge Flap

Ce chapitre n'est pas un cours d'aérodynamique, mais une description des principaux dispositifs hypersustentateurs rencontrés sur différents aérodynes.

But des volets hypersustentateurs

Appelés volets ou Flaps (en anglais), ils se situent au bord de fuite de l'aile entre les ailerons et le fuselage.

Influence des volets

Leur but est d'augmenter la portance à basse vitesse, en particulier pendant les phases de décollage et d'atterrissage. Bien que ceux-ci créent une augmentation de portance, ils créent également une augmentation de traînée qui peut aider ou gêner en fonction de la situation (décollage, approche ou atterrissage).
À noter également que l'augmentation de portance déplace le CP (centre de poussée) vers l'arrière, entraînant un moment de tangage. Voir Centre de poussée et foyer d'une aile

Courbe des CZ = ƒ (incidence)

Effet de la déflexion des volets sur le Cz .

Différents types de volets

Les définitions ci-dessous proviennent de la thèse de Sophie Pérennès "Spécialité acoustique" du 07 juillet 1999.

Volet d'intrados

Dans cette option, l'extrados de l'aile est inchangé, le volet déforme seulement l'intrados (dessin ci-dessous). Ce type de volet a été utilisé pendant plusieurs années, notamment sur les avions de combat. Sa structure est simple et ses performances sont très bonnes pour la portance. L'augmentation de traînée en relation avec l'espace « mort » derrière le volet est tolérable, voire désirable pour la phase d'atterrissage. Le braquage du volet retarde le décollement par effet de courbure. En revanche, le sillage de ce type de volet est susceptible d'engendrer des vibrations sur les empennages de l'avion.

Volet d'intrados avec déplacement vers l'arrière

Ce type de volet combine un déplacement vers l'arrière pour augmenter la surface alaire avec un braquage vers le bas pour augmenter la courbure. Ce type de volet s'appelle « volet Zap », du nom de son inventeur E.F. Zap

Volet de courbure

Comme son nom l'indique, ce type de volet permet de faire varier la courbure de l'aile, donc la portance et la traînée.
Ce type de volet est une simple articulation au bord de fuite et occupe une fraction de la profondeur de l'aile de 20 à 30 % (dessin ci-dessous). Le braquage crée une dépression sur l'extrados du volet, qui accroît les dépressions sur l'extrados de l'aile ; les surpressions sur l'intrados sont aussi augmentées, principalement sur la seconde moitié du profil. La portance maximum atteinte avec ce type de volet n'est pas spectaculaire, la traînée est élevée à cause de la séparation et le sillage n'est pas forcément stable. Le volet de courbure simple n'est donc plus utilisé.
Sur certains types de planeurs, il est possible de braquer les volets négativement (vers le haut). En réduisant la courbure, la traînée est réduite, mais la portance aussi. Ce qui permet d'augmenter la vitesse pour passer une zone délicate (descendance) ou de diminuer le temps de transit entre deux ascendances sans trop pénaliser la finesse.

Volet de courbure à fente

Ici, une fente est ménagée entre le profil et le volet, dès que l'on braque celui-ci (dessin ci-dessous). La fente doit être très bien tracée. Elle doit être convergente pour accélérer le flux et avoir une direction telle que l'écoulement ne décolle pas sur le volet. À l'absence de décollement est liée la dépression sur le volet et donc également la vitesse à la sortie de la fente, puisque cette vitesse est déterminée principalement par la différence de pression entre intrados et extrados. Une fente trop étroite freine l'écoulement par viscosité, une fente trop large peut diminuer la dépression d'extrados du volet. Il existe donc une largeur optimale. Pour obtenir le meilleur fonctionnement à n'importe quel braquage, il est nécessaire d'adjoindre un dispositif cinématique tel que le volet puisse être translaté et pivoté à la fois. Cette solution est adoptée maintenant sur presque tous les avions modernes. Le volet à fente simple a été développé par Handley Page. II permet de retarder la séparation jusqu'à un angle de déflexion de 45°. La portance est accrue et la traînée réduite.

Volet Fowler

Le volet Fowler (d'après H.D. Fowler) consiste en une aile auxiliaire qui vient se loger sous l'extrados de l'aile principale (dessin ci-dessous). Cette pseudo-aile est reculée en même temps qu'elle est braquée. On combine ainsi les effets de courbure, de fente et de variation de surface.

Volet Fowler à volets multiples

Sur certains volets à fente, le décollement se produit sur le volet plutôt que sur l'aile. Pour éviter ce phénomène, nuisible à l'obtention d'un coefficient de portance élevé, les dispositifs hypersustentateurs à volets multiples ont été introduits (dessin ci-dessous). Dans ce type de système, le volet est lui-même hypersustenté. Ce type de volet peut être en deux ou trois parties, avec deux ou trois fentes (Voir ci-dessous photo du Boeing 747).
Dans tous les cas, un gain est obtenu, mais il faut aussi tenir compte de l'augmentation du poids et de la complication mécanique.

Volet Fowler Triple

Le volet Fowler en trois parties, avec ces trois fentes triple fente comme sur le Boeing 747.

Carénages des rails des volets

Boeing 747 en phase d'approche juste avant l'atterrissage

Dispositifs divers

Soufflage

De l'air prélevé du ou des réacteurs est soufflé sur l'extrados au niveau du bord de fuite juste avant les volets lorsque ceux-ci sont abaissés pour redonner de l'énergie à la couche limite.
Exemple, le F-104 Starfighter.

Aspiration

La couche limite est aspirée à travers de trous très fins sur l'extrados, ce qui retarde son décollement.
Ce système séduisant, mais plus employé, se heurte à des difficultés techniques (conduites d'aspiration) et consomme beaucoup d'énergie pour être efficace.

Influence sur la polaire

Si les volets sortent, le Cz augmente, le Cx augmente aussi et la finesse diminue.

- i point de finesse max.
- Pour un faible braquage, Cz et Cx augmentent, la finesse varie peu.
- Pour un fort braquage, Cz et Cx augmentent, la finesse diminue de façon importante.

Tableau récapitulatif de l'amélioration apportée par les dispositifs hypersustentateurs

Désignation	Angle de braquage	Augmentation portance
Profil de base
Volet de courbure	45°	51 %
Volets intrados sans recul	50°	67 %
Volet à fente	45°	53 %
Volet Fowler surface augmentée de 30%	40°	88 %
Bec automatique		26 %
Bec et Volet Fowler	Bec - 40° Volet + 40°	93 %

Adaptive Dropped Hinge Flap

Afin de garder des vitesses dans des limites raisonnables, pour les décollages et les atterrissages, des dispositifs hypersustentateurs puissants étaient nécessaires. La complexité des systèmes a probablement atteint un sommet sur le Boeing B747 (voir photo ci-dessus).
Une approche différente a été adoptée par le / HICON R & T (projet allemand Lufo IHK) avant les années 2005, en utilisant un seul dispositif avec une fonctionnalité améliorée.
Au lancement de la phase de développement du concept de l'A350 XWB en 2006, la nécessité d'une performance de pointe de cet avion de transport à longue distance était évidente et a déclenché la nécessité d'envisager une nouvelle étape dans la philosophie de conception vers l'application de la multifonctionnalité. Ce nouveau volet qui a été breveté par Airbus est plus simple qu'un volet classique et nécessite moins de pièces mobiles, ce qui entraîne une réduction de poids non négligeable. Il est également plus facile et moins coûteux à entretenir.
Pour étudier l'ADHF, l'Airbus A350 XMB servira d'exemple.
Sept spoilers, deux pour le volet intérieur et cinq pour le volet extérieur, sont actionnés et contrôlés individuellement.

Pour la première fois sur un Airbus, le système permet un réglage différentiel des volets intérieurs et extérieurs. Les volets intérieurs et extérieurs peuvent automatiquement avoir un réglage différentiel dans les configurations décollage et croisière. Ils peuvent avoir également un réglage semblable en croisière.
Les volets et les spoilers peuvent être ajustés pendant le vol pour optimiser le rendement aérodynamique de la voilure. En croisière, les volets peuvent passer de + 4° à - 2°, ce qui permet de réduire la traînée jusqu’à 2 % à la masse maximale, entraînant ainsi des économies de carburant considérables.

Dans le même temps, des mécanismes passifs et actifs de contrôle de charge améliorent un peu plus encore les performances structurales. La fonction active d'atténuation de charges, régulée par le système numérique de commandes de vol, ajuste automatiquement le débattement des gouvernes sur toute la longueur d'aile pour répartir uniformément les charges à travers toute la surface, tandis que la flexibilité passive signifie que l'aile "se plie" pour amortir les contraintes.

Dessin ci-dessus, le réglage différentiel des volets et la variation de cambrure permettent de contrôler la charge portante sur l'envergure.
Dans les phases de décollage et d'atterrissage, les spoilers s'abaissent (dessin ci-dessous) et sont régulés par ordinateur pour contrôler et optimiser les performances de l'écart.

Ci-dessous, comparaison des coefficients de portance en fonction de l'incidence entre les ADHF et les volets Fowler.