Alors que les constructeurs s’efforcent de réduire la consommation de carburant et les émissions de leur prochaine génération d’avions de ligne, l’allongement des ailes figure en tête de liste.
L’allongement de l’envergure réduirait la traînée en croisière, mais pourrait empêcher les avions d’utiliser les portes d’aéroport existantes.
C’est là qu’intervient le bout d’aile repliable, déjà présent sur le Boeing 777X en cours de développement. Airbus étudie également les extrémités d’ailes pliables, mais un groupe au sein du constructeur prévoit d’aller plus loin. Si un bout d’aile repliable doit être installé pour une utilisation au sol, pourquoi ne pas l’utiliser en vol ?
L’augmentation de l’allongement de l’aile réduit la traînée induite par la portance, qui représente plus de 30 % de la traînée de l’avion. L’allongement de l’envergure augmente également le poids de l’aile, mais l’utilisation du bout d’aile repliable pour alléger la charge dans les rafales et les manœuvres promet de minimiser la pénalité de poids pour un allongement plus élevé.
Une charnière qui bat librement ne transmet pas de moment de flexion, de sorte que si l’extrémité de l’aile peut battre librement dans les rafales, l’envergure supplémentaire n’augmente pas le moment de flexion sur l’aile. En outre, si la charnière est inclinée par rapport à l’écoulement sur l’aile, elle est statiquement stable car la rigidité aérodynamique limite le battement.
Airbus appelle cette technologie la charnière semi-aéroélastique – semi parce qu’elle peut être verrouillée et déverrouillée pour battre librement des ailes en vol. Les promesses de cette technologie ont été démontrées lors des vols de 2019-20 d’un modèle réduit sans pilote, l’AlbatrossONE, développé par Airbus UK.
Des indices selon lesquels Airbus prévoyait de faire la démonstration de cette technologie en modifiant un jet d’affaires Cessna Citation ont fait surface au début de l’année. Aujourd’hui, The Air Current a révélé que le projet de démonstration s’appelle X-Wing et consiste à équiper un Citation VII d’une nouvelle aile en composite et de commandes de vol électriques pour les vols sans pilote.
Une source d’Aviation Week familière avec le projet indique qu’il vise à tester une version à l’échelle de 30 % d’une aile de 52 m d’envergure (171 pieds) avec une section d’extrémité d’aile mobile pour une application potentielle à un transport monocouloir. La section d’extrémité mobile du Citation VII mesurera 2 m de long, contre 2,4 m pour l’actuelle ailette « sharklet » de l’A320.
L’extrémité de l’aile sera fixée à l’extrémité de l’aile d’essai en composite à fort rapport d’aspect par un mécanisme d’articulation actionné électriquement, comprenant une boîte de vitesses et un embrayage. Le système fonctionnera selon deux modes principaux. Dans le premier, le moteur électrique entraînera la boîte d’engrenages pour positionner l’extrémité de l’aile à des angles spécifiques pour divers modes de vol ainsi que pour le décollage et l’atterrissage. Le second mode, qui implique le débrayage du mécanisme d’entraînement, permettra au bout de l’aile de se déplacer librement sur sa charnière semi-aéroélastique.
Le système de charnière recevra des commandes de position de l’ordinateur de contrôle de vol. Les commandes consisteront à déplacer l’extrémité de l’aile par incréments de divers degrés vers le haut et vers le bas, ou à désengager l’embrayage. L’objectif est de commencer les essais en vol avec la section de l’aile battante à la fin de 2023, a précisé la source.
Tom Wilson, chef du projet de charnière semi-aéroélastique, et James Kirk, ingénieur en chef d’AlbatrossONE, chez Airbus UK à Filton, en Angleterre, ont présenté un exposé sur cette technologie et ses progrès lors de la conférence virtuelle SciTech 2021 de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics en janvier.
Les avions de la famille A320 ont une envergure de 36 m, pour un allongement de neuf. Le programme de recherche Wing of Tomorrow d’Airbus développe une aile en composite de 45 m d’envergure et de rapport d’aspect 14 pour un avion de la classe A320, rendue possible par des extrémités d’ailes repliables au sol qui permettent à l’avion de toujours s’adapter à une porte standard Code C de 36 m.
« Avec la charnière semi-aéroélastique, nous espérons ajouter environ 7 m supplémentaires, pour un allongement de 18 », a déclaré M. Wilson. Passer de 45 m à 52 m réduira la traînée induite, qui est inversement proportionnelle au carré du rapport d’aspect, « mais en raison de l’énorme potentiel d’allègement de la charge, nous espérons obtenir ce gain aérodynamique sans avoir à subir la pénalité de poids. »
Un vol commence avec les extrémités des ailes repliées à la porte d’embarquement. Les extrémités sont repliées pendant le roulage et déverrouillées pendant le roulement au décollage. « Nous faisons cela pour des raisons de maniabilité, afin de réduire l’amortissement du roulis et de faire rouler l’avion plus rapidement, car avec la masse élevée, lorsque l’aile est pleine de carburant, il est difficile de faire rouler l’avion avec l’envergure accrue », a déclaré Kirk.
Une fois l’avion décollé, les extrémités des ailes sont laissées libres pour la montée du premier segment. Puis, lors du deuxième segment de montée, les extrémités sont verrouillées et ramenées au plan de l’aile. « Le mécanisme de pliage trouve les extrémités de l’aile, les verrouille et les ramène ensuite en position plane. Lorsque les extrémités des ailes sont abaissées dans cette configuration plane, elles sont entièrement chargées et nous disposons d’une envergure de levage entièrement efficace, ce qui nous permet d’obtenir une efficacité maximale pour la croisière, en minimisant la traînée induite », a-t-il expliqué.
« Ensuite, lorsque nous ne voulons pas que ces ailes longues et minces génèrent un moment de flexion élevé lors d’une rafale ou d’une manœuvre, nous déverrouillons les extrémités des ailes et leur permettons de se libérer pour décharger l’aile », a déclaré Kirk. « Les extrémités des ailes ont été déverrouillées et sont complètement libres autour des charnières, ne transmettant aucun moment de flexion », a-t-il ajouté.
« Nous devons détecter la rafale sur le nez de l’avion, et ensuite il y a une course. Nous devons envoyer le signal du capteur de détection à la charnière pour libérer le bout de l’aile avant que la rafale n’arrive sur l’aile », a déclaré Wilson. « C’est une question de quelques centaines de millisecondes. Le système de libération doit être très rapide. » Après la rafale ou la manœuvre, les bouts d’ailes sont verrouillés et récupérés pour poursuivre un vol efficace.
Comme il peut être difficile d’installer des dispositifs à forte portance, tels que des becs de bord d’attaque, sur des extrémités d’ailes repliables, pendant l’arrondi d’atterrissage, la charnière semi-aéroélastique pourrait être utilisée pour incliner les extrémités vers le haut de manière à obtenir une réduction géométrique de l’angle d’attaque de l’extrémité, ce qui contribuerait à prévenir le décrochage de l’extrémité de l’aile. « Vous pouvez donc améliorer vos performances à basse vitesse », a-t-il ajouté.
« Pour l’instant, le concept est que les extrémités des ailes sont verrouillées pendant l’arrondi », ajoute M. Wilson. Pour des raisons de sécurité, le système de charnière semi-aéroélastique peut être traité de la même manière qu’un inverseur de poussée, avec une probabilité de 10-9 de défaillance catastrophique, a-t-il ajouté. Après l’atterrissage, les pointes se mettent en position repliée au sol.
Le projet AlbatrossONE a été baptisé du nom de l’albatros en raison d’une caractéristique inhabituelle de cet oiseau au long vol. Un réseau de tendons permet à l’albatros de bloquer son épaule et de garder son aile déployée pendant une longue période sans utiliser ses muscles. Lorsqu’il a besoin de battre son aile, l’albatros peut déverrouiller son épaule.
AlbatrosONE était un modèle radiocommandé à l’échelle 1/14ème (7%) d’un A321 avec une aile de 52 m d’envergure, ce qui donne au modèle électrique une envergure d’environ 4 mètres. L’objectif du projet était de démontrer que les extrémités d’ailes battant librement sont une idée intéressante pour l’allègement de la charge, d’étudier les qualités de maniabilité et de montrer qu’une extrémité d’aile pouvait être récupérée après avoir été relâchée.
« Nous voulions convaincre Airbus et la communauté aéronautique que cela pouvait fonctionner, et la meilleure façon de le faire était de le construire et de le faire voler », a déclaré Kirk. « En 20 mois, nous sommes passés d’une conception épurée à un avion volant avec un budget très, très faible. Nous y sommes parvenus avec une armée de stagiaires, de diplômés et d’apprentis. Certains appelleraient cela du travail d’esclave », a-t-il plaisanté.
Pour économiser du temps et de l’argent, le modèle a été mis à l’échelle physiquement et non dynamiquement, de sorte que certains effets aéroélastiques des extrémités d’ailes battantes n’ont pu être explorés. « Nous nous sommes essentiellement assurés que la distribution de la portance de 1G dans le sens de l’envergure était mise à l’échelle afin d’avoir une charge représentative sur le bout de l’aile », a-t-il déclaré.
AlbatrossONE a également démontré ce qui se passe s’il y a une défaillance en vol et que les extrémités des ailes ne peuvent pas être verrouillées et que l’avion doit atterrir avec les ailes battant librement. La modélisation a suggéré que la rigidité aérodynamique et l’amortissement sont suffisants pour retarder le mouvement des extrémités des ailes afin qu’elles ne touchent pas le sol. Un atterrissage avec rebond de l’AlbatrossONE l’a confirmé, les extrémités restant au moins 10 degrés au-dessus du plan de l’aile. « Cela nous indique que l’atterrissage avec des bouts d’ailes frais est tout à fait réalisable », a déclaré M. Wilson.
On s’est demandé comment les extrémités des ailes battantes se comporteraient en cas de dérapage. Un autre essai sur câble a montré qu’à un angle d’attaque élevé, lorsque l’angle de dérapage se rapproche de l’angle d’évasement de la charnière, l’extrémité de l’aile s’affaisse contre l’aile. « Lorsque nous concevrons un futur avion avec cette technologie, nous devrons nous assurer que nous avons des butées pour que, si l’avion est en glissade extrêmement élevée à basse vitesse, l’effondrement du bout de l’aile ne puisse pas se produire », a-t-il déclaré.