Aile haute, basse ou médiane ?
Sur le plan aérodynamique, la solution supposées être la plus performante est l’aile médiane. La cause étant notamment le faible risque de mauvaises surprises du coté des interactions ailes fuselage. Ceci permet aussi d’éviter des raccords complexes (Karman…), ces derniers étant nécessaires sur les ailes basses associées à un fuselage cylindrique par exemple.
Toutefois, une récente étude présentée par un éminent aérodynamicien (et formateur Inter-Action), de notre constructeur national d’avions d’affaires et militaires, évalue la traînée de frottement en fonction de la position de l’aile. Le fuselage pris en compte pour cette étude est quasi carré :
- aile basse : l’interaction entraine une augmentation de la traînée de frottement de 2,7% ;
- aile médiane : l’interaction entraine une augmentation de la traînée de frottement de 3,5% ;
- aile haute : l’interaction entraine une
diminution de la traînée de frottement de 2% ;
Faut-il alors privilégier l’aile haute ? L’auteur ne se prononce pas : il souligne que les points suivants ne sont pas quantifiés :
- influence de la position de l’aile sur la traînée de pression ;
- influence d’autres paramètres tels la position longitudinale de la voilure, la section du fuselage, la présence ou non d’un rétreint sur le fuselage…
Aussi, cette étude est issue d’un calcul numérique et est en contradiction avec les performances plutôt moyennes constatées sur les avions à ailes hautes (mais les causes peuvent être autres…).
Donc on ne sait toujours pas quelle position de l’aile adopter. Analysons les autres aspects liés à la position en hauteur de l’aile.
Inconvénients de l’aile basse : l’aile est près du sol ce qui limite la dimension et le débattement des volets. Le Cz max de l’aile sera donc plutôt réduit. Ceci se traduit par une surface alaire plus élevée (voir document « comment atteindre nos objectifs »
http://www.hkw-aero.fr/projet.html ) avec pour conséquence une augmentation de la traînée de frottement et de la masse => plus de puissance, plus de carburant… ceci alimentant une spirale divergente (voir document « coefficient spirale »
http://www.hkw-aero.fr/generalites.html ).
Notons que compenser ce défaut par une augmentation de la garde au sol revient à remplacer un inconvénient par un autre.
L’aile médiane n’a pas cet inconvénient, pourquoi donc ne voit-on alors pas plus d’ailes médianes (à mis hauteur ou à proximité de cette position) ? Nous avons plusieurs explications :
- pour un biplace, cette position nécessite de faire passer le longerons « à travers » l’équipage (Cette remarque ne concerne en principe pas les appareils 4 places).
- pour pouvoir le monter, il faut en principe interrompre le longeron dans la partie centrale. Ceci n’est pas rédhibitoire dans la mesure où il est possible de relier les ½ longerons dans la partie centrale, mais cette liaison est coûteuse en masse : le longeron est interrompu dans la partie où le moment fléchissant est le plus élevé !
A ceci rajoutons l’accès à la cabine non évident avec une aile médiane.
Reste l’aile haute. Cette solution a quelques inconvénients tels la visibilité en virage et le design (on aime ou pas). Mais cette solution permet un accès aisé à la cabine et se marie bien avec des haubans travaillant en traction.
D’où la question : les haubans sont-ils pénalisants ? Une récente publication (Colloque Aéronautique de Cachan ) avait pour titre « pour aller vite, mettez des mats ». L’auteur explique intelligemment que les haubans permettent de réduire la section frontale (longeron non traversant) et la masse du longeron, donc la surface alaire… Ces éléments contribuant à amorcer une très bénéfique spirale convergente (voir document mentionné ci-dessus). L’auteur de cette étude souligne que le bénéfice des mats est largement supérieur à la traînée aérodynamique qu’ils entrainent. La conséquence étant qu’un avion doté de mâts est, à cahier des charges équivalent, plus économique que le même avion sans mats donc plus lourd…
Autre point, la variation de moment lié à la position en hauteur de l’aile. Ces variations de moments sont faiblement dimensionnantes. De plus, pour la plupart des profils rencontrés, cet aspect a un impact en principe sensiblement inférieur à la variation du moment en tangage lié au coefficient de moment de l’aile x carré de la vitesse…
Il est difficile de faire un choix dans ce contexte. Quels sont alors les raisons qui nous ont fait choisir l’aile médiane ?
- pas raccords ailes-fuselage (karman…) ;
- la faible puissance de notre moteur nous permet d’être léger à l’avant, ceci nous permettant de reculer l’aile… jusqu’à faire passer le longeron dans le dos des pilotes !
- le développement d’une solution technique particulière nous permet d’avoir un longeron continu dans la partie centrale, et ce, malgré la position médiane de l’aile. D’où un gain de masse et la satisfaction d’avoir un longeron continu dans sa partie la plus chargée ;
- la garde au sol est suffisante pour développer des volets à double fentes et à grand débattement (donc plus de Cz et moins de Sa, moins de puissances…) ;
- la visibilité ;
- l’esthétique…
En conclusion, l’aile médiane est une solution parmi d’autres (haute et basse), l’essentiel étant d’optimiser les trois qualités attendues d’un aéronef : masse, aérodynamique et propulsion. Ceci afin d’amorcer une très bénéfique spirale convergente (voir document « coefficient spirale »
http://www.hkw-aero.fr/generalites.html ).
L’équipe HKW-aero
