Les avions et le vortex

Les avions et le vortex
Qu’est-ce que la traînée d’un avion ?
C’est la composante parallèle à la direction de l’écoulement.
Les ingénieurs aérodynamiciens savent que le fait de réduire cette résistance sur toutes les parties d’un avion
est un enjeu capital.
Pour le moment, un avion sans aucune traînée est une pure utopie.
Concrètement, pour faire voler un avion il faut adapter une force propulsive égale à sa traînée totale (traînée
de forme, de frottement, de profil, parasite, induite, etc…somme des traînées de l’aile, du fuselage, du stab,
et de l’interaction entre la voilure, le fuselage et stabilisateur).
Qu’est-ce que le vortex et la traînée induite ?
Toujours dirigée parallèlement au vent relatif. C'est la cause principale des tourbillons de bord de fuite: l'air
qui passe sur l'extrados d'une aile tend à s'écouler vers l'intérieur. Il en est ainsi parce que la pression sur
l'extrados est plus faible que la pression à l'extérieur des bouts d'ailes.
D'autre part, l'air en dessous de l'aile s'écoule vers l'extérieur parce que la pression sur l'intrados est plus
grande que celle qui règne à l'extérieur des bouts d'ailes. L'air cherche donc continuellement à contourner les
bouts d'ailes, de l'intrados à l'extrados. La façon peut-être d'expliquer pourquoi un allongement élevé est
meilleur qu'un allongement faible serait de dire que plus l'allongement est grand, plus la proportion d'air qui
s'échappe par les bouts d'ailes est faible. L'air qui contourne les bouts d'ailes n'est plus là pour produire de la
portance, c'est ce qu'on appelle parfois une "perte marginale".
Comme les deux écoulements, celui de l'extrados et celui de l'intrados, se rencontrent en bord de fuite sous un
certain angle, ils forment des tourbillons qui tournent dans le sens horaire (vus de l'arrière) derrière l'aile
gauche et dans le sens anti-horaire derrière l'aile droite. Tous les tourbillons d'un même côté tendent à se
rejoindre pour former un seul grand tourbillon qui s'échappe de chaque bout d'aile. Ces deux grands tourbillons
s'appellent les tourbillons marginaux ou plus communément vortex.
La plupart des pilotes ont vu ces tourbillons ou, plus précisément, la partie centrale de ceux-ci rendue visible
par la condensation. L'humidité de l'air se condense à cause de la chute de pression dans le cœur du tourbillon.
Il ne faut pas confondre ces traînées avec la condensation produite par les gaz éjectés des moteurs en haute
altitude.
Si l'on considère maintenant le sens de rotation de ces tourbillons, on s'aperçoit qu'il y a un courant d'air vers le
haut à l'extérieur de l'envergure des ailes et un courant vers le bas en arrière du bord de fuite. Il ne faut pas
confondre ce courant vers le bas avec la déflexion qui se produit normalement. Dans ce dernier cas, la déflexion
vers le bas s'accompagne toujours d'une déflexion vers le haut en avant de l'aile si bien que la direction finale
de l'écoulement n'est pas modifiée. Mais dans le cas des tourbillons marginaux, la déflexion vers le haut se
produit à l'extérieur de l'aile et non pas en avant d'elle, si bien que l'écoulement quittant l'aile est en fin de
compte dirigé vers le bas. Par conséquent, la portance, qui agit perpendiculairement à l'écoulement, est
légèrement inclinée vers l'arrière et contribue à la traînée. Résultant du vortex, cette partie de la traînée
s'appelle la traînée induite.
Depuis quand recherche-t-on à diminuer ou annihiler le vortex ?
De Clément ADER et même avant, l’aéronautique a toujours eu ses lettres de noblesse, alliant performance et
esthétique. Chaque année quelque chose de nouveau est annoncé au public, c’est toujours un spectacle
mondial : une nouvelle motorisation, une plus grande vitesse, une nouvelle forme d’empennage ou de fuselage,
des profils d’ailes extraordinaires ou encore des ailes de toutes formes à multiples fonctions, etc…
Beaucoup d’innovations, c’est vrai, qui reposent uniquement sur des compromis car la fabrication d’un avion se
fait ainsi et pas autrement !
Equipés maintenant d’une technologie très sophistiquée, tous ces avions volent autour de la planète avec un
problème commun : l’engorgement aéroportuaire et le danger en approche. Ce problème augmente
constamment de 5% par an. Sur ces faits, on recherche politiquement des sites introuvables pour construire de
nouveaux aéroports.
Dans cette course contre la montre des budgets colossaux sont accordés aux équipes spécialisées dans
l’aérodynamique du monde entier :
- Projet AWIATOR (Aircraft Wing With Advanced Technology) auquel l‘IRPHE , EADS Airbus et le CERFACS sont
associés,
- Les centres de recherches aérodynamiques comme l’ONERA (France), le CIRA (Italie), le DERA (UK), le DLR
(Allemagne), le FFA (Suède), l’INTA (Espagne), le NLR (Hollande),
- Toutes les grandes écoles scientifiques européennes
- Les programmes européens EUROWAKE, WAVENC, M-FLAME, C-WAKE, S-WAKE, AWIATOR, I-WAKE, ATCWAKE, WakeNet 2-Europe
- Les partenaires européens de WakeNet 2 : NLR (co-ordinateur), IFALPA (Vereinigung Cockpit), DLR, THALESAVIONICS, DFS, UCL, NATS En-route Ltd, EUROCONTROL, AIRBUS (dep co-ordinateur), UK MetOffice, QinetiQ,
ONERA
- Ou encore inscrit au programme américain AGATE, etc…
Comment diminuer la traînée induite et comment annihiler le vortex ?
Aux recherches d’antériorité, c’est un français, Georges BABAUDY, qui a été le premier inventeur à proposer
une solution au problème de la traînée induite en adaptant un dispositif conique à chaque extrémité d’une aile.
Son brevet, publié le 22 décembre 1909, visait l’équilibre mais ne tenant pas compte de toutes les traînées, ce
projet n’a jamais vu le jour. De plus, à cette époque là, les vitesses compressibles n’étaient pas d’actualité.
Depuis cette date, des dizaines, voire des centaines de brevets ont été déposés dans le monde. Seuls, 2 ou
peut être 3 sont crédibles à l’heure actuelle.
L’invention la plus connue et la plus fiable reste celle de l’américain Richard T.WITCOMB (1985), avec ses «
winglets » sortes d’excroissances verticales en prolongement de chaque aile, visibles sur les gros porteurs et sur
certains avions d’affaire.
A ce jour, les gains sont faibles mais on fait avec, faute d’avoir la panacée.
Un Airbus A 340 en croisière, par exemple, provoque 33% de traînée induite sur sa traînée totale. Ce même
avion équipé de « winglets » a des gains enregistrés de 1,2% sur sa traînée induite (gain net). et 3 à 4% sur sa
traînée totale (gain brut). Le vortex reste toujours présent.
L’avenir du transport aérien repose-t-il sur la maîtrise de ces énormes perturbations ?
Tous les pilotes connaissent bien la force de ces dangereux tourbillons. Il est conseillé de s’en écarter même à
très grande distance. Les anecdotes ne manquent pas dans ce domaine, dès le moment où vous vous trouvez
dans la trajectoire d’un autre avion, vous êtes dans son sillage et s’en échapper devient un miracle. Ces
problèmes arrivent presque tout le temps dans les zones de trafics aériens intenses, attente (hippodrome)
avant l’approche, descente avant l’atterrissage (approche ILS) ou départ (décollage et montée initiale) de site.
A la une de tous les journaux, nous avons tous en mémoire le dernier crash de l’aéroport de New York : un
pilote d’Airbus A 320 ayant décollé trop tôt derrière un Boeing 747 n’a pu contrôler son appareil, la force du
vortex cumulée à la force de rétablissement de l’appareil ont cisaillé net sa dérive.
Il n’y a pas d’alternative, soit nous arrivons à les annihiler en adaptant des dispositifs adéquats en bout d’aile,
soit il faut construire un nouvel avion qui ne provoque pas de vortex c’est à dire un avion équipé d’autres types
d’ailes en forme de losange ou rhomboïdales qui relient l’aile principale à l’aile du plan horizontal arrière jointes
et fixées au dessus du fuselage. Economiquement, une telle fabrication est utopique actuellement.
Peut être aurons-nous la chance de voir voler ces avions dans 15 ou 20 ans ?
D’autre part, 2006 serait l’année du 1er vol de l’Airbus A 380, voici quelques chiffres :
Son envergure : 79,80 mètres
Sa longueur : 73 mètres
Sa hauteur : 24,10 mètres
Sa poussée moteur : 333 KN
Sa masse maximale de calcul au décollage : 583 tonnes
Sa masse maximale à l’atterrissage : 427 tonnes
Sa masse à vide : 249 tonnes
La capacité de ses réservoirs : 325.000 litres
Sa vitesse d’approche : 150 Kts CAS (278 kms/h)
Sa vitesse de croisière : 0,85 M (1016 Kms/h à 0°)
Son altitude de croisière normale : FL 330 (10.058 mètres)
Son rayon d’action : 10.410 Kms
Paraît-il que ce mastodonte des airs va utiliser, pour décoller ou atterrir, les mêmes pistes que celles qu’utilisent
les Airbus A 340 ou les Boeing 747! (informations Airbus France à Toulouse) :
Quel aéroport va recevoir un tel avion qui génère autant de vortex (d’autant plus qu’il est impératif et vital
d’attendre sa totale dilution avant tout nouveau décollage) ?
Comment va-t-on gérer le problème de l’embarquement et du débarquement de cette quantité inhabituelle de
passagers avec les mêmes structures aéroportuaires ?
Va-t-on faire face aux 5% de trafic aérien qui se cumulent chaque année ?
Bref, ce n’est pas encore gagné : vortex, vortex, alea jacta est…
C. HUGUES, inventeur du Minix©