Configuration d'aile

Réplique du Fokker Dr.I, triplan piloté par le Baron rouge lors de la Première Guerre mondiale.

Depuis les débuts de l'aviation, de nombreuses configurations d'aile ont été imaginées pour permettre aux « plus lourds que l'air » – d'après l'expression consacrée dans les années 1910 pour désigner un aérodyne – de voler. Copiant dans un premier temps celles des animaux volants, les ailes vont au début du XXe siècle adopter le profil que l'on connait aujourd'hui.

Les pionniers de l'aviation multiplient le nombre d'ailes qui composent la voilure, à l'image du célèbre triplan Fokker Dr.I piloté par le Baron rouge Manfred von Richthofen, afin d'augmenter la surface portante et permettre à des aéronefs toujours plus lourds de voler. Avec l'amélioration constante et l'augmentation de puissance des motorisations, la configuration monoplan s'impose finalement, la vitesse de l'aéronef permettant de compenser la diminution de portance liée à la diminution de la surface alaire. Mais les voilures vont rapidement se perfectionner, réduire leur traînée pour voler plus vite et plus loin en consommant moins de carburant ; elles sont également étudiées pour offrir une maniabilité accrue et une capacité d'emport maximisée. Dans les années 1970, des ailes à géométrie variable sont même développées pour profiter des avantages de différentes configurations d'aile selon les situations de vol.

Sommaire

Position et nombre d'ailes

Monoplan

Un monoplan est un aéronef n'ayant qu'une seule paire d'ailes[1]. Ces dernières peuvent être montées à différentes hauteurs sur le fuselage – en partie basse (ailes basses), approximativement au milieu (ailes médianes) ou en partie haute (ailes hautes) – voire au-dessus (aile parasol)[2],[1]. Un monoplan à ailes basses permet entre autres de dégager le champ de vision du pilote et d'implanter un train d'atterrissage court puisque fixé sur les ailes[3]. Les bimoteurs à hélices sont généralement à ailes hautes car les hélices des moteurs, implantés dans les ailes, sont ainsi moins limitées dans leur dimension par la garde au sol de l'aéronef[3].

Monoplane low.svg
Monoplan, ailes basses
Monoplane mid.svg
Monoplan, ailes médianes
Monoplane high.svg
Monoplan, ailes hautes
Monoplane parasol.svg
Monoplan, aile parasol

Multi-plans

Le Wright Flyer, premier aéronef motorisé de l'histoire, en 1903.

Un avion biplan est muni de deux ailes de tailles approximativement égales, placées l'une au-dessus de l'autre[1]. Cette configuration est la plus répandue jusque dans les années 1930 – le premier aéronef motorisé de l'histoire, le Wright Flyer, était d'ailleurs un biplan[4],[5] – alors que depuis le début de la Seconde Guerre mondiale, la plupart des aéronefs sont des monoplans (en raison de leur traînée plus faible)[5]. En effet, aux débuts de l'aviation, les moteurs sont peu puissants et la vitesse des aéronefs faible ; il fallait donc une grande surface portante pour soulever les aéronefs, même s'ils sont construits dans des matériaux très légers (tissu, bois, etc.), ce qui a conduit à réaliser des aéronefs à plusieurs voilures superposées reliées entre elles par des mâts et des haubans[5].

Le sesquiplan (littéralement un et demi en latin) est un biplan dont l'aile inférieure est d'une surface moitié ou moins de l'aile supérieure[6]. Cette formule permet de conserver des qualités aérodynamiques proches de celles d'un biplan ordinaire mais avec un poids moindre et une visibilité accrue vers le bas. Le Nieuport 17, aéronef français de la Première Guerre mondiale, est emblématique des sesquiplans[6]. Le sesquiplan inversé est quant à lui un biplan dont l'aile supérieure est d'une surface moitié de l'aile inférieure ; mis à part quelques aéronefs (Fiat CR.1...), cette configuration n'est quasiment pas utilisée.

Biplane wire.svg
Biplan
Sesquiplane.svg
Sesquiplan
Sesquiplane inverted.svg
Sesquiplan inversé

Pour augmenter la portance des ailes sans trop augmenter leur envergure et la masse de l'aile, des aéronefs multi-plans (triplan, quadriplan, voire plus) voient également le jour au début du XXe siècle. Les triplans tels que le Fokker Dr.I du Baron rouge, ont notamment connu une brève période de popularité au cours de la Première Guerre mondiale en raison de leur petite taille et de leur grande maniabilité[7], mais ont rapidement été remplacés par des biplans améliorés. Les aéronefs à plus de trois plans demeurent peu nombreux dans l'histoire de l'aviation, ces derniers se révélant finalement moins performants que des monoplans et des biplans. Aucun exemple de plus de quatre ailes n'a jamais volé avec succès ; l'hydravion à coque à neuf paires d'ailes Caproni Ca.60 n'a été que brièvement en l'air lors de son vol inaugural au-dessus du lac Majeur (4 mars 1921) avant de s'écraser[8]. Plus anecdotique, le dernier multi-plans conçu par Horatio Frederick Phillips, formé de 200 petites ailes, parvient à faire un « bond » de 500 pieds (environ 152 m) en 1907[9].

Triplane.svg
Triplan
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Quadriplan
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Multi-plans

Dans certaines configurations multi-plans, les ailes peuvent être décalées dans le plan longitudinal les unes par rapport aux autres ; cela contribue à la stabilité longitudinale des ailes superposées (en augmentant la surface projetée des ailes dans le plan longitudinal) et à leur efficacité aérodynamique en augmentant leur portance maximale[10],[11]. Atypique, le Beechcraft Staggerwing est un biplan à décalage négatif (l'aile inférieure est plus en avant que l'aile supérieure). Configuration atypique également, un aéronef à ailes en tandem est un biplan dont les deux plans sustentateurs sont placés l'un derrière l'autre[8]. Le Darmstadt D-18, avion léger de voltige, inaugure en 1929 une configuration intermédiaire entre les ailes décalées et les ailes en tandem ; le décalage est si élevé, que le bord d'attaque de l'aile inférieure est quasiment en dessous du bord de fuite de l'aile supérieure[12].

Biplane unstaggered.svg
Biplan « classique »
Biplane staggered.svg
Biplan à décalage positif
Biplane backwards staggered.svg
Biplan à décalage négatif

Aile infinie

Le Blériot III, avec des ailes à la fois annulaires et en tandem.

Pas à proprement parler un monoplan, un aéronef à aile en anneau (ou aile infinie) ne dispose que d'une seule aile – de forme circulaire, annulaire ou encore rectangulaire – qui englobe le fuselage de l'appareil. L'aile annulaire est théoriquement la forme la plus aboutie pour réduire les effets des tourbillons marginaux[13], qui sont la principale manifestation de la turbulence de sillage générée par un avion, tandis que l'aile rectangulaire offre la traînée induite la plus faible pour une portance et une envergure données[14]. La mise en œuvre la plus ancienne d'aile en anneau est le Blériot III (construit en 1906) par Louis Blériot et Gabriel Voisin.

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Aile rectangulaire
Annular box wing.svg
Aile annulaire
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Aile cylindrique

L'aile rhomboédrique, configuration très récente, est une aile fixée à l'avant sur la partie basse du fuselage et à l'arrière sur la partie haute de la dérive ; l'aile, dite à « envergure ou allongement infini(e) », forme une surface continue en forme de losange creux. Cette aile permet d'optimiser le raccord aile-stabilisateur (et donc réduire la traînée) et diminuer son poids en raison de sa « rigidité structurale inhérente » ; la consommation globale de l'aéronef s'en trouve ainsi améliorée[15],[16],[17]. L'aile circulaire enfin, forme un disque percé ou non en son centre ; outre une capacité d'emport plus importante qu'une aile droite, cette configurations permet également de réduire la traînée parasite[18]. L'aéronef Lee-Richards est l'un des premiers avions de ce type à voler de manière stable, peu avant la Première Guerre mondiale.

Wing circular.svgWing annular flat.svg
Ailes circulaires
Wing rhomboidal.svg
Aile rhomboédrique

Support

Pour résister aux efforts aérodynamiques qui s'exercent dessus, une aile doit être rigide et solide, et par conséquent lourde. En lui associant des éléments de maintien extérieurs, son poids peut être considérablement réduit[19]. À l'origine, de tels éléments, dénommés haubans, étaient systématiquement utilisés : l'aile est alors dite « haubannée ». Les haubans sont de deux types : à mâts ou à câbles. Les ailes haubanées à mâts sont soutenues par une ou plusieurs entretoises rigides dénommées « mâts ». Seul (comme sur le Boeing P-26 Peashooter[20]) ou plus souvent en complément des mâts, des haubans à câbles tendues aident également à soutenir l'aide. Contrairement aux mâts, les câbles ne peuvent travailler en compression.

Presque tous les modèles multi-plans sont haubanés ; certains monoplans, surtout à leur début, tel que le Fokker Eindecker, sont également haubanés pour réduire leur poids[5]. Les haubans sont néanmoins source d'une importante traînée à haute vitesse si bien qu'ils ne sont plus utilisés sur les avions depuis le début des années 1930. L'aile cantilever, ou en « porte-à-faux », s'est ainsi imposée de nos jours comme l'unique solution. Dans cette configuration, la structure soutenant l'aile – un ou plusieurs longerons attachés au fuselage au niveau de l'emplanture – est cachée sous la « peau » de l'aile[1], d'où une faible traînée. Une configuration intermédiaire entre l'aile cantilerver et l'aile haubannée est dénommée « aile semi-cantilever »[1].

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Biplane cantilever.svg
Aile cantilever
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Biplane strut.svg
Aile haubanée à mâts
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Aile haubanée à câbles tendus

Un multi-plans haubané peut avoir une ou plusieurs rangées de mâts ; par exemple, le de Havilland Tiger Moth est un biplan à une rangée de mâts tandis que le Bristol F.2 est un biplan à deux rangées de mâts[21].

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Biplan à une rangée de mâts
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Biplan à deux rangées de mâts

Forme en plan

La forme en plan d'une aile correspond à sa forme vue du dessus.

Allongement

Le Lockheed F-104 Starfighter, avion de chasse à très faible allongement.

L'allongement d'une aile est, mathématiquement, le rapport entre le carré de l'envergure et la surface des ailes[22]. Intuitivement, un allongement élevé dénote des ailes longues et étroites tandis qu'un allongement faible indique des ailes larges et plus trapues[23]. Les aéronefs à faible allongement sont plus efficaces structurellement, plus maniables et génèrent moins de traînée à haute vitesse ; c'est la raison pour laquelle cette configuration est généralement utilisée par des avions de combat (Lockheed F-104 Starfighter) et par des avions à haute vitesse (North American X-15). À l'inverse, les aéronefs à allongement élevé sont aérodynamiquement plus efficaces et génèrent moins de traînée à faible vitesse[22] ; ce sont ainsi généralement des avions subsoniques (Lockheed U-2, Bombardier Dash 8) ou des planeurs.

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Allongement faible
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Allongement modéré
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Allongement élevé

Angle de flèche

L'angle de flèche désigne l'angle formé entre l'aile et le plan transversal de l'avion. Une aile droite (0° d'angle de flèche) est l'aile la plus efficace structurellement et la plus commune sur les aéronefs à basse vitesse. En revanche, une aile en flèche (angle de flèche positif) permet d'améliorer l'aérodynamique de l'aéronef, ce qui explique que la plupart des avions militaires comme civils adoptent aujourd'hui cette configuration[3],[24]. Généralement, l'angle est d'autant plus important que l'écoulement de l'air s'accélère de manière à diminuer la traînée d'onde[25]. Particularité des ailes en flèche, les aile en flèche inversée (angle de flèche négatif) apportent une maniabilité accrue et une implantation des ailes plus en arrière du fuselage[26], libérant l'avant pour la cabine de pilotage ou une soute à bombes. En contrepartie, la structure des ailes est soumise à des efforts mécaniques importants et l'avion s'avère plus difficile à contrôler.

Développés dans les années 1970, certains aéronefs à géométrie variable peuvent faire varier l'angle de flèche de leur voilure en cours de vol pour tirer profit des avantages offerts par les ailes droites et les ailes delta[3]. De manière anecdotique, l'aile oblique est un type particulier d'aile à géométrie variable articulée sur un unique pivot central ; ainsi, lorsque l'aile pivote, son angle de flèche est négatif sur une des demi-voilure et positif sur l'autre. L'aile oblique présente entre autres l'avantage de réduire la traînée d'onde[15].

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Droite
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En flèche
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En flèche inversée
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Géométrie variable
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Oblique

D'autres configurations présentent un angle de flèche non constant le long de l'aile. L'angle de flèche d'une aile « croissant » par exemple, est plus élevé sur la partie de l'aile proche du fuselage que celle éloignée. Ce type d'aile a notamment été utilisé par le bombardier stratégique britannique Handley Page Victor[27]. Les ailes en M et en W (à ne pas confondre avec les ailes en mouette et en mouette inversée) adoptent pour leur part, comme leur nom l'indique, un plan de forme respectivement en « M » et en « W » ; bien qu'elles ont fait chacune l'objet d'études dans les années 1950, ces deux types d'ailes n'ont finalement jamais été construites[28].

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Aile « croissant »
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Aile en M
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Aile en W

Variation de la corde

Célèbre aéronef de la Seconde Guerre mondiale, le Spitfire est un monoplan à aile elliptique.

On parle d'aile à corde constante lorsque bord d'attaque et bord de fuite sont parallèles. D'une conception simple, l'aile à corde constante s'impose sur les aéronefs à bas coûts. Mais la corde d'une aile peut varier sur son envergure, pour des raisons structurelles comme aérodynamiques. Une aile elliptique, dont la courbure diminue donc à son extrémité, a théoriquement une traînée induite minimale aux vitesses subsoniques[29]. Cette configuration améliore également la finesse d'une aile en augmentant son allongement[29]. Le Supermarine Spitfire, aéronef de la Seconde Guerre mondiale, est le plus célèbre des aéronefs à aile elliptique[30].

L'aile effilée, structurellement et aérodynamiquement plus efficaces qu'une aile à corde constante[31], et plus facile à fabriquer que celle elliptique, est néanmoins la configuration la plus commune. Son opposée, l'aile effilée inverse, est structurellement très inefficace ; elle n'a été testée qu'expérimentalement sur la Republic XF-91 Thunderceptor pour tenter de surmonter les problèmes de décrochage des ailes en flèche[32]. Une dernière version de l'aile effilée, l'aile effilée complexe, est une aile effilée simple dont la corde de à l'emplanture est diminuée pour améliorer la visibilité du pilote.

L'aile trapézoïdale (ou en diamant), caractérisée par un allongement et un angle de flèche faibles, est une configuration d'aile de haute performances ; cette aile apporte une finesse accrue de l'aile en augmentant son allongement et améliore la furtivité de l'aéronef[15]. Héritière de l'aile elliptique, l'aile trapézoïdale est par exemple utilisée par le Lockheed Martin F-22 Raptor[15].

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Corde constante
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Elliptique
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Effilée
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Effilée inverse
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Effilée complexe
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Trapézoïdale

Aile delta

Avion de ligne supersonique, le Concorde dispose d'une aile gothique.

Les ailes delta, du symbole grec Δ, est une configuration d'aile caractérisée par une forme triangulaire isocèle. Cette forme est aujourd'hui encore privilégiée par de nombreux avions de chasse supersoniques pour sa bonne résistance structurelle allié à un poids restreint, et son volume d'emport[3],[15]. Les ailes delta connaissent de nombreuses variantes : delta simple, delta avec empennage (pour améliorer la maniabilité de l'aéronef) ou encore delta tronquée, où les extrémités de l'aile sont tronquées (pour diminuer la turbulence de sillage de l'aéronef à des angles d'incidence élevés). L'aile brisée, ou double delta, permet pour sa part d'améliorer la portance à des angles d'incidence élevés.

L'aile gothique enfin, s'éloigne davantage de la forme triangulaire des précédentes ailes delta. L'aile gothique (ou en ogive) présente un bord d'attaque à flèche variable ; les extrémités d'aile sont à courbure parabolique. Ces modifications sont destinées à augmenter la portance tourbillonnaire à forte incidence en créant des vortex hypersustentateurs[3]. Elle fut notamment utilisée par le supersonique civil Concorde et le bombardier Avro Vulcan[3].

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Delta
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Delta à empennage
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Delta tronquée
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Brisée ou double delta
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Gothique

Biomimétisme

Les premières configurations d'ailes dans l'histoire de l'aviation s'inspirent fortement de celles qui permettent aux animaux de voler ; il s'agit de biomimétisme. Les ailes « d'oiseau » et « de chauve-souris » comptent ainsi parmi ces ailes. L'aile d'oiseau adopte une forme incurvée semblable à l'aile tendue d'un oiseau ; elle est à l'époque particulièrement populaire et obtient un franc succès sur l'Etrich Taube[33]. L'aile de chauve-souris présente quant à elle des nervures radiales entre lesquelles sont tendues la toile constituant l'aile. Cette configuration étaient notamment utilisée pour les aéronefs à ailes repliables.

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Aile « d'oiseau »
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Aile « de chauve-souris »

À la même époque, des aéronefs à ailes battantes, dénommés ornithoptères, sont également mis au point. Mais trop trop compliqués à concevoir, et trop fragiles, ils sont vite abandonnés au profit d'aéronefs à ailes fixes. De nos jours, le principe trouve tout de même des applications dans le domaine des microdrones[34].

Empennage horizontal

Une aile est naturellement instable en tangage. C'est la raison pour laquelle un empennage lui est ajouté : il s'agit d'un ensemble de plans fixes et mobiles qui assure la stabilité mais également la gouverne en tangage (profondeur) et en lacet (direction) de l'aéronef[35]. Pour cela, les surfaces sont éloignées au maximum du centre de gravité et sont donc placées, le plus souvent, en queue de fuselage. Quelques aéronefs présentent néanmoins des configurations particulières d'empennage horizontal.

Les aéronefs dits « canard », c'est-à-dire possédant un empennage canard, disposent de deux petites surfaces portante à l'avant du fuselage. Ces plans canard permettent entre autres de protéger l'appareil contre le décrochage : bien conçus, ils décrochent en premier ; l'aéronef pique alors du nez, évitant le décrochage de l'aile principale[36]. Configuration commune dans les premières années de l'aviation, elle disparait ensuite durant la Première Guerre mondiale avant de refaire surface avec le Saab 37 Viggen dans les années 1970. Sur les ailes en tandem triple, deux plans canards sont ajoutés à la voilure tandis que sur les ailes en tandem simple, ce sont cette fois-ci deux paires d'ailes de taille semblables, placées l'une derrière l'autre, qui servent à la fois de plans sustentateurs et d'empennage horizontal.

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« Conventionnel »
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Canard
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Tandem
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Tandem triple
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Sans empennage

Dièdre

Le dièdre est l'angle formé par le plan de chaque aile avec le plan horizontal. Le dièdre peut être positif (ailes vers le haut) ou négatif (ailes vers le bas) ; il peut également n'affecter qu'une partie de la voilure (les saumons seulement par exemple), comme sur le McDonnell Douglas F-4 Phantom II[37]. Le dièdre positif permet d'améliorer la stabilité en lacet des aéronefs[38] ; un dièdre négatif (généralement sur des avions à ailes hautes) a pour avantage de prolonger la surface alaire et, ce faisant, de réduire l'envergure totale nécessaire de l'aéronef et d'augmenter sa charge utile. Il permet également de diminuer la stabilité spirale sur les avions de chasse, et ainsi améliorer leur maniabilité[39],[40]. Les bombardiers (Boeing B-52 Stratofortress) et les avions militaires de transport (Airbus A400M) ont souvent un dièdre négatif[41].

Monoplane dihedral.svg
Monoplane cranked.svg
Dièdre positif
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Monoplane cranked down.svg
Dièdre négatif
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Biplan à aile inférieure
à dièdre positif
F4U-1 à ailes en mouette inversées appontant sur le USS Bunker Hill.

Les ailes en mouette (ou aile PZL, du nom du premier aéronef disposant de ce type d'aile) et en mouette inversée sont deux configurations particulières de dièdre adoptant la forme des ailes d'une mouette en vol. L'aile en mouette est développée sur les hydravions au début des années 1930 avec l'augmentation de la puissance des moteurs et celle du diamètre des hélices ; en effet, elles permettent d'installer les moteurs plus haut, à plus grande distance de l'eau et donc avec la possibilité d'installer des hélices de grand diamètre. L'aile en mouette inversée permet elle, d'installer un train d'atterrissage plus court et donc plus léger[3]. Le Junkers Ju 87 et le Chance Vought F4U Corsair sont typiques de cette dernière configuration.

Monoplane gull.svg
Aile en mouette
Monoplane inverted gull.svg
Aile en mouette inversée

Aile volante

L'avion bombardier Northrop B-2 Spirit.

Une aile volante désigne un aéronef ne possédant ni fuselage, ni empennage, et dont l'ensemble des différentes surfaces mobiles nécessaires à son pilotage est situé sur la voilure[42]. Par conséquent, le cockpit est intégré à l'aile qui embarque également la charge utile ainsi que le carburant. En théorie, une aile volante offre la meilleure configuration en termes de poids et de propriétés aérodynamiques, et permet de surcroît une grande capacité d’emport ainsi qu’une faible signature radar[42] ; elle constitue donc un atout majeur pour les avions militaires. Ce type d'appareil est relativement instable, ce qui explique l'absence d'aile volante dans le domaine civil. Le Northrop B-2 Spirit, avion bombardier américain, est emblématique des ailes volantes[42].

Un aéronef à fuselage intégré (Blended Wing Body ou BWB en anglais) est une configuration qui intègre les caractéristiques des fuselages classiques et des ailes volantes dans une configuration hybride ; dans cette configuration, le fuselage participe, au même titre que les ailes, à la portance[17]. Notamment étudié par la division Phantom Works de Boeing avec l'aide de l'agence spatiale américaine (NASA) sur le X-48[43], le fuselage intégré demeure aujourd'hui encore expérimental. Également expérimental, un aéronef à fuselage porteur (lifting body en anglais) est un aéronef sur lequel l'effet de portance n'est pas produite par des ailes mais par le fuselage[44]. Cette conception trouve son utilité pour les engins spatiaux ou hypersoniques en limitant la traînée[44]. Dernier engin expérimental, l'Avro Canada VZ-9 Avrocar est un aéronef commandé par le gouvernement américain pour tester les capacités d'une soucoupe volante. Stable en vol stationnaire, l'Avrocar se révélait difficile à contrôler en vol horizontal[45].

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Flying wing.svg
Aile volante
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Body blended.svg
Fuselage intégré
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Fuselage porteur
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Soucoupe volante

Géométrie variable

Outre les aéronefs à aile à flèche variable et à aile oblique évoqués précédemment (cf. § angle de flèche), d'autres configurations à géométrie variable ont également été imaginées. Parmi ces derniers, les aéronefs à aile télescopique font varier l'envergure de leurs ailes, et donc leur allongement et leur surface alaire[46]. Une configuration semblable permet également de faire varier la corde des ailes ; l'aile se rétracte dans le fuselage pour diminuer la traînée en vol de croisière, et est étendue pour les décollages et les atterrissages pour profiter d'une surface alaire importante. Le Gerin V-6E Varivol s'inscrit dans cette configuration[47].

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Aile à flèche variable
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Aile oblique
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Aile télescopique
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Aile à envergure et corde variables

Autre configuration à géométrie variable, les ailes repliables sont un concept couramment utilisé pour les avions opérationnels à partir d'un porte-avions. Inauguré en 1937 sur le Vought SB2U Vindicator et le Douglas TBD Devastator[48], ce concept offre un gain de place conséquent obtenu grâce aux ailes repliables qui permet de garer un plus grand nombre d'aéronefs sur le pont et de leur offrir l'accès aux ascenseurs et aux hangars de dimensions réduites. De leurs côtés, des aéronefs, comme le prototype North American XB-70 Valkyrie, abaissent leurs saumons d'ailes en plein vol pour améliorer les performances supersoniques. Dernière configuration à géométrie variable, l'aile polymorphique est capable de changer le nombre de plans qui composent sa voilure. Le Nikitin-Shevchenko IS, prototype à aile polymorphique, peut ainsi se métamorphoser de biplan en monoplan en pliant son aile inférieure dans une cavité dans l'aile supérieure[49].

Folding wing.svg
Aile repliable
Polymorphic wing.svg
Aile polymorphique

Bibliographie

Ouvrage utilisé pour la rédaction de l'article : Ouvrage utilisé comme source pour la rédaction de cet article

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Notes et références

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