Avion sans queue - Tailless aircraft
Un avion sans queue n'a pas d' empennage et aucune autre surface horizontale en dehors de son aile principale. Les fonctions de contrôle aérodynamique et de stabilisation en tangage et en roulis sont intégrées à l'aile principale. Un type sans queue peut encore avoir un aileron vertical conventionnel ( stabilisateur vertical ) et un gouvernail de direction .
Avantages théoriques de la configuration comprennent une faible tailless traînée parasite comme sur le Horten H.IV flambée planeur et de bonnes caractéristiques de que sur l' Esprit Northrop B-2 bombardiers.
La configuration sans queue la plus réussie a été le delta sans queue , en particulier pour les avions de combat, bien que le delta sans queue le plus connu soit l' avion de ligne Concorde .
La NASA a utilisé la description « sans queue » pour le nouvel avion de recherche X-36 qui a un avant-plan canard mais pas d'aileron vertical.
Ailes volantes
Une aile volante est une conception sans queue qui manque également d'un fuselage distinct , ayant le pilote, les moteurs, etc. situés directement dans ou sur l'aile.
Aérodynamique
Glisser
Un aéronef à voilure fixe classique a une surface de stabilisation horizontale séparée de son aile principale. Cette surface supplémentaire entraîne une traînée supplémentaire nécessitant un moteur plus puissant, en particulier à haute vitesse. Si la stabilité et le contrôle longitudinal (tangage) peuvent être obtenus par une autre méthode (voir ci-dessous), le stabilisateur peut être retiré et la traînée réduite.
Stabilité longitudinale
Un avion sans queue n'a pas de stabilisateur horizontal séparé. Pour cette raison, le centre aérodynamique d'une aile ordinaire se trouverait devant le centre de gravité de l'avion, créant une instabilité en tangage . Une autre méthode doit être utilisée pour déplacer le centre aérodynamique vers l'arrière et rendre l'avion stable . Il existe deux manières principales pour le concepteur d'y parvenir, la première étant développée par l'aviateur pionnier JW Dunne .
Le fait de balayer le bord d'attaque de l'aile vers l'arrière, soit comme une aile en flèche ou une aile delta , et en réduisant l' angle d'incidence de la section d'aile extérieure permet à l'aile extérieure d'agir comme un stabilisateur d'empennage conventionnel. Si cela se fait progressivement le long de la travée de la section extérieure, on parle de lavage de la pointe . Dunne y est parvenu en donnant à l'extrados de l'aile une courbure conique . En vol en palier, l'avion doit être compensé de manière à ce que les pointes ne contribuent à aucune portance : elles peuvent même avoir besoin de fournir une petite poussée vers le bas. Cela réduit l'efficacité globale de l'aile, mais pour de nombreuses conceptions - en particulier pour les vitesses élevées - cela est compensé par les réductions de traînée, de poids et de coût par rapport à un stabilisateur conventionnel. La longue envergure des ailes réduit également la maniabilité, et pour cette raison la conception de Dunne a été rejetée par l'armée britannique.
Une alternative est l'utilisation de profils aérodynamiques à moment de tangage faible ou nul , vu par exemple dans la série Horten de planeurs et de chasseurs. Ceux - ci utilisent une aile inhabituelle aerofoil section avec réflexe ou arrière carrossage sur l'arrière ou de l'aile. Avec le carrossage réflexe, le côté le plus plat de l'aile est en haut et le côté fortement incurvé est en bas, de sorte que la section avant présente un angle d'attaque élevé tandis que la section arrière est plus horizontale et ne contribue pas à la portance, agissant ainsi comme un empennage ou les extrémités délavées d'une aile en flèche. Le carrossage réflexe peut être simulé en installant de grandes gouvernes de profondeur sur un profil aérodynamique conventionnel et en les taillant sensiblement vers le haut ; le centre de gravité doit également être déplacé vers l'avant de la position habituelle. En raison de l' effet Bernoulli , le cambre réflexe a tendance à créer une petite poussée vers le bas, donc l'angle d'attaque de l'aile est augmenté pour compenser. Cela crée à son tour une traînée supplémentaire. Cette méthode permet un choix plus large de forme de plan d' aile que le balayage et le lavage, et les conceptions ont inclus des ailes droites et même circulaires (Arup). Mais la traînée inhérente à un angle d'attaque élevé est généralement considérée comme rendant la conception inefficace, et seuls quelques types de production, tels que les séries de planeurs Fauvel et Marske Aircraft , l'ont utilisé.
Une approche plus simple consiste à surmonter l'instabilité en localisant la masse principale de l'avion à une distance significative en dessous de l'aile, de sorte que la gravité aura tendance à maintenir l'avion dans une assiette horizontale et ainsi contrecarrer toute instabilité aérodynamique, comme dans le parapente . Cependant, dans la pratique, cela est rarement suffisant pour assurer la stabilité à lui seul, et est généralement augmenté par les techniques aérodynamiques décrites. Un exemple classique est le deltaplane Rogallo , qui utilise la même surface de balayage, de lavage et de surface conique que Dunne.
La stabilité peut également être fournie artificiellement. Il y a un compromis entre stabilité et maniabilité. Un niveau élevé de maniabilité nécessite un faible niveau de stabilité. Certains avions de combat de haute technologie modernes sont aérodynamiquement instables en tangage et reposent sur un contrôle informatique de vol électrique pour assurer la stabilité. L' aile volante Northrop Grumman B-2 Spirit en est un exemple.
Contrôle de la hauteur
De nombreuses premières conceptions n'ont pas réussi à fournir un contrôle efficace du pas pour compenser le stabilisateur manquant. Certains exemplaires étaient stables mais leur hauteur ne pouvait être contrôlée qu'à l'aide de la puissance du moteur. D'autres pourraient piquer vers le haut ou vers le bas brusquement et de manière incontrôlable s'ils n'étaient pas manipulés avec soin. Ceux-ci ont donné aux conceptions sans queue une réputation d'instabilité. Ce n'est qu'après le succès ultérieur de la configuration delta sans queue à l'ère des avions à réaction que cette réputation a été largement acceptée comme étant imméritée.
La solution généralement adoptée est de prévoir de grandes surfaces de profondeur et/ou d' élévation sur le bord de fuite de l'aile. À moins que l'aile ne soit fortement balayée, celles-ci doivent générer des forces de commande importantes, car leur distance par rapport au centre aérodynamique est faible et les moments moindres. Ainsi, un type sans queue peut subir une traînée plus élevée lors des manœuvres de tangage que son équivalent conventionnel. Dans une aile delta fortement balayée, la distance entre le bord de fuite et le centre aérodynamique est plus grande, donc des surfaces élargies ne sont pas nécessaires. La série Dassault Mirage delta sans queue et ses dérivés figuraient parmi les avions de combat les plus utilisés. Cependant, même dans le Mirage, le contrôle du tangage aux angles d'attaque élevés rencontrés pendant le décollage et l'atterrissage pourrait être problématique et certains dérivés ultérieurs comportaient des surfaces de canard supplémentaires .
Stabilité en lacet
Un avion conventionnel est instable en lacet et a besoin d'un aileron de queue pour le maintenir droit. Le mouvement des ailerons crée un lacet défavorable le tirant hors du virage, qui doit également être compensé par le gouvernail . Alors qu'une aile en flèche est stable en vol rectiligne, elle subit toujours un lacet défavorable pendant un virage. Une solution consiste à donner à l'aile une torsion suffisante pour que la section extérieure s'incline vers le bas et donne une portance négative. Cela inverse l'action de lacet défavorable des ailerons, aidant l'avion dans le virage et éliminant le besoin d'un gouvernail vertical ou de spoilers à traînée différentielle.
Il a également été démontré que la distribution de portance en cloche que cela produit minimise la traînée induite pour un poids donné (par rapport à la distribution elliptique, qui la minimise pour une portée donnée).
Histoire
- Voir aussi Histoire de l'aile volante
JW Dunne
Entre 1905 et 1913, l' officier de l' armée britannique et aéronaute JW Dunne a développé une série d'avions sans queue destinés à être intrinsèquement stables et instables. Inspirés par ses études de mouettes en vol, ils se caractérisaient par des ailes en flèche avec une surface supérieure conique. Le cône était disposé de manière à ce que l'aile se torde progressivement vers les extrémités, créant une incidence négative, et donc une portance négative, dans les sections extérieures, créant une stabilité globale à la fois en tangage et en lacet. Une seule surface de contrôle sur le bord de fuite de chaque bout d'aile agissait comme un aileron et une profondeur combinés. Dunne avait une appréciation qualitative avancée des principes aérodynamiques impliqués, comprenant même comment la portance négative aux extrémités des ailes, combinée à un anhédral fortement incliné vers le bas, améliorait la stabilité directionnelle.
Bien qu'à l'origine conçus comme un monoplan , les conceptions initiales de Dunne pour l'armée devaient être des biplans , comportant généralement une nacelle de fuselage entre les avions avec une hélice propulsive montée à l'arrière et des ailerons de plaque d'extrémité fixes entre chaque paire d'extrémités d'aile.
Après la fin de son travail dans l'armée, en 1910, le biplan D.5 a été observé en vol stable par Orville Wright et Griffith Brewer , qui ont soumis un rapport officiel à la Royal Aeronautical Society à cet effet. Il est ainsi devenu le premier avion à atteindre une stabilité naturelle en vol, ainsi que le premier avion pratique sans queue. Le dernier D.8 a été construit sous licence et vendu commercialement par W. Starling Burgess en Amérique sous le nom de Burgess-Dunne.
Il est également retourné à son monoplan. Le D.6 de 1911 était un monoplan à aile haute de type pousseur qui présentait également un affaissement ou un affaissement prononcé aux extrémités des ailes. Les gouvernes faisaient désormais également office de gouvernails.
De nombreuses idées de Dunne sur la stabilité restent valables, et il est connu pour avoir influencé des concepteurs ultérieurs tels que John K. Northrop (père du bombardier furtif Northrop Grumman B-2 Spirit ).
L'entre-deux-guerres et la Seconde Guerre mondiale
- GTR Hill et les Ptérodactyles
Après la Première Guerre mondiale, le pilote Geoffrey TR Hill recherchait également un design stable et indétrônable. Dunne a d'abord apporté son aide et Hill a produit la série d'avions sans queue Pterodactyl à partir des années 1920. Hill a également commencé à développer la théorie de la voilure intrinsèquement stable et l'a incorporée dans ses conceptions.
- Deltas lipisch
Les théoriciens allemands ont développé la théorie de la voilure stable. Le designer Alexander Lippisch a produit son premier design sans queue, le Delta I, en 1931. Il a continué à construire une série de designs de plus en plus sophistiqués, et à la fin de la Seconde Guerre mondiale a été emmené en Amérique pour continuer son travail .
- Messerschmitt Me 163 Komet
Pendant la Seconde Guerre mondiale , Lippisch a travaillé pour le designer allemand Willy Messerschmitt sur le premier avion sans queue à entrer en production, le Me 163 Komet . C'était le seul intercepteur propulsé par fusée à avoir jamais été placé en service de première ligne et l'avion le plus rapide à atteindre le service opérationnel pendant la guerre.
- Northrop
Parallèlement à Lippisch, aux USA, Jack Northrop développait ses propres idées sur les designs sans queue. Le N-1M a volé en 1941 et une succession de types sans queue a suivi, certains d'entre eux étant de véritables ailes volantes.
Après la guerre
- de Havilland DH 108 Hirondelle
Dans les années 1940, le concepteur d'avions britannique John Carver Meadows Frost a développé l'avion de recherche à réaction sans queue appelé de Havilland DH.108 Swallow , construit en utilisant le fuselage avant du chasseur à réaction de Havilland Vampire . L'un d'eux était peut-être l'un des premiers avions à franchir le mur du son - il l'a fait lors d'une plongée peu profonde, et le bang sonique a été entendu par plusieurs témoins. Les trois construits ont été perdus dans des accidents mortels.
Semblable au DH.108, le Northrop X-4 d'époque à propulsion biréacteur de 1948 faisait partie de la série d'avions expérimentaux d'après-guerre développés aux États-Unis après la Seconde Guerre mondiale pour voler dans des programmes de recherche explorant les défis -Vitesse du vol transsonique et au-delà. Il avait des problèmes aérodynamiques similaires à ceux du DH.108, mais les deux exemplaires X-4 construits ont survécu à leurs programmes d'essais en vol sans incidents graves grâce à quelque 80 vols de recherche au total de 1950 à 1953, n'atteignant que des vitesses maximales de 640 mph (1 035 km/ h).
- Dassault Mirage
La série française de chasseurs à réaction supersoniques Mirage était un exemple de configuration delta sans queue et est devenue l'un des avions à réaction occidentaux les plus produits. En revanche, l'équivalent du chasseur à ailes delta largement produit par l'Union soviétique, le Mikoyan-Gurevich MiG-21 , possède un stabilisateur de queue.
- Dard de mer Convair F2Y
Dans les années 1950, le prototype Convair F2Y Sea Dart est devenu le seul hydravion à dépasser la vitesse du son. Convair a construit plusieurs autres types de delta sans queue à succès.
- Avions de ligne supersoniques
Le transport anglo-français Concorde Supersonic et son homologue soviétique, le Tupolev Tu-144 , étaient des avions de ligne supersoniques sans queue, avec des ailes delta ogivales . La grâce et la beauté de ces avions en vol étaient souvent remarquées.
- Lockheed SR-71 Blackbird
L' avion de reconnaissance stratégique américain Lockheed SR-71 Blackbird est l'avion à réaction le plus rapide, atteignant des vitesses supérieures à Mach 3.
- NASA PRANDTL-D
L'aile de la NASA Preliminary Research Aerodynamic Design To Lower Drag (PRANDTL-D) a été développée par Al Bowers au NASA Armstrong Flight Research Center . Bowers s'est inspiré du travail de Ludwig Prandtl et, comme Dunne, en observant le vol des oiseaux. Comme avec la conception Dunne, il a une torsion d'aile suffisante pour placer les extrémités des ailes à un angle négatif et créer le même couplage positif en roulis-lacet. Bowers a développé une analyse quantitative des caractéristiques de portance, menant à sa découverte plus générale d'une distribution de portance en forme de cloche qui minimise la traînée induite pour le poids de l'avion. Il a appliqué cette distribution dans la série de dessins "Prandtl-D". À la fin de 2017, il avait piloté trois de ces modèles de recherche.
Voir également
Les références
Citations en ligne
Références générales
- Poulsen, CM "Essais sans queue, Hommage à un pionnier britannique : les biplans et monoplans Dunne." , "p. 557." , "p. 558." Vol , 27 mai 1943, p. 556-558.
Liens externes
- Avion sans queue - discussion sur la conception et la stabilité.