V- Les becs de bords d’attaque

1)- Présentation

Comme nous venons de le voir, les dispositifs de volets de bords de fuite sont très efficaces pour ce qui est d’augmenter la portance d’une voilure autorisant ainsi des vitesses de décrochage et donc de manœuvre plus faibles.

Cependant il existe un autre type de dispositif hypersustentateur qui sont les becs de bords d’attaque.

Comme leur nom l’indique, il s’agit de surfaces mobiles hypersustentatrices disposées sur le bord d’attaque d’une aile, c'est-à-dire la partie avant qui " attaque " l’air lors du vol.

Ces dispositifs sont très répandus sur différents types d’appareils :

Il est cependant à noter que l’on retrouve ces becs de bords d’attaque sur quelques modèles d’appareils légers destinés à l’aviation de loisirs ou au travail aérien de petite échelle. C’est le cas des différentes versions du Morane-Saulnier MS-880 Rallye mais aussi d’autres avions moins répandus dans notre pays.

Morane-Saulnier MS-500 Criquet

Le principe du bec de bord d’attaque n’est pas si jeune que ça puisqu’il faut savoir que certains avions destinés aux opérations spéciales en étaient déjà équipés durant la seconde guerre mondiale à l’image des Fieseler Fi-156 Storch allemands qui furent après guerre construits sous licence en France par la société…Morane-Saulnier.

2)- Principe physique et fonctionnement

Tout d’abord, il faut connaître un des phénomènes à l’origine du décrochage de l’aile d’un avion.

Il s’agit du phénomène de la couche limite.

Lors du vol, l’air s’écoule à grande vitesse sur l’extrados et l’intrados de l’aile créant une dépression sur l’aile ainsi qu’une surpression dessous celle-ci, cette conjonction crée le phénomène de portance qui "aspire" l’aile permettant le vol.

Cependant l’écoulement de l’air sur l’extrados de l’aile n’est pas tout à fait régulier.

En effet, il existe une couche de quelques centimètres d’épaisseur qui épouse la surface de la voilure et dans laquelle l’écoulement de l’air est ralenti par la proximité de la surface de l’aile.

On appelle ceci la "couche limite".

Le problème réside dans le fait qu’à basse vitesse ainsi que lors du vol aux grands angles, c'est-à-dire lorsque l’incidence de l’avion est importante, la couche limite de plus en plus ralentie arrive à un point où elle n’épouse plus la surface de l’aile : c’est le décollement de la couche limite. Ceci entraîne également un décollement des filets d’air qui circulaient régulièrement sur l’aile. Apparaît alors un écoulement tourbillonnaire sur l’arrière de l’aile, jusqu’au bord de fuite. Ces tourbillons d’air font s’effondrer la portance, l’aile ne vole plus, c’est le décrochage. L’avion s’enfonce tant que l’on n’agit pas pour récupérer la portance, avec tous les risques que cela implique : chute importante au ras du sol, mise en autorotation (ou vrille) en cas de vol dissymétrique, désintégration de l’avion en cas d’efforts trop importants, etc…

Afin de retarder l’apparition du décrochage, nous avons pu constater que la solution consistant à accroître la courbure de l’aile, amplifiant ainsi le phénomène aérodynamique à l’origine de la portance est assez efficace. Ce sont les volets de courbure de bords de fuite qui sont chargés de ceci.

Cependant une autre solution consiste à retarder le décollement de la couche limite. Pour cela pas de secret : il faut soit la supprimer (ce qui est physiquement impossible) soit la réduire au minimum.

Deux méthodes ont été mises au point afin de réduire au maximum l’importance de la couche limite : l’aspiration de la couche limite et le soufflage de celle-ci.

Nous n’entrerons pas dans les détails de l’aspiration de la couche limite puisqu’il s’agit d’une méthode n’impliquant pas l’utilisation de becs de bords d’attaque mais de dispositifs plus perfectionnés et compliqués à mettre en œuvre.

Il faut juste savoir que cela consiste à aspirer les filets d’airs irréguliers qui épousent la forme de l’aile. Ainsi l’écoulement régulier prend la place de la couche limite à la surface de l’aile et il faudra des vitesses beaucoup plus faibles ou bien des incidences plus importantes pour réussir à décoller cette couche.

Par contre, les becs de bords d’attaque sont l’élément principal qui permet le soufflage de la couche limite.

Le principe est extrêmement simple : s’il y a existence d’une couche limite c’est car les filets d’air qui circulent à la surface de l’aile sont ralentis et vont donc moins vite que ceux qui circulent quelques centimètres au-dessus. Cependant à l’avant du bord d’attaque, tous ces filets d’air avaient la même vitesse.

Mais si à l’aplomb de l’aile on donne aux filets d’air composant la couche limite une vitesse supérieure à celle de l’écoulement situé plus haut, la décélération qu’ils subiront les ramèneront à une vitesse quasiment égale à celle de l’écoulement laminaire.

Pour ce faire, il suffit de prélever de l’air en surpression dessous l’aile, au niveau du bord d’attaque : c’est le rôle des becs. L’air sous plus haute pression est alors "injecté" au niveau de l’extrados, diminuant ainsi la différence de vitesse avec l’écoulement laminaire. Ainsi l’écoulement tourbillonnaire qui résultait de cette différence de vitesse est réduit.

Le bec de bord d’attaque est une pièce mobile située sur le bord d’attaque et qui coulisse en formant une peu accentuée avec l’extrados afin d’éviter un décollement à ce niveau.

Ainsi, sur la maquette que l’on utilisera pour les expériences, l’angle noté "deflection" sur ce schéma n’excédera pas 9° lorsque les becs seront sortis à leur maximum.

Lors du déploiement du bec, celui-ci glisse vers l’avant en gardant la continuité de la courbe de l’extrados.

Becs baissés, l’écoulement de l’air est beaucoup plus régulier et les filets d’air collent au profil de l’extrados. La différence lors d’un vol à incidence élevée est flagrante :

On voit que les écoulements tourbillonnaires sont très limités et ainsi le décrochage est retardé.

La présence d’une fente entre le bec et le bord d’attaque permet un soufflage de la couche limite :

Maintenant que nous avons vu l’aspect physique de la chose, un peu de mathématiques :

Un avion vole grâce à la portance générée par ses ailes :

Cette portance appelée Fz s’exprime de la manière suivante :

Fz = ½*ρ*S*V²*Cz

ρ = masse volumique de l’air en kg/m3

S = surface de l’aile en m²

V = vitesse relative de l’air en m/s

Cz = coefficient de portance sans unité

Rq n°1 : en anglais, le coefficient Cz s’appelle CL.

Rq n°2 : cette formule illustre bien pourquoi une baisse de la vitesse entraîne une chute de la portance si aucun des autres paramètres n’est modifié. Elle montre également que plus l’altitude d’un appareil est élevée, moins les ailes portent, la masse volumique de l’air diminuant avec l’altitude. Cela explique l’existence d’un plafond pratique pour les appareils (pas seulement, les contraintes d’utilisation des systèmes de propulsion sont également à l’origine de ce plafond pratique).

Le coefficient de portance Cz est fonction du profil de l’aile ainsi que de l’incidence de celle-ci.

C’est sur ce paramètre que les becs de bord d’attaque agissent. En effet, le profil de l’aile est modifié lors de la sortie des becs et cela permet d’augmenter la portance, car le coefficient Cz est augmenté.

Le coefficient de portance augmente au fur et à mesure que l’angle d’incidence de l’aile s’accroît. Mais pour un même profil d’aile, à partir d’un angle d’incidence (α sur la courbe suivante) donné, Cz chute d’un coup, c’est le décrochage.

Le rôle des becs de bords d’attaque est de retarder l’apparition de cette chute du coefficient de portance.

Ceci est illustré par ces courbes représentant le coefficient de portance en fonction de l’angle d’incidence pour un appareil de type McDonnel-Douglas DC-9, pour une vitesse de Mach 0,2 (soit 1/5 de la vitesse du son, ce qui correspond approximativement aux vitesses d’approches d’un tel appareil).

Les courbes en trait continu représentent la configuration becs rentrés (Slats Retracted) pour les volets de courbure rentrés (0° Flaps) ainsi que les volets en position "tout sorti", configuration d’atterrissage (50° Flaps).

Les courbes en trait pointillé représentent la configuration becs sortis (Slats Extended) pour les mêmes valeurs de volets de bords de fuite.

On remarque aisément que le "pic" de Cz annonciateur du décrochage est décalé vers des valeurs d’angle d’incidence plus élevé. De plus ce Czmax est plus grand, Fz s’en trouve augmentée.

On parle évidemment ici de vitesse relative des molécules d’air par rapport au référentiel de l’avion. La vitesse absolue de l’air autour de l’appareil peut bien sûr être nulle puisqu’en temps normale dans le référentiel géocentrique, on considère que c’est l’appareil qui est en mouvement dans l’air et non l’inverse, la vitesse absolue de l’air (donc celle du vent) étant de préférence largement inférieure à celle de l’avion (dans le cas contraire, à moins d'être dans une soufflerie, on laisse sagement les appareils dans les hangars et on évite à tout prix de voler…)

3)- Expériences réalisées en laboratoire

Après avoir utilisé la maquette pour des essais en soufflerie concernant la configuration lisse ainsi que celles avec les différents crans de volets, il était normal de compléter nos mesures avec des expériences concernant la sortie des becs de bords d’attaque.

Les détails du fonctionnement du système de modélisation des becs ont été explicités dans une partie précédente traitant de la fabrication de la maquette, nous ne reviendrons donc pas dessus. Il faut juste rappeler que pour visualiser l’augmentation de la portance, nous avons utilisé quatre positions de becs : 3mm, 6mm, 9mm, 12mm.

Sur la plupart des avions, ils n’existe pas de position intermédiaire pour les becs, seules les positions "rentrés" et "sortis" sont disponibles. Ou alors le choix de la position des becs ne revient pas au pilote. Sur les MS-880 par exemple, les becs sortent progressivement en fonction de la vitesse de l’appareil. Ainsi on obtient le braquage le plus adapté à la situation et on évite d’atteindre les vitesses limites becs sortis au-delà desquelles des dommages peuvent être causés à la structure de l’appareil dus à une vitesse trop élevée.

Le principe utilisé pour matérialiser l’effet des becs de bord d’attaque sur la portance de l’aile est le même que celui employé pour étudier l’aile en configuration lisse ainsi que pour les volets.

La maquette représentant l’aile a été placée dans la soufflerie disponible en salle de physique. Sur cette aile, nous avions disposé une bandelette de papier toilette, ce qui est le meilleur compromis entre la rigidité du papier, un faible poids, une couleur voyante, etc…

D’ailleurs nous avions essayé plusieurs autres dispositifs afin de matérialiser les écoulements turbulents sur l’extrados, annonciateurs du décrochage par décollement de la couche limite. Ces dispositifs qui consistaient en fils de couture, bandelette de papier classique, etc… ne se sont pas révélés efficaces. C’est en visionnant une vidéo d’expériences du même type réalisées par un groupe l’an dernier qui nous a été fournie par notre professeur de physique que l’idée d’utiliser du papier toilette nous est venue.

Il nous suffisait alors de modifier l’incidence de l’aile en grâce à un dispositif mis en place par Julien. Il fallait bien sûr s’efforcer de garder la vitesse de l’air constante dans le tunnel de la soufflerie. Hélas notre seul moyen d’influencer sur cette vitesse était la tension d’alimentation du moteur entraînant le ventilateur procédant à l’extraction d’air à l’arrière du tunnel. Nous ne disposions pas, et c’est dommage, d’anémomètre qui nous aurait permis de connaître la vitesse de l’écoulement d’air.

Nous avons effectué neuf mesures avec les becs de bords d’attaque :

L’ensemble des mesures sont répertoriées dans le tableau suivant :

distance de sortie des becs en mm

angle de décrochage sans volet et avec bec en °

3

25

6

31

9

34

12

36

distance de sortie des becs en mm

angle de décrochage en °, avec bec et 15° de volets

3

27

6

32

9

35

12

38

distance de sortie des becs en mm

angle de décrochage en °, avec bec et 30° de volets

3

30

6

non mesurable, > 35

9

non mesurable, > 35

12

non mesurable, > 35

Les angles indiqués dans ce tableau correspondent à des angles d’incidence. Dans la réalité, il s’agit de l’angle effectué par l’axe du fuselage de l’appareil (ici il s’agit de l’axe de l’aile) par rapport au vent relatif, c'est-à-dire la trajectoire de l’avion.

Dans le cas de nos expériences, nous avons considéré la direction du vent relatif comme étant horizontale.

Afin de relever les angles d’incidence avant décrochage, il nous a fallu incliner la maquette dans la soufflerie jusqu’à ce qu’un écoulement tourbillonnaire au niveau de l’extrados de l’aile soit relevé grâce à la bandelette de papier collé sur celui-ci. Un comportement totalement erratique de cette bandelette est révélatrice d’un écoulement qui entraîne un décollement de la couche limite et donc du décrochage.
Pour les mesures à 30° de volets, il n'a pas été possible d'obtenir plus d'une mesure. En effet, avec les volets totalement déployés, le bord de fuite touchait le bas de la soufflerie lorsque l'on dépassait 35° d'incidence, donc bien avant d'atteindre le décrochage. Ce qui démontre tout de même l'efficacité des becs.

Lors de l’écoulement laminaire des filets d’air sur le profil d’aile, la bandelette est bien dans le flux d’air et aucune turbulence n’apparaît due au décollement de la couche limite. Par contre on constate de nombreuses turbulences mais qui sont uniquement dues au fait que l’écoulement de l’air à l’intérieur du tunnel de la soufflerie n’est pas régulier.

Par l’étude des résultats de l’expérience, nous pouvons très facilement mettre en évidence l’efficacité des becs de bords d’attaque.

En effet, nous constatons sur les tableaux de mesures que l’angle d’incidence avant décrochage est plus élevé au fur et à mesure que l’on déploie les becs si l’on compare ces valeurs à celles becs rentrés et ce, quelle que soit la configuration adoptée au niveau des volets de bords de fuite.

Ceci est révélateur du fait que les becs de bords d’attaque sont des dispositifs hypersustentateurs qui participent activement au retardement de l’apparition du phénomène de décrochage.

En procédant à des expériences grandeurs natures (la recherche de décrochage, la sortie de décrochage sont au programme de la formation au brevet de pilote que Frédéric et moi suivons ou avons suivi), il est possible de remarquer que le Rallye ne décroche pas franchement. En effet, sur la plupart des appareils légers, au moment du décrochage, l’avion effectue ce que l’on appelle une abattée. L’avant de l’avion s’enfonce violemment vers le bas, chutant en avant. Le phénomène est assez brutal et permet une récupération de l’appareil très facile si celle-ci n’est pas dissymétrique. Au contraire, sur le Rallye, il n’y a pas d’abattée. L’avion s’enfonce avec une assiette très importante, le nez en l’air. Il descend comme retenu par le parachute géant que forme ses ailes. Ceci est dû à la présence des becs de bords d’attaque qui retardent énormément le décollement de la couche limite.

4)- Inconvénient dû aux becs

A l’image de la formule exprimant la portance, on a l’expression suivante qui donne la traînée:

Fx = ½*ρ*S*V²*Cx

où Cx est le coefficient de traînée.

De la même manière que la sortie des becs de bords d’attaque influe sur le coefficient de portance, elle influe sur le coefficient de traînée en l’augmentant.

On en déduit donc que la traînée augmente avec la sortie des becs. Or la traînée est un phénomène parasite pour un avion. Le but est de la réduire au maximum. Tout l’art est donc de trouver le meilleur compromis entre augmentation de la portance et diminution de la traînée afin d’optimiser les dispositifs hypersustentateurs.

Cependant l’augmentation de traînée engendrée par les becs est faible comparée à celle engendrée par la sortie des volets. Ainsi les becs ne peuvent en aucun cas remplir le rôle d’aérofreins, rôle que les volets remplissent par contre, particulièrement lors de leur déploiement maximal.

5)- Conclusion

Les becs de bords d’attaque sont des dispositifs hypersustentateurs très efficaces et qui, alliés au volets de bords de fuite, sont extrêmement utiles. Cependant ils sont réellement nécessaires sur les voilures des appareils très lourds afin de réduire les vitesses de décollage et d’atterrissage. Car on a évidemment l’équivalence :

Vitesses de décollage et d’atterrissage faibles

=

Distances de roulage faibles

=

Pistes courtes

Et comme bien sûr plus un aéroport dispose de pistes longues, plus les nuisances et surtout les coûts d’entretien sont élevés, il est normal que ces dispositifs soient largement répandus dans la société aéronautique moderne.

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