20 octobre 2025
Sommaire
Cette recherche décrit un nouveau concept d’aileron déformable par torsion pour la plate-forme UAS-S45. Contrairement aux surfaces articulées classiques, les ailerons proposés contrôlent le roulis par une légère torsion sur toute leur envergure, ce qui améliore la maniabilité et minimise la traînée. Notre optimisation aérodynamique haute-fidélité a servi à évaluer chaque aileron indépendamment. On constate que les ailerons déformables par torsion peuvent améliorer l’efficacité du roulis de 34 %, tout en réduisant la traînée induite de 61 % par rapport aux modèles d’ailerons standards. Ces résultats soulignent le fort potentiel de la déformation par torsion pour améliorer considérablement l’efficacité de vol et les capacités de commande.
Mots-clés : efficacité de roulis, performances des ailerons, traînée induite, ailerons déformables par torsion
Un bout d’aile déformable par torsion inspiré de la nature
Au cours des dernières décennies, la recherche sur les ailes déformables a progressé, de nombreux projets passant du stade conceptuel aux aspects pratiques de réalisation, d’intégration et de fabrication. La fabrication est l’étape finale et la plus critique. En effet, elle nécessite une attention particulière pour passer de concepts de déformation à aéronefs réels.
Les simulations aérodynamiques sont essentiellement la première étape pour vérifier les avantages d’un type d’aile déformable. Selon les études, les prototypes rendus au stade de fabrication ont démontré avec succès leur efficacité. Au fil des ans, de nombreuses configurations d’ailes déformables ont été proposées, chacune adaptée de façon à répondre à différentes exigences de vol et capacités de manœuvre, telles qu’observées dans la nature. On peut citer par exemple les ailes extensibles ou télescopiques [1-3], les bords d’attaque inclinés [4-6], les modèles à géométrie variable [7], les surfaces supérieures déformables [8-11], les profils à épaisseur variable [12] et les mécanismes à cambrure variable [13, 14]. Parmi celles-ci, les cambrures déformables, en particulier les bords de fuite (MTE) [15-17], ont suscité le plus d’intérêt en raison de leur fort potentiel d’amélioration de l’efficacité aérodynamique.
L’objectif de cette étude est d’identifier un type d’aile déformable pouvant améliorer les performances en roulis, tout en réduisant le souffle descendant et la traînée induite. D’un point de vue aérodynamique, les composants les plus directement liés à cet objectif sont les ailerons. Le défi consiste à déterminer la stratégie de déformation la plus efficace à appliquer aux ailerons.
Mouvement de roulis
Pour effectuer une manœuvre de roulis, l’avion dépend des déflections asymétriques des ailerons à chaque aile. Lorsqu’un aileron dévie vers le bas, il augmente la portance à l’extrémité de l’aile; vers le haut, il réduit la portance de l’autre côté de l’aile, provoquant parfois un décrochage de l’aile. Le déséquilibre dans la répartition de la portance sur l’envergure génère un moment de roulis sur l’axe longitudinal de l’aile. Ce déséquilibre fait tourner l’avion soit dans le sens horaire (roulis positif), soit dans le sens antihoraire (roulis négatif), en fonction des positions et des mouvements relatifs des ailerons gauche et droit. Par exemple, si l’aileron droit est dirigé vers le haut pendant que celui de gauche va vers le bas, l’avion subit un roulis positif, et la configuration inverse induit un roulis négatif. La figure 1 illustre l’UAS-S45 effectuant un mouvement de roulis.
Fig. 1 Schéma d’un UAS-S45 effectuant une manœuvre de roulis
Habituellement, les avions génèrent le roulis au moyen d’ailerons articulés. Ainsi, l’efficacité du roulis a toujours été étroitement liée aux performances des ailerons. Dans certains cas, comme pour les jets d’affaires par exemple, des becquets servent également à amorcer le roulis en raison de leur action plus rapide que celle des ailerons. Inspiré des oiseaux, qui roulent en tordant le bout de leurs ailes, le principe peut s’appliquer aux avions, en remplaçant les déflections discrètes par une légère torsion à l’extrémité des ailes. La technologie déformable permet d’appliquer ce concept. En exécutant une torsion continue au lieu de déflections brusques des ailerons ou des becquets, on peut améliorer l’efficacité du roulis. Dans cette étude, nous proposons un nouveau type d’aileron déformable par torsion pour obtenir ce type de contrôle du roulis. L’UAS-S45 a été sélectionné comme plate-forme de référence, et les performances de ses ailerons articulés conventionnels sont comparées à celles de la configuration déformable proposée.
Configuration de l’optimisation
L’objectif principal de ce travail est d’optimiser la conception de l’aileron déformable par torsion afin d’améliorer ses performances de roulis. La stratégie d’optimisation repose sur la manipulation de la portance générée aux extrémités des ailes : une aile est ajustée pour maximiser la portance, tandis que l’aile opposée est configurée pour la minimiser. Ce déséquilibre dans la répartition de la portance sur l’envergure produit le moment de roulis nécessaire à la manœuvre. Le cadre général d’optimisation adopté dans cette recherche est illustré à la figure 2.
Fig. 2 Processus d’optimisation DAFoam pour l’aileron déformable par torsion. X0 : variables initiales ; XD : variables de conception ; XS : coordonnées de surface ; XV : maillage volumique ; w : variables d’état ; f : fonction objectif
L’optimisation est réalisée dans les conditions de croisière de l’UAS-S45, à une vitesse de vol de 70 nœuds (28,3 m/s), un angle d’attaque initial de 0 et une altitude de 15 000 pieds.
Ailerons déformables
Une fois l’optimisation des deux ailes terminée, leurs nouvelles configurations sont intégrées au fuselage afin d’évaluer les performances de roulis de l’UAS-S45. Des simulations sont effectuées dans OpenFOAM à l’aide d’un maillage raffiné, concentré près des extrémités des ailes, afin de capturer le comportement de l’écoulement autour des ailerons déformables. La figure 3 montre les contours de pression statique sur les surfaces supérieure et inférieure de l’UAS-S45.
Fig 3. Contours de pression statique sur surfaces supérieure (A) et inférieure (B) d’un UAS-S45
Les contours de pression statique de la figure 3 révèlent une asymétrie nette entre les extrémités gauche et droite des ailes. La torsion vers le bas de l’aile gauche (fig. 3-B) génère une pression plus élevée sur sa surface inférieure. La torsion vers le haut de l’aile droite (fig. 3-A) augmente la pression sur sa surface supérieure. L’un des principaux avantages des ailerons déformables est la répartition uniforme de la pression dans les directions cordale et transversale, ce qui évite les pics de pression brusques à la transition entre les sections rigides et en torsion.
L’écoulement autour des ailerons en torsion est illustré à l’aide de lignes de courant, à la figure 4. Ces images capturent en détail la recirculation de l’écoulement d’air et la variation de magnitude.
Fig. 4 Lignes de courant autour des ailerons, sous différents angles de torsion. A) Vue de face, torsion vers le bas, B) Vue de face, torsion vers le haut, C) Vue isométrique, torsion vers le bas, D) Vue isométrique, torsion vers le haut, E) Vue de dessus, torsion vers le bas, F) Vue de dessus, torsion vers le haut, G, H) UAS-S45 équipé d’ailerons déformables
Les figures 4-B, 4-D et 4-F illustrent l’aileron déformé par une torsion vers le haut sous les mêmes perspectives. Les figures 4-G et 4-H montrent l’UAS-S45 équipé d’ailerons déformables. Ces figures indiquent que le mouvement de roulis de l’avion est entièrement déterminé par les schémas d’écoulement opposés. Sur un aileron en torsion vers le bas, l’écoulement d’air se trouve principalement sur la surface supérieure du bout de l’aile. En torsion vers le haut, l’écoulement se produit sur la surface inférieure. Cette distribution inversée de l’écoulement induit une asymétrie correspondante de la pression, produisant une portance inégale et générant le moment de roulis.
Les figures 4-C et 4-D mettent en évidence la recirculation de l’écoulement pour les deux ailerons déformables. Pour l’aileron en torsion vers le bas, la recirculation apparaît sur la surface supérieure, tandis que vers le haut, elle se présente sur la surface inférieure. La forme circulaire des extrémités des ailes confine cette recirculation à une zone limitée, son intensité diminuant immédiatement au-delà de l’extrémité de l’aile. De plus, la transition en douceur entre les sections rigides et déformables prévient l’apparition de turbulences en début de torsion, comme le montrent les figures 4-G et 4-H.
Comparaison entre les ailerons articulés et les ailerons déformables
Cette section présente une comparaison entre les ailerons articulés et les ailerons déformables par torsion, pour les moments de roulis et les performances aérodynamiques globales. Comme indiqué précédemment, l’analyse des moments de roulis permet d’évaluer l’efficacité des ailerons pour le taux de roulis et l’autorité de contrôle. Le tableau 1 résume les moments de roulis des deux types d’ailerons.
Tableau 1 l’UAS-S45 avec ailerons articulés comparé aux ailerons déformables par torsion
La figure 5 montre la répartition de la pression statique pour le drone équipé d’ailerons articulés. Les discontinuités marquées aux interstices des ailerons mettent en évidence les zones de pression maximale. Ces changements brusques de pression contribuent également à la traînée induite par les extrémités des ailes, car ils favorisent une interaction entre l’écoulement haute pression sous l’aile et l’écoulement basse pression au-dessus. Cette interaction génère un vortex supplémentaire en plus du vortex normal aux extrémités des ailes.
Fig. 5 Contour de pression statique pour l’UAS-S45 avec ailerons articulés : A) surface supérieure, B) surface inférieure
Conclusion
Nous avons mis en évidence un avantage important de la technologie des ailes déformables. Notre étude porte sur la déformation par torsion comme stratégie principale, atteignant avec succès les objectifs visés. Cette approche a porté sur l’extrémité de l’aile dans le but d’améliorer les manœuvres de roulis, en remplaçant les ailerons articulés traditionnels par des ailerons déformables par torsion.
Les ailerons déformables par torsion ont enregistré une augmentation de 34 % du moment de roulis. Cette augmentation améliore directement l’efficacité du contrôle et la maniabilité, permettant des taux de roulis plus rapides que ceux des ailerons articulés conventionnels. De plus, les ailerons déformables ont réduit la traînée induite de 61 %, en grande partie grâce à l’élimination des interstices autour des surfaces des ailerons.
Informations supplémentaires
Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant :
Negahban MH, Bashir M, Priolet C, Botez RM. Novel Twist Morphing Aileron and Winglet Design for UAS Control and Performance. Drones. 2024; 8(8):392. https://doi.org/10.3390/drones8080392
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