Configuration d'aile

Le terme "aile" peut désigner la voilure portante d'un aérodyne (aile libre, aile delta, aile volante), mais aussi un élément de cette voilure (aile droite ou gauche, aile supérieure ou inférieure, aile avant ou arrière).

Profil d'aile



Monoplan
Un monoplan est un aéronef, n'ayant qu'une seule aile. Elle peut être montée à différentes hauteurs sur le fuselage – en partie basse (aile basse), approximativement au milieu (aile médiane) ou en partie haute (aile haute) – voire au-dessus (aile parasol).
La configuration aile basse permet de dégager le champ de vision du pilote et d'implanter un train d'atterrissage court puisque fixé sur les ailes.

Monoplan, aile basse

Monoplan, aile médiane

Monoplan, aile haute

Monoplan, aile parasol

Biplan
Un avion biplan est muni de deux ailes d'envergure la plus souvent égale, placées l'une au-dessus de l'autre. Cette configuration est la plus répandue aux débuts de l'aviation.
En effet, aux débuts de l'aviation, les moteurs sont lourds, peu puissants et la vitesse de vol faible ; il fallait donc une grande surface d'aile pour assurer la portance, ce qui a conduit à réaliser des avions à plusieurs ailes, construites dans des matériaux très légers (tissu, bois, etc.), superposées et reliées entre elles par des mâts et des haubans.
À partir des années 1930 et surtout dès la Seconde Guerre mondiale, la plupart des avions sont devenus monoplans pour atteindre des vitesses plus élevées.

Le sesquiplan (littéralement un et demi en latin) est un biplan dont l'aile basse est d'une surface inférieure à la moitié de celle de l'aile haute.
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.

Le sesquiplan inversé est quant à lui un biplan dont l'aile haute est d'une surface inférieure de moitié à celle de l'aile basse ; mis à part quelques aéronefs comme le Fiat CR.1, cette configuration n'a quasiment pas été utilisée.

Biplan

Sesquiplan

Sesquiplan inversé

Multiplan
Pour augmenter la portance des ailes sans trop augmenter leur envergure et la masse de l'aile, des avions multiplans (triplan, quadriplan, voire plus) voient également le jour au début du XXe siècle. Les avions de plus de trois plans demeurent peu nombreux dans l'histoire de l'aviation, se révélant finalement moins performants que des biplans. Aucun avion ayant plus de quatre ailes n'a jamais volé avec succès.
Des triplans tels que le Fokker Dr.I du Baron rouge, ont également été conçus au cours de la Première Guerre mondiale, non pas pour augmenter leur surface portante, mais pour diminuer leur envergure et augmenter leur maniabilité; ils ont été remplacés par des biplans plus performants.

Triplan

Quadriplan

Multiplan

Allongement
L'allongement d'une aile est le rapport entre le carré de l'envergure et la surface projetée de l'aile.
Intuitivement, un allongement élevé dénote une aile longue et étroite tandis qu'un allongement faible indique une aile large et plus trapue.

Les avions à faible allongement (aile trapèze ou delta par exemple) sont plus efficaces structurellement, plus maniables et ont des profils plus fins, mieux adaptés au vol supersonique ; 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 avions à allongement élevé sont aérodynamiquement plus efficaces car ils ont moins de traînée induite par la portance ; ce sont ainsi généralement des avions subsoniques ou des planeurs.

Allongement faible

Allongement modéré

Allongement élevé

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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 avions ne dépassant pas Mach 0,6. En revanche, une aile en flèche (angle de flèche positif) permet de réduire la traînée de compressibilité d'un avion volant à plus de Mach 0,7, ce qui explique que la plupart des avions militaires comme civils adoptent aujourd'hui cette configuration.

Généralement, l'angle est d'autant plus important que le nombre de mach est élevé, de manière à diminuer la traînée d'onde. Particularité des ailes en flèche, les aile en flèche inversée (angle de flèche négatif) peuvent apporter une maniabilité accrue et permettre une implantation des ailes sur le fuselage plus reculée, 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 avions à géométrie variable peuvent faire varier la flèche de leur voilure en cours de vol pour tirer profit des avantages offerts par les ailes droites et les ailes delta.

L'aile oblique (testée sur l'avion expérimental NASA AD-1) est un type particulier d'aile à géométrie variable articulée sur un unique pivot central ; lorsque l'aile pivote, son angle de flèche est négatif sur une aile et positif sur l'autre. L'aile oblique présente entre autres l'avantage de réduire la traînée d'onde.

Droite

En flèche

En flèche inversée

Géométrie variable

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. 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.

Aile « croissant »

Aile en M

Aile en W

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Variation de la corde
On parle d'aile à corde constante lorsque le bord d'attaque et le bord de fuite sont parallèles. D'une conception simple, l'aile à corde constante est plus fréquente sur les avions légers, pour des raisons de coût de fabrication. La corde d'une aile peut varier sur son envergure, pour des raisons structurelles comme aérodynamiques.

Une aile elliptique a théoriquement, si sa répartition de portance en envergure est elliptique, une traînée induite minimale aux vitesses subsoniques.
Cette configuration peut augmenter la finesse de l'aile. Le Supermarine Spitfire est le plus célèbre des aéronefs à aile elliptique.

L'aile effilée, structurellement et aérodynamiquement plus efficace qu'une aile à corde constante, et plus facile à fabriquer que l'aile elliptique, est en fait la configuration la plus répandue.
Un léger vrillage permet d'obtenir une répartition de portance elliptique, et sa corde à l'emplanture étant plus grande que celle de l'aile elliptique, les contraintes de flexion sont plus faibles, permettant ainsi de diminuer la masse de la structure et de gagner en traînée aérodynamique.

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. 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 qui peut utiliser des profils très fins adaptés aux vitesses supersoniques ; cette disposition peut améliorer la furtivité de l'avion. Le Lockheed Martin F-22 Raptor utilise cette aile.

Corde constante

Elliptique

Effilée

Effilée inverse

Effilée complexe

Trapézoïdale

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 extrémités seulement par exemple), comme sur les avions légers Jodel.

Un léger dièdre effectif positif (différent du dièdre simple car il intègre la flèche et la position verticale de l'aile)  est nécessaire à la stabilité combinée en roulis-lacet des avions ;
un dièdre négatif (généralement sur des avions à ailes hautes) permet d'éviter un excès de stabilité spirale et ainsi de conserver un comportement en vol classique.
Les avions à aile haute comme l'Alpha jet, le bombardier (Boeing B-52 Stratofortress) et les avions militaires de transport (Airbus A400M) ont souvent un dièdre négatif.

Dièdre positif

Dièdre négatif

Biplan à aile inférieure à dièdre positif