Winglet (eng. « winglet » – une ailette) est une forme aérodynamique spéciale au bout de l’aile conçue pour réduire la traînée induite formée par les tourbillons marginaux.
Pour comprendre le principe de fonctionnement des winglets, il faut se concentrer sur certaines notions de l’aérodynamique. Il est de notoriété que la force totale de la traînée aérodynamique de l’aile se compose de trois éléments:
- force de traînée qui est déterminée par la forme et l’épaisseur du profil de l’aile en cas de l’angle d’attaque fixe et de la vitesse fixe du vent relatif;
- force de frottement qui est déterminée par la rugosité superficielle du profil;
- traînée induite dont nous parlerons plus en détail ci-après.
La traînée induite apparaît lorsque l’air passe de la zone de surpression sur l’intrados à la zone de dépression sur l’extrados (fig.1) en contournant l’extrémité de l’aile. Puisque l’aile se trouve dans le flux d’air, cet écoulement induit de petits tourbillons et la déviation supplémentaire des filets d’air. La formation de tourbillons et la diminution de leur importance nécessitent de l’énergie et, par conséquent, cela provoque la réduction de la puissance effective. La déviation des filets d’air sur le profil causée par des tourbillons, diminue la portance. Par suite, l’aéronef doit surmonter la trainée supplémentaire pour avancer.
Fig. 1. Formation de tourbillons
Il est considéré qu’en raison de la variation et de la différence de la pression, environ 5% de surface alaire, surtout celle aux extrémités, fonctionnent inefficacement sans winglets ce qui équivaut à la diminution de l’envergure effective de l’aile.
Ainsi, il devient nécessaire d’éliminer ou, au moins, de pallier l’effet de cet écoulement nocif des filets d’air. L’une des solutions à ce problème réside dans les winglets qui représentent des ailettes aérodynamiques situées aux bouts des ailes et spécialement conçues pour constituer un obstacle mécanique ou aérodynamique à la formation de tourbillons (fig. 2).
Fig. 2. Représentation schématique de l’intensité de la formation de tourbillons sur une aile sans winglets et sur une aile avec winglets.
Les évaluations de l’efficacité de l’utilisation des winglets sur les avions de ligne ont montré la réduction de la consommation de carburant de 1,5 à 7,0 %.
Pourquoi nous faisons référence à l’utilisation des winglets sur les ailes? Nous aurions du parler d’hélices…Tout est simple: les pales d’une hélice sont aussi les ailes à une seule différence qu’elles tournent, mais les lois de l’aérodynamique sont toujours les mêmes.
La figure 3 représente de différentes formes de bouts d’aile. De nombreux essais ont confirmé que la forme la plus efficace est la combinaison des bouts d’aile appelés «winglets» et «raked wingtip» (fig.3).
Fig. 3. Différentes formes de bouts d’aile
La particularité des hélices DTpropeller et leur différence avec les hélices des autres fabricants est la présence des bouts d’aile aérodynamiques de forme complexe (fig.4).
Fig. 4. Bouts d’aile conçus par Dtpropeller.
Pour évaluer l’efficacité du fonctionnement des winglets nous avons mené une vaste série d’essais comparatifs sur deux hélices strictement identiques (diamètre, angle d’attaque, forme et profile de la pale) à part la présence/absence des winglets sur le bout de la pale.
Les essais ont été effectués sur deux hélices carbone 2-pales à pas fixe de 125 cm sur le moteur Moster 185, réduction 1/2,68. Plusieurs tests ont été menés pendant quelques jours et dans différentes conditions météorologiques en changeant l’ordre de l’installation des hélices. Pour minimiser l’inexactitude de mesure l’intervalle de temps entre les essais n’a pas dépassé 20 minutes. Par suite, il est juste d’affirmer que les résultats cités ci-après ont été obtenus dans des conditions identiques: même moteur, pression atmosphérique, température de l’air, humidité atmosphérique et vitesse du vent.
Comme il a été mentionné précédemment, les pales des deux hélices ont eu le même angle d’attaque permettant au moteur d’atteindre 8300 tours/min, régime maximum déclaré par le fabricant. Avec l’hélice sans winglets le moteur a atteint le régime maximum de 8300 tours/minute et la poussée statique a été de 74-75 kg. Ensuite, sur le même moteur on a installé l’hélice avec les winglets. Les tours/minute du moteur ont été au niveau de 8500 et la poussée statique a augmenté de 2-3 kg. L’augmentation des tours/minute du moteur avec l’hélice avec winglets prouve la capacité de ceux-ci de diminuer la traînée et de récupérer une partie de l’énergie du tourbillon et, par conséquent, augmente l’efficacité du moteur. En d’autres mots, les pales avec winglets ont la traînée plus basse et , corollairement, l’aérodynamique plus performante.
Afin d’étudier le rendement des winglets nous avons mené une nouvelle série d’essais. Les données obtenues prouvent que, sur le même régime et dans les mêmes conditions météorologiques, le moteur équipée de l’hélice avec les winglets a une poussée statique plus grande par comparaison avec une hélice sans winglets. Les tests ont été effectués sur deux hélices 2-pales carbone à pas fixe de 125 cm sur le moteur Moster 185, réduction 1/2,68. L’hélice sans winglets avait le même angle d’attaque que celui pendant la première série de tests et permettait au moteur d’atteindre la vitesse de rotation de 8300 tours/min, régime maximum déclaré par le fabricant. L’hélice avec winglets a eu l’angle d’attaque plus grande de 1 degré pour que le moteur ne dépasse pas le régime maximum de 8300 tours/minute. L’intervalle de temps entre les essais n’était pas supérieur à 20 minutes. Avec l’hélice sans winglets le moteur a atteint le régime maximum de 8300 tours/minute et la poussée statique a été de 74-75 kg. Avec l’hélice équipée de winglets sur la même vitesse de rotation du moteur, la poussée statique a été de 76-77 kg.
L’autre effet positif de l’utilisation de winglets est la réduction de la nuisance sonore ce qui s’explique par diminution de la formation de tourbillons marginaux. Avec la vitesse de rotation de l’hélice de 2140 tours/minute (ou bien 5700-6000 tours/minute sur le moteur) le niveau de bruit généré par l’hélice avec winglets de 125-130 cm en diamètre est plus bas, en moyenne, de 2 dB par comparaison avec l’hélice du même diamètre, mais sans winglet (vidéo du test: https://www.youtube.com/watch?v=Fawof1QqjMA ).
Les essais effectués ont prouvé l’efficacité des bouts d’aile projetés par nous. Actuellement, les pales des hélices carbone de chez DTpropeller sont équipées de winglets nonobstant que la production des pales avec winglets est à forte intensité de main-d’œuvre et à des coûts de fabrication plus élevés.
