Avions à aile haute et à aile basse (avantages, inconvénients et principales différences) – Airplane Academy

Les distinctions entre les avions à aile haute et à aile basse sont, visuellement, évidentes. Les avions à aile haute placent l’aile au-dessus du fuselage, le corps principal de l’avion, tandis que les avions à aile basse placent l’aile sous le fuselage.

Les deux configurations présentent des avantages et des inconvénients et la sélection de l’une ou l’autre configuration est un choix fait par les équipes d’ingénieurs qui construisent l’avion très tôt dans le processus de conception afin de satisfaire aux exigences de performance requises pour l’avion. Quelles sont les différences entre les avions à aile haute et à aile basse ?

Chaque configuration d’aile est bénéfique à sa manière pour la formation, les performances, la maintenance et l’utilisation quotidienne. Les avions à aile haute sont généralement moins aérodynamiques, légèrement plus faciles à former pour le nouveau pilote et plus faciles d’accès pour la maintenance de routine que les avions à aile basse.

Parce qu’il n’y a pas de « bonne » réponse, comparer des conceptions à aile haute à des conceptions à aile basse est fondamentalement une expression de l’équilibre des besoins du pilote ou de l’opérateur. Il y a de nombreuses implications dans le choix d’un avion à aile haute ou basse, et il est donc important de réfléchir à toutes ces implications pour décider ce qui est le mieux pour votre situation.

Aérodynamique

La configuration de l’avion est initialement axée sur l’aérodynamique. L’emplacement, la taille et la forme de l’aile, de la queue et du fuselage déterminent les caractéristiques fondamentales de maniabilité de l’avion. Pour les avions à ailes hautes et basses, des différences majeures se produiront dans les régimes suivants : stabilité latérale (roulis), caractéristiques de maniabilité à basse vitesse et performances générales de l’avion (vitesse de croisière, distances de décollage et d’atterrissage, etc.)

A titre d’exercice de réflexion, considérez deux conceptions de tricycle avec le même poids, la même longueur, la même forme d’aile, le même profil aérodynamique, la même queue et le même moteur, l’une avec l’aile au-dessus du fuselage et l’autre avec l’aile au-dessous du fuselage.

Caractéristiques de roulis

Envisagez d’abord la stabilité latérale, ou caractéristiques de roulis. Pour l’avion à aile haute, le centre de gravité se trouve sous l’aile,ce qui signifie que le fuselage de l’avion agit comme un pendule pour augmenter la stabilité en roulis par rapport à l’avion à aile basse, dont le centre de gravité est équilibré au-dessus de l’aile.

Pour l’avion à aile haute, il y aura relativement moins de tendance à entrer dans une descente en spirale instable, mais les forces d’aileron seront plus élevéespour compléter une manœuvre de roulement.

C’est un effet souhaitable pour les avions destinés à voler dans des conditions de vol aux instruments pendant de longues périodes avec une faible charge de travail du pilote. Cependant, cette tendance est un inconvénient pour l’avion de spectacle anaérobatique conçu pour des taux de roulis élevés et des manœuvres de roulis rapides, et peut conduire à une sensation de « lourdeur » dans les ailerons pour les avions de croisière plus typiques.

Caractéristiques d’atterrissage

Considérez ensuite les caractéristiques de maniabilité à basse vitesse,en particulier les caractéristiques d’atterrissage et de décrochage. Lors de l’arrondi d’atterrissage, l’avion à aile basse entrera dans les effets de sol légèrement avant l’avion à aile haute et connaîtra une plus grande réduction de la traînée pour la même hauteur au-dessus du sol.

L’effet de sol plus important pendant l’arrondi fera que l’avion à aile basse « flottera » plus facilement que l’avion à aile haute, une caractéristique qui, lorsqu’elle est utilisée avec habileté, permet d’adoucir le toucher des roues. Mais ce même effet de sol peut encourager le ballonnement pendant l’arrondi,et peut rendre les atterrissages précis plus difficiles à accomplir.

L’avion à aile haute subira toujours l’effet de sol,mais parce que l’aile est plusieurs pieds plus loin de la piste, l’effet total sur l’avion est grandement réduit, car l’effet de sol diminue exponentiellement avec la différence de la surface de la piste. L’avion à aile haute peut donc être capable de distances d’atterrissage plus courtes,car il « perfore » plus facilement l’effet de sol.

Caractéristiques de décrochage

Les caractéristiques de décrochage sont également préoccupantes dans le régime de maniabilité à faible vitesse. En supposant que la queue shorizontale de l’avion est montée au bas du fuselage ou près de celui-ci, la turbulence de l’avion à aile haute à des angles d’attaque élevés peut être plus susceptible d’interférer avec la queue de l’avion. Cette interférence de sillage dépend de la position des volets et d’un certain nombre d’autres facteurs de conception ; toutefois, on peut supposer deux effets principaux.

L’avion à aile haute est plus susceptible de rencontrer un fort effet de sillage près du décrochage dissuadant le pilote de ralentir davantage. L’interférence de l’aile avec la queue peut diminuer l’efficacité de la gouverne de profondeur en raison de l’effet de « downwash ».

L’effet downwash, dans les avions de série, dépend fortement des critères de conception spécifiques, mais en fin de compte, cet effet réduit l’angle d’attaque de l’empennage horizontal, réduisant l’efficacité de la gouverne de profondeur.

Avec un plus fort buffet avant le décrochage et une efficacité réduite de la gouverne de profondeur, l’avion à aile haute présentera des caractéristiques de décrochage en tangage qui à la fois découragent l’entrée en décrochage et augmentent l’effort du pilote nécessaire pour atteindre le décrochage. L’avion à aile basse, au contraire, présentera des caractéristiques de décrochage en tangage qui avertissent moins le pilote de l’imminence du décrochage.

Caractéristiques de croisière

Enfin, les performances de l’avion au décollage, en croisière et à l’atterrissagepeuvent toutes être affectées par l’emplacement de l’aile. Les avions à ailes hautes seront confrontés à une augmentation de la « traînée de profil » et de la « traînée d’interférence », qui affectent particulièrement les performances en croisière.

La traînée de profil est la traînée résultant du simple impact de l’air sur l’avant de l’aéronef, et la traînée d’interférence est la traînée résultant de l’interaction du flux d’air avec les différents coins, recoins et fentes présents sur un aéronef.

Considérez l’emplacement du train d’atterrissage sur l’avion à aile basseexemple ; il est fixé directement à l’aile avec un minimum de structure supplémentaire ou de carénages nécessaires pour créer une forme aérodynamique efficace. En revanche, l’avion à aile haute fixera le train d’atterrissage soit à l’aile, ce qui est lourd et structurellement douteux, soit au fuselage.

Dans l’un ou l’autre choix de conception du train d’atterrissage, l’avion à aile haute aura plus de « trucs » accrochés à l’avion par rapport à l’avion à aile basse. Si l’avion à aile haute nécessite également une jambe de force pour renforcer l’aile, il devient évident que l’avion à aile haute crée plus de traînée de profil et d’interférence par rapport à l’avion à aile basse.

Le profil de traînée plus faible de l’aéronef à aile basse donne de meilleures performances de croisière par rapport à la conception de l’aile haute ; il en résulte des vitesses réelles plus élevées et ou des consommations de carburant de croisière plus faibles.

Performances de décollage

Les performances de décollage et d’atterrissage subissent les impacts des problèmes d’effet de sol discutés précédemment. En considérant d’abord le décollage, l’avion à aile basse bénéficiera d’un roulement au sol plus court et d’une distance de franchissement d’obstacles plus courte.

Parce que les tourbillons de pointe seront interrompus dans l’effet de sol pendant un peu plus longtemps, l’avion développe un peu plus de portance et donc une pente de montée légèrement plus forte. Cet effet de sol entraîne des distances d’atterrissage plus longues pour précisément la même raison.

La configuration de l’aile basse entraîne des distances aériennes d’atterrissage plus longues, où la distance aérienne est la distance horizontale parcourue entre 50 pieds au-dessus du toucher des roues et le point de toucher des roues.

Aérodynamique globale

Selon l’expérience de pensée ci-dessus, il semble que les avions à ailes basses détiennent généralement plus d’avantages aérodynamiques que les avions à ailes hautes. Mais il est important de noter que l’exercice ci-dessus ne tient pas compte de l’effet de la configuration d’une roue de queue, ni ne permet l’utilisation de différents profils aérodynamiques, formes d’ailes, etc.

Les aérodynamiciens qui conçoivent les avions du monde réel font des choix qui affectent considérablement la stabilité de l’avion, les caractéristiques de contrôle, les caractéristiques de décrochage, les performances de croisière et les distances de décollage et d’atterrissage.

Les avions du monde réel ne sont généralement comparables les uns par rapport aux autres que de manière holistique, plutôt que d’être comparables par rapport à la position de leur aile. Par conséquent, il y a peu de conclusions absolues à tirer entre les avions de série, mais les concepts de cette expérience de pensée mettent en évidence certaines des considérations en jeu lors du processus de conception initiale d’un nouvel avion.

Flight Training

Les avions à aile haute ou à aile basse sont-ils meilleurs pour la formation initiale des pilotes ? En termes pratiques pour les élèves-pilotes, cela n’a pas d’importance. Les élèves pilotes devraient être plus préoccupés par la localisation d’un instructeur compétent, d’une école de vol de qualité, d’un aéronef bien entretenu qui correspondent à leurs contraintes de budget et de temps.

Comme il est fait allusion dans la conclusion de l’expérience de pensée ci-dessus, les caractéristiques de conception individuelles d’un aéronef spécifique ont des impacts significativement plus dramatiques sur les caractéristiques de vol fondamentales de ce type d’aéronef.

En général, il y a trois questions dont les élèves pilotes doivent être conscients lorsqu’ils comparent les avions à aile haute et à aile basse : L’entrée/sortie, la visibilité et les caractéristiques d’atterrissage.

L’entrée/sortie en aile haute par rapport à l’aile basse

La plupart des aéronefs à aile basse utilisés dans l’environnement de formation au vol comportent une seule porte du côté droit du fuselage. Le plus courant de ces types d’avions sera celui de la famille Piper Cherokee.

L’entrée dans l’avion nécessitera que l’étudiant se glisse sur les sièges avant l’entrée par l’instructeur de vol, si la facilité d’entrée est importante, se serrer entre les sièges et les commandes de vol peut s’avérer difficile.

De plus, il n’y a pas de protection contre la pluie ou le soleil pendant le chargement de l’avion.

Une poignée d’avions de formation à voilure coulissante ou basculante existe également dans la flotte mondiale de formation au vol, les séries Diamond DA40/42 etGrumman American sont de bons exemples de ce type de système d’entrée/sortie à aile basse. Le système de voilure mobile permet à l’instructeur et à l’élève d’entrer dans l’avion de manière indépendante, mais certaines manœuvres et un travail prudent des pieds sont nécessaires pour éviter de piétiner le rembourrage.

Les avions d’entraînement à aile haute courants sont presque universellement la famille d’avions Cessna 172. Ces avions ont des portes gauche et droite pour permettre l’entrée et la sortie des sièges avant et arrière par la gauche ou la droite. De plus, la position haute de l’aile fournit de l’ombre et un abri contre le soleil et la pluie pendant le chargement et le pré-vol.

Visibilité de l’aile haute par rapport à l’aile basse

Une bonne visibilité extérieure est un aspect souvent sous-estimé du choix d’un avion d’entraînement. Un certain nombre de manœuvres de formation exigent que les élèves-pilotes suivent visuellement un point au sol et tous les pilotes devraient constamment scruter le trafic,en particulier lors des manœuvres dans les zones de formation occupées et bondées.

Les avions à aile hauteoffrent l’avantage d’une excellente visibilité vers le bas, ce qui est utile lors de la pratique de l’atterrissage et de la formation aux manœuvres de référence au sol.

En revanche, les avions à aile basse offrent une visibilité vers le haut et vers l’avant moins restreinte, ce qui contribue à simplifier le balayage du trafic. Les pilotes doivent apprendre à compenser les « angles morts » inhérents à la configuration de l’aile haute ou basse qu’ils pilotent.

Caractéristiques d’atterrissage pour les élèves-pilotes en aile haute par rapport à l’aile basse

La différence la plus spectaculaire pour les nouveaux élèves entre les configurations d’aéronefs à aile haute et à aile basse sera vécue lors de l’apprentissage de l’atterrissage. Comme discuté ci-dessus, les avions à ailes basses sont plus enclins à flotter et à ballonner dans l’effet de sol pendant l’arrondi et l’arrondi par rapport aux avions à ailes hautes.

Les pilotes expérimentés peuvent utiliser cet effet à leur avantage, mais les élèves pilotes peuvent trouver plus difficile de devenir compétents dans les techniques d’atterrissage sur terrain court et à performance maximale. Un temps prolongé dans l’attitude d’arrondi peut également rendre les techniques d’atterrissage par vent de travers plus difficiles à maîtriser, car l’exposition supplémentaire à des vents et des vitesses d’air changeants exige une finesse supplémentaire au toucher.

Cette tendance à flotter dans l’arrondi nécessite un contrôle précis de la vitesse pour s’assurer que l’avion se stabilise dans l’effet de sol et se pose au point prévu. Les avions à aile haute, en revanche, se stabilisent plus facilement pendant l’arrondi d’atterrissage, mais cela présente le risque que lesapproches à une vitesse trop faible ne bénéficient pas du « coussin » d’effet de sol pour sauver un atterrissage dur.

L’avion à aile haute dispose également d’une marge supplémentaire pour utiliser l’angle de banc pendant les approches par vent de travers afin de gérer la dérive de la piste lors d’une approche glissante à l’atterrissage. Les configurations d’aéronefs à ailes hautes et à ailes basses présentent toutes deux des défis uniques, mais aucune n’est intrinsèquement plus facile ou plus difficile à apprendre à piloter.

Voler au quotidien

Peut-être que les aspects les plus conséquents de la comparaison entre les aéronefs à ailes basses et à ailes hautes concernent les questions de tâches de routine quotidiennes et normales. Le pré-vol, le post-vol, le chargement, le déchargement, la taille de la cabine, les installations d’exploitation, etc. sont autant d’aspects de la « vie avec » un avion à ailes hautes ou basses. Lesquels de ces aspects sont positifs ou négatifs dépendent de l’utilisation primaire de l’aéronef, et donc, encore une fois, il n’y a pas une seule bonne réponse pour tous les pilotes.

Processus de pré-vol et de post-vol

Le processus de pré-vol et de post-vol est généralementcomparable, indépendamment de l’endroit où l’aile est montée. Les pilotes vérifient que les différents composants de l’avion ne sont pas endommagés, que le moteur, les circuits de carburant et d’huile sont en bon état de marche et qu’il n’y a pas de signes évidents de dommages. L’emplacement de l’aile complique ou simplifie certaines de ces tâches.

Les différences les plus évidentes dans le pré-vol et le post-vol pour les aéronefs à ailes hautes et basses sont ; le puisage du carburant pour vérifier la présence de contaminants, l’inspection du train d’atterrissage et l’inspection des volets et des ailerons.

Les avions à aile haute ont l’avantage de permettre au pilote de marcher sous l’aile dans un confort relatif pour accéder aux vidanges de carburant, aux charnières et aux actionneurs des volets et des ailerons, et au train d’atterrissage. Les avions à aile basse obligent les pilotes à s’accroupir, voire à ramper sous l’avion afin d’examiner ces composants.

Pour certains pilotes, la difficulté supplémentaire à effectuer ces actions avant le vol signifie qu’une attention insuffisante peut être appliquée à l’examen de l’aéronef en vol, intentionnellement ou non.

Chargement des passagers

Ayant abordé précédemment l’entrée et la sortie des aéronefs à voilure haute et à voilure basse dans l’environnement de formation, il convient d’examiner leprocessus de chargement des passagers et du fret des aéronefs à voilure haute et à voilure basse.

Les avions à aile haute dotés de portes cargo arrière ont tendance à placer la porte près ou même sous le bord de fuite de l’aile ; cela peut rendre le chargement de cargaisons volumineuses ou lourdes plus difficile par rapport à un avion à aile basse où le bord de fuite de l’aile n’interfère pas avec le chargement des cargaisons.

De bons exemples de cette situation sont le Beechcraft A36/G36 et leCessna 206. Les deux avions offrent des cargodromes pour le chargement arrière et l’accès aux passagers, mais le Beech Bonanza à aile basse a l’avantage d’un accès plus facile au chargement.

Espace cabine

L’espace cabine peut également être affecté par l’emplacement de l’aile. Pour poursuivre la comparaison entre le A36/G36 Bonanza et le 206 Stationair, le Bonanza a un espace plus restreint pour la tête et les épaules en raison du fuselage supérieur effilé, tandis que le Stationair conserve un fuselage supérieur carré en raison de la configuration de l’aile haute.

Selon la mission prévue de l’avion, l’une ou l’autre configuration peut servir aussi bien, mais c’est un facteur à prendre en compte pour comparer les deux avions.

Si le volume intérieur brut est critique, les proportions quadrillées de nombreux avions à aile haute, par exemple le Cessna 208B Caravan,maximisent l’efficacité volumétrique. Mais si la vitesse brute est un objectif de conception ou de mission plus précieux, les lignes étroites et finement ajustées des avions de la série Piper M600 peuvent être plus appropriées, malgré un volume intérieur réduit.

Encore une fois, la mission ultime de l’avion a un impact sur les exigences de volume de la cabine, et donc biaise pour ou contre une configuration à aile haute ou basse selon les exigences de la mission.

Conditions d’exploitation

Les conditions d’exploitation et les installations jouent également un rôle en biaisant les avantages et les inconvénients des avions à aile haute et basse. La condition d’exploitation la plus courante et peut-être reconnaissable qui pousse à préférer l’aile haute est le vol sur piste courte dans l’arrière-pays.

Il semble que tous les modèles optimisés pour l’arrière-pays soient des avions de queue à aile haute qui privilégient une forte visibilité vers le bas et de grands dégagements pour les hélices. Les avions à aile haute ont aussi l’avantage d’éloigner l’aile des pneus qui peuvent projeter de la boue, des pierres et des graviers sur les ailes en tissu et la peinture.

Pour contraster les avantages de terrain court et mou des avions à haute aile, les avions à aile basse dans le monde de l’aviation d’affaires dominent. Les avantages structurels de la disposition des ailes basses servent à maximiser le volume et le confort de la cabine dans les avions d’affaires.

Pour les avions d’affaires, de nombreux systèmes de l’avion sont acheminés sous le plancher de la cabine ou à l’extérieur de la cuve sous pression afin de maximiser le volume disponible de la cabine. De plus, la configuration de l’aile basse fait que les moteurs sont situés à l’arrière du fuselage, ce qui réduit le risque d’ingestion de débris de corps étrangers. Toutes ces considérations de conception aident à maximiser le confort des passagers, le but ultime pour les avions d’affaires.

Maintenance

Les actions de maintenance normales pour les avions à aile haute et à aile basse sont, en grande partie, similaires, en particulier dans le domaine des petits avions d’aviation générale à moteur à piston. La plupart des activités d’entretien se concentrent sur le moteur et les composants électriques situés à l’avant de la cloison pare-feu ou à l’intérieur du tableau de bord. Dans ces deux cas, l’emplacement de l’aile a peu d’importance. Mais lorsque la maintenance de systèmes plus importants devient nécessaire, il peut y avoir des différences pratiques entre les avions à ailes basses et à ailes hautes.

Les différences dans la difficulté de la maintenance sont en fin de compte fonction du type de maintenance à effectuer et du type d’accès nécessaire.

Les tâches de maintenance nécessitant un accès au dessous de l’aile seront moins difficiles et sensiblement plus faciles sur un avion à aile haute. Mais les tâches qui nécessitent de soulever l’avion de ses roues donnent lieu à un équipement sensiblement plus lourd et encombrant pour entretenir le même avion à aile haute.

L’accès aux systèmes de l’aile est souvent réalisé depuis le dessous de l’aile, ainsi les actions de maintenance associées à ces systèmes sont déterminantes pour l’avantage ou le désavantage relatif d’un avion à aile haute ou basse. De même, le train d’atterrissage rétractable ou fixe ajoute une autre variable à l’équation de l’entretien qui peut favoriser ou défavoriser une configuration d’avion à aile haute ou basse.

Pour les futurs propriétaires ou exploitants, une discussion approfondie des diverses considérations d’entretien spécifiques à un type d’avion sera plus pertinente que l’emplacement de l’aile elle-même. Si un mécanicien de confiance ne dispose pas de l’équipement de levage pour entretenir le système de train rétractable des produits Cessna à aile haute, un avion à aile basse tout aussi performant peut être plus intéressant à l’achat.

L’entretien est un aspect fondamental de la propriété et de l’exploitation d’un aéronef, et si la configuration de l’aile basse ou de l’aile haute est un déterminant majeur de la difficulté des actions d’entretien régulier pour un type d’aéronef spécifique, une forte considération devrait être accordée à l’adéquation de l’aéronef pour les missions souhaitées ou requises, de peur que cette exigence d’entretien ne devienne un défi pour la sécurité du vol.

Qu’est-ce qui est mieux, l’aile haute ou l’aile basse ?

En bref, aucune configuration d’aéronef n’est fondamentalement meilleure que l’autre. Les avantages ou inconvénients relatifs des aéronefs à aile haute et à aile basse existent en fonction des exigences du propriétaire ou de l’exploitant, et de la tâche principale pour laquelle l’aéronef est utilisé.

Ceci est confirmé par l’examen de la composition des diverses flottes d’avions utilisées dans différentes parties du monde de l’aviation.

Les compagnies aériennes se sont largement standardisées sur des avions à aile basse avec des moteurs élancés sous l’aile ; les avions d’affaires sont presque universellement de conception à aile basse avec des turbofans montés sur le fuselage arrière, ou des turbopropulseurs montés sur les ailes ; le monde de l’aviation générale est un mélange d’avions à aile basse et à aile haute, les conceptions à aile haute instantanément reconnaissables de Cessna étant aussi prolifiques que les produits à aile basse de n’importe quel autre constructeur unique.

Dans chacune de ces flottes, les dictats opérationnels ont orienté les choix de conception et les décisions d’achat, les compagnies aériennes se standardisant aux exigences d’infrastructure des opérations des transporteurs aériens et l’aviation d’affaires profitant du confort des passagers et des avantages de conception des systèmes des avions à ailes basses, et la flotte d’aviation générale exprimant des exigences plus individuelles de chaque propriétaire et opérateur.

L’arrière-pays de l’Alaska et de l’Idaho est dominé par les Piperet Cessna à haute aile à dragueurs de queue, tandis que les FBO du sud de la Floride sont plus susceptibles d’abriter d’élégants Cirrus et Mooney à aile basse et des produits Beechcraft.

De même, les principaux organismes de formation de pilotes aux États-Unis reflètent l’inertie organisationnelle à préférer et les relations établies entre l’organisme de formation et les différents fabricantsplutôt que des caractéristiques intrinsèquement supérieures d’ailes hautes ou basses.

La conception aérodynamique et les exigences de performance pour des avions spécifiques ont des impacts plus importants sur les différences globales entre les conceptions d’ailes hautes et basses. Les concepteurs tentent de produire des caractéristiques spécifiques pour chaque modèle pour la vitesse, la manipulation, la charge utile, le volume intérieur et plus encore, en tant que tel l’emplacement de l’aile est moins critique que les formes aérodynamiques effectives et la sélection du système de propulsion.

Les avantages et les inconvénients des avions à aile haute et basse existent en relation avec les capacités de performance plus larges et les considérations pratiques pertinentes de la tâche principale de l’avion. Par conséquent, les meilleures caractéristiques des aéronefs à aile haute ou à aile basse sont le reflet de la mission spécifique de l’aéronef.