Pourquoi les avions ont-ils des ailes courbées ?

Une aile d’avion n’est pas seulement une plaque destinée à soutenir la structure de l’appareil : sa section transversale est soigneusement profilée pour agir sur l’écoulement de l’air. Elle est souvent plus bombée sur sa face supérieure, appelée extrados, que sur sa face inférieure, l’intrados. Cette courbure modifie la vitesse et la pression de l’air autour de l’aile et contribue ainsi à la portance, c’est-à-dire à la force qui s’oppose au poids de l’avion. Elle n’est toutefois qu’un des éléments du vol : l’angle d’attaque, la vitesse et la forme générale de l’aile jouent également un rôle important.

Une différence de pression autour du profil

Lorsque l’avion avance, l’aile perturbe l’écoulement de l’air. Dans de nombreuses conditions de vol, l’air s’écoule plus rapidement au-dessus de l’aile qu’en dessous. Selon le principe de Bernoulli, cette augmentation de vitesse s’accompagne d’une diminution de la pression statique : la pression est donc généralement plus faible sur l’extrados et plus élevée sous l’intrados. La différence de pression exercée sur l’ensemble de la surface de l’aile produit une force dirigée vers le haut. Il ne faut pas l’expliquer par l’idée selon laquelle les particules d’air passant au-dessus et au-dessous devraient parcourir leur trajet en même temps pour se rejoindre à l’arrière : cette règle du « temps de parcours égal » est fausse et ne décrit pas le fonctionnement réel d’une aile.

L’air est aussi dévié vers le bas

La portance ne se résume pas à une formule sur la pression. Une aile correctement orientée dévie également une partie de l’air vers le bas. Pour modifier ainsi le mouvement de l’air, elle exerce une force sur celui-ci ; en réaction, l’air exerce une force vers le haut sur l’aile. Cette interprétation en termes de quantité de mouvement complète l’explication par les différences de pression, qui résultent elles-mêmes de l’écoulement autour du profil. La courbure de l’aile aide donc à organiser cet écoulement et à obtenir une portance suffisante avec une résistance à l’avancement acceptable.

Le rôle de l’angle d’attaque

La courbure ne suffit pas à elle seule : l’angle d’attaque, c’est-à-dire l’angle entre le profil de l’aile et le vent relatif, est déterminant. Lorsque cet angle augmente dans une plage normale, la portance augmente généralement aussi. Si l’angle devient trop important, l’écoulement peut se décoller de la surface supérieure ; la portance diminue alors fortement, ce qui provoque le décrochage. Un profil courbé peut produire une portance importante avec un angle d’attaque relativement faible. À l’inverse, une aile à profil symétrique peut aussi produire de la portance lorsqu’elle est inclinée par rapport à l’écoulement.

Une forme adaptée à chaque phase du vol

Les avions utilisent parfois des dispositifs mobiles pour modifier temporairement les caractéristiques de leurs ailes. Les volets augmentent notamment la cambrure et, selon leur configuration, la surface efficace de l’aile ; les becs de bord d’attaque contribuent à maintenir l’écoulement attaché lorsque l’avion vole lentement avec un angle d’attaque élevé. Ces dispositifs augmentent la portance pendant le décollage et l’atterrissage, mais ils accroissent aussi la traînée. En croisière, les ingénieurs recherchent au contraire un compromis entre portance, traînée, poids et résistance structurelle. La courbure du profil est donc choisie en fonction de la mission de l’avion et de la vitesse à laquelle il doit voler.