Ailes volantes, jets Coanda et contrôle actif: comment l’Active Flow Control remplace les gouvernes, du modèle 6DoF aux démonstrateurs DEMON et D90.
En résumé
Les avions sans empennage gagnent en traînée et en discrétion, mais ils perdent des marges de stabilité et de contrôle, surtout en lacet. L’active flow control (AFC) vise à réinjecter cette autorité par des jets d’air soufflés au bord de fuite ou près du nez. En exploitant l’effet Coanda, ces jets modifient la circulation autour de l’aile, donc la portance, la traînée et les moments. Le démonstrateur Dihedral-90 (D90-v2), une aile volante de 2,29 m d’envergure pour 36,3 kg, prélève jusqu’à 15 % d’air sur le compresseur pour alimenter des effecteurs Coanda. Les mesures donnent des dérivées comparables à celles de DEMON, avec une sensibilité de portance autour de 20 pour coefficient de soufflage Cµ entre 0,001 et 0,003. La dynamique de pressurisation impose environ 0,055 s de délai. L’enjeu devient alors un problème d’ingénierie système : modéliser, estimer et allouer un contrôle non linéaire dans une boucle robuste. Dans l’enveloppe de vol.
L’enjeu des avions sans empennage
Le gain aérodynamique et discret
Une configuration « tailless » n’est pas un caprice de designer. Une queue verticale et un plan horizontal sont efficaces… mais ils coûtent. Ils ajoutent de la surface mouillée, des raccords, des discontinuités, et donc de la traînée parasite. Ils créent aussi des arêtes et des volumes qui peuvent compliquer la signature radar. Une aile volante bien dessinée promet l’inverse : moins de traînée, moins de masse structurelle dédiée à la queue, et un volume interne qui peut être favorable au carburant ou aux équipements.
Ce raisonnement est particulièrement tentant pour les drones rapides ou les futurs avions de combat où l’on cherche un compromis entre endurance, vitesse et discrétion. Le problème, c’est que l’empennage n’est pas seulement une « pénalité ». C’est un levier de stabilité et d’autorité de commande. Supprimez-le, et vous récupérez une équation plus difficile à résoudre.
Le prix à payer en stabilité et en contrôle
Sans dérive, l’amortissement en lacet et la stabilité directionnelle chutent. Sans plan horizontal, la marge statique en tangage se gère avec des profils, des vrillages, des centrages et des élevons qui se battent en permanence entre portance et trim. À forte incidence, les phénomènes non linéaires (décrochage local, séparation, vortex) arrivent plus tôt et plus brutalement.
Si les surfaces mobiles deviennent un handicap (traînée, signature, complexité), peut-on « piloter » un avion en ne déplaçant rien, en ne faisant que manipuler l’air ?
La logique physique du contrôle actif de l’écoulement
L’idée de base
Le contrôle actif ne cherche pas à vaincre l’aérodynamique. Il la détourne. Au lieu de déformer une gouverne pour imposer une variation d’incidence locale, on injecte de l’énergie dans la couche limite ou dans l’écoulement proche. Objectif : provoquer, retarder ou déplacer une séparation, changer la circulation effective autour d’un bord de fuite, ou générer un effort latéral.
La conséquence est cruciale : l’actionneur n’est plus un servo qui déplace une surface, mais une chaîne « air prélevé → valves → plénums → buses ». Cela transforme un problème de mécanique en problème couplé aérodynamique–pneumatique–commande.
Le rôle de l’effet Coanda
Le principe le plus exploité ici est l’effet Coanda : un jet d’air a tendance à « coller » à une surface courbe adjacente. Si l’on souffle le jet au bon endroit, il suit la courbure et entraîne l’écoulement environnant. On peut ainsi courber le sillage, augmenter la circulation et produire un moment, sans charnière ni volet.
C’est l’idée derrière les effecteurs de type « Coanda surfaces » : une petite fente, une surface arrondie, et un débit piloté. Le résultat se mesure en dérivées aérodynamiques : combien la portance, le moment de tangage, le roulis ou le lacet changent quand on augmente le soufflage.
Le paramètre clé Cµ
Dans ce domaine, on ne parle pas seulement de « débit ». On utilise un paramètre adimensionnel, le coefficient de soufflage Cµ, qui ramène le jet à une fraction de la pression dynamique et d’une surface de référence. C’est ce langage qui permet de comparer des tailles d’avions, des vitesses et des architectures d’effecteurs.
Dans le cas du D90-v2, les simulations et essais rapportés montrent que, pour une plage 0,001 ≤ Cµ ≤ 0,003, la sensibilité de la portance à Cµ est de l’ordre de 20 (adimensionnel), avec des effets notables aussi en moment et en roulis. Dit autrement : de « petits » Cµ peuvent déjà produire des variations mesurables, mais ils doivent être tenus avec précision, et répétés à haute fréquence pour la commande en boucle fermée.
Les effecteurs AFC qui remplacent les gouvernes
La circulation control au bord de fuite
Le cœur du dispositif est une logique de circulation control : souffler près du bord de fuite pour augmenter (ou réduire) la circulation et donc la portance locale. En contrôlant séparément des zones gauche/droite, on crée du roulis ; en combinant des zones avant/arrière (ou des configurations haut/bas), on agit sur le tangage.
Le D90-v2 utilise des effecteurs au bord de fuite de type TECC (Trailing Edge Coanda Control) et des variantes « split ». Ces choix ne sont pas esthétiques : ils influencent la plage d’autorité, la linéarité de la réponse, et la sensibilité aux variations de Mach local et d’incidence.
Le soufflage près de l’apex et les jets latéraux
Sur une aile volante, une partie de la stabilité latérale-directionnelle se joue à l’avant : vortex, séparation, asymétries. Le document décrit aussi des effecteurs proches de l’apex (zone de nez/attaque) qui peuvent influencer l’écoulement global. Sur le papier, cela ouvre une porte : récupérer du contrôle quand les effecteurs arrière saturent, ou quand l’avion approche des zones d’incidence où le bord de fuite n’a plus « prise ».
Mais c’est aussi là que les non-linéarités s’invitent : l’efficacité d’un jet peut changer brutalement selon l’état de séparation. En commande, cela se traduit par des gains variables, donc par une nécessité d’estimation ou d’ordonnancement des lois de commande.
La vectorisation fluidique de poussée
Les démonstrateurs britanniques ont aussi exploré une voie complémentaire : utiliser des jets secondaires pour dévier le panache de propulsion. C’est une façon de générer du lacet ou du tangage même si l’écoulement sur l’aile devient défavorable. Sur MAGMA, cette logique est explicitement présentée comme « fluidic thrust vectoring », testée en parallèle de la circulation control.
Cette approche est séduisante… et elle a une contrepartie évidente : on touche à la propulsion, donc à la thermique, aux marges compresseur, à la perte de poussée disponible et aux contraintes sur la tuyère.
La chaîne de commande de vol quand l’actionneur est de l’air
Le modèle et l’estimation
Un avion se pilote classiquement avec une architecture en boucles imbriquées : boucle de taux (p, q, r), puis boucle d’attitude (φ, θ, ψ), puis boucle de trajectoire. Le document reste dans cet esprit, mais avec une nuance : l’actionneur AFC a sa dynamique propre. La pression dans un plénum ne suit pas instantanément une consigne de valve. Il y a un gain, une constante de temps, et surtout un délai.
Sur le D90-v2, la relation entre la commande de Valve 1 et la pression de plénum est modélisée par une fonction de transfert de premier ordre avec un délai d’environ 0,055 s et une constante de temps d’environ 0,073 s. En aéronautique, 55 ms peut sembler faible. En commande de vol, c’est assez pour dégrader une boucle de taux si l’on ne le compense pas.
L’allocation de commande et ses contraintes
Dès qu’il y a plusieurs effecteurs, la question n’est plus « quel effort produire ? » mais « comment le répartir ? ». C’est le rôle de l’allocation de commande : résoudre un problème sous contraintes (limites de pression, débit max, taux d’ouverture des valves) pour obtenir le roulis, le tangage et le lacet demandés.
La difficulté est double. D’abord, les effecteurs ne sont pas orthogonaux : un TECC peut produire du roulis et du tangage simultanément. Ensuite, l’efficacité dépend de la vitesse et de l’état d’écoulement. Le document propose des matrices de dérivées et des stratégies d’allocation qui restent exploitables en temps réel, tout en reconnaissant ce point clé : l’AFC transforme un avion en système multi-physique, et l’algorithme doit « vivre » avec l’incertitude.
La dynamique d’actionnement et les délais
Avec une gouverne, le délai vient surtout du servo et de l’inertie de surface. Avec l’AFC, il vient des volumes d’air, des pertes de charge, des compressibilités, des valves, et de la source (bleed).
Le D90-v2 fournit une contrainte très concrète : le turboréacteur Hawk 270R ne peut pas donner un bleed illimité. Le document évoque jusqu’à 15 % d’air compresseur disponible, mais précise qu’un prélèvement soutenu au-delà d’environ 10 % peut provoquer une extinction moteur (flameout). C’est une limite « dure ». Elle dicte la stratégie : l’AFC peut être très autoritaire, mais il faut le gérer comme une ressource rare, surtout en manœuvre prolongée.
Les démonstrateurs qui font passer la théorie au banc d’essai
Le cas DEMON
Le démonstrateur DEMON, développé avec BAE Systems et des universités dont Cranfield University, a marqué une étape symbolique : un vol « flapless » autorisé par la UK Civil Aviation Authority en septembre 2010. Les chiffres sont utiles parce qu’ils ramènent la technologie à une échelle réelle : environ 90 kg, 2,5 m d’envergure, et une architecture conçue pour passer d’un contrôle classique à un contrôle fluidique.
Ce qui fait la valeur de DEMON n’est pas une promesse marketing. C’est un fait : la commande par soufflage peut stabiliser et manœuvrer un véhicule complet, en environnement réel, avec ses rafales, ses dispersions et ses incertitudes.
Le cas MAGMA
MAGMA prolonge l’idée avec deux briques : circulation control au bord de fuite et vectorisation fluidique de poussée. Le message est clair : réduire les surfaces mobiles peut réduire la signature et la maintenance, mais la technologie doit démontrer une densité de puissance suffisante. Le discours public de The University of Manchester et de BAE insiste sur des jets à haute énergie, capables de remplacer des volets visibles par des fentes quasi invisibles à distance.
On comprend aussi l’arrière-plan industriel : l’AFC n’est pas seulement une option « furtive ». C’est une option de durabilité de flotte, si elle réduit les pièces mobiles, les inspections, et les pannes mécaniques.
Le cas X-65 dans le programme CRANE
Le passage à l’échelle supérieure est incarné par le programme CRANE de DARPA, avec Aurora Flight Sciences (groupe Boeing) pour construire le X-65. L’ambition affichée est sans détour : démontrer des actionneurs AFC comme moyen principal de contrôle, sur une cellule sans gouvernes externes classiques.
C’est un jalon stratégique, parce qu’il force à résoudre les sujets qui fâchent : robustesse en environnement perturbé, redondance des valves, tolérance aux pannes, et validation de lois de commande sur une enveloppe de vol plus large que celle des petits démonstrateurs.
Les compromis industriels et opérationnels
La pénalité énergétique et le rendement propulsif
Il faut être direct : l’AFC coûte de l’énergie. Prélever du bleed air sur un compresseur réduit l’air disponible pour la chambre de combustion et modifie les marges de fonctionnement moteur. Le document rappelle une réalité brutale sur D90-v2 : le prélèvement doit rester limité pour éviter la panne moteur. Cette contrainte transforme l’AFC en ressource à « budget ». En croisière, on peut être économe. En manœuvre, on peut dépenser vite.
Cela pousse vers des architectures hybrides : AFC pour les phases où la discrétion, la traînée ou la signature comptent le plus, et surfaces minimales (ou micro-surfaces) en secours, ou pour des manœuvres prolongées.
La masse, le volume et la maintenance
On imagine souvent que « sans gouvernes » signifie « plus léger ». Le document nuance. Sur D90-v2, l’annexe dédiée compare un système de gouvernes conventionnelles (servos, tringleries) et un système AFC (valves, plénum, tubulures). Résultat intéressant : l’AFC peut être plus compact en volume total (environ 3,6×10⁻³ m³ contre 8,9×10⁻³ m³), mais légèrement plus lourd (environ 2,18 kg contre 1,71 kg), selon la configuration étudiée.
Ce n’est pas une contradiction. Les gouvernes prennent de la place mais restent relativement simples. L’AFC déplace la complexité vers des composants « système » : tuyauterie, instrumentation, étanchéité, tenue thermique. La maintenance change de nature : moins de charnières, plus de pneumatique et de capteurs.
La certification et la sûreté de fonctionnement
Remplacer une gouverne par un jet, c’est aussi remplacer une panne mécanique par une panne de flux. Une valve coincée, une fuite, un capteur de pression défaillant, une contamination, et l’autorité de commande peut chuter. La certification exigera donc des redondances, des stratégies de reconfiguration, et des démonstrations d’efficacité dégradée.
À cela s’ajoute un point rarement discuté : l’AFC « imprime » un bruit de commande dans l’écoulement (jets pulsés, souffle). Sur un avion militaire, ce n’est pas forcément critique. Sur un avion civil, cela peut devenir un sujet de confort, de fatigue structurelle ou d’environnement.
La trajectoire crédible d’une technologie qui veut remplacer la queue
La promesse de l’AFC sur avion sans empennage est réelle : contrôler sans surfaces mobiles, gagner en intégration et potentiellement en discrétion. Le document montre aussi que la réalité est plus exigeante : on ne remplace pas une gouverne par une idée, mais par une chaîne complète, avec ses délais, ses saturations et ses contraintes moteur. Si l’on veut que ces architectures passent du laboratoire au parc opérationnel, il faudra traiter l’AFC comme un « organe vital » : modélisé, diagnostiqué, redondé, et géré comme une ressource énergétique. À ce prix, l’aile volante cesse d’être un pari esthétique et redevient ce qu’elle a toujours été : une solution d’ingénieur, mais enfin pilotable sans compromis facile.
Sources
- Sai Simon, “Flight Control of Tailless Aircraft with Active Flow Control”, University of Cincinnati, 2025.
- BAE Systems, “DEMON UAV – Flying Without Flaps”.
- BAE Systems, “MAGMA: the future of flight”.
- DARPA, “DARPA Moves Forward on X-65 Technology Demonstrator”.
- Aurora Flight Sciences, “Revolutionary X-Plane Takes Shape” (X-65).
- NATO Science and Technology Organization, AVT-239, “Innovative Control Effectors for Manoeuvring of Air Vehicles”.
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