Grumman X-29A.

 

"" The plane against the hair ""

Historique : La revue PEAM (Planeurs et Avions Magazine) n°11 d'octobre 1984, aux éditions Loisirs Techniques, par Alain Pelletier.

La revue Air Fan, n°77 de mars 1985.

Fiche technique Edito-Service S.A., aux éditions Atlas.

Historique : Vous souvenez-vous de cette curieuse maquette d'avion exposée au Salon du Bourget 1979 sous le nom de ""Forward Swept Wing Technology Demonstrator"" ? Oui, peut-être. Il faut bien dire que cet appareil avait une allure peu commune avec son empennage canard et ses ailes en forme de parapluie  retourné. Il était tellement bizarre qu'à l'époque les médias ne s'en soucièrent guère. Ce n'était rien qu'une élucubration de plus pensait-on.

Trois ans plus tard,l'idée a fait son chemin : elle est devenue réalité...

A l'époque, le Salon du Bourget était pour moi, une parade, j'y allais tous les deux ans. Pour moi s'était facile, ma femme étant d'Aubervilliers, (juste à côté du Bourget).

En 1979, j'ai vu cette maquette du X-29, je l'ai regardé attentivement, mais comme les médias je n'y ais pas fait mon dada. A l'époque je faisais de la photo, du 24 x 36, je n'ais pas voulu user de la pellicule pour le X-29, mon choix étant les aéronefs à l'extérieur et leurs détails... ( il n'y avait pas encore le numérique).

Tous les deux ans au Bourget il y avait du beau à voir, en 1977 une superbe maquette grandeur nature y était, le Mirage F-1, toute transparente où l'on pouvait voir l'intérieur de tout l'ensemble, on ne voit plus cela de nos jours.

Mis sur pieds par la Defense Adanced Research Projets Agency (DARPA), le programme d'avion à aile à flèche inverse (Forward Swept Wing concept ou FSW) a été lancé dès 1977 date à laquelle General Dynamics, Grumman et Rockwell reçurent un contrat pour mener les études préliminaires d'un avion de ce type. A partir de janvier 1981, le programme d'essais débuta au Flight Dynamics Laboraty de l'US Air Force à Wright Patterson (Ohio) et se concrétisa, au mois de décembre suivant, par la sélection du projet présenté par Grumman (1). Un contrat fut alors signé avec le constructeur de Bethpage, contrat qui, pour la somme de 71,3 millions de dollars, prévoyait la construction, les essais au sol et les premiers essais en vol de deux prototypes désignés X-29 (2).

Outre le concept d'aile à flèche inverse, le X-29 devrait servir le banc d'essais pour les cockpits de conception avancée, les tuyères bidimensionnelles, de nouveaux systèmes d'emport d'armement et diverses techniques visant à réduire les vitesses d'atterrissage et de décollage.

(1) General Dynamics avait proposé un dérivé du F-16, appelé SFW/F-16, et Rockwell un avion entièrement nouveau, celui-là même dont la maquette était exposée au Bourget 1979.

(2) Dans le système américain, la lettre X désigne les avions purement expérimentaux. Le précédent dans la série, le X-28, était un petit hydravion monoplace conçu par George Pereira qui fut évalué afin d'être utilisé dans des missions de patrouille fluviale en Asie du Sud-Est.   

Le Grumman X-29. Réalisé à partir d'éléments existants cette cellule reprend une partie avant et un atterrisseur avant de F-5 A et un train principal de F-16. Notez la technologie particulière de la voilure, et les mystérieuses "tuiles" couvrant la voilure, le plan canard et la dérive.

La maquette du Grumman X-29.

Une maquette grandeur avan-projet d'avion à flèche inverse fut présenté au Salon du Bourget en 1979. Cette maquette était proposé par Rockwell et préfigurait le projet de Grumman.

Source des trois photos: La revue PEAM (Planeurs et Avions Magazine), n°11 d'octobre 1984.

"" Un peu d'aérodynamique ""

Avant d'aborder le pourquoi et le comment de l'aile en flèche inverse, peut-être est-il bon de rappeler l'utilité de la flèche. Une aile en flèche est une aile dont le bord d'attaque, au lieu d'être normal à la direction de l'écoulement d'air, est oblique par rapport ç celui-ci. L'intérêt de cette disposition est que, si on décompose le vecteur vitesse de l'écoulement, la composante perpendiculaire au bord d'attaque a une valeur plus faible que celle de l'écoulement (71 % de sa valeur si, par exemple, l'angle de flèche est de 45°). Ceci a pour effet de retarder sensiblement l'apparition du nombre de Mach critique et de diminuer l'augmentation de traînée au passage de la vitesse du son (figure 1).

Mais si l'aile en flèche permet à un avion d'atteindre plus facilement des vitesses transsoniques, elle n'est pas sans présenter un certain nombre d'inconvénients. Ce type d'aile est adapté aux grandes vitesses, il l'est beaucoup moins aux basses (d'où l'intérêt de l'aile à flèche variable). En effet, l'aile en flèche est sujette à des phénomènes de décrochement de la couche limite qui se propagent en commençant par les extrémités. Ceci est dû à la conjugaison des grandes incidences nécessaires aux basses vitesses et de la flèche.

La portance dépend de la vitesse du vent relatif et de l'angle que fait l'aile par rapport à celui-ci. Si cet angle devient trop grand, l'air ne peut plus suivre le contour du profil et la couche limite se détache, créant une zone de fluide mort. Par ailleurs, sur une aile en flèche, la composante de la vitesse dirigée dans le le sens de l'aile à pour effet de dévier l'écoulement vers les extrémités (figure 1). Il s'ensuit que sur ce type d'aile le décrochage commence par les extrémités, là où se trouvent les ailerons qui, dans ces conditions, deviennent inopérants.

Ces inconvénients, on le comprend aisément, sont importants. Pour les surmonter, on peut essayer de retarder l'apparition du phénomène, et c'est ce que les aérodynamiciens ont essayé de faire depuis longtemps en travaillant sur la forme des profils ou en imaginant des dispositifs adéquats (fentes de soufflage des ailerons, générateurs de vortex). On peut déplacer des ailerons en les rapprochant de l'axe-avion, mais cela se traduit par une perte d'efficacité car le moment de roulis devient faible.

On peut enfin déplacer la zone d'apparition du phénomène afin que les surfaces de contrôle n'en soient pas les premières victimes. Et c'est tout l'intérêt de l'aile à flèche inverse.

Pourquoi ne pas y avoir songé plus tôt, direz-vous ? Tout simplement parce que ce type d'aile présente une difficulté technique qui, jusqu'à présent, en interdisait purement et simplement la réalisation. Mais revenons aux avantages de la formule.

En premier lieu, ce que nous avons dit pour l'écoulement de l'air sur une aile en flèche classique s'applique également à une aile en flèche inverse, mais à l'envers. En effet, si on décompose le vecteur vitesse, la composante parallèle au bord d'attaque est désormais dirigée vers l'axe de avion (figure 2), et donc l'écoulement général est dévié de la même façon. Ainsi, si décrochage de la couche limite il y a, celui-ci commencera à l'emplanture de l'aile.   

Figures 1 et 2.

Le prototype du Grumman X-29A, sortant de l'atelier de Bethpage : la cellule n'a pas encore reçu son propulseur. Remarquez les mystérieuses "tuiles" couvrant la voilure, le plan canard et la dérive; celles-ci semblent destinées à maintenir les revêtements en composite durant l'assemblage.

Source des deux photos: La revue PEAM (Planeurs et Avions Magazine) n°11 d'octobre 1984.

Les ailerons demeureront donc plus longtemps dans l'écoulement ce qui assurera un meilleur contrôle en roulis. Mais l'aile en flèche inverse ne présente pas que cet avantage. Il y en a bien d'autre. Le premier, qui pourrait apparaître d'abord comme un inconvénient, est l'obligation de déplacer l'empennage. Du fait de sa configuration, une aile à flèche inverse doit être implantée très en arrière sur le fuselage, de ce fait, on se trouve contraint de placer l'empennage en position dite "canard". Ceci a pour avantage, si l'empennage est suffisamment près de l'aile, de canaliser l'air qui passe au-dessus de la partie de l'aile proche du fuselage. Comme sur toute aile un tourbillon marginal apparaît aux extrémités du canard. Ce tourbillon se propage de l'emplanture de l'air et amène de l'air plus rapide à proximité de la couche limite, ce qui aide à maintenir l'écoulement collé à l'aile et retarde d'autant le décrochage. Un autre avantage de l'aile à flèche inverse réside dans le fait qu'elle amène une meilleure évolution de la section frontale de l'avion qui se traduit par une diminution de la traînée d'onde (loi des aires). Sur un avion classique, pour que cette évolution soit cette douce, on a souvent recours à la fameuse (taille de guêpe) qui est très pénalisante tant au niveau de la charge utile qu'à celui de la capacité en carburant. Un avion à flèche inverse n'a pas besoin d'y avoir recours.

Ce type d'avion présente donc des avantages indéniables par rapport à la formule classique qu'on peut résumer ainsi : meilleure portance, traînée plus faible, meilleur contrôle aux basses vitesses, meilleures répartition des masses et des volumes, meilleures manœuvrabilité et vitesse de décrochage plus faible.

En d'autres termes, du fait de la traînée réduite, il est possible d'utiliser un moteur moins puissant donc moins encombrant, et du fait de ses propriétés aérodynamiques, l'aile peut être plus petite. En somme, pour des performances équivalentes, l'avion peut être plus petit et donc consommer moins de carburant. Sachant que le coût d'un avion est en rapport direct avec son poids, l'avion à voilure à flèche inverse se présente comme une solution à l'escalade des coûts des avions de combat. A cela s'ajoute un avantage strictement militaire : un avion plus petit est plus difficile à déceler, qui ce voit visuellement ou par radar.       

Éclaté ou écorché du Grumman X-29A.

Source: La revue PEAM (Planeurs et Avions Magazine), n°11 d’octobre 1984.

"" Les composites à la rescousse ""

Mais revenons à notre question de départ : pourquoi ne pas y avoir songé plus tôt ? Certes, le concept de la flèche inverse n'est pas nouveau et il a déjà eu quelques applications? qui n'ont valeur que d'anecdotes car les avantages aérodynamiques n'avaient pas été le critère du choix de la formule. Le but alors visé avait été de placer la charge utile au centre de gravité de l'avion (Junkers Ju 287) (sur le sujet voir le blog en date du 27 décembre 2018) ou d'avoir une cabine plus grande (HFB 320 Hansa).En fait, le gros problème qui a retardé jusqu'à maintenant la mise en application de ce concept est lié à la structure, et cela mérite une petite explication.

Prenons d'abord le cas d'un avion à aile droite. En vol, du fait des forces de portance, l'aile est soumise à des efforts de flexion qui la déforment vers le haut (figure 3). Dans le cas d'une aile en flèche classique, l'aile non seulement fléchit mais aussi se vrille du fait de la flèche qui introduit un moment de torsion. L'aile présente son extrados à l'écoulement qui par suite s'oppose à la torsion. L'ensemble s'équilibre (figure 4).

En ce qui concerne une aile à flèche inverse, le phénomène est tout autre. Il y a bien flexion et torsion de l'aile, mais cette fois l'aile se tord de telle manière qu'elle présente son intrados à l'écoulement (figure 5). L'angle d'incidence augmente, ce qui a pour effet d'augmenter la portance qui à son tour augmente la flexion et la torsion de l'aile, et ainsi de suite... La structure n'est plus stable dynamiquement, elle diverge, et cela peut aller jusqu'à la rupture.

La solution, si solution il y a, est d'empêcher la torsion d'aile, autrement dit de raidir celle-ci. Jusqu'à présent, avec les matériaux classiques, cela s'était traduit par une telle augmentation de poids que tous les avantages de la formule étaient annulés. Aujourd'hui, avec les matéraux composites, il en va tout autrement.

C'est le colonel Norris J. Krone Jr qui, pour la première fois, a proposé l'utilisation des composites pour la réalisation d'une aile à flèche inverse. Il s'est aperçu qu'en utilisant des couches de graphite-epoxy d'épaisseurs variées et des fibres convenablement orientées, une aile à flèche inverse pouvait être construite de manière à se gauchir vers le bas et vers le haut, ce qui évite le phénomène de divergence cité plus haut. Ceci a pu être vérifié expérimentalement dans une soufflerie du Langley Research Center sur une maquette à l'échelle 1/2 du X-29.

De plus, l'emploi de matériaux composites, avec leur excellent rapport poids-résistance, va dans le sens d'une réduction supplémentaire du poids de l'avion.

Le prototype du Junkers Ju 287.

Source: La revue Monogram Close-Up I, aux éditions Monogram Aviation Publications 1974.

Le Hamburger Flugzeugbau HFB 320 Jet : Avion de tourisme biréacteur à aile médiane et empennage en T de la société Hamburger Flugzeugbau GmbH (vol inaugural le 21/04/1964); premier jet d'affaires à réaction allemand qui fut construit en série (à partir de 1967 à Hambourg-Finkenwerder). Il se distingue par sa voilure à flèche inversée (15°). Cet avion continua à être produit après le rachat de l'entreprise par Messerschmitt-Boelkow-Blohm (MBB), mais seule quarante-cinq unités furent vendues.

Source : 1 000 avions, aux éditions Terres-Bleues 2007.

Figures 3 - 4 et 5.

Photo du haut : Le X-29A, tel qu'il se présentera revêtu de ses couleurs définitives..... Photo du bas : A la sortie du hall d'assemblage, la cellule sans son propulseur. Remarquez la partie avant issue d'un Northrop F-5A et portant encore les marques de l'US Air Force.

Source des trois photos: La revue PEAM (Planeurs et Avions Magazine), n°11 d'octobre 1984.

"" Description du X-29 ""

Afin de réduire les coûts de développement au minimum, la construction du Grumman X-29 fait appel à un certain nombre de sous-ensembles pré-existants. C'est ainsi que tout l'avant du fuselage, l'atterrisseur avant et le cockpit proviennent d'un Northrop F-5A déstocké pour l'occasion. Les commandes de vol et le train d'atterrissage sont ceux du General-Dynamics F-16 et le réacteur, celui du McDonnell-Douglas F-18.

La partie la plus intéressante de la cellule est bien entendu la voilure. D'une surface de 17,19 m², l'aile présente une flèche au bord d'attaque de 30 degrés; sa finesse est de 4 et son profil supercritique possède une épaisseur relative de 4,9 %. Du point de vue construction, l'aile du X-29 est constituée d'un "squelette" métallique en aluminium sauf pour le longeron avant et les ferrures de fixation qui sont en titane soudé par faisceau d'électrons. Le revêtement est en matériaux composites : 752 lés sont disposés selon un angle de 9° par rapport à l'axe longitudinal de la voilure de manière à avoir des fibres de carbone ininterrompues d'un bout à l'autre.

Dans ses parties les plus épaisses, le revêtement compte jusqu'à 156 couches superposées.

Les surfaces de contrôles sont de trois sortes. Il y a les deux surfaces canards monoblocs dont le débattement est de + 30° et de - 60°. L'aile est équipée sur l'intégralité de son bord de fuite d'élevons à cambrure variable (flaperons) qui font office à la fois d'ailerons et de volets. Enfin, des surfaces horizontale prolongent l'emplanture de l'aile jusqu'à la hauteur de la tuyère du réacteur où elles se terminent par un volet (débattement = +- 30°) que le constructeur appelle "stracke". Par contre, pour des raisons coûts, le X-29 n'est pas équipé de becs automatiques de bords d'attaque.

Les mouvements conjugués de l'ensemble de ces surfaces sont assurés par un système redondant "lly-bywire" géré par un calculateur Honeywell HDP-5301.

"" Caractéristiques du X-29A ""

Type : Avion expérimental.

Moteur : 1 réacteur General Electric F404-GE-400 de 7 250 kgp.

Performances : maximale, sans doute Mach 1,6.

Masse : Maximale au décollage, 8 075 kg.

Dimensions : Envergure, 8,29 m; longueur, 16,44 m.

Armement : Aucun. 

Le "squelette" du X-29. Réalisée à partir d'éléments existants cette cellule reprend une partie avant et un atterrisseur avant de F-5A et un train principal de F-16. Noter la technologie particulière de la voilure.

Source: La revue PEAM (Planeurs et Avions Magazine), n°11 d'octobre 1984.

"" Le premier vol du Grumman X-29A ""

Chuck Sewell, pilote d'essais du X-29.

En décembre 1981, la firme Grumman bénéficia d'un crédit de 80 millions de dollars en vue de réaliser, pour le compte de l'US Air Force, deux exemplaires d'un avion à ailes en flèche inversée qui allait recevoir la désignation de X-29A. Les études concernant ces appareils avaient commencer en janvier 1981, et la construction des cellules débuta en 1982. Le premier X-29A effectua son vol initial depuis Edwards AFB, en Californie, le 14 décembre 1984, et, en mars 1985, l'avion avait subi quatre évaluations en vol. Il fut alors livré à l'US Air Force qui l'employa dans un programme d'expérimentation achevé en décembre 1986. Quant à la seconde phase d'essais, elle a commencé à la fin de l'année 1988 et doit porter sur une soixantaine de vols.

Préludant sans doute à une nouvelle génération d'avions tactiques plus petits, plus légers et moins coûteux que les chasseurs actuels, le X-29A se caractérise par sa voilure en flèche inversée usinée en métal et en matériaux composites. Cette configuration lui confère une maniabilité et une manœuvrabilité très supérieure à celles d'un appareil à ailes en flèche classique. Son fuselage est celui d'un F-5, et certains éléments de son train d'atterrissage ont été empruntés au F-16. Le X-29A dispose également de commandes de vol électriques, de surfaces canards et d'un réacteur à double flux F404-GE-400.

La réalisation de structures composites de grande surface pratiquement indéformables, à elle seule, a permis le lancement du programme d'avion FSW en permettant de créer pour le X-29 une aile en flèche inverse capable de résister aux plus fortes déformations aérodyn,amiques. Grâce à elle, on espère que le X-29 atteindra prochainement une vitesse de Mach 1,6 (près de 1 800 km/h. Pour l'instant, une chose est certaine : le X-29 a volé, et plutôt bien si l'on en croit les propos de son pilote d'essais Chuck Sewell.

"" Les palmarès et postérité des deux prototypes ""

En 1986 le premier X-29 (serial 82-0003) est retiré du service après 242 vols, tandis que le (82-0049) continua a participé aux essais jusqu'en 1991.

Le premier X-29 'serial 82-0003) est actuellement exposé dans le hall "R et D" du National Museum de l'US Air Force sur la base aérienne de Wright-Patterson, tandis que le (82-0049) est quant à lui visible au Dryden Flight Research Center sur la base Edwards. Une maquette taille réelle a aussi été cédée au National Air et Espace Museum de la Smithsonian Institution à Washington. 

Le prototype numéro un du Grumman X-29 se présente à l'atterrissage à Edwards. On aperçoit bien la base de la dérive la longue prise d'air pour le refroidissement de l'étage arrière du turboréacteur General Electric F404-GE-400 de 4 tonnes de poussée à sec et de 7 tonnes avec réchauffe. On devine, en avant de l'aile et à l'arrière des entrées d'air, les surfaces canards mobiles de grande surface. Durant son premier vol du 14 décembre 1984 le X-29 est monté à 5 000 m mais n'a pas dépassé les 400 km/h. Le train est resté sorti en permanence et l'avion s'est posé sans problème après 57 minutes de vol (Photo Grumman Corps. via Mike Drake).

Sur cette vue latérale le X-29 montre bien sa partie avant empruntée à un F-5 de l'USAF, de même que son train principal qui est celui du F-16 (Photo Grumman Corps. via Mike Drake).

Source des deux photos : La revue Air Fan n°77 de mars 1985.

Jean - Marie