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Empennage

ensemble de plans fixes et mobiles qui assure la stabilité et la gouverne en tangage et en lacet d'un aéronef
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Article général Pour un article plus général, voir Configuration générale d'un aéronef.

L'empennage est un ensemble de plans fixes et mobiles qui assure la stabilité et la gouverne en tangage (profondeur) et en lacet (direction) d'un aéronef[1].

Empennage d'une fléchette. Originellement, les flèches et fléchettes étaient stabilisées par des plumes.
Empennage d'un Airbus A380.

Composition et fonctionnementModifier

L'empennage classique est constitué d'un ensemble de surfaces portantes positionnées pour avoir une incidence faible ou nulle lorsque l'aéronef est en vol de croisière stable. En cas de perturbation de cet équilibre, l'angle d'incidence induit par le mouvement crée une force et donc un moment autour du centre ces masses qui ramène l'aéronef en position neutre. Afin d'augmenter le moment, les surfaces sont éloignées au maximum du centre ces masses et placées, le plus souvent, en queue de fuselage. La taille de ces éléments est conditionnée par la présence de facteurs déstabilisants (panne d'un moteur pour les aéronefs à moteurs multiples, forte hypersustentation, plage de centrage importante) et par le degré de stabilité recherché. L'empennage est relativement important pour un avion de transport de passagers; relativement faible pour un avion de chasse afin de ne pas entraver la manœuvrabilité de l'appareil.

La stabilisation en lacet est obtenue par une surface verticale, appelée stabilisateur vertical ou dérive.

La stabilisation en tangage est obtenue par une surface horizontale, appelée stabilisateur horizontal. L'équilibre de l'aéronef pouvant être modifié en fonction du chargement et de la consommation de carburant, cette surface horizontale comporte une partie mobile, ou est entièrement mobile, afin d'assurer un moment de compensation. En vol stabilisé, l'incidence peut donc être légèrement positive ou négative afin de maintenir l'appareil horizontal.

Chacune de ces surfaces comporte aussi des parties mobiles pour modifier volontairement l'équilibre en lacet, le gouvernail pour le contrôle du virage, et l'équilibre en tangage, la gouverne de profondeur pour le contrôle de la montée ou de la descente.

En dehors des arrangements « classiques » on trouve aussi :

  • des empennages constitués de surfaces inclinées, empennages en V, assurant en même temps l'équilibre et le contrôle dans les deux plans ;
  • des empennages entièrement mobiles ;
  • des aéronefs sans empennage, dont la stabilisation et le contrôle sont obtenus par des surfaces mobiles disposées sur l'aile, des gouvernes en avant de l'aile ou uniquement via une motorisation spécifique.

Empennage verticalModifier

 
Empennage double sur un B-24.
 
Les poutres du P-38.

MonodériveModifier

L'empennage vertical se compose généralement d'une partie fixe et d'une partie mobile :

Il existe des empennages verticaux « monoblocs » (toute la surface pivote) ; cette disposition se rencontre sur des avions légers (Jodel, Luciole, Volksplane).

Multi-dériveModifier

L'empennage vertical peut être double ou triple sur certains avions, généralement multi-moteurs à hélices.

Les avions bipoutres comme le Lockheed P-38 sont généralement bidérives. L'allongement effectif de l'empennage horizontal est augmenté par l'effet de plaque d'extrémité des dérives. Il joue également un rôle structurel en joignant les deux poutres.

Les avions furtifs à usage militaire comme le Lockheed Martin F-22 Raptor (États-Unis), le Soukhoï T-50 (PAK-FA) (Russie) ou le Chengdu J-20 (Chine) ont des empennages doubles en diagonale. Sur le J-20 chinois, ceux-ci sont composés d'une pièce unique totalement mobile et tournent autour d'un axe central.

Empennage horizontalModifier

L'empennage horizontal se compose généralement d'une partie horizontale qui peut présenter plusieurs variantes :

  • un plan horizontal fixe muni d'une gouverne de profondeur mobile, c'est le type « classique ».
  • un plan horizontal réglable muni d'une gouverne de profondeur. Le calage du plan horizontal peut être réglé en vol pour assurer l'équilibre convenant aux conditions de vitesse et de centrage (trim).
  • un plan horizontal mobile muni d'un volet de profondeur mobile également, l'ensemble formant la gouverne de profondeur. Les deux surfaces pivotent dans le même sens, le volet se braquant plus que la partie avant (empennage des Airbus).
  • un plan horizontal "monobloc" mobile muni d'un petit volet arrière ; les deux surfaces pivotent dans le même sens, le petit volet arrière (tab) servant à la fois de compensateur d'effort (pour diminuer les efforts nécessaires au manche pour déplacer le plan horizontal) et de trim de profondeur.

Types d'empennageModifier

Empennage en TModifier

 
Empennage en T d'un Vickers VC-10.

Le plan de profondeur peut être monté au sommet de la dérive :

  • pour diminuer l'effet de sol (stabilité en tangage des avions à effet de sol),
  • dans le cas des planeurs, pour minimiser la traînée et ne pas accrocher la végétation en cas d'atterrissage dans la campagne.

Exemples : Douglas DC-9, Vickers VC-10...

Empennage en VModifier

Article détaillé : Empennage en V.
 
Empennage papillon sur un Fouga Magister.

Sur certains modèles, l'empennage est composé de deux parties obliques, réalisant un empennage « papillon ».

Exemples : Fouga Magister, Beech V-35, Robin ATL

Empennage « Pelikan »Modifier

Article détaillé : Empennage Pelikan.
 
Empennage « Pelikan ».

Cet empennage expérimental a été imaginé par Ralph Pelikan, ingénieur chez McDonnell.

Il est composé de deux surfaces horizontales prolongées par des empennages inclinés vers l'extérieur permettant, comme dans le cas d'un empennage en V, le contrôle en lacet et en tangage simultanément ou indépendamment[2].

Ce type d'empennage avait à l'origine été retenu par Boeing pour équiper le X-32.

Autres mobiles avec empennageModifier

DirigeablesModifier

En tant que corps de moindre traînée (à volume donné), les dirigeables connaissent également des problèmes de stabilité aérodynamique (leur centre latéral de portance se trouvant en avant de leur nez, donc très en avant de leur centre des masses). Dans son ouvrage Drag, S. F. Hoerner[3],[4] indique qu’une stabilisation passive des dirigeables par empennages[a] imposerait des surfaces d’empennages trop importantes. À une telle stabilisation passive, il est donc préféré une stabilisation active obtenue au moyen du braquage des gouvernes par le pilote, ce pilotage[b] se montrant efficace, dans la pratique, avec des angles de braquage des gouvernes inférieurs à 5°.

Sous-marinsModifier

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Les sous-marins souffrent des même problèmes de stabilités que les dirigeables. En conséquence, ils doivent être munis d'empennages. Sur les sous-marins militaires, la nécessité de réduire l'écho sonar renvoyé par ces empennages limite nécessairement leur surface au minimum.

Bateaux rapidesModifier

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Les bateaux rapides sont contraints de mettre en œuvre des principes destinés aux aéronefs.

L’extrême rapidité de certains bateaux de compétition (qui sont des engins mi-aquatiques mi-aériens) les rends aérodynamiquement instables; si la coque s'éloigne trop du plan d'eau elle se comporte comme une aile d'avion au décollage[c], de sorte que leur constructeurs doivent adopter, pour les stabiliser, des empennages horizontaux et verticaux (voir photo de droite).

Aéronefs sans empennageModifier

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Certains aéronefs ne comportent pas l'empennage :

Aile volante pure (sans empennage ni horizontal ni vertical)
Les fonctions de stabilisation et de gouverne sur les axes de roulis et de lacet sont reportées sur l'aile, dont la forme en plan, les profils porteurs et les gouvernes sont modifiés en conséquence.
Aile libre type pendulaire 
Ces engins (nommés aile delta) présentent une forte flèche, ainsi qu'une petite poche de quille faisant office de stabilisateur. à développer.
 
Fusée d'amateur en embardée angulaire.
Fusées 
Si les fusées d'amateurs comportent un empennage (généralement cruciforme, c'est-à-dire disposé en + ou en x, cf. image ci-contre), les fusées lanceuses de satellites (fusées d'agence d'État, souvent) n'arborent fréquemment aucun empennage. De tels engins étant aérodynamiquement instables, leur stabilisation et le contrôle de leur trajectoire sont assurés par l'orientation rapide de la poussée de leurs moteurs (tuyères orientables ou moteurs directionnels à poussée vectorielle).
Historiquement, les quatre petits ailerons d'empennages de la fusée lunaire Saturne V n'étaient là que pour ralentir l'embardée qui aurait forcément suivi une panne totale des moteurs du premier étage. Le but de ce ralentissement de l'embardée n'était que d'allonger le délai de prise de décision d'abandon de la mission (et de sauvetage de l'équipage par déclenchement de la tour de sauvetage). Un dispositif équivalent existait sur la fusée lunaire N1 soviétique, sous la forme d'un empennage de quatre panneaux cellulaires.

Avions sans empennage horizontalModifier

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Certains avions ne possèdent pas d’empennage horizontal :

Aile volante 
Présentant une dérive axiale de fuselage (aile droite) ou bien deux dérives placées en bout d'aile (aile en flèche) ;
Ailes Delta 
Sur les avions à aile delta sans empennage, la gouverne de profondeur est intégrée à l'aile, et porte le nom d'élévateur. Si elle remplit également le rôle d'aileron (mixage des gouvernes), elle est appelée élevon ;
Avions à plans canards 
Certains avions présentent un plan canard situé à l'avant, qui n'est pas un empennage mais une aile portante. La fonction gouverne de profondeur peut être remplie par un volet placé sur le plan canard, mais c'est bien l'aile arrière qui joue le rôle d'empennage stabilisateur.

Avions « trois surfaces »Modifier

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Le Piaggio P180 Avanti est un avion conventionnel (à empennage arrière) présentant également un plan canard à l'avant. De telles configurations sont dites trois surfaces (il faut leur ajouter la paire d'ailes principales).

Matière et décoration des empennagesModifier

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Les avions peuvent être individualisés par des graphismes particuliers, notamment sur les surfaces verticales des empennages.

Rupture en volModifier

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Des ruptures d'empennage vertical ont mené à une perte de contrôle et au crash :

Notes et référencesModifier

NotesModifier

  1. Par exemple sur le modèle des fléchettes.
  2. Pilotage est le terme utilisé dans le domaine des fusées pour signifier les actions visant à contrôler leur instabilité aérodynamique.
  3. En cas d’excès l'engin part dans une boucle aérienne qui finit par un crash souvent dramatique.

RéférencesModifier

  1. Définitions lexicographiques et étymologiques de « empennage » (sens B) du Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales.
  2. (en) Evan Hadingham, « Winner Take All (All the nail biting, second guessing, and sheer engineering brilliance in the battle to build the better Joint Strike Fighter.) », Air & Space magazine, Smithsonian Institution,‎ , p. 2&3 (lire en ligne).
  3. Hoerner 1965.
  4. Hoerner 1992.

AnnexesModifier

BibliographieModifier

  • S. F. Hoerner, Résistance à l'avancement dans les fluides, Paris, Gauthier-Villars, (OCLC 727875556, ASIN B07B4HR4HP).  .
  • (en) S. F. Hoerner, Fluid-dynamic drag : theoretical, experimental and statistical information, (OCLC 228216619).  .

Articles connexesModifier