Imaginez que l'avion a décollé, que vous regardez par le hublot et que vous constatez soudain que les ailes ondulent, se tordent et changent de forme silencieusement - la plupart des passagers deviendront probablement nerveux sur place. Mais c'est exactement ce que testent les ingénieurs allemands avec une nouvelle technologie : un prototype d'aile déformable capable de se « transformer » en temps réel pendant le vol.

Ce projet, dirigé par le Centre aérospatial allemand (DLR) et baptisé morphAIR, vise à introduire une adaptabilité simplifiée dans l'air semblable à celle des oiseaux et des poissons, rendant les avions plus efficaces et plus faciles à contrôler. Dans la nature, les créatures volantes et nageuses peuvent souvent effectuer des ajustements extrêmement fins et continus sur l'ensemble de la surface de l'aile ou du corps ; les oiseaux peuvent effectuer des changements complexes dans l'envergure, la courbure et la torsion, et les poissons peuvent réaliser une propulsion et une direction efficaces grâce à des mouvements coordonnés du tronc et des nageoires. En revanche, les avions traditionnels s'appuient sur des ailes rigides et des surfaces de gouvernail séparées telles que les volets, les ailerons et les gouvernails pour changer d'attitude. Cette structure segmentée augmente la complexité mécanique, le poids et la charge de maintenance, tout en provoquant également du bruit et des pertes aérodynamiques supplémentaires.

Au cours des dernières décennies, la raison pour laquelle une telle structure à voilure fixe et gouvernes séparées est devenue la norme de l'industrie n'est pas qu'elle est parfaite, mais qu'il s'agit d'un « compromis » technique. Un profil aérodynamique adapté au décollage n'est pas adapté à la croisière, et un profil aérodynamique adapté à la croisière n'est pas adapté à l'atterrissage ; une forme d'aile adaptée à une certaine vitesse, une certaine altitude ou un certain état de manœuvre devient souvent sous-optimale dans d'autres conditions d'exploitation. Les ailes d'avions civils existantes sont conçues « modérément » autour d'une variété de conditions d'exploitation typiques : pour être « suffisantes mais pas trop mauvaises » dans autant de scénarios que possible, plutôt que pour être extrêmement optimisées dans un seul scénario.

Le DLR tente de rompre avec ce compromis et de privilégier « l'adaptabilité de l'ingénierie » dans les coulisses. Dans le concept morphAIR, les ailes peuvent se déformer activement au cours des différentes étapes du vol : obtenir une portance plus élevée au décollage et à l'atterrissage, réduire la traînée pendant la croisière, améliorer la réactivité pendant les virages et améliorer la stabilité dans les turbulences. À cette fin, le DLR a installé une nouvelle aile déformable sur un avion d'essai sans pilote appelé PROTEUS et a mené des tests comparatifs côte à côte avec les ailes traditionnelles pour vérifier la navigabilité et l'effet d'intégration du système.

L'aile morphAIR est construite en matériau composite entièrement renforcé de fibres avec des « segments morphing » intégrés capables d'une flexion continue au bord de fuite. Cette pièce utilise HyTEM (Hyperelastic Trailing Edge Morphing), un système de déformation hyperélastique du bord de fuite développé indépendamment par DLR, qui peut obtenir une déformation douce sans lignes de pliage ni espaces évidents. Le concept remplace les volets et les ailerons conventionnels par plusieurs petits actionneurs répartis sur toute l'envergure, explique le chef de projet Martin Radestock du DLR Institute for Lightweight Systems. Ces actionneurs peuvent ajuster finement le profil du profil aérodynamique sur dix positions sans créer d'espaces segmentés sur le profil aérodynamique, réduisant ainsi la traînée du profil et améliorant les performances aérodynamiques globales et la dynamique de vol tout en modifiant la portance, la traînée induite et le moment de contrôle.

Le véritable potentiel de l’aile déformable ne peut être libéré que grâce à des systèmes de contrôle intelligents. Le DLR a développé à cet effet un système de commandes de vol assisté par IA, spécialement conçu pour ces caractéristiques de mouvement d'aile hautement variables. Pendant le vol, l'algorithme adaptatif surveille en permanence la réponse réelle de l'avion et la compare au modèle de référence entraîné. Une fois que des conditions anormales telles que des turbulences, des dommages locaux ou la défaillance d'un actionneur sont détectées, le système redistribuera les instructions de contrôle dans toute l'aile en temps réel pour maintenir un vol stable. Les algorithmes ont également été formés sur des scénarios de défaillance simulés et sont capables d'identifier et de compenser les modes de défaillance qui entraîneraient une grave perte de contrôle dans une architecture à voilure fixe traditionnelle.

Au niveau perceptuel, DLR adopte également une solution ingénieuse. Au lieu de poser une matrice de capteurs de grande surface sur l’aile, l’équipe a développé une méthode permettant de déduire la répartition de la pression aérodynamique sur l’ensemble de l’aile à partir d’un petit nombre de points de mesure. Grâce à cette technologie de reconstruction, le système de commandes de vol peut « percevoir » l'état du flux d'air autour du profil aérodynamique dans son ensemble en temps réel, comparer le champ de pression reconstruit avec l'état attendu, identifier automatiquement les perturbations locales, et y répondre activement et les supprimer avant qu'elles ne soient amplifiées.

Grâce à la coopération d'ailes déformables, de contrôle de vol IA et de technologie de reconstruction du champ de pression, l'aile morphAIR a la capacité de « ressentir » et de « penser » son propre état de vol dans un sens. Il est décrit par les chercheurs comme l'une des tentatives d'aile d'avion jusqu'à présent les plus proches de l'adaptabilité de la surface des ailes d'un oiseau. À l'heure actuelle, le test en vol du drone PROTEUS équipé de cette technologie vérifie principalement la navigabilité de base du système ainsi que l'intégration et la coordination entre les différents sous-systèmes, jetant ainsi les bases d'une optimisation et d'une expansion des applications futures.

Même s’il sera difficile pour des ailes déformables similaires d’entrer dans les grands avions de ligne commerciaux dans un avenir proche, elles ont des perspectives prometteuses dans le domaine des drones. Dans la prochaine étape, le DLR prévoit d'effectuer d'autres vols d'essai sur l'architecture PROTEUS d'une masse totale d'environ 70 kilogrammes afin de démontrer la faisabilité d'étendre la technologie à des plates-formes à plus grande échelle. Le DLR a déjà publié une vidéo de vol d'essai, montrant le processus de déformation en temps réel de l'aile pendant le vol. Le monde extérieur peut observer les performances réelles de cette nouvelle génération de technologie à surface variable dans les airs grâce à des liens pertinents.