Installez-vous côté hublot, au-dessus de l'aile de presque n'importe quel avion de ligne moderne, et vous le verrez : l'extrémité de l'aile, au lieu de se terminer en pointe nette, se recourbe brusquement vers le haut pour former une dérive. Cela peut paraître un simple détail esthétique. Il n'en est rien. Cette extrémité relevée est, en réalité, l'un des éléments aérodynamiques les plus précieux de l'histoire de l'aviation commerciale.

Deux entreprises américaines qui modernisent ces dispositifs, à partir d'un modèle initialement conçu par la NASA, affirment que leurs ailettes marginales ont déjà permis aux compagnies aériennes et aux exploitants de jets d'affaires d'économiser plus de 10 milliards de gallons de kérosène — et a permis d'éviter le rejet de plus de 100 millions de tonnes de CO₂ dans l'atmosphère. Par vol, l'économie n'est que de quelques pourcents. Multipliée par des dizaines de milliers d'avions et des millions de départs par an, elle devient un nombre à dix zéros.

Et tout remonte à un ingénieur obstiné et accro au travail de la NASA à Langley, qui avait déjà modifié la forme de l'avion à deux reprises avant même de regarder le bout d'une aile d'oiseau.

Le tourbillon invisible au bout de chaque aile

Pour comprendre l'ailette, il faut d'abord comprendre le problème qu'elle résout — et ce problème est inhérent à ce qui maintient un avion en l'air.

Une aile génère de la portance en créant une différence de pression : pression plus basse au-dessus, pression plus élevée en dessous. C’est le principe même du vol. Mais la nature a horreur des différences de pression, et à l’extrémité de l’aile — là où l’air à haute pression en dessous et l’air à basse pression au-dessus se rencontrent brusquement — l’air à haute pression déborde et se courbe vers le haut, du côté de la basse pression.

Il en résulte une puissante spirale d'air qui se resserre et s'échappe de chaque extrémité d'aile : une vortex marginal. Vous en avez probablement déjà vu un, formé par la condensation par temps humide, s'écouler de l'aile d'un avion de ligne comme une corde fantomatique. Ces tourbillons sont si violents que le contrôle aérien espace les avions de plusieurs minutes à l'approche afin qu'un petit appareil ne soit pas renversé par le sillage d'un gros tourbillon.

Ce tourbillon n'est pas gratuit. Il incline le flux d'air local vers le bas derrière l'aile — les ingénieurs appellent cela un “ courant descendant ” — ce qui, à son tour, incline légèrement la portance de l'aile vers l'arrière. Cette composante de portance dirigée vers l'arrière est de la traînée pure. On l'appelle traînée induite, ou “ traînée due à la portance ”, et sur un gros avion à réaction en croisière, elle peut représenter une part importante de la traînée totale que les moteurs doivent surmonter.

Voici donc le dilemme de l'ingénieur en une phrase : la portance qui maintient l'avion en l'air dissipe également de l'énergie au niveau des extrémités des ailes sous forme de tourbillon. En supprimant ce tourbillon, on récupère une partie de cette énergie.

L'homme qui a remodelé l'avion — à trois reprises

Richard Whitcomb n'avait pas l'intention de devenir le plus grand aérodynamicien de sa génération. Il a grandi à Worcester, dans le Massachusetts, où il pilotait des maquettes en balsa à élastiques. Il a lu dans un magazine un article sur le précurseur de la NASA, le laboratoire Langley de la NACA, et a décidé d'y travailler avant même qu'on lui propose un poste. Il y est arrivé en 1943 et, pour plaisanter, il n'a jamais déplacé son bureau de plus de quinze mètres (quinze pieds) jusqu'à la fin de sa carrière.

De ce bâtiment sont nées trois idées que l'on retrouve aujourd'hui sur presque tous les avions rapides jamais construits. En 1952, il a mis au point… règle de zone — le pincement du fuselage en forme de bouteille de Coca-Cola qui permet aux avions de franchir le mur du son — une intuition qui lui valut le trophée Collier en 1954. Son collègue, le légendaire Adolf Busemann, résuma ainsi le don de Whitcomb pour aller droit au but en matière de physique.

Cette distinction – une petite aile précisément conçue, et non une plaque d'extrémité – explique pourquoi les winglets fonctionnent là où des décennies de dispositifs similaires ont échoué. En contrant délicatement le flux d'air qui s'échappe à l'extrémité de l'aile et en réorientant ce flux, un winglet bien conçu réduit le vortex et récupère une partie de l'énergie qui, autrement, serait dissipée. Une traînée induite réduite signifie une poussée nécessaire moindre, et donc une consommation de carburant réduite pour un même trajet.

La vidéo ci-dessous explique les phénomènes physiques en jeu — pourquoi le vortex se forme et comment une ailette réduit précisément la traînée — grâce à une animation claire qui permet de comprendre immédiatement le concept.

Le prouver sur un pétrolier emprunté

Une idée qui fonctionne en soufflerie doit encore faire ses preuves en conditions réelles. Pour tester l'efficacité des winglets, la NASA a emprunté un KC-135 Stratotanker (numéro de queue 55-3129) à l'US Air Force, l'a équipé d'un jeu de winglets Whitcomb et l'a testé au départ du centre de recherche en vol Dryden (aujourd'hui NASA Armstrong) en 1979 et 1980.

Les résultats ont dépassé toutes les espérances. Au cours de dizaines de vols d'essai, le ravitailleur équipé d'ailettes a démontré une réduction de la traînée en croisière d'environ 6 à 7 pour cent, avec un gain d'autonomie comparable. Les essais en soufflerie avaient déjà laissé entrevoir que ces dispositifs produisaient une légère poussée vers l'avant en maîtrisant les tourbillons ; les essais en vol ont transformé cette intuition en données concrètes auxquelles toute l'industrie pouvait se fier.

Whitcomb prit sa retraite de la NASA en 1980, au moment même où sa troisième invention majeure était validée en vol. Il ne se maria jamais, continua à exercer comme consultant et mourut à Newport News, en Virginie, en 2009 à l'âge de 88 ans. À cette époque, ses trois inventions permettaient à l'industrie aéronautique d'économiser des milliards de dollars par an, le plus souvent sans que les passagers ne connaissent son nom.

De la curiosité pour la recherche à une quasi-universalité

Pendant un temps, les winglets sont restés un produit de niche. Le Learjet 28 fut l'un des premiers avions de série à en être équipés à la fin des années 1970. Boeing annonça l'intégration de winglets au 747-400 au milieu des années 1980 ; cet appareil entra en service à la fin de la décennie, devenant ainsi le premier gros-porteur à en être doté. Puis, à la fin des années 1990, la société Aviation Partners commença à commercialiser des winglets élégants. ailettes intégrées — le genre incurvé et sans joint — sous forme de modernisations, à commencer par les Boeing Business Jets, puis le très populaire 737. Soudain, n'importe quelle compagnie aérienne pouvait économiser quelques pourcents sur sa facture de carburant.

Les vannes se sont ouvertes. Airbus a développé sa propre version, commercialisée sous le nom de requin — pour la famille A320 et a étendu le concept aux A330neo, A350 et suivants. Boeing et Aviation Partners sont allés plus loin avec le cimeterre fendu, qui ajoute un aileron descendant sous l'ailette existante pour un gain légèrement supérieur. D'autres concepteurs ont complètement abandonné l'aileron vertical au profit d'ailerons longs et légèrement inclinés. extrémités d'ailes inclinées, comme on peut le voir sur les 777 et 787.

Les formes diffèrent, mais l'objectif est identique : optimiser le comportement de l'aile pour qu'elle soit plus longue et plus efficiente, sans les inconvénients de poids et de complexité aux portes d'embarquement liés à une aile réellement plus longue. Une modernisation classique permet de réduire la consommation de carburant d'environ 4 à 6 % – un gain modeste sur un vol unique, mais déterminant pour une flotte effectuant des vols quotidiens pendant des décennies.

Alors la prochaine fois que vous verrez cette aile retroussée fendre les nuages, souvenez-vous de ce que vous contemplez : non pas un simple effet de style, mais une victoire discrète, acquise au fil des décennies, contre un tourbillon invisible – une invention d’un ornithologue, mise au point sur un avion ravitailleur de l’armée de l’air. L’ailette est peut-être la plus rentable des petites ailes jamais conçues.

Sources : NASA Langley (biographie de Richard T. Whitcomb) ; rapports d’essais en vol des ailettes KC-135 de NASA Spinoff et NASA Armstrong ; Aviation Partners ; Boeing et Airbus ; Wikipédia.