Avion-canard

Un avion-canard, dit aussi « canard », est un avion présentant une surface portante placée à l'avant du fuselage plus petite que l'aile principale placée à l'arrière. Les surfaces latérales du plan canard sont parfois appelées « moustaches ».

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Historique

Plans canards (juste derrière le poste de pilotage) sur le bombardier expérimental XB-70 Valkyrie

Les premiers modèles d'avions qui prirent l'air, tels le Wright Flyer, le Santos-Dumont 14-bis ou l'hydravion "Le Canard" d'Henri Fabre (1910), ne possédaient pas le type d'empennage arrière qui s'est imposé plus tard et que l'on dit maintenant « conventionnel ». Par analogie avec les véhicules roulants dont la direction est déterminée par l'orientation des roues avant, les pionniers de l'aviation conçurent des avions dont les surfaces placées à l'avant permettaient de les piloter en tangage et parfois aussi en lacet. Le roulis était obtenu par le gauchissement des extrémités de la voilure principale (Wright Flyer), ou bien était plus ou moins induit par du dérapage en lacet (Farman-Voisin) 1908.

À l'instar de certains oiseaux qui infléchissent la trajectoire de leur vol grâce à leur bec aplati (cf. Vol (animal)) plutôt qu'avec leurs rectrices, cette forme d'avion fut appelée canard^[1]^,^[2]. L'expression est restée et est utilisée, telle quelle ou traduite, dans plusieurs langues.

Définitions

Plan canard sur un Dassault Mirage IIIS des Forces aériennes suisses

Un avion-canard est un type d'avion possédant deux surfaces portantes, un plan canard à l'avant, généralement porteur, et une aile principale placée à l'arrière.
Il existe des vrais-faux canards, des ailes delta avec un équilibreur avant (Kfir israélien, Mirage IIIS suisse, Dassault Rafale) : le plan canard est peu ou pas porteur en vol ; à basse vitesse, le canard légèrement porteur (moment à cabrer) permet de braquer les élevons vers le bas (moment à piquer équilibrant le moment à cabrer du canard) pour gagner en portance et réduire la vitesse d'atterrissage. Il sert aussi à augmenter la maniabilité en tangage. La commande des plans canard sur chasseurs à réaction s'effectue par le biais d'un calculateur.
Un avion trois surfaces (en) (en anglais : three-surface aircraft) est un avion possédant en plus de l'aile principale et de l'empennage arrière conventionnel un plan porteur "canard" placé à l'avant.

Caractéristiques des avions-canards

Avantages

Rutan Long-EZ, avec le plan canard juste devant le pilote

La surface du plan canard produit normalement une portance positive (vers le haut) qui s'ajoute à celle produite par les ailes alors qu'un empennage classique produit une déportance ou portance négative (vers le bas), contrariant la portance de l'aile principale, ce qui augmente de fait la traînée.

Une bonne conception du plan canard permet de protéger l'appareil contre le décrochage. Cette surface décroche en premier, l'aéronef pique alors du nez, évitant le décrochage de l'aile principale.

Le fuselage court d'un canard permet un gain de surface mouillée. Dans le cas d'un biplace à moteur arrière, la disposition en tandem présente deux avantages :

position logique du pilote à l'avant et du passager à l'arrière non loin du centre de gravité ;
faible maître-couple.

Le plan canard pourrait permettre une grande variation du centre de gravité avec une restriction importante : au-delà d'un centrage limite avant, le plan canard peut décrocher précocement à basse vitesse avec pour conséquence une mise en piqué.

L'utilisation d'un plan canard sur certains avions de chasse conjuguée avec celle des élevons situés sur le bord de fuite de l'aile augmente la vitesse angulaire de tangage, donc la maniabilité.

Inconvénients

La stabilité longitudinale oblige à charger davantage les surfaces avant que les surfaces arrières (ratio environ 1,6 à 2 pour 1).

L'aile arrière est donc peu chargée au mètre carré et n'atteint jamais son potentiel de portance maximal : sa surface est plus grande que nécessaire.

Cette configuration limite le gain en portance des volets sur l'aile.

Le déploiement des volets provoque un moment piqueur. Sur un aéronef conventionnel, cet effet est facilement compensé par l'augmentation de la déportance de l'empennage qui produit un moment cabreur de sens opposé et restaure l'équilibre en tangage. Avec une configuration canard, le plan canard (qui est porteur en croisière) est déjà à coefficient de portance élevé en vol normal. Il n'a pas de réserve de Cz (coefficient de portance) suffisante pour compenser le moment piqueur très important de volets très reculés.
Pour résoudre ce problème, le Beechcraft Starship (modèle non poursuivi par son constructeur) présentait un plan canard à géométrie variable : la surface pivotait vers l'avant pour compenser en partie le moment piqueur causé par le déploiement des volets.
Beaucoup d'avions canard n'ont pas de volets, leur débattement et donc leur efficacité étant trop limitée.

Déflexion du canard

Les ailes se trouvent en arrière des surfaces canard, et reçoivent leur déflexion : négative en arrière du plan canard (ce qui diminue la portance de l'aile dans cette zone), positive au niveau du bout du canard (pic de portance local), puis un air peu défléchi à l'extérieur. La distribution de portance sur l'aile arrière n'est pas régulière, elle varie avec la portance du canard et avec l'angle de dérapage (attaque oblique) ; cela pose un problème de conception difficile.

Propulsion (monomoteur)
- L'hélice étant généralement à l'arrière, la voilure n'est pas soufflée : perte de portance au roulage.
- L'hélice arrière (de petit diamètre à cause de la limitation de la garde au sol) travaille dans le sillage perturbé du canard, de l'aile, des jambes de train et du fuselage. Son rendement propulsif en est grandement affecté (environ 0,72 à 0,76 au lieu de 0,80 à 0,85), ce qui diminue la poussée au décollage.
Tous ces facteurs rendent les distances de décollage et d'atterrissage plus longues et à des vitesses plus grandes que sur un avion conventionnel.
Équilibre longitudinal sensible à la pluie dans le cas de certains avions-canards conçus par Burt Rutan : la faible corde du canard ET le choix d'un profil « laminaire » font que la portance du canard est affectée par la pluie qui provoque le décollement précoce des filets d'air sur l'extrados). Comme la pluie perturbe moins la portance de l'aile (arrière), l'avion peut piquer du nez. Un remède est de disposer des générateurs de vortex (tourbillons) sur le canard ; un autre remède est de revenir à un profil classique (à laminarité moins étendue) : sur le Rutan Long-EZ, le profil GU-25 a été remplacé par un Roncz 1145MS.

Notes et références

↑ Gabriel Voisin, Mes 10.000 cerfs-volants, La table Ronde. Parlant d'un de ses planeurs de 1904 :"en une heure, j'avais transformé mon planeur, qui, chargé sur l'avant, devenait ce qu'on allait appeler en 1910 un "canard". Formule découverte par H. Fabre."
↑ The story of the early aviators, 2002, Dover Publications [1] page 37