Vol en formation

Le vol en formation est le vol coordonné de plusieurs objets. Le vol en formation se pratique dans la nature entre animaux volants et planeurs , et est également pratiqué dans l'aviation humaine , souvent dans l' aviation militaire et les spectacles aériens .

De nombreuses études ont été réalisées sur les avantages en termes de performances des avions volant en formation.

On sait depuis plus d'un siècle que les oiseaux bénéficient de performances accrues grâce au vol en formation, grâce à la théorie aérodynamique de Wieselsberger en 1914.

Le vol en formation dans l'aviation humaine a vu le jour pendant la Première Guerre mondiale , lorsque des avions de chasse ont été affectés à l'escorte d'avions de reconnaissance . On a découvert que les paires d'avions étaient plus efficaces au combat qu'un seul avion et, par conséquent, les avions militaires volaient toujours en formation d'au moins deux. Au cours de la Seconde Guerre mondiale , les pilotes avaient découvert d'autres avantages stratégiques au vol en formation, tels qu'une stabilité accrue et une visibilité optimale.

Il est souvent erroné de considérer que la réduction de la traînée en vol organisé est liée à la réduction de la traînée en aspiration . Pourtant, ces deux phénomènes sont très différents sur le plan mécanique.

La réduction de la traînée qui se produit lors de l'aspiration est due à une réduction de la vitesse de l'écoulement dans le sillage d'un véhicule de tête, réduisant la quantité d'accélération nécessaire à l'écoulement pour se déplacer autour du corps, réduisant la pression devant le véhicule suiveur. Cela conduit à une différence de pression moindre entre les surfaces projetées avant et arrière du corps, et donc à une traînée moindre. Cela peut également être compris de manière quelque peu tautologique à travers l'équation de traînée commune pour un corps , où est le nombre sans unité obtenu expérimentalement, est la densité du milieu fluide à travers lequel l'objet se déplace, est la surface transversale normale à la direction de l'écoulement moyen, et est la vitesse de l'écoulement moyen. On peut voir par inspection qu'une diminution de la vitesse moyenne générera moins de force de traînée, comme c'est le cas avec l'aspiration.

En comparaison, la réduction de traînée ressentie par les agents suiveurs en vol en formation peut être davantage considérée comme le fait que les agents suiveurs « surfent » sur les tourbillons libérés par les ailes des agents de tête, réduisant la quantité de force nécessaire pour rester en l'air. Cette force est connue sous le nom de portance et agit perpendiculairement à la direction de l'écoulement libre et à la traînée. Ces tourbillons sont connus sous le nom de tourbillons d'extrémité d'aile et sont formés par le fluide s'écoulant autour des extrémités d'ailes de la région de haute pression qui est le bas de l'aile à la région de basse pression qui est le haut de l'aile. L'écoulement se sépare du profil aérodynamique et tourne autour d'un sillage de basse pression qui forme le noyau du tourbillon. Ce tourbillon agit pour changer la direction de l'écoulement pour les avions suiveurs, augmentant la portance sur un segment de l'aile et permettant une réduction de la traînée induite en abaissant son angle d'attaque.

Ceci peut également être démontré par l'équation de traînée et de portance analogue, . La différence est maintenant que et varient linéairement avec l'angle d'attaque , qui est l'angle formé par l'axe neutre de l'avion et le flux libre. Étant donné que le flux local arrive à un angle d'attaque plus élevé en raison du tourbillon, les forces de portance et de traînée sont toutes deux tournées de telle sorte que le vecteur de force de portance génère une poussée vers l'avant et le vecteur de force de traînée génère une augmentation de la portance. Avec cette augmentation de la force de portance, l'angle d'attaque peut être réduit pour maintenir la portance cible nécessaire pour maintenir une altitude en croisière, ce qui entraîne une réduction de la traînée induite puisque la traînée et la portance sont une fonction de par les coefficients et .

Les oiseaux volent généralement en formations en V ou en J , ces dernières étant communément appelées échelons. La première étude à tenter de quantifier l'économie d'énergie d'un grand groupe d'oiseaux fut celle de Lissaman et Schollenberger qui ont fourni la première estimation, bien que particulièrement erronée, pour un groupe d'oiseaux de 25 membres. Une extension de portée très impressionnante de 71 % par rapport au vol d'un seul oiseau a été rapportée. Ces extensions rapportées sont généralement dues à l'utilisation d'une approximation à voilure fixe. Haffner (1977) a expérimenté des oiseaux volant dans des souffleries et a calculé une extension de portée d'une valeur plus prudente de 22 %.

Des études ont été réalisées sur la phase de battement et ont montré que les oiseaux qui volent en formation en V coordonnent leur battement, alors que ceux qui volent en échelon ne le font pas. Willis et al (2007) ont découvert que la phase optimale des battements représente 20 % des économies d'énergie, ce qui suggère que le positionnement est plus important que la mise en cache parfaite du tourbillon qui arrive.

Des études sur les oiseaux ont montré que la formation en V peut grandement améliorer l’efficacité aérodynamique globale en réduisant la traînée et en augmentant ainsi la portée de vol.

Les essaims d'insectes sont un comportement animal collectif qui fait l'objet de recherches actives pour l'application des drones. La caractéristique unique des essaims d'insectes est leur vol organisé, mais sans chef. Dans une étude de vélocimétrie par images de particules réalisée sur 10 moucherons par Kelley et Ouellette (2013), les limites de l'essaim sont statistiquement cohérentes, même si le vol des insectes au sein de l'essaim est pratiquement asynchrone. Il existe également une certaine suggestion de regroupement, ce qui implique qu'il pourrait y avoir un comportement d'auto-organisation.

La plus petite unité d'une formation est appelée section ou élément, composée de deux avions ; ces pilotes sont un chef et un ailier. Une division ou un vol se compose de deux sections ou éléments. Plusieurs divisions ou vols sont assemblés en formation. Une formation de chasseur standard comprend des avions dont les positions sont maintenues par les ailiers à 1 mi (1,6 km) latéralement et 100 pi (30 m) verticalement de l'avion du chef de vol. Une formation non standard se produit lorsque le chef de vol a demandé et que le contrôle aérien a approuvé des dimensions qui ne sont pas conformes aux limites indiquées ; lorsqu'il opère dans une réserve d'altitude autorisée ou dans le cadre des dispositions d'une lettre d'accord ; ou lorsque les opérations de vol sont menées dans un espace aérien spécialement désigné.

La formation à quatre doigts (ou finger-four ) est la formation de base à quatre avions qui ressemble à la position du bout des doigts avec la main tendue. Le chef de vol (n°1) pilote l'avion le plus en avant (bout du majeur), avec l'ailier du chef de file (n°2) sur le côté et derrière (bout de l'index) ; le chef de section (n°3) est en face de l'ailier du chef de file sur le côté opposé (bout de l'annulaire) tandis que l'ailier du chef de section (n°4) suit le chef de section vers le même côté (bout de l'auriculaire). La formation à quatre doigts est désignée comme forte droite ou forte gauche , selon le côté où volent les avions de la section (n°3 et n°4). Par exemple, vue d'en haut, la formation à quatre doigts forte droite de gauche à droite se compose de l'avion n°2 (ailier du chef de file), n°1 (chef de vol), n°3 (chef de section) et n°4 (ailier du chef de section).

Le chef de vol doit décider et communiquer quelle orientation, du bout des doigts vers la droite ou vers la gauche , doit être utilisée comme formation de base avant les opérations de vol. Les formations doivent passer de la formation de base à la formation de base pour faciliter l'utilisation des signaux manuels et aériens.

Dans l'aviation militaire, le vol en formation tactique est le vol discipliné de deux ou plusieurs aéronefs sous le commandement d'un chef de vol. Les pilotes militaires utilisent des formations tactiques pour la défense mutuelle et la concentration de la puissance de feu.

Le défi de réaliser un vol en formation sûr pour les véhicules aériens sans pilote a été largement étudié au 21e siècle avec des systèmes d'aéronefs et d'engins spatiaux. Pour les véhicules aériens, les avantages du vol en formation comprennent l'économie de carburant, une efficacité améliorée du contrôle du trafic aérien et une répartition coopérative des tâches. Pour les véhicules spatiaux, un contrôle précis du vol en formation peut permettre de futurs télescopes spatiaux à grande ouverture, des interféromètres spatiaux à base variable , des rendez-vous et des amarrages autonomes et l'assemblage robotisé de structures spatiales. L'une des formations les plus simples utilisées est celle où des avions autonomes maintiennent la formation avec un avion de tête qui peut lui-même être autonome.

Dans l'aviation civile, le vol en formation est pratiqué lors de salons aériens ou à des fins récréatives . Il est utilisé pour améliorer la technique de vol et constitue également une activité prestigieuse des anciennes organisations aéronautiques. Il représente la compétence la plus difficile consistant à voler à proximité d'un autre avion. Le vol en formation a pour but de réduire la consommation de carburant en minimisant la traînée.

Au début des années 2000, le programme de vol en formation autonome de la NASA utilisait une paire de F/A-18 . En 2013, le projet Surfing Aircraft Vortices for Energy du laboratoire de recherche de l'armée de l'air a montré une économie de carburant de 10 à 15 %, installé sur deux Boeing C-17 Globemaster III . En 2017, la NASA a mesuré un débit de carburant inférieur de 8 à 10 % avec deux avions Gulfstream III lors de vols d'essai de surf sur le sillage. En 2018, l' ecoDemonstrator , un cargo Boeing 777F de FedEx Express , a vu sa consommation de carburant réduite de 5 à 10 %, le pilote automatique maintenant la séparation de 4 000 pieds (1,2 km) sur la base des informations ADS-B et TCAS .

En tirant parti du courant ascendant de sillage comme les oiseaux migrateurs ( biomimétisme ), Airbus estime qu'un avion peut économiser 5 à 10 % de carburant en volant à 1,5 à 2 milles marins (2,8 à 3,7 km) derrière le précédent. Après des tests de l'Airbus A380 montrant une économie de 12 %, il a lancé son projet « fello'fly » en novembre 2019 pour des vols d'essai en 2020 avec deux A350 , avant des essais de vol transatlantique avec des compagnies aériennes en 2021. La certification pour une séparation plus courte est rendue possible par l'ADS-B dans l'espace aérien océanique, et la seule modification requise serait le logiciel des systèmes de contrôle de vol . Le confort ne serait pas affecté et les essais sont limités à deux avions pour réduire la complexité, mais le concept pourrait être étendu pour en inclure davantage. Les opérations commerciales pourraient commencer en 2025 avec des ajustements des horaires des compagnies aériennes , et les avions d'autres constructeurs pourraient être inclus.

Le 9 novembre 2021, Airbus a effectué une démonstration Toulouse-Montréal de 7 h 40 min avec un A350-900 et un A350-1000 séparés de 3 km (1,6 nmi), économisant plus de 6 t (13 000 lb) de dioxyde de carbone : un potentiel d'économie de carburant de plus de 5 %. Financée en partie par la recherche sur la gestion du trafic aérien SESAR de l'UE , l'initiative Geese d'Airbus inclura les A350 d'Air France et de French Bee pour des essais en vol en 2025 à 2026, et inclura Boeing pour l'interopérabilité.