Pourquoi les ailes d'avion se recourbent-elles vers le haut aux extrémités ?

Une aile génère de la portance parce que la pression sous elle est plus élevée qu'au-dessus. Tout le long de l'aile, sauf à l'extrémité même, cette différence reste ordonnée ; mais au bout, l'air trouve un raccourci et s'enroule de l'intrados vers l'extrados. Il en résulte un tourbillon conique qui se détache de chaque extrémité et traîne sur des kilomètres derrière l'avion. Ce sont ces tourbillons qui imposent la séparation obligatoire entre avions en approche, et par temps humide, ce sont les deux traînées blanches que l'on voit se détacher des extrémités au décollage.

Pour l'avion, ce tourbillon représente de l'argent brûlé. En induisant une composante vers le bas dans le flux qui atteint l'aile, il incline le vecteur de portance vers l'arrière et génère une traînée induite, qui représente environ un tiers de la traînée totale en croisière et augmente fortement à basse vitesse et forte masse. Toute l'énergie qui alimente ces tourbillons provient du carburant.

Un dispositif de bout d'aile agit comme une barrière aérodynamique qui empêche plus difficilement l'air de s'enrouler, repoussant le cœur du tourbillon vers l'extérieur et vers le haut et le dissipant. La surface verticale agit aussi dans un flux déjà dévié, générant sa propre force avec une composante dirigée vers l'avant : littéralement, une petite quantité de poussée.

L'idée moderne est attribuée à Richard Whitcomb, du centre Langley de la NASA, qui a publié dans la seconde moitié des années 1970 les études ayant transformé les ailettes de bout d'aile en une technologie applicable aux avions de transport. Depuis, les variantes se sont multipliées : les ailerons divisés vers le haut et le bas du McDonnell Douglas MD-11, les winglets classiques inclinés du Boeing 747-400, les winglets fuselés à courbure continue de nombreux Boeing 737, les sharklets d'Airbus, les doubles ailerons split scimitar, ou les extrémités repliables et courbées du Boeing 777X, qui se replient au sol pour que l'avion respecte les dimensions des portes existantes.

Un winglet n'est pas gratuit : il ajoute du poids, augmente la surface mouillée (et avec elle la traînée parasite), et sollicite davantage la structure de l'aile, nécessitant parfois un longeron renforcé. C'est pourquoi sa rentabilité dépend de la mission. Sur les longs trajets, où la traînée induite pèse lourdement pendant des heures, les constructeurs annoncent généralement des économies de carburant comprises entre 3 % et 5 %. Sur les vols très courts, avec plus de temps passé en montée et moins en croisière, le bilan est plus serré.

Il existe une alternative tout aussi valable : simplement allonger l'aile. Aérodynamiquement, c'est même plus efficace, puisque le paramètre déterminant est l'allongement. Le problème est pratique : l'envergure est limitée par les catégories de portes et de voies de circulation des aéroports. Le winglet est, au fond, un moyen de gagner un allongement effectif en grandissant vers le haut quand on ne peut pas grandir sur les côtés ; l'aile repliable du 777X est la réponse inverse au même problème.

Tous les avions n'en sont pas équipés. Le Boeing 787 et l'Airbus A350 utilisent des ailes à fort allongement avec des extrémités effilées, courbées de façon continue vers le haut, intégrées dès la conception, ce qui rend inutile l'ajout d'un aileron.