vignette|Les panneaux cellulaires du lanceur Soyouz, en version habitée.Les panneaux cellulaires, également appelés panneaux de stabilisation ou ailettes en grille (en russe : решетчатая крыльярешетчатая крылья signifie en russe aile en treillis ou aile grillagée. et parfois appelés également ailerons ou panneaux de .) sont un type d'empennage ou de gouverne de vol utilisé sur les fusées et les missiles ou bombes à la place des gouvernes ou des empennages plus conventionnels, tels que les ailettes planes, afin d'assurer leur stabilité aérodynamique ou leur manœuvrabilité. Inventés en URSS dans les années 1950, ils sont de nos jours utilisés sur certains lanceurs spatiaux, tels que Soyouz, Falcon 9, START-1 ou la fusée chinoise Longue Marche 2F. Historique vignette|Vue rapproché des panneaux cellulaires d'un MOAB. Les panneaux cellulaires ont été développées dans les années 1950 par une équipe dirigée par . NEW DEFENCE ORDER STRATEGY, , août 2011, , octobre 2011 et sont utilisées depuis les années 1970 dans divers modèles de missiles balistiques soviétiques tels les Scaleboard SS-12, SS-20 Saber, SS-21 Scarab, SS-23 Spider, et SS-25 Sickle. La fusée lunaire soviétique N-1 en utilisait quatre en partie basseLa fonction de ces quatre panneaux cellulaires de la N-1 était la même que celle des quatre ailerons présents au bas de la fusée américaine Saturn V : c'était, en cas de panne simultanée de tous les moteurs, de ralentir suffisamment l'embardée de la fusée pour que soit prise la décision d'évacuer l'équipage.. De nos jours, la tour de sauvetage des vaisseaux habités Soyouz en présente quatre, repliées contre le carénage de la capsuleGRID FIN STABILIZATION OF THE ORION LAUNCH ABORT VEHICLE, Pruzan, Mendenhall, Rose and Schuster https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110013520.pdf. En 2011, la NASA envisageait également d'équiper sa capsule Orion de tels panneaux cellulairesLe LAV est stabilisé activement durant toute sa montée (y compris lors de son retournement bouclier thermique en avant), soit 20 secondes (alors que le moteur principal de la tour ne tire l’ensemble que pendant moins de , produisant un accélération maximale de ). Cette stabilisation active est obtenue par un dispositif de huit tuyères à soupapes placé en tête de la tour (système nommé ACM, pour Moteur de Contrôle d’Attitude). Cependant, les ingénieurs de la NASA ont persisté légitimement dans leurs recherches d’un dispositif de stabilisation ‘‘‘passive’’’ du genre panneaux cellulaires..
Ils ont été utilisés sur des missiles et des bombes classiques telles que le missile air-air , la famille de missiles de croisière (SS-N-27 Sizzler) et la bombe classique de grande capacité Massive Ordnance Air Blast Bomb (MOAB).
En 2014, SpaceX a testé des panneaux cellulaires sur un véhicule de démonstration de première étage de sa fusée réutilisable et, le , elles ont été utilisées pendant la phase de rentrée atmosphérique à grande vitesse pour stabiliser et aider à guider un premier étage commercial de lors de l'atterrissage.
Le de la fusée Hyperbola-1 de la société privée chinoise iSpace est apparue le comme étant équipée de panneaux cellulaires pour le contrôle d'attitude. Le , le vaisseau chinois Shenzhou, qui emportait les premiers taïkonautes, en était également équipé (sur le modèle de la capsule Soyouz russe).
Invention
Les ailettes planaires conventionnelles de contrôle d'attitude et d'empennage stabilisateur ont la forme de petites ailes. Par contre, les panneaux cellulaires se présentent comme un empilement de petites cellules disposées à l'intérieur d'un cadre, l'ensemble de ces cellules étant ouvertes au flux d'air. La section de chaque cellule individuelle importe peu (leur section est en général carrée, mais elle peut également être hexagonale ou triangulaire équilatéraleGRID PATTERN EFFECTS ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF GRID FIN, Fumiya Hiroshima et Kaoru Tatsumi, Mitsubishi Electric Corporation, Kamakura Works, Kanagawa, Japan http://www.icas.org/ICAS_ARCHIVE/ICAS2004/PAPERS/092.PDF. Ce type de cellules produit à peu près la même portance que les cellules de section carrée).
thumb| des corps en persiennes de Brooks et Burkhalter, la surface de référence est la section de passage. Les panneaux cellulaires peuvent être considérés comme issus des biplans, multiplans ou des profils en cascadep. 1-28, AGARD REPORT 801, Special Course on Missile Aerodynamics (L' Aérodynamique des Missiles) .
Le graphe ci-contreExperimental and Analytical Analysis of Grid Fin Configurations, 1988, AIAA-88-0280, R. A. Brooks and J. E. Burkhalter dessine les valeurs expérimentales du coefficient adimensionnel de force normale Le coefficient adimensionnel de force normale est défini par :
où :
est la projection de la portance sur un plan normal à l’axe de l’engin à stabiliser (ou ici la projection de la portance sur le plan contenant les mi-cordes du cadre), est la masse volumique du fluide, est la vitesse de l'objet relativement au fluide, est la surface de référence. de quatre corps en persienne ayant les mêmes dimensions extérieures (corde et dimensions de leur cadre)Ces courbes de sont établies en référence à la section de passage des corps, c.-à-d. la section frontale du cadre à 0° d'incidence.. Ces quatre corps prennent de l’incidence autour de leur axe de symétrie horizontal (axe rouge du cadre seul, par exemple). On remarque que le cadre seul (courbe bleu clair) produit une portance normale moins forte que le cadre arborant un plan interne ou deux plans en x (ces deux corps produisant la même portance en dessous de 5°). Enfin, le corps comportant deux plans internes parallèles (courbe bleu dense) crée une portance normale un peu supérieure.
L’espacement de tous les plans de ce dernier corps équivaut à leur corde. On peut admettre que l’écoulement autour des deux plans internes est un écoulement 2D, de sorte que si l’on plaçait à l’intérieur du cadre cinq cloisons verticales, cet écoulement 2D ne serait que peu modifié. On obtiendrait alors un panneau cellulaire classique à 18 cellules cubiquesCes cellules ont une corde égale à leur hauteur et à leur largeur ; elle apparaissent donc comme cubiques. dont le serait peu différent du corps de départ à deux plans internes.
L’enseignement important à tirer de ce graphe de Brooks et Burkhalter est que le produit par des corps en persiennes dépend peu de son architecture interne, pourvu que celle-ci cloisonne suffisamment le cadre"Il apparaît, quand la complexité de l'entrecroisement des plans internes s'accroît, que les particules de fluide tendent à être "capturées" et que le corps agit comme un tube qui canalise le flux passant à l'intérieur." Experimental and Analytical Analysis of Grid Fin Configurations, AIAA-88-0280, R. A. Brooks and J. E. Burkhalter ; à cet égard, le cadre seul apparaît comme ne canalisant pas assez l’écoulement interne (l’écoulement interne n’est pas assez guidé par le cadre seul, spécialement en son milieu où la vitesse de sortie ne doit pas être assez déviée).
thumb|L'aéronef d'Horatio Phillips, avec ses ailes en persiennes, 1904 Un autre dispositif précurseur des panneaux cellulaires fut les ailes en persienne d'Horatio Frederick Phillips (lattice fins, en anglais). Son modèle d'aéronef de 1904, cumulant 20 plans porteurs superposés (image ci-contre) ne fit qu'un bond de (son créateur le jugeant longitudinalement instable).. Mais une machine encore plus complexe (cumulant 200 plans persiennes en quatre panneaux successifsVoir cette image.) vola sur (ce fut le premier vol d'un plus-lourd-que-l'air en Grande-Bretagne).
thumb|Cerf-volant cellulaire de Joseph Lecornu, dit aussi cerf-volant étagère, 1902 Un autre précurseur des panneaux cellulaires fut Joseph Lecornu qui mit au point ses fameux cerfs-volants cellulaires (image ci-dessous). Ces cerfs-volants furent également appelés cerfs-volants étagères parce qu'ils ressemblaient beaucoup à ces dispositifs de rangement.
Puis vint . Il s'intéressa d'abord à des ensembles d'ailes superposées classiquement en persiennes. Le cosmonaute Youri Gagarine, après son vol triomphal (premier vol dans l'espace d'un humain), fut commis, en janvier-, auprès de Sergey Belotserkovskiy pour étudier l'application des recherches de celui-ci aux vaisseaux spatiaux et en particulier au vaisseau SoyouzTiré de “Gagarine’s Diploma”, Vitaliy Lebedev, New Defence Order Strategy N°5 October 11.
Les panneaux cellulaires sont issus de ces recherches soviétiques. Elles combinent deux jeux de persiennes orientées dans deux directions perpendiculaires (si l'on revient au modèle de Phillips, ci-contre, il faut imaginer qu'on ajoute 20 persiennes verticales orientées parallèlement à la route de l'engin). De cette façon, les deux jeux de persiennes peuvent développer deux portances dans deux directions perpendiculaires lorsqu'elles sont mises en incidence (les directions biaises donnant lieu à une portance biaise, composition des deux portances normales).
Les panneaux cellulaires peuvent être repliés, inclinés vers l'avant ou vers l'arrière, contre le corps cylindrique d'un missile ou d'une fusée, ceci plus facilement et de façon plus compacte que les ailettes planes, ce qui permet un stockage moins encombrant du missile ou des panneaux cellulaires eux-mêmes le long des vaisseaux spatiaux (image du Soyouz ci-dessus). Lorsque les missiles sont lancés depuis un tube ou lorsqu'ils sont stockés dans des baies internes aux avions (comme les avions furtifs) ce mode de stockage replié est très utile. En général, les panneaux cellulaires s'inclinent vers l'avant ou l'arrière pour s'éloigner du corps et faire face à la route peu de temps après que le missile a été tiré. Pour les fusées et vaisseaux spatiaux, la position repliée des panneaux cellulaires rend ceux-ci inopérants et moins générateur de traînée aérodynamiqueLeur présence, déployés à l'avant de la fusée, diminuerait drastiquement la stabilité (la marge statique) de celle-ci.. Au vu des différentes utilisations qui sont faites des panneaux cellulaires, force est de constater que c'est cette propriété d'être facilement escamotées qui a compté dans le choix de cette solution.
Les panneaux cellulaires ont une corde (la distance entre le bord d'attaque et le bord de fuite de chaque cellule) beaucoup plus courte que les ailettes planes ; En conséquence, leur centre de portance, qui se trouve entre leur bord d'attaque et leur bord de fuite, est dans l'épaisseur du panneau cellulaire, ce qui réduit le moment exercé par cette portance sur le mécanisme de direction (s'il en est), ce qui permet l'utilisation d'actionneurs plus petits.
Les panneaux cellulaires fonctionnent très bien à des vitesses subsoniques et supersoniques, mais plus mal à des vitesses transsoniques. Le flux transsonique provoque en effet la formation d'une onde de choc à l'intérieur même de chaque cellule, l'ensemble de ces ondes de choc obligeant une grande partie du flux d'air à passer à l'écart de l'ensemble des cellules au lieu de la traverser et de générer une portance (nous y revenons plus bas). Lorsque le nombre de Mach est plus élevé, le flux passant dans les cellules devient complètement supersonique et les panneaux cellulaires fournissent à nouveau une bonne portance, avec une faible traînée et une plus grande manœuvrabilité que les ailettes planes.
Fonctionnement et quantification de la portance thumb|4 panneaux cellulaires en incidence