Anémométrie en aéronautique - Définition

Introduction

En aéronautique, l'anémométrie est la science de la mesure et de l'utilisation de la vitesse d'un aéronef par rapport à l'air. Les techniques anémométriques utilisées légalement à bord des avions et des hélicoptères sont historiquement et jusqu'à ce jour strictement identiques (système dit Pitot-Statique).

Des mesures incitatives fortes ont été prises en 2008 par les autorités politiques européennes (Questions/Reponses Parlementaires Européennes E-2148-08) et par l'EASA, autorité aéronautique européenne (en particulier Tender 2008 OP 26),destinées à contraindre les constructeurs d'hélicoptères à utiliser des moyens anémométriques plus sérieux, mieux adaptés que le système Pitot-Statique et moins attentatoires à la sécurité du vol des voilures tournantes , en particulier par le phénomène du Vortex, que le système Pitot-Statique.

Instruments de bord

Rôle de l'anémométrie dans un aéronef

Pilotage

L'anémomètre à bord d'un aéronef est avant tout un instrument de pilotage et de sécurité.

L'anémomètre fournit un repère de valeurs à respecter vis-à-vis de phénomènes dépendant de la grandeur de la vitesse-air (norme du vecteur vitesse) qui peuvent être dangereux pour la sécurité du vol.

Sur avion, le décrochage de la voilure principale est un des phénomènes dangereux le plus connu. Il se produit, dans des conditions de masse et d'altitude fixées, à partir et au-dessous d'une vitesse-air connue, déterminée lors des essais en vol. Le paramètre de base conduisant au décrochage n'est pas la vitesse-air mais l'incidence de la voilure principale. Certains avions ont été munis de capteurs d'incidence, sans pour autant supprimer l'anémomètre, qui a d'autres utilités.

Navigation

Certaines procédures de navigation utilisent l'anémomètre.

Nécessité d'un machmètre

L'anémomètre doit être complété d'un machmètre.

Si, dans les grandes vitesses, l'anémomètre peut jouer seul le rôle d'indicateur de VNE, c'est-à-dire de vitesse à ne pas dépasser, l'altitude et la température modifient la valeur du trait rouge à respecter. Un machmètre s'avère alors plus utile et mieux adapté qu'un anémomètre standard.

Anémomètre

Système universel Pitot-Statique

Avions et hélicoptères sont tous équipés du système anémométrique dit Pitot-statique. Cet équipement fournit la norme d'une grandeur anémométrique appelée vitesse conventionnelle, notée V_C ou CAS (Calibrated Air Speed).

Principe du tube de Pitot

Le système est composé :

– d'un tube de Pitot, couramment appelé « Pitot », du nom de son inventeur, qui fournit la pression P_t des filets d'air provenant de l'infini-amont ;

– d'une prise de pression de référence P_r, mesurant la pression statique de l'air (pression ambiante).

L'incidence et le dérapage ont une influence sur la précision de la mesure, assez minime tant que les angles en question ne dépassent pas la dizaine de degrés. Le Pitot est souvent placé, sur les avions, en avant du bord d'attaque de l'aile sur un support adéquat ou bien sur une perche dépassant du nez du fuselage. La pression recueillie est générée par l'arrêt total (et la déviation totale) des filets d'air qui auraient dû passer par le trou.

La pression totale théorique, ou pression d'impact, est égale, pour les faibles vitesses subsoniques à :

P_t = P_r + 0.50ρV²

On voit qu'il suffit de soustraire P_r à P_t pour obtenir une valeur ΔP dite pression différentielle, fonction de V et de ρ, donc de P_s et de T_s.

C'est le rôle de la seconde prise de pression, dite statique, de fournir P_s. Cette prise de pression peut être intégrée au corps du tube de Pitot, sous forme d'un trou ou de fentes latérales. Mais elle peut être ailleurs sur le fuselage en particulier sur les hélicoptères. C'est donc un casse-tête pour les constructeurs d'hélicoptères car aucun emplacement de prise statique ne peut échapper à des filets d'air non tangentiels provenant soit de l'air-amont soit du flux intense du ou des rotors. L'air-amont théorique peut provenir de toutes les directions sur un hélicoptère, contrairement au cas de l'avion.

On appelle pression de référence, notée P_r, la fausse pression statique disponible. On essaie de limiter les erreurs de statique (Erreur = P_r − P_s), pas tant pour la précision absolue de l'anémométrie, mais plutôt pour la précision de l'altimétrie qui utilise P_r comme alimentation de l'altimètre de bord. Cette nécessité contradictoire est l'un des problèmes auxquels le constructeur se trouve confronté sans disposer de moyens sûrs d'études préalables.

Pression différentielle

Dans les basses vitesses subsoniques, la pression différentielle ΔP dépend non seulement de V mais aussi de ρ (masse volumique de l'air), donc, en pratique, de P_s et de T_s :

On ne connaît pas de capteur direct de ρ.

Il n'est pas possible de faire indiquer simplement la vitesse V à partir de ΔP. Un calculateur recevant pour entrées ΔP, P_s et T_s est capable d'en sortir numériquement ou analogiquement la valeur de V, en appliquant l'équation aérodynamique inverse . Tous les aéronefs ne sont pas munis de tels calculateurs ; pratiquement aucun n'en avait avant les années 1990. On préfère, pour des questions de sécurité, avoir des instruments autonomes entièrement mécaniques.

Vitesse conventionnelle

L'anémomètre traditionnel mécanique est un indicateur de pression différentielle et, de ce fait, pourrait être gradué en unités de pression, comme l'hectopascal.

En faisant l'hypothèse que le vol est effectué dans une atmosphère dont les paramètres sont ceux du sol standard (atmosphère type OACI), soit P_s0, T_s0 et une masse volumique ρ0.

ΔP étant la mesure physique de pression différentielle captée par le système Pitot-statique (affichée sur le cadran de l'indicateur), on déclare que la vitesse associée à cette indication est celle qui aurait produit la même pression ΔP en volant dans l'atmosphère standard au sol. On appelle vitesse conventionnelle (V_C) cette vitesse fictive. Dans le domaine des basses vitesses subsoniques, la relation entre V_C et V est :

ou encore

V_C n'est égal à V que si on vole en atmosphère dans laquelle ρ vaut réellement 1,225 kg/m³. Dés qu'on vole en altitude, V_C ne veut plus rien dire en tant qu'indicateur de vitesse-air. Par exemple, à l'altitude standard de 10 000 pieds (3 048 mètres), σ = 0,738 . Une vitesse-air réelle de 250 nœuds (464 km/h) sera indiquée sur une installation Pitot-statique parfaite par une valeur V_C de 214 nœuds. On s'en accommode, ce qui tend à montrer que la vitesse-air en elle-même n'est pas vraiment utile pour le vol de l'aéronef.

Par contre comme le pilote souvent ne dispose de rien d'autre, il est réduit à faire lui-même office de calculateur pour faire de la navigation « à l'estime », qui nécessite de connaitre la vitesse-sol de l'aéronef. Partant de V_C, de Z_p et de T_s, le pilote, ou le navigateur, calcule V avec sa calculatrice de poche ou des abaques, et entreprend ses calculs de route sol, de temps de parcours et autres paramètres au moyen d'une estimation ou d'une procédure de mesure du vent.

Machmètre

Nombre de Mach

Le nombre de Mach, noté M, est le rapport de la vitesse-air V_A sur la célérité du son dans l'air, notée a.

La célérité du son dans l'air ne dépend que de la température :

γ = 1,4

R = 287,04J / K

Intérêt de la mesure

Le nombre de Mach rend compte de l'approche de phénomènes critiques voire dangereux pour l'aéronef, lorsque M tend vers 1. L'anémomètre seul est incapable de l'indiquer. Les phénomènes dangereux sont de deux ordres :

– excitations vibratoires ;

– déplacements importants vers l'arrière des centres de poussée qui, particulièrement, changent l'équilibre statique longitudinal de l'aéronef. Le recul des centres de poussée est de l'ordre de 25 % de la corde des profils, ce qui réclame, pour réaliser l'équilibre longitudinal, des gouvernes de profondeur particulièrement dimensionnées.

Haut subsonique et supersonique

On utilise l'expression donnant ΔP en fonction de M et P_r :

Sachant que et que et en faisant l'hypothèse que l'on vole dans les conditions au sol standard P_s = P_s0 et T_s = T_s0, on calcule pour chaque valeur de ΔP la valeur de la vitesse conventionnelle V_C qui donnera la même pression différentielle et on graduera avec V_C l'anémomètre Pitot-Statique.

Machmètre

Le nombre de Mach est calculé à bord et affiché dans un instrument appelé machmètre. Le cadran du machmètre est muni, comme l'anémomètre, de repères et de zones colorées pour aider le pilote à respecter les limitations fixées dans le manuel de vol.

Le machmètre utilise, comme l'anémomètre, la pression statique P_r et la pression totale P_p.