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Vortex et turbulence de sillage
(Source Info Pilote Octobre 1996)

On comprend aisément, lorsque l'on navigue sur l'océan, que le navire ondule, tangue et roule sur les vagues. On perçoit moins aisément qu'il en est de même dans le ciel.
L'air est fluide, tout comme l'eau, à la nuance près que ses mouvements sont invisibles. Lorsque l'on me demande pourquoi l'avion bouge, j'ai l'habitude d'utiliser l'image d'un cours d'eau pour matérialiser mon propos. Lorsque le fleuve est large et calme, l'eau s'écoule paisiblement, et le bateau semble glisser sur un miroir. Mais lorsque les berges se resserrent, que les rapides approchent, l'eau frémit, l'écume bondit, et le navire ondule - parfois violemment.

Nous allons nous intéresser aujourd'hui à un type de turbulence tout à fait particulier, la turbulence de sillage. Nous allons voir ce qu'il se passe lorsque nous nous trouvons derrière un autre appareil qui perturbe le fluide dans lequel nous évoluons. L'air est perturbé, en quelque sorte, de la même manière que lorsque nous faisons du ski nautique derrière un hord-bord.
Pour bien appréhender les dangers de ce type de turbulence, nous allons commencer par en rechercher l'origine aérodynamique. Nous pourrons ensuite étudier la nature du risque pour enfin déterminer les actions de prévention qui nous sont offertes.
Origine de la turbulence de sillage. La plus grande partie des perturbations est due à l'aile de l'avion. Nous savons que son rôle consiste à générer la portance nécessaire au vol. Nous savons également (Figure 1) qu'une zone de dépression apparaît sur la partie supérieure de la voilure (extrados), alors qu'une zone de surpression apparaît sur la partie inférieure (intrados).
* Tourbillons marginaux (vortex) : la nature est ainsi faite qu'elle a horreur du vide... C'est ainsi que l'air "cherche à combler" la zone de dépression. Il se déplace donc de la zone de surpression vers la zone de dépression. Le "passage" se situe en bout d'aile, l'air se trouvant sous l'aile se dirigeant vers le dessus de la voilure (Fig. 2).
Puisque l'avion se déplace, ce "transfert" se matérialise par un tourbillon à chaque extrémité d'aile. Il peut être très puissant (avion gros porteur) et tourne dans le sens horaire (vu de l'arrière), à l'extrémité de l'aile gauche, et dans le sens anti-horaire en bout d'aile droite.
A noter, à titre culturel, que ces tourbillons génèrent une traînée, et donc une consommation de carburant importante.
C'est pourquoi les constructeurs ont mis au point des dispositifs tels que les winglets, qui sont sensés réduire les effets de cette perturbation (allongement fictif de la voilure). L'idéal serait une aile dite infinie (de type annulaire par exemple, telle que celle étudiée en soufflerie par la Nasa, figure 4), mais on se heurte alors à des difficultés technologiques et financières, qui n'ont pas permis à ce concept de voir encore le jour...
* Tourbillons de fuite : étudions maintenant l'écoulement autour de l'aile. On constate en soufflerie que les filets d'air qui circulent sur l'extrados ne sont pas parallèles à ceux qui circulent sur l'intrados (Fig. 5).
Lorsque ces filets d'air se rejoignent au niveau du bord de fuite de la voilure, les angles décrits par les deux trajectoires sont tels qu'ils "s'enroulent" l'un autour de l'autre pour former un tourbillon appelé tourbillon de fuite. L'écoulement ainsi perturbé forme à l'arrière du bord de fuite une véritable nappe tourbillonnaire (Fig. 6).
* Turbulence de sillage : l'association des tourbillons marginaux et des tourbillons de fuite, qui se rejoignent en aval du profil, donnent naissance à une zone fortement perturbée. Cette turbulence est appelée turbulence de sillage.
Nature du risque. Dans certains cas rares, le vol à travers une turbulence de sillage peut entraîner des dommages structuraux considérables, pouvant aller jusqu'à la destruction de l'appareil... Cependant, le danger essentiel est constitué par le mouvement de roulis généré par le vortex (tourbillon marginal de bout d'aile).
Lorsque le taux de roulis induit par le tourbillon dépasse le taux de réponse des commandes, l'avion se trouve entraîné dans un mouvement de roulis incontrôlable par le pilote (Fig. 7). Ce risque est amplifié par le fait que l'on rencontre le plus souvent ces turbulences au cours des phases d'approche ou de décollage. L'avion qui les subit est donc plus vulnérable, en raison de sa faible hauteur et de sa vitesse réduite.
Je garde fortement imprégné en mémoire un film, visionné lors de mes études aéronautiques, sur lequel on voyait un Boeing 747 au décollage. Un pylône, équipé de fumigènes, était placé en bordure de piste et, peu après le passage de l'appareil, il était possible de visualiser la trajectoire des tourbillons marginaux. J'en retiens qu'il est suicidaire de se trouver en avion dans cette zone. C'est pourtant ce que faisait, dans la suite du document, un pilote d'essai à bord d'un Beechcraft Bonanza. Juste après avoir quitté le sol, sans qu'il touche aux commandes, l'avion effectuait trois tonneaux rapides. Un second essai, avec le manche braqué au maximum de ses possibilités, lui permettait de n'effectuer qu'un tonneau et demi. Ces Américains sont fous. Mais ce film est d'un point de vue pédagogique le meilleur outil que je connaisse...
En règle générale, le taux de réponse des commandes est suffisant pour contrer l'effet (moins extrême que celui d'un 747) du roulis induit par la turbulence de sillage. Cependant, il est très délicat, voire impossible pour un appareil de faible envergure (cas des avions légers) de contrôler ce mouvement puisque la longueur réduite des ailes ne permet pas aux ailerons d'être à l'extérieur du cône du vortex.
Il est donc essentiel d'éviter à tout prix les zones potentiellement dangereuses que nous allons maintenant définir.
Caractéristiques. La turbulence de sillage a certaines caractéristiques dont la connaissance peut aider le pilote à localiser (et donc à éviter) les zones de danger.
La turbulence est effective lorsque l'appareil qui la génère est en vol - au décollage, après la rotation, à l'atterrissage, avant le toucher des roues (Fig. 8) Lorsque la turbulence de sillage est générée à proximité du sol, comme c'est le cas lors des phases de décollage et d'atterrissage, les tourbillons se déplacent latéralement en atteignant le sol. Ils s'écartent à une vitesse voisine de 5 Kt (Fig. 9). Ceci signifie qu'il suffit d'attendre quelques minutes après le passage d'un appareil pour ne pas subir l'effet de ses turbulences de sillage.
Attention ! Cela n'est pas aussi simple... Il existe un certain nombre de situations potentiellement dangereuses : lorsque par exemple la composante de vent de travers est proche de 5 Kt (entre 3 et 7 Kt).
II y a alors une forte probabilité pour que le tourbillon soit ramené et maintenu sur l'axe de la piste (Fig. 10). Ou encore lorsque le vent est "secteur arrière". Les turbulences sont alors décalées par rapport au point de toucher des roues ou du point de rotation (Fig. 11).
Nous retiendrons qu'une vigilance toute particulière doit être apportée aux mouvements des turbulences de sillage lorsque le vent est faible (3 à 7 Kt) et en particulier lorsqu'il est orienté trois quarts arrière par rapport à l'axe de décollage ou d'atterrissage.
Retenons également, pour mémoire, que des expérimentations en vol ont permis de démontrer que la turbulence de sillage générée par les avions lourds présente un taux de descente de l'ordre de 400 à 500 ft/mn, la tendance étant ensuite une stabilisation à 900 ft sous l'altitude de vol de l'appareil qui en est à l'origine de la turbulence.
Prévention. Deux types d'actions préventives complémentaires peuvent être envisagées.
- La première consiste à respecter un espacement matérialisé par un temps minimal de séparation qui laisse aux turbulences de sillage le temps de se dissiper. Deux à trois minutes sont un ordre de grandeur satisfaisant.
- La seconde consiste à adapter sa trajectoire afin d'éviter les zones potentiellement dangereuses (Fig. 12) :
a) atterrissage derrière un avion "lourd" : si l'appareil précédent est au décollage, atterrir "avant" son point de rotation. S'il est à l'atterrissage, atterrir "après" son point de toucher des roues. Ueillez également à effectuer l'approche au-dessus ou sur le même plan de descente. En aucun cas, sous son plan.
b) décollage derrière un avion "lourd" si l'appareil précédent est au décollage, décoller "avant" le point de rotation et poursuivre la montée soit au-dessus de son plan ascendant, soit décalé du côté du vent (Fig. 13). S'il est à l'atterrissage, décoller "après" le point de toucher des roues du gros porteur.
La figure 12 est une synthèse des zones potentiellement dangereuses. Bons vols et gare aux turbulences !
Débriefing. Uoici en guise de débriefing, quelques consignes qui couvrent certains cas particuliers auxquels on peut parfois être confronté.
* Approche après l'atterrissage d'un gros porteur sur une piste parallèle proche :
- évaluer les possibilités d'occurrence de la turbulence de sillage.
- adopter un plan d'approche supérieur ou égal au sien,
- noter son point de toucher et atterrir: au-delà.
* Intersection de pistes :
- atterrir ou décoller avant l'intersection des pistes.
* Gros porteur effectuant une remise de gaz :
- un intervalle de trois minutes doit être respecté avant tout atterrissage ou décollage.
Dans tous les cas, il faut tenir compte, lors de l'évaluation des risques de rencontre des turbulences de sillage, des différents effets du vent qui peuvent entraîner leur déplacement.






Dernière mise à jour : 29 Septembre 2014
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