Givrage fichier 2 - Aéroclub de Bourg-en

Première partie : l’aéronautique et le givrage
Source NASA-Lewis Research Center
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La contamination par de la glace : le givrage des aéronefs
L'AERONAUTIQUE ET LE GIVRAGE : EFFETS SUR LES AERONEFS
Différents types d'accrétion
Intensité d'accrétion
Conséquences des accrétions
Exemples de facteurs de vulnérabilité
Vulnérabilités spécifiques
Détection en vol
Elimination de l'accrétion : le dégivrage
Prévention du givrage : l'antigivrage
La certification aux conditions givrantes
Les situations marginales
En conclusion de cette première partie : une liste d’objectifs météorologiques
sur le thème du givrage
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Différents types d’accrétion (1)
la gelée blanche
source Transport Canada
Aspect : cristallin en formes d’aiguilles, d’écailles ou de plumes.
Conditions habituelles de formation : passage direct de la vapeur d’eau en glace.
Ce dépôt peut se produire sans nuages.
Effets : Même si il ne représente pas une grande quantité de glace, ce dépôt est très
significatif dans certaines conditions.
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Différents types d’accrétion (2)
le givre blanc
Source Météo France
Aspect : opaque et blanc, mais plutôt fragile et friable. Sa masse spécifique est
faible.
Conditions habituelles de formation : Sur une surface froide, dans un milieu
nuageux homogène froid (t<<0°C). Les gouttelettes nuageuses en surfusion
congèlent très rapidement et emprisonnent beaucoup d’air.
Effets : Se développe en pointe dans le sens du vent relatif. Il est toujours
significatif et doit être éliminé.
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Différents types d’accrétion (3)
le givre transparent
Source NASA-Lewis Research Center
Aspect : transparent, homogène et lisse, très compact. Sa masse spécifique est
proche de celle de la glace pure.
Conditions habituelles de formation : Sur une surface froide, dans un milieu
nuageux homogène proche de 0°C. Les gouttelettes nuageuses en surfusion
représentant beaucoup d’eau congèlent lentement et coulent.
Effets : Se développe en cornes dans le sens du vent relatif. Il est particulièrement
significatif et le mieux est de l’empêcher de se former.
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Différents types d’accrétion (4)
Source NASA-Lewis Research Center
le givre mixte
Aspect : souvent hétérogène avec des accrétions de glace claire et compacte mêlées
à des accrétions plus blanches et friables.
Conditions habituelles de formation : Sur une surface froide, dans un milieu
nuageux hétérogène où varient les conditions de température et la taille des
gouttelettes (*).
Effets : Similaires à ceux du givre transparent.
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Intensité d’accrétion (1)
faible :
> 1g/cm²/heure
modéré :
> 6g/cm²/heure
fort :
> 12g/cm²/heure
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Intensité d’accrétion (2)
Givrage faible (light) : n’implique pas de contraintes particulières sur la
conduite de l’avion
Givrage modéré (moderate) : conditions de givrage pouvant amener
l’équipage à juger utile de changer de cap ou d’altitude
Givrage fort (severe) : conditions de givrage amenant l’équipage à
changer immédiatement de cap ou d’altitude
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Conséquences des accrétions (1)
• L’accumulation de glace représente une augmentation de la masse et des
modifications de l’équilibre longitudinal de l’aéronef (centrage). L’effet est
relativement mineur sur des avions lourds.
• Le givrage des sondes et antennes diverses perturbe leur fonctionnement, amène
parfois à leur rupture.
•Le givrage du pare-brise réduit ou annule la visibilité extérieure.
•Les moyens de propulsion (moteurs, hélices, fans, rotors) sont également
vulnérables aux accrétions. Elles perturbent souvent gravement leur efficacité ou
leur fonctionnement.
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Conséquences des accrétions (2)
•Les conséquences aérodynamiques :
un impact majeur
Sur un profil d ’aile moderne, la
dégradation de la portance (*) suite
à une contamination peut être
considérable (-20 à -30 %).
De plus, une forme
d’accrétion apparemment
légère à des effets similaires
à ceux de formes beaucoup
plus sévères !
Source NASA
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Un facteur de vulnérabilité : la forme aérodynamique (1)
Le flux aérodynamique (écoulement de l’air le long des surfaces de l’aéronef) est
modifié par la forme des éléments. Ainsi, l’aptitude d’un profil d’aile à capter des
gouttelettes nuageuses de dimensions fixées dépend aussi de sa forme et de son
épaisseur.
flux aérodynamique
PROFIL
trajectoire des gouttelettes
zone de captation
Dans des conditions givrantes identiques l’accrétion résultante et les effets
aérodynamiques induits varient beaucoup d’un type d’aéronef à un autre.
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Δ t en °C
Un autre facteur de vulnérabilité : la vitesse aérodynamique (2)
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8
1
vitesse aérodynamique en kt
Écart entre la température de l’air et la température du point d’impact Δt dans
les basses couches de l’atmosphère .
Les avions rapides sont moins vulnérables aux accrétions.
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Vulnérabilité spécifique turboréacteur : l’ingestion de glace au sol ou en vol
Un turboréacteur en fonctionnement peut s’éteindre ou être détruit par une ingestion
massive de glace.
Source Pratt et Whitney
Source Pratt et Whitney
Deux scénarios s’y prêtent particulièrement :
•Accumulation sur la voilure ou les trains d’atterrissage au roulage sur une aire de
mouvement contaminée de neige collante. Elle va être projetée à l’accélération
initiale dans les moteurs.
•Utilisation tardive en vol d’un système d’antigivrage sur les nacelles lors de
conditions de givrage sévère. La glace détachée rentre dans le corps du moteur.
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Vulnérabilité spécifique avion léger : la formation de glace dans un carburateur
Les carburateurs montés sur les moteurs d’avions légers sont propices à la formation
de glace condensée dans la partie où l’air humide est détendu (la température baisse)
et où le carburant est vaporisé (la température baisse encore). Si le phénomène est
important, le moteur cesse de fonctionner.
Voici un exemple
source Royal Australian Air Force
d’abaque qui permet de
préciser le risque en
fonction de la
température et de la
température du point de
rosée (*).
Ce risque est maximum
dans de l’air saturé ou
proche de la saturation
pour des températures
comprises entre +5 et
+15°C.
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Vulnérabilité spécifique avion léger : vol dans les nuages en règles de vol sans visibilité (IFR).
Les avions légers qui pratiquent le vol sans visibilité (conditions IFR) et qui
ne sont pas équipés de systèmes de dégivrage efficaces sont particulièrement
vulnérables aux conditions givrantes.
Il leur est utile de connaître en montant le premier niveau de vol (altitude
pression) où la température est négative (*).
Si cette couche de stratocumulus est givrante, pas
question de se stabiliser à un
niveau correspondant dans une
phase de croisière ou d’attente!
Frank Jansen photography
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La détection en vol
Un indicateur visuel d’accrétion (*)
Source ATR
Un détecteur électronique d’accrétion (**)
Source ATR
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Élimination de l’accrétion : le dégivrage
Le dégivrage est un système embarqué dont le principe consiste à éliminer le
givre, une fois l’accrétion réalisée.
Si le type de givre n’est pas trop solide et l’intensité du phénomène modérée,
on peut l’éliminer par fractionnement mécanique.
L’avantage de ces systèmes provient du fait qu’ils sont peu gourmands en énergie.
C’est pourquoi il sont montés sur les avions légers et les turbopropulseurs.
ces surfaces noires sont
déformables par action
pneumatique
Source ATR
L’inconvénient provient du fait que ces systèmes peuvent être saturés ou
inefficaces en cas de conditions givrantes exceptionnelles.
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Prévention du givrage : l’antigivrage
L’antigivrage est un système embarqué dont le principe consiste à empêcher la
formation du givre.
La technique la plus couramment utilisée consiste à chauffer les éléments ou
surfaces sensibles.
Avantage : en anticipant sa mise en œuvre, l’aéronef est alors bien protégé dans
pratiquement toutes les conditions atmosphériques.
Source I.A.E
L’inconvénient est que ces systèmes sont très gourmands en énergie. Leur
utilisation implique des pénalisations opérationnelles coûteuses.
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La certification aux conditions givrantes
Les autorités aéronautiques imposent des règles d’exploitation en conditions
givrantes. En particulier des normes sont définies lors de la certification d’un
modèle d’aéronef pour par exemple dimensionner un système de dégivrage.
Ces normes sont définies à
partir de conditions
atmosphériques observées
lors de campagnes de mesure
spécifiques (ici CASP II au
Canada en 1992). Elles
écrêtent raisonnablement
(dans le sens de la sécurité)
quelques situations extrêmes
très rarement rencontrées.
Les conditions qui engendrent
des observations extrêmes sont
à préciser.
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Les situations marginales
L’expérience aéronautique prouve que les situations atmosphériques à la marge
des conditions givrantes sont des situations à risque aéronautique mal évaluées.
En effet, les situations qui correspondent à un phénomène intense, faciles à
observer ou détecter motivent une réaction rapide et généralement efficace de
l’acteur aéronautique.
Lorsque les paramètres atmosphériques oscillent autour des conditions
givrantes, ou lorsque les conditions sortent de la normale régionale et
saisonnière, des chausse-trappes (véritables pièges atmosphériques) se mettent
en place.
Leur détection peut-être utilement amorcée par un météorologiste aéronautique.
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En conclusion de cette première partie : une liste d’objectifs météorologiques sur le thème du givrage
1) Fournir des prévisions aux échéances aéronautiques (→ 24 heures) bien ciblées
(localisées et bornées dans le temps), adaptées aux contextes local et saisonnier.
Fixer le premier niveau à température négative et obtenir de bons scores sur
l’absence ou la présence de conditions potentiellement givrantes à un niveau
donné. Ces points sont importants sur le plan opérationnel.
2) Parvenir à une bonne discrimination des situations extrêmes correspondant à
des observations de givrage sévère . Ce point est important pour la sécurité de
certaines catégories d’aéronefs de transport public (commuters).
3) Souligner les situations marginales (chausse-trappe), aux limites de la
prévisibilité, pour placer l’opérateur aéronautique dans une situation de
vigilance accrue. Ce point est important pour la sécurité en général.
4) A l’issue de campagnes expérimentales, abonder les connaissances théoriques
sur les mécanismes en jeu dans les situations extrêmes, afin d’affiner les normes
en vigueur.
5) Développer la formation des acteurs aéronautiques sur le thème : pour leur
permettre d’interpréter correctement l’information, pour qu’il connaissent les
méthodes et les scénarios classiques que nous utilisons, pour les sensibiliser au
retour d’information.
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Lien vers : notes (*) pour le formateur
Lien vers à suivre : les variables pronostiques dans l'atmosphère
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