En aéronautique, l'anémométrie est la science de la mesure de la vitesse d'un aéronef par rapport à l'air, et de l'utilisation de cette mesure.
Selon son étymologie, le mot anémométrie désigne l'art de la mesure du vent.
L'emploi du terme anémométrie en aéronautique pourrait donc paraitre inapproprié. Pour le comprendre, il faut se référer à la notion de vent relatif des aérodynamiciens. Ces professionnels utilisent beaucoup les essais en soufflerie. Ils ont donc tendance à se représenter l'aéronef comme un objet immobile dans une veine d'air en mouvement, d'où cette notion de vent relatif. Le pilote parlera plutôt de "vitesse de l'avion par rapport à l'air" (ou plus brièvement de "vitesse air"). La notion de vitesse étant par essence relative, il s'agit finalement de la même chose. L'anémométrie aéronautique concerne donc, elle aussi, la mesure du vent, mais du vent relatif.
Pour piloter un aéronef, la connaissance du vent (au sens commun du terme, i.e. de la vitesse de la masse d'air par rapport au sol, qu'on pourrait qualifier de vent absolu) est également importante. Les systèmes anémométriques à bord des aéronefs n'en réalisent toutefois pas la mesure directement.
Les techniques anémométriques utilisées à bord des avions et des hélicoptères sont jusqu'à ce jour identiques (système dit "Pitot-Statique"), ce qui est inadapté eu égard aux capacités de vol spécifiques d'un hélicoptère. De ce fait, un pilote d'hélicoptère ne dispose d'aucune indication de sa vitesse par rapport à l'air quand il manœuvre autour du stationnaire, en vol latéral ou en vol arrière.
L'objet de cet article est d'expliquer en quoi la mesure de la vitesse air d'un hélicoptère pose des problèmes différents de celle des avions, et d'exposer les efforts réalisés par l'industrie aéronautique pour tenter de combler la lacune des basses vitesses dans l'anémométrie des hélicoptères.
Aérodynamique
Les forces aérodynamiques qui agissent sur un aéronef dépendent essentiellement de la vitesse relative de l'air par rapport à ses surfaces aérodynamiques. L'expression générale d'une force aérodynamique , valable quel que soit l'aéronef est :
avec : : coefficient de portance , ou de traînée : surface de l'élément aérodynamique étudié : vitesse air : masse volumique de l'air
D'après la loi des gaz parfaits, la masse volumique de l'air s'écrit, en kg/m :
avec : pression de l'air (Pa), la capacité thermique massique (ou chaleur spécifique) de l'air (), et température (K).
La masse volumique de l'air est donc proportionnelle à sa pression et inversement proportionnelle à sa température. On peut aussi écrire cette relation sous la forme suivante :
avec : = : masse volumique de l'air à = , et
L'expression de la portance peut être scindée en deux facteurs : l'un, constant, ne dépendant que de la géométrie de l'avion : l'autre, variable, dépendant de sa vitesse actuelle et de l’atmosphère dans laquelle il évolue :
Le rôle principal d'un anémomètre à bord d'un aéronef est donc de fournir à l'équipage une mesure de ce second facteur.
Sur un avion à ailes fixes, cette mesure est cruciale pour le pilotage. Elle est notamment le seul moyen pour éviter de voler en deçà de la vitesse de décrochage.
Sur un hélicoptère, c'est une vitesse minimum de rotation du rotor qui garantit la sustentation. La mesure de la vitesse du fuselage par rapport à l'air est de ce fait moins critique.
Sur n'importe quel aéronef, il est aussi souhaitable de disposer de mesures des angles de dérapage et d'incidence. Mais ce n'est pas une obligation : les petits avions par exemple ne sont pas équipés de tels moyens de mesure.
Sur les avions volant à grande vitesse (haut subsonique ou supersonique), un machmètre s'avère indispensable.
Une mesure de l'altitude barométrique est aussi obligatoire sur tout type d'aéronef. Il ne s'agit pas directement d'anémométrie : l'indication de l'altitude barométrique est basée sur la mesure de la pression statique, indépendante par définition de la vitesse. On verra cependant que cette mesure intervient dans les systèmes conventionnels de mesure de la vitesse air.
Enfin, le système de données air est généralement complété par un moyen de mesure de la température extérieure (OAT : Outside Ambiant Temperature).
Vitesses
Vitesse-air La vitesse-air est la vitesse relative des molécules de l'air à l'infini amont par rapport à un trièdre convenu lié au fuselage.
Chacun des éléments de cette définition mérite d'être commenté : la vitesse des molécules d'air : les molécules d'un gaz sont individuellement animées d'un mouvement brownien, dont la vitesse quadratique moyenne à température ambiante est de plusieurs centaines de mètres par seconde (voir distribution des vitesses). Pour être précis, il faudrait donc parler de vitesse moyenne des molécules de l'air. l'air à l'infini amont : le déplacement de l'aéronef dans la masse d'air perturbe cette dernière. Pour donner sens à la notion de vitesse relative des molécules d'air, il faut donc préciser qu'on parle d'une région de la masse d'air non perturbée par l'aéronef. L'acceptation stricte de la non perturbation impose de considérer une région infiniment loin. Mais ce faisant, on est contraint aussi de ne considérer que des masses d'air à champ de vitesse uniforme, i.e. exemptes de tourbillons ou de cisaillements. Dans la pratique, une région située en avant de l'aéronef à une distance de l'ordre de la dimension de l'aéronef convient.
la notion de vitesse relative à un trièdre doit être comprise au sens général d'un mouvement dans un espace à trois dimensions, c'est-à-dire en tant que vecteur 3D. Une seule mesure ne suffit donc pas à définir cette vitesse. Il faut soit un module et deux angles (le dérapage et l'incidence), soit les trois composantes : longitudinale, latérale et normale, dans le trièdre fuselage.
Ces considérations permettent d’appréhender la difficulté de la mesure d'un paramètre dont la simple définition soulève de nombreuses questions. C'est particulièrement vrai dans le cas de l'hélicoptère. En effet, le flux d'air (vulgairement désigné par "le souffle du rotor ") , dont la section, la direction et la vitesse sont très différentes de la direction et de la vitesse de l'hélicoptère par rapport à l'air à l'infini amont prend une importance aérodynamique relative de plus en plus grande au fur et à mesure que la vitesse diminue, au point de rester le seul élément actif en vol stationnaire.
Incidence et dérapage L'angle d'incidence est l'angle formé par le vecteur vitesse-air et le plan du trièdre fuselage. Il est usuellement défini positif quand l'air impacte l'intrados de l'aile comme dans l'illustration ci-dessous.
L'angle de dérapage est l'angle formé par le vecteur vitesse-air et le plan du trièdre fuselage. Il est usuellement défini positif quand l'air impacte le flanc droit du fuselage (le dérapage est négatif dans l'exemple de l'illustration ci-dessous).
Vitesse-sol La vitesse-sol est la vitesse d'un point de l'aéronef (par exemple son centre de gravité moyen) par rapport à un trièdre "sol" (i.e. lié au globe terrestre). Un trièdre sol couramment utilisé est le trièdre géographique local, définissant les composantes nord, est et verticale de la vitesse sol. S'agissant de la vitesse relative entre deux solides, la définition est plus simple que celle de la vitesse-air.
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.
L'indicateur de vitesse-air est muni de repères définissant un domaine à respecter pour ne pas compromettre la sécurité du vol.
Sur avion, le décrochage est le phénomène dangereux le plus connu. Il se produit, dans des conditions de masse et d'altitude données, en deçà 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 sont munis de capteurs d'incidence, également exploités pour alerter quand l'avion s'approche des conditions de décrochage.
Tout aéronef doit également respecter une vitesse maximum (VNE : Velocity to Never Exceed) au-delà de laquelle il risque d'être endommagé, de devenir incontrôlable, ou plus généralement de voir sa sécurité de vol compromise.
Navigation Les procédures de navigation exploitent essentiellement la position géographique et la vitesse-sol.
Elles requièrent également la connaissance du vent. Le vent peut être estimé à bord à partir des deux mesures de vitesse sol et de vitesse-air (par soustraction des vecteurs, selon la méthode dite du "triangle des vitesses").
Certaines procédures de navigation utilisent aussi l'anémomètre directement.
Système Pitot-Statique
Avions et hélicoptères sont tous équipés du système anémométrique dit Pitot-statique. Cet équipement fournit le module d'une grandeur anémométrique vectorielle appelée vitesse conventionnelle, notée ou CAS ().
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 dite totale des filets d'air provenant de l'infini-amont ; d'une prise de pression de référence, mesurant la pression statique de l'air (pression ambiante).
L'incidence et le dérapage ont une influence parasite 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 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 :
On voit qu'il suffit de soustraire à pour obtenir une valeur dite pression différentielle, fonction de et de , donc de et de
C'est le rôle de la seconde prise de pression, dite statique, de fournir . 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.
La pression différentielle dépend non seulement de mais aussi de (la masse volumique de l'air), donc de et de .
La formule suivante est valide dans les basses vitesses subsoniques (jusqu'à de l'ordre du tiers de la vitesse du son) :
avec :
Un calculateur de données air (ADC, Air Data Computer) acquiert , et et calcule la valeur de , en appliquant l'équation réciproque : .
Vitesse conventionnelle
Tous les aéronefs ne sont pas équipés d'ADC. Les avions les plus simples sont dotés d'un anémomètre mécanique. Il s'agit d'un simple indicateur de pression différentielle, dont l'échelle est graduée avec des indications de vitesse.
Pour disposer les graduations, on a fait l'hypothèse de l'atmosphère standard (atmosphère type OACI), soit et
On appelle vitesse conventionnelle () la vitesse fictive indiquée par un tel instrument. Dans le domaine des basses vitesses subsoniques, la relation entre et la véritable vitesse est :
n'est donc égale à que si on vole en atmosphère dans laquelle vaut réellement . Dès qu'on vole en altitude, s'écarte significativement de la vitesse-air réelle. Par exemple, à l'altitude de , la densité de l'air est de =0,738. Si la vitesse-air réelle est de 200Kt, la vitesse conventionnelle affichée ne sera que de = 172Kt, soit une erreur de 14 %.