Gradient de vent et atterrissage dur, pourquoi ?

• Intro qui déchire
• D’abord c’est quoi un gradient ?
• Le gradient de vitesse, une histoire de frottement et d’échelle
• Le vol plané classique
• L’atterrissage vent dans le nez
• Ce qui se passe
• Comment éviter ça ?
• L’atterrissage vent dans le dos
• Comment limiter ça ?

Intro qui déchire

Dans l’article consacré à notre vénérée biroute, nous avons parlé du gradient de vent qui s’applique à une échelle qui nous intéresse lors de l’atterrissage. En effet, des gradients de vitesse dans un écoulement fluide il y en a autant que l’on souhaite, du tout petit de la couche limite de nos ailes au gigantisme des mouvements atmosphériques.
Ici, nous allons jeter un coup d’œil rapide à l’influence que cela peut avoir sur le vol du planeur ou de l’avion proche du sol.

Et puis d’abord, c’est quoi un atterrissage dur ?
C’est le contraire d’un « Kiss Landing » comme disent les Grands Britons. Le Kiss Landing c’est l’atterro parfait où les roues viennent tout doucement caresser le sol et reprendre le poids de la machine au même rythme que les ailes abandonnent leur rôle porteur. Un transfert de force tout en douceur, on ne sent rien… que du bonheur.
L’atterrissage dur c’est donc tout le contraire, une perte de portance brusque alors que la machine n’est pas encore au sol comme un arrondi trop haut ou bien c’est la trajectoire qui est tout bonnement convergente avec la piste si l’on arrondi trop tard. Dans ces deux cas, le train principal prend son rôle très rapidement et on le sent passer dans les fesses et le dos. Notez au passage que la machine n’aime pas du tout ça et que cela nécessite une inspection de la structure et plus particulièrement du longeron au niveau de sa semelle coté intrados (compression de la semelle la plus fine).
Les matériaux composites (résines + fibres ou simplement le bois) sont fortement orthotropes. Utilisés correctement, c’est à dire en traction, ils ont une limite à la rupture élevée car on « tire sur les fibres ». En compression les fibres ne participent plus et c’est la matrice (la colle qui lie les fibres) qui reprend l’effort.
La structure est bien moins efficace. C’est pour cela que la semelle de longeron coté extrados (en compression) est toujours plus épaisse (sauf exception comme pour les machines de voltige qui sont symétriques structurellement).

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Un atterrissage dur doit être signalé car la vie des prochains utilisateurs en dépend.

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Un atterrissage dur ce n’est pas toujours directement une mauvaise appréciation de la hauteur sol (arrondi trop haut ou trop bas), cela peut se produire si l’on a mal évalué la vitesse du vent et que l’on arrive avec trop peu de vitesse même en arrondissant au bon moment.

Satané gradient !!!

D’abord c’est quoi un gradient ?

Et bien… c’est une variation de valeurs selon une direction qui va de la plus basse valeur à la plus grande valeur.
Bon, là je me fais défoncer direct par les Matheux et les Physiciens.
Mais en même temps on est là pour expliquer de façon simple un truc pas compliqué. Sinon on va directement sur la page du Wikipédia local, on cale sur la première phrase et on se dit qu’on est nul, j’adore : )

On illustre.
Bon, prenez une règle en acier inox de 20 cm, tout ce qu’il y a de plus classique. Vous la tenez entre vos doigts à l’endroit où c’est marqué 20cm). Chauffez l’autre extrémité (là où c’est marqué 0 ou 1 cm) avec une flamme de bougie.

On attend comme ça deux minutes pour que le phénomène soit bien établi et n’évolue plus dans le temps.
Localement sur les premières graduations près de la flamme ça va devenir très chaud.
Pourtant là où vous tenez le réglet, pas de problème, ce n’est pas chaud.
On comprend alors qu’il y a sur la longueur une décroissance de la température (J’ai choisi l’inox car cela conduit moins bien la chaleur qu’un acier classique mais on aurait le même genre de phénomène)
Cette décroissance est ce que l’on appelle le gradient de température sur la longueur de la règle.
On peut représenter ça avec des couleurs (du rouge vers le bleu c’est très joli) ou avec une courbe, que sais-je encore.
Avec l’observation ou disons la mesure, ce qui est intéressant c’est de voir si le gradient est fort ou pas.
Un gradient fort, c’est une variation franche de la valeur observée dans la direction de l’observation.
Dans le cas de la règle en inox, dans la longueur, le gradient sera fort. Il y aura un point chaud au niveau de la flamme et à une distance assez faible la température sera bien plus faible.
Si l’on prend une règle en cuivre le gradient sera faible, on aura une presque uniformisation de la température le long de la règle. Ne comptez pas sur moi pour la tenir du bout des doigts à l’autre extrémité.

Le gradient de vitesse, une histoire de frottement et d’échelle

Dans un fluide comme l’air, on peut aussi avoir toutes sortes de grandeurs physiques à mesurer et on pourra facilement établir, si il y en a, des gradients de température mais aussi de pression, d’humidité et, ce qui nous intéresse ici, de vitesse lorsqu’il y a animation de celui-ci.
Des vitesses différentes dans le volume d’air, mais pourquoi ?

Pour faire simple, l’air est un fluide visqueux même si cela peut paraitre négligeable à notre échelle lorsque l’on agite la main.
Visqueux, cela veut dire que, comme du miel, il aura tendance à s’accrocher et coller aux surfaces solides mais aussi à coller à lui même et entrainer de proche en proche ses propres éléments de volume.
Cela n’est possible que par l’existence de frottements à l’intérieur de ce fluide.
Cela veut dire que si l’on met en route un ventilateur on sentira l’agitation à proximité et en face de celui-ci (un écoulement à une certaine une vitesse) mais plus on s’éloigne moins on sentira cet effet. L’air animé par le ventilateur met en mouvement le volume d’air qui se trouve tout proche mais, comme il y a des frottements, on perd un peu d’énergie et il y a moins d’agitation (moins de vitesse) un peu plus loin. Le mouvement est transmis de proche en proche avec une perte par frottement. Loin du ventilateur, il ne se passe plus rien. On ne ressent pas le vent.

On peut alors dans la direction du ventilateur, mesurer un gradient de vitesse et le représenter avec une échelle et de jolies couleurs.

On peut observer en soufflerie que l’air au contact immédiat d’un solide pourtant assez lisse reste immobile même si un peu plus loin de la surface il existe une vitesse d’écoulement bien plus importante.
Cette couche d’air de faible épaisseur dans laquelle la vitesse est plus faible que celle de l’écoulement global est appelée « couche limite ». Son épaisseur est dictée entre autres par la viscosité du fluide considéré et sa qualité (laminaire ou turbulent).
C’est dans cette couche où, par frottement, les éléments de volume de fluide frottent les uns contre les autres et s’entrainent. C’est un phénomène de cisaillement dont la taille peut varier:

• De quelques millimètres à quelques centimètres à la surface d’un planeur en prenant en référence la vitesse air du planeur.
• De quelques mètres au dessus de la surface du sol en prenant en référence le vent à 20 m du sol.
• De quelques centaines de mètres ou quelques kilomètres au dessus du sol en prenant en référence la vitesse du vent dans les hautes couches de l’atmosphère.
  

Ces couches d’air sont de taille très différentes. Nous allons porter notre regard sur le deuxième qui aura une influence sur l’atterrissage de nos aéronefs.

C’est une couche limite de quelques mètres de d’épaisseur. Notre bonne vieille biroute nous donne la vitesse du vent à une hauteur d’environs 6m par rapport au sol. A cette hauteur, on se trouve dans la partie haute de cette couche. Au dessus la vitesse sera sensiblement la même sur plusieurs dizaines voire centaines de mètres. En dessous par frottement, la vitesse va chuter progressivement jusqu’à atteindre l’arrêt complet au contact du sol entre les brins d’herbe.
Vous aurez peut-être déjà expérimenté cela un jour de vent soutenu et régulier dans un milieu dégagé (vaste prairie ou à la plage). Étant debout, vous sentez le vent sur votre visage et dans vos oreilles. Il vous suffit alors de vous allonger dos sur le sol pour ne plus ressentir qu’une légère brise. Vos oreilles se sont rapprochées du sol là où la vitesse du vent à considérablement diminuée.

Voyons maintenant ce qui se passe si l’on fait entrer progressivement un planeur dans cette couche d’air dont la vitesse sol varie jusqu’à devenir nulle ? C’est le cas de l’atterrissage.

Le vol plané classique

Pour se représenter l’influence que pourrait avoir cette couche limite proche du sol nous allons d’abord nous représenter le vol plané. Partant de là, nous pourrons déformer le modèle en y ajoutant des influences : celle du sol.

Plaçons nous dans un repère lié au planeur. Pour nous, en tant qu’observateur, il est statique mais il est alimenté par de l’air qui vient face à lui et lui permet de voler. C’est comme si nous étions témoins d’un essai de soufflerie. Pour qu’il soit statique devant nous, plaçons un ventilateur qui lui donne un écoulement de 80km/h. Comme cela, il descend tranquillement sur sa pente. Nous avons l’équilibre des deux seules forces qui lui sont appliquées et qui s’annulent parfaitement (la résultante aérodynamique et le poids).

L’atterrissage vent dans le nez

Ce qui se passe

Dans un repère lié au sol nous voyons le planeur avancer à 80km/h dans un volume lui même animé d’une vitesse en sens contraire.
Juste en dessous de ce volume animé se trouve une couche d’air ralenti par la rugosité du sol (la couche limite dans laquelle il n’y a presque pas de vent).
Au moment où le planeur va rentrer dans la couche d’air immobile sa vitesse sera équivalente à sa vitesse sol soit la différence entre sa vitesse air et celle du vent.

Jouons avec notre maquette de soufflerie.
Que se passe t-il si l’on réduit brusquement le ventilateur ?
On retire brusquement 20 km/h. Il en reste tout de même 60 !
Si l’on décompose les forces appliquées au planeur, à ce moment précis, on a diminution des frottements fluides (la trainée diminue) et le planeur va, pour nous observateur, subtilement prendre de la vitesse mais l’effet le plus remarquable est que, puisqu’il n’y a plus beaucoup d’écoulement sur l’aile, il n’y a plus beaucoup de portance et le planeur descend. Pour faire simple, plus vraiment de résultante aérodynamique. Il nous reste le poids, grand vainqueur du retour à la réalité. Le planeur s’enfonce et bascule vers l’avant (mouvement à piquer) bien naturel de notre machine stable qui, par ce mouvement, échangera un peu d’énergie potentielle (de la hauteur) contre de l’énergie cinétique (de la vitesse) jusqu’à un nouvel équilibre.

En réel, au moment où le planeur rentre dans la couche limite, là où la vitesse du vent par rapport au sol se réduit brusquement, la vitesse relative entre le planeur et l’air se réduit rapidement et de façon importante (on a franchement réduit le ventilateur). L’aile est moins alimentée et la résultante aérodynamique (Portance + trainée) chute ce qui entraîne le planeur dans une descente (le poids devient supérieur à la résultante aérodynamique).
Imaginons qu’il y ait 20 nœuds vent de face (~36km/h) et que l’on se pointe en finale avec une vitesse assez faible, disons 80 km/h (vitesse d’approche sans vent par exemple) qui n’est pas très loin de la vitesse de décrochage. Au moment où l’on rentre dans la couche limite, on perd en gros la moitié de cette vitesse soit 18 km/h (10 nœuds).
Si l’on paume donc en gros 20km/h air, ce qui n’est pas déconnant, notre planeur n’est plus alimenté par de l’air à 80 km/h mais 80-20=60 km/h. A ce moment précis, ce n’est pas un décrochage, l’incidence n’a pas changée et les filets d’air sont bien collés à l’aile mais la résultante aérodynamique pour cette vitesse et cette incidence est plus faible que le poids. Avec cet écoulement faible, on ne pourra pas non plus s’opposer au poids jusqu’à l’égaler même en mettant toute l’incidence que l’on souhaite en tirant sur le manche. La plupart des planeur volent encore à 70 km/h mais pas en dessous. Tirer sur le manche, c’est ce que fera le pilote par réflexe lorsqu’il sentira son planeur s’enfoncer. En faisant ce geste, le résultat sera du coup le décrochage par dépassement de l’incidence maxi.
En ayant coupé ce ventilateur, le planeur s’enfonce sous l’effet de son poids et amorce un piqué sous l’action de son empennage horizontal. L’action manche arrière limitera tout de même un peu le basculement vers l’avant.
Par chance on n’est pas bien haut quand ça arrive. C’est en général le moment de l’arrondi et cela se termine par une quasi chute libre d’une hauteur d’un ou deux mètres… C’est un posé dur. Le planeur n’aime pas et les vertèbres du pilote non plus.

Comment éviter ça ?

Éviter cela, c’est s’arranger pour être sûr que l’on ait dans tous les cas une vitesse d’écoulement qui soit suffisante pour que la résultante aérodynamique égale le poids. En gros ne jamais se retrouver moins vite que la vitesse d’approche sans vent même si on coupe le ventilo.
Du coup, ça se calcule à partir de cette vitesse d’approche sans vent.
Dans le cas précédent, si l’on avait simplement ajouté la moitié de la vitesse du vent mesurée par la biroute à notre vitesse air, on se serait pointé avec 80 + 36/2 = 98 km/h. On aurait aussi perdu nos 20 km/h en rentrant dans la couche limite près du sol. On se serait alors rapidement retrouvé à 98-20 = 78 km/h qui nous permet de voler (s’opposer au poids) confortablement à une incidence qui n’est pas trop proche de l’incidence max du décrochage.

L’atterrissage vent dans le dos

On peut aussi dire, plus vulgairement comme sur les terrains, « vent dans le cul ».
Jouons de nouveau avec notre maquette.
Dans un repère observateur lié au sol on voit le planeur avancer dans un volume lui même animé d’une vitesse dans le même sens.
Dans son repère celui-ci descend doucement avec un équilibre des deux seules forces appliquées, le poids et la résultante aérodynamique.
La vitesse de vol est toujours de 80km/h air. Nous avons un vent arrière de 20km/h. La vitesse sol est de 100 km/h. Physiquement le planeur va entrer dans une couche d’air immobile. Il va donc entrer dedans à une vitesse aérodynamique qui n’est autre que la vitesse sol.

Vue de la soufflerie, que se passe t’il si l’on augmente brusquement le ventilateur ?
On passe de 80 km/h à 100 km/h.
Instantanément l’écoulement autour du planeur va voir sa vitesse augmenter on passe de 80 à 100km/h.
La résultante aérodynamique va augmenter et dépasser le poids ce qui va provoquer une montée ainsi qu’un léger ralentissement par augmentation de la trainée.

D’un point de vue pilotage, l’entrée dans la couche limite avec un vent arrière va donc se traduire par un refus de rentrer dans cette couche. C’est un peu comme le galet que l’on lance à la surface de l’eau. Il a beaucoup de vitesse et cherche à rentrer dans une couche fluide immobile. Celle-ci le porte jusqu’à ce que la vitesse soit suffisamment faible pour qu’il puisse y entrer. On aura au pilotage une tendance à ne pas pouvoir poser le planeur à cause d’un excédent de portance. Ceci est d’autant plus ennuyeux que la longueur de la piste est limitée et que la vitesse sol importante la consomme rapidement.

Comment limiter ça ?

Se poser avec le vent arrière doit donc se faire avec la vitesse d’approche sans vent car un excès de vitesse se traduira pas un mouvement vers le haut (le planeur ne voudra pas se poser tant que la résultante sera supérieure au poids). On ne veut pas non plus galoper jusqu’au bout de la piste alors pas d’excès de vitesse : )

En considérant la couche basse comme parfaitement immobile par rapport au sol et une limite franche et nette avec le volume se déplaçant au dessus, j’ai un peu exagéré mais cela uniquement pour la mentalisation du phénomène.
Dans la réalité, les couches d’air s’entrainent et la vitesse décroit progressivement mais rapidement (un fort gradient de vitesse dans le sens vertical). Quoi qu’il en soit le phénomène reste le même et avec un vent de face nous perdrons bien la moitié de la vitesse annoncée par la biroute.
Donc bien majorer la vitesse d’approche sans vent de la moitié de la vitesse du vent en km/h ou pour faire simple de la valeur du vent en nœud (Calcul de la VOA).

J’espère que cet article vous aura plu.
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à bientôt