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1 - DÉFINITION DES CONDITIONS GIVRANTES

  • 1.1 - Point de vue physique
  • 1.2 - Point de vue de l'aéronautique : annexe C de la CS (Certification Specifications)

2 - INSTRUMENTATION

  • 2.1 - Cahier des charges
  • 2.2 - Constructeurs
  • 2.3 - Granulomètres lasers aéroportés
  • 2.4 - Capteur à fil chaud
  • 2.5 - Mise en œuvre

3 - TRAITEMENT ET ANALYSE DES DONNÉES

  • 3.1 - Méthode
  • 3.2 - Précautions et recommandations
  • 3.3 - Exemples

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : TRP4002 v1

Définition des conditions givrantes
Givrage des aéronefs, mesures en vol dans un contexte de certification

Auteur(s) : Guy FEBVRE

Date de publication : 10 mars 2015

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RÉSUMÉ

Tout aéronef civil destiné à transporter des passagers est soumis à une procédure de certification garantissant le plus haut niveau possible de sécurité. En Europe, l'Agence européenne de la sécurité aérienne (AESA) est à l'origine de l'actuelle réglementation en matière de sécurité de l'aviation civile. Cette réglementation stipule que les constructeurs d'aéronefs doivent démontrer comment ils rendent acceptables le niveau de sécurité de leur appareil. Cet article explore la problématique de la mesure des caractéristiques d'un nuage naturel givrant, étape nécessaire à la démonstration de l'aptitude de vol d'un appareil en conditions givrantes naturelles, et qui nécessite une instrumentation spécifique. Les deux familles d'instruments, granulomètre laser et capteur à fil chaud sont décrits et critiqués d'un point de vue théorique et expérimental.

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ABSTRACT

Every civil aircraft designed to carry passengers is subject to certification to guarantee the highest possible level of security. In Europe, the European Aviation Safety Agency (EASA) controls current regulations concerning civil aircraft safety. These regulations stipulate that aircraft constructors must demonstrate how they ensure an acceptable level of security. In this context, we explore the issue of natural freezing cloud measurement. This measurement remains a necessary step in demonstrating airworthiness in natural freezing conditions, and calls for specific instruments. The two types of instruments, laser granulometers and hot wire sensors, are described and reviewed from both theoretical and experimental viewpoints.

Auteur(s)

  • Guy FEBVRE : Enseignant-chercheur - Institut universitaire de Technologie, université d'Auvergne - Laboratoire de Météorologie physique, UMR 6016, université Blaise Pascal, CNRS

INTRODUCTION

Un nuage au sein de l'atmosphère terrestre peut être considéré comme la partie condensée d'une fraction de la vapeur d'eau présente. Les processus de condensation conduisent à la formation d'hydrométéores de dimensions suffisamment petites (de quelques microns à 500 microns) pour que l'agitation moléculaire ambiante les maintienne en suspension.

Dans la première couche de l'atmosphère (troposphère) qui s'étend du sol jusqu'à une dizaine de kilomètres d'altitude, le profil de température de l'air est décroissant de + 15 à – 60 oC (cas d'une atmosphère standard).

Les hydrométéores formés peuvent donc se situer dans une ambiance à température négative. Lorsque l'on a des hydrométéores liquides, c'est-à-dire des gouttes, la congélation n'est pas systématique même si la température interne des gouttes est inférieure au point de solidification. Cet état, connu sous le nom de surfusion, est un état métastable qui cesse très brutalement à la moindre perturbation.

Les conditions de pureté de l'air et les processus de formation des gouttelettes de nuage permettent au phénomène d'exister relativement couramment dans l'atmosphère, alors que sur le sol le phénomène est exceptionnel.

On comprend alors que le passage d'un aéronef dans ce type de nuage crée la perturbation nécessaire à la congélation des gouttelettes sur les bords d'attaque provoquant par accrétion, dans un premier temps, une modification de la géométrie de ceux-ci et par voie de conséquence, des qualités aérodynamiques de l'ensemble et, dans un second temps, une surcharge due à la masse congelée. Sans système de dégivrage adapté, les deux phénomènes peuvent conduire à la perte de l'appareil.

L'Agence européenne de la sécurité aérienne (AESA) est à l'origine de l'actuelle réglementation en matière de sécurité de l'aviation civile en Europe. Cette réglementation stipule que tous les constructeurs d'aéronefs doivent faire la démonstration de l'aptitude de vol d'un appareil en conditions givrantes naturelles afin d'atteindre le niveau de sécurité requis.

Une partie de la démonstration peut passer par une phase d'essai en vol en recherchant des conditions givrantes dont la sévérité sera évaluée à partir des caractéristiques nuageuses rencontrées. Les valeurs de ces caractéristiques nuageuses sont reportées sur des abaques annexés à la réglementation. Le constructeur doit démontrer que les essais en vol ont permis d'explorer ce domaine règlementaire.

Pour cela, les essais en vol doivent être organisés afin de permettre la mesure des caractéristiques nuageuses nécessaire à l'évaluation de la sévérité du givrage. L'appareil d'essais se voit donc équipé d'un ensemble d'instruments de mesures spécifiques.

L'objet de cet article est de décrire ces instruments et d'en préciser l'utilisation.

Dans un premier temps, la notion de conditions givrantes sera définie des points de vue physique et aéronautique. L'instrumentation spécifique à leur exploration sera présentée en insistant aussi bien sur l'aspect théorique que sur la technique. Cette instrumentation est constituée de granulomètres laser aéroportés et de capteurs à fil chaud. Enfin une dernière section permettra d'entrevoir les outils d'analyse et leurs usages à travers quelques exemples choisis d'essais en vol.

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KEYWORDS

icing flight certification   |   laser particle size analysis   |   liquid water content measurement

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-trp4002


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1. Définition des conditions givrantes

1.1 Point de vue physique

D'un point de vue physique, un nuage de gouttelettes est givrant lorsque la température de l'air et les gouttelettes liquides sont en équilibre thermique à une température inférieure à 0 oC. Dans ces conditions, la surfusion caractérise l'état thermodynamique de l'eau. Expérimentalement, la température la plus basse où le phénomène est encore observable est de l'ordre de – 40 o.

Hu et al. ont montré en 2010 à partir des données satellites que la présence de nuages d'eau liquide à température négative représente 95 % des nuages des basses couches ayant une température comprise entre – 40 et 0 oC dans la région des hautes latitudes terrestres. Cette étude montre le caractère répandu de ce type de nuage.

Néanmoins, à des températures négatives, la présence de la phase glace conduit parfois à la coexistence des phases solide et liquide au sein du même nuage. La différence de pression de vapeur d'eau au contact de la glace par rapport à celle au contact de l'eau liquide conduit, dans cette situation, à l'évaporation de la phase liquide au bénéfice de la phase solide. La coexistence des deux phases est donc limitée dans le temps .

Shupe et al. montrent en 2006 que ces nuages mixtes (les deux phases cohabitent simultanément au même endroit) sont tout de même présents 41 % du temps au-dessus de l'océan Arctique, le plus fréquemment lors des transitions saisonnières été hiver.

...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BAUMGARDNER (D.) -   An analysis and comparison of five water droplet measuring instruments.  -  Journal of Climate and Applied Meteorology, 22, no 5, p. 891‐910, doi:10.1175/1520-0450(1983)022<0891:AAACOF>2.0.CO;2, 1er mai 1983.

  • (2) - BAUMGARDNER (D.), DYE (J.E.), STRAPP (J.W.) -   Evaluation of the forward scattering spectrometer probe. II – Corrections for coincidence and dead-time losses.  -  Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2 (1985).

  • (3) - BAUMGARDNER (D.), SPOWART (M.) -   Evaluation of the forward scattering spectrometer probe. Part III : Time response and laser inhomogeneity limitations.  -  Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 7, no 5, p. 666‐672, doi:10.1175/1520-0426(1990)007<0666:EOTFSS>2.0.CO;2, 1er oct. 1990.

  • (4) - BAUMGARDNER (D.), DYE (J.E.), GANDRUD (B.W.), KNOLLENBERG (R.G.) -   Interpretation of measurements made by the Forward Scattering Spectrometer Probe (FSSP-300) during the Airborne Arctic Stratospheric Expedition.  -  JGR, Journal of Geophysical Research. Part D, Atmospheres, 97, no 8, p. 8035‐8046 (1992).

  • (5) - BITER (C.J.), DYE...

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