Position d'un modèle de vol libre en atmosphère agitée

Ces considérations sont la suite d'observations du comportement de planeurs de pente pendant les camps modélistes de Verbier (1944-1950) et jusqu'à maintenant. Seule différence, les modèles de Verbier ne disposaient pas de pilotage à boussole. Par contre nous avions développé des modèles dotés d'une excellente stabilité de route en atmosphère agitée, grâce à une répartition optimale des surfaces latérales et à la position élevée du lest (plomb) placé dans le nez de l'appareil.

Les dernières observations ont eu lieu au championnat suisse 2020 à Wikartswil (BE), au concours régional à Hottwil, le 12 septembre 2021 et surtout le 11 septembre 2022 lors du concours de sélection de l'équipe nationale à Gansingen. Ce jour là, il faisait très chaud et il avait plu la veille. Chaque vol alternait les passages en ascendance et descente assez brutales. Quatre concurrents ont réussi un total de 500 points (3 vols de 240 s. et 2 de 300 s. Les vols étaient spectaculaires, les modèles étant rabattus à très basse altitude avant ou après avoir grimpé à plus de 50 m au dessus du point de départ. Et à plusieurs reprises les modèles étaient cabrés de 20-25° pendant 20 à 30 secondes.

C'est en 2021 que je me suis rendu compte que nous n'avions jamais discuté ce phénomène. En fait nous nous cramponnions aux jumelles et chaque concurrent se hâtait d'aller chercher son modèle pour le vol suivant. Mais cette fois je n'étais pas concurrent. Pourquoi citer les modèles de pente (F1E)?

Les modèles de plaine (F1A,B,C) volent au-dessus de nous et en cercle. Depuis le sol on ne remarque guère une position anormale.

Les modèles de pente partent de notre hauteur et s'éloignent pour ensuite être observables plus haut et surtout plus bas que nous. D'autre part une grande partie au moins du vol est rectiligne. Ainsi on peut constater leur comportement en atmosphère agitée.

En principe un modèle vole légèrement incliné (~7%) vers le bas. En thermique il devrait conserver cette position de même que dans une descente.

Or on remarque parfois que le modèle cabre de manière stable pendant quelques dizaines de secondes (Fig. 1) dans les ascendances et pique dans les descentances. En vol de pente, lorsque le modèle arrive dans une descendante, on le voit de dos piquant de ~ 20°,

parfois parallèlement à la pente (Fig. 2) mais sans jamais la percuter.

L'ascendance est un courant vertical de bas en haut. En fait il s'agit d'une bulle d'air qui monte pendant quelques minutes (pas longtemps, si l'on prend le départ juste après un maxi de 300 s. on a des chances de voler moins de 120 s). L'ascendance cesse lorsque l'air chauffé a été remplacé par de l'air plus froid. Elle reprend quand le sol favorable (p.ex. sec, foncé) irradié pendant quelques minutes chauffe à nouveau l'air.

La descentance remplace le volume d'air chauffé qui monte par de l'air plus frais.

Le modèle qui pénètre dans la descentance traverse un (ou

une succession de plusieurs) tourbillon(s) et est soumis à un moment piqueur.

Ce qui est étonnant c'est que le piqué observé dure en général 10 – 20 s. et que le modèle perd beaucoup d'altitude.

S'il n'y avait pas un réseau de tourbillons, le modèle ne serait soumis à un couple piqueur que pendant ~0,25 s, lorsque l'aile et ensuite l'empennage entrent dans la descentance. Dans ce cas le planeur devrait retrouver tout de suite son angle normal de plané.

Le piqué n'a rien de spécial. N'importe quel avion est stable en piqué mais décroche s'il cabre.

En plané normal, la portance des voilures, grâce à la vitesse,

est égale au poids du planeur. La résistance «consomme» de l'altitude. Pour un planeur qui a une finesse de 15, il perd un m de hauteur pour avancer de 15 m. Dans une ascendance le modèle cabre, sans se mettre à pomper, ce qui surprend en vol rectiligne (Fig. 2). Bien sûr, un modèle en virage, secoué en entrant dans la pompe, serre son virage.

L'inclinaison des jumelles des concurrents et chronométreurs allant au moins à 20° pour une durée de plus de 20 secondes. Comment peut le planeur continuer à monter à un tel angle sans décrocher? Donc le planeur cabré continue à voler à ~5m/s. Si la vitesse du planeur diminuait, la portance cesserait et le planeur décrocherait.

Nous volons depuis une clarière à l'ouest. Le vent d'est a une vitesse de ~7 m/s. Il faut aller un peu plus vite pour se poser dans la plaine. Il y a beaucoup de maxi (300 s).

Tout est normal pour un modèle qui vole exactement contre le vent. Mon modèle dérive légèrement à tribord. Ce qui n'est pas normal c'est son inclinaison constante à tribord. Il déthermalise et je le cherche trop longtemps pour faire d'autres vols. J'observe ensuite des vols et je constate l'inclinaison des autres modèles qui dérivent à tribord. Cette inclinaison peut atteindre ~20°. Les modèles sont très stables dans cette position.

Avec cette inclinaison, la surface portante diminue à 94%. Un modèle réglé à 8,0 m/s accélère à ~ 8,25 m/s. Le gouvernail est-il braqué? Pourquoi cette inclinaison?

Je ne me souviens pas d'avoir observé ce phénomène à d'autres occasions qu'à Winkartswil sur la pente ouest en 2020 au championnat suisse. Le vent soufflait du nord-est. Les modèles qui s'inclinaient

en dérivant vers le sud survolaient une forêt. Le plus souvent à 20-40 m au-dessus des arbres.

Les modèles qui volaient exactement contre le vent volaient perpendiculairement par rapport aux tourbillons créés par les différences de vitesse entre les différentes couches d'air et n'étaient donc pas influencés. Les couches d'air bien au-dessus de la forêt avaient une vitesse de ~7m/s.

Nos modèles ont beaucoup de dièdre, ~10% de l'envergure. Si le modèle s'incline de 11,3° la projection de la surface de l'aile abaissée augmente de ~6% et celle de l'aile élevée diminue de ~7,7%. Il faut donc un certain couple pour maintenir le modèle incliné et ceci de façon stable.

Je ne vois pas d'autre explication que l'impact asymétrique de tourbillons sur le modèle.

Prenons un modèle déporté à tribord. Sa trajectoire programmée fait un certain angle avec la direction du vent. Les tourbillons sont pratiquement perpendiculaires à la direction du vent. Chaque tourbillon «attaque» d'abord l'aile babord à l'intrados (surtout l'oreille pour un modèle à dièdres multiples) puis ~0,07 s plus tard l'extrados de l'aile tribord (pour une déviation de la trajectoire par rapport à la direction momentanée du vent). La forte turbulence et l'énergie du tourbillon augmente la portance de l'oreille babord et diminue celle de l'oreille tribord (ou l'aile babord puis l'aile tribord pour un dièdre en simple V) et maintient pratiquement constante l'inclinaison du planeur. Mais il pourrait y avoir une explication plus simple. La pente qui cause l'ascendance dynamique n'est pas un plan incliné que le vent attaque dans la direction de son inclinaison la plus forte. La Fig. 4 montre le planeur incliné en fonction de la forme de la colline.

Des tourbillons se forment entre deux écoulements d'air

de sens contraires ou de vitesses différentes. Plus la différence des vitesses est grande, plus forts sont les tourbillons. Le tourbillon est un cylindre tournant de rayon d'autant plus grand que la différence des vitesses est élevée. L'axe des tourbillons est perpendiculaire à la direction des écoulements. Le sens de rotation des tourbillons est déterminé par la direction des deux écoulements.

Pour commencer nous supposons que les deux écoulements sont verticaux, ce qui est le cas par vent faible. L'ascendance et la descentance sont donc des écoulements verticaux.

Mais il y a également des écoulements horizontaux ou obliques lors de l'aspiration d'air de «remplacement».

«C'est l'asymétrie qui crée le phénomène¹».

Supposons un pré horizontal de 20 m de diamètre et irradié de manière homogène. Il n'y a pas de vent. La bulle thermique sera une «saucisse» de 20 m de diamètre qui va s'élever en gardant sa forme. Les tourbillons seront des tores horizontaux de 20 m de diamètre.

En réalité il y a du vent, irrégulier puisque les mouvements thermiques sont discontinus.

L'irradiation dépend de la nature du sol. Donc les tourbillons seront discontinus et pas

nécessairement horizontaux. Passons aux tourbillons dynamiques, avec un vent assez régulier. Pour obtenir des tourbillons horizontaux il faudrait une pente plane, qui se termine par un sommet horizontal bien arrondi, le tour étant bien orienté dans la direction du vent. En plus il faudrait que la nature du sol soit homogène.

En fait nous avons une colline dont une partie de la surface est un pâturage et le reste une forêt.

Les tourbillons sont discontinus et peuvent avoir une certaine inclinaison.

Ces observations ne concernent en principe que les modèles de pente qui volent relativement près du sol, en terrain accidenté, par fort vent ou par activité thermique. Des terrains en faible pente ne devraient pas être sujets à de telles influences. Les autres catégories de modèles ou d'aéronefs ne sont pas concernées.

Mais si par hasard ces lignes étaient lues par un aérologue ou autre aérodynamicien, soit par quelqu'un connaissant les écoulements d'air atmosphérique, ses commentaires seraient les bienvenus.

Maurice Bodmer