2. Le danger 
-
Dans un premier temps, cette paire de tourbillons
contrarotatifs s'avère très persistante. Elle descend dans
l'atmosphère avec une vitesse verticale typique d'environ 5
mètres par seconde (20 km/heure). Un avion de plus petite taille qui
rencontre ces tourbillons peut subir un violent mouvement de roulis qui le met
en danger.
Fig 7 : Normes
de séparation entre les avions
S'il y a du vent, ces tourbillons sont transportés en
dehors des couloirs aériens et le danger est nul. En présence de
vent, l'atmosphère est généralement " turbulente ". Si
cette turbulence est suffisamment intense, elle est capable de détruire
les tourbillons de sillage en provoquant leur désalignement et en
favorisant leur interaction (si deux tourbillons de sens de rotation
opposés se touchent, ils s'annihilent). Ainsi, dans la majorité
des cas, la présence de perturbations atmosphériques
élimine le danger : les avions rencontrent souvent les
résidus de ce phénomène sans pouvoir les distinguer de la
turbulence atmosphérique ambiante.
Mais dans une atmosphère calme, les tourbillons de
sillage conservent très longtemps leur cohérence. C'est cette
cohérence qui les rend dangereux.
Des normes internationales définissent des distances de
séparation minimales entre les avions selon trois catégories de
poids : lourds : > 136 tonnes, moyens : 7-136 tonnes, légers : < 7
tonnes. Ce sont ces normes qui fixent une limite à la fréquence
des atterrissages et des décollages. Par exemple, aucun avion ne doit
suivre un Boeing 747, dont le poids typique est d'environ 270 tonnes, à
moins de 7,2 km, voir figure 7. Pour une vitesse d'atterrissage typique de 250
km/h, cela représente un laps de temps d'environ 2 mn. Cette distance
doit être portée à 9km si l'avion qui suit un gros porteur
(Boeing 747, Airbus A340) appartient à la catégorie de poids
inférieure. Aux Etats-Unis, où la densité du trafic des
aéroports est forte et où l'utilisation de petits avions est
très répandue, plusieurs incidents ou accidents ont eu lieu,
suite, probablement, à une violation des règles de
séparation.
Dans le contexte actuel d'engorgement des grands
aéroports (Heathrow, Frankfort ou Roissy, pour l'Europe), il
s'avère nécessaire d'affiner les normes qui ont été
établies à la fin des années 60. Il s'agit d'essayer
d'optimiser le trafic aéroportuaire tout en élevant le niveau de
la sécurité. Le lancement par Airbus du projet d'avion
géant A380 est alors venu renforcer la pression sur ce sujet.
3. Les réponses de la recherche
-
L'objectif des recherches en cours est donc d'optimiser la
gestion du trafic aéroportuaire tout en diminuant le danger potentiel
que représentent les sillages. Deux voies principales sont
explorées.
En premier lieu il s'agit de développer un
système de détection des tourbillons opérant sur les
aéroports. Ces systèmes de mesure sont basés, entre autre,
sur l'utilisation de faisceaux laser (technique LIDAR pour Light Detection And
Ranging). Ils permettent de "suivre" les tourbillons de façon à
s'assurer qu'ils sont détruits ou bien transportés en dehors de
la trajectoire de l'avion suivant. Ces systèmes de détection sont
dorénavant opérationnels mais des systèmes plus
précis sont en cours de développement. Ils doivent permettre de
quantifier, non seulement la position, mais aussi l'intensité des
tourbillons.
La seconde voie, plus prospective, concerne le
développement de méthodes qui permettraient d'atténuer la
"signature tourbillonnaire" des avions. Il s'agit de comprendre pourquoi tel
avion semble plus dangereux qu'un autre, ou encore, quel peut-être
l'impact d'un changement du dessin d'une aile sur les propriétés
des tourbillons qu'elle engendre. Les expériences en soufflerie et les
simulations numériques réalisées dans nos ordinateurs pour
essayer de répondre à ces questions nous interpellent alors sur
les lois physiques fondamentales qui régissent le monde des tourbillons
: pourquoi et comment deux tourbillons fusionnent-ils ? Pourquoi les
tourbillons sont-ils si persistants lorsqu'ils sont isolés ? A quel type
de perturbations les tourbillons sont-ils sensibles ? Pourquoi l'agitation
turbulente du fluide que l'on observe à l'intérieur de ces
tourbillons n'agit-elle pas comme à l'accoutumé pour effacer
rapidement ces mouvements organisés ?
La chasse aux tourbillons est donc ouverte. Sous les auspices
de l'Union européenne, les laboratoires du monde académique
(universités, CNRS…) se sont alliés avec les grands centres
de recherches en aéronautique, tels que l'Onera ou son homologue
allemand le DLR, pour développer les recherches dans ce domaine. Un
effort équivalent est consenti par les USA.
4. Les tourbillons ont un point faible
-
Les traces blanches que l'on observe souvent dans le ciel par
beau temps sont la matérialisation des deux tourbillons de sillage d'un
avion (voir figure 8). Ce sont des " traînées de condensation "
formées par des cristaux de glace produits à partir de la
condensation de la vapeur d'eau capturée dans les centres
dépressionnaires (donc froids) que constituent les tourbillons de
sillage. Lorsque le temps est calme, ces traînées peuvent
persister plusieurs minutes, ce qui prouve la grande robustesse de ces
tourbillons de fluide. A terme, ces traînées de condensation
dégénèrent en cirrus et elles forment une nappe nuageuse
dans les couloirs aériens.
Fig 8 :
Traînée de condensation d'un bombardier B-47.
L'intervalle
entre chaque photo est de 15 secondes.
Noter la déformation
sinusoïdale des tourbillons (instabilité de Crow)
qui aboutit
à leur destruction.
(Source : An Album of Fluid Motion, Van Dyke,
Parabolic Press).
En présence de perturbations turbulentes
atmosphériques, ses traînées se désagrègent
à la suite du développement d'une déformation
sinusoïdale des deux tourbillons qui résulte de leur interaction
mutuelle. Ce phénomène, visible sur la figure 8, est connu sous
le nom d'instabilité de Crow. Comme le montre la figure 8, cette
instabilité aboutit à la mise en contact des tourbillons et
à la formation d'anneaux tourbillonnaires qui se dispersent rapidement.
L'instabilité de Crow qui se développe sous
l'action de perturbations extérieures naturelles indique une voie
possible pour détruire prématurément les sillages. Le tout
est de pouvoir déclencher ce type d'instabilités sans compter sur
l'humeur de l'atmosphère. Pour cela, il faut agir à partir de
l'avion lui-même. Des analyses théoriques montrent qu'en rajoutant
des tourbillons suffisamment persistants entre les deux tourbillons dominants,
on peut provoquer des instabilités qui peuvent perturber plus vite le
système. Les chercheurs de chez Boeing ont été les
premiers à explorer cette voie. L'Onera développe aussi cette
idée en explorant des arrangements de tourbillons
particulièrement prometteurs et en analysant leur efficacité, par
voies théorique et expérimentale. Ces analyses restent pour
l'instant limitées à des modèles académiques de
sillage (voir figure 9) mais des expériences en soufflerie sont en cours
et des essais en vol sont prévus. La façon dont ces arrangements
de tourbillons peuvent être créés derrière un avion,
la manière d'injecter les "bonne" perturbations à partir de
l'avion et la capacité effective de destruction du système global
restent encore à évaluer.
Fig 9 :
Analyse théorique de la dynamique d'un sillage formé
par
deux paires de tourbillons. Les deux petits tourbillons internes tournent
en sens inverse par rapport à leurs voisins externes. Sur la figure (a),
les tourbillons initiaux sont perturbés par un très faible
déplacement
(ici avec une amplitude égale à 1/100
ème de la distance qui sépare les tourbillons externes)
et de
manière "optimale". Compte tenu de son caractère instable, le
système à 4 tourbillons
amplifie cette perturbation. Pour des
conditions typiques d'un avion à l'atterrissage,
les figures (b),
(c) et (d) correspondent à des distances de 10, 20 et 30 envergures
d'aile derrière l'avion. Sur la figure (d), la perturbation a
été amplifiée avec un gain
environ 10 fois
supérieur à celui de l'instabilité classique de Crow
qui serait obtenue sans les petits tourbillons internes.
Ce gain
augmente alors très rapidement plus en aval (source : Fabre D.,
Jacquin L. & Loof A, "Optimal Perturbations in a Four-Vortex Aircraft
Wake in Counter-Rotating Configuration", J. Fluid Mech, 451, pp.
319-328, 2002)
5. Bibliographie
- Articles historiques
- Thomson J.J. (Lord Kelvin), "Vibrations of a columnar vortex",
Phil. Mag., 10, 155-168, 1880
- Poincaré, H., "Théorie des tourbillons",
Gauthiers-Villars, Paris, 1893
- Rayleigh J.W.S., "On the dynamics of revolving flows", Proc.
R. Soc. Lond. A, 93, 1916
- Betz A., "Behavior of vortex systems", NACA Tech. Memo.,
713, 1932
- Spreiter J.S. & Sacks A.H., "The rolling up of the trailing
vortex sheet and its effect on the downwash behind wings", Journal of the
Aeronautical Sciences, 1, 21-32, 1951
- Crow S.C., "Stability theory for a pair of trailing vortices",
AIAA Journal, 8 (12). 2172-2179, 1970
- Moore D.W., Saffman P.G., "Axial flow in laminar trailing
vortices", Proc. R. Soc. Lond., Ser. A 333, pp. 491-508, 1973
- Ouvrages généraux de mécaniques des
fluides et d'aérodynamique ouvrant sur le sujet
- Batchelor G.K., "An Introduction to Fluid Dynamics", Cambridge
University Press, 1967
- Houghton E.L. & Carter P.W. "Aerodynamics for engineering
for students", Fourth edition, Arnold, London, 1993
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