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Météorologie élémentaire

Conditions de givrage simulées en soufflerie. Document IRT.

Le givrage (I)

Si vous avez déjà affronté une averse de neige ou glissé sur du verglas avec plus ou moins de succès, vous comprendrez aisément que ce phénomène peut facilement mettre un avion en difficulté. En hiver, le sol peut être couvert de gelée blanche, de givre opaque ou de glace transparente (verglas). Les mêmes phénomènes se produisent sur les avions avec une grande fréquence et des effets particuliers étant donné la vitesse et les caractéristiques aérodynamiques de ces appareils.

Le givrage, par les conséquences graves qu'il peut entraîner, doit retenir toute votre attention. Si vous connaissez ce phénomène, les mesures défensives et préventives adéquates et les zones les plus dangereuses, ce phénomène ne présentera plus un réel danger. Le givrage est d'ailleurs considéré comme un incident normal de vol dans les régions tempérées.

Le givrage consiste en un dépôt de glace friable ou dure, opaque ou transparente qui adhère à certains éléments de l'avion; en particulier et d'abord aux éléments présentant des parties anguleuses ou des aspérités (bords d'attaque des ailes et des gouvernes, tube d'antenne, têtes de rivet, etc).

Il est provoqué principalement par la cessation, due au choc de l'avion, d'un faux état d'équilibre de l'eau contenue dans l'atmosphère : la surfusion.

Ainsi que nous l'avons vu dans la chapitre consacré à l'eau dans l'atmosphère, de l'eau très pure peut être amenée à température négative sans se solidifier; cet état instable est appelé "surfusion". Un choc brusque provoque la congélation. Des impuretés ou un cristal de glace (ou de sel) jetés dans l'eau en surfusion provoquent également la congélation. Ce phénomène se manifeste entre 0° et - 40°C.

Effets du givrage

Le dépôt de glace sur un avion peut entraîner une ou plusieurs des conséquences suivantes :

- Augmentation de la trainée et de la vitesse de perte de sustentation du fait de la diminution des qualités aérodynamiques des ailes;

- Diminution de l'efficacité des hélices par diminution de leurs qualités aérodynamiques;

- Diminution de la puissance des moteurs à pistons par givrage du carburateur;

- Diminution de la puissance des réacteurs par obturation partielle ou totale des entrées d'air;

- Déréglage ou coinçage des organes de commande;

- Mise hors service de certains instruments par obturation des prises d'air statique ou du tube de Pitot;

- Mise hors service des antennes;

- Obscurcissement de la verrière.

Formation de glace sur un avion

Trois phénomènes peuvent entraîner la formation de glace sur un avion:

1. L'impact d'eau surfondue

2. La trajectoire suivie par les gouttelettes d'eau surfondue

3. La température de la surface de contact.

1. L'impact de l'eau surfondue

Effets du givrage sur une aile d'avion: création de turbulences et modification de la portance. Document Airport Technology.

Si la surface d'un avion présente une température comprise entre 0 et environ -10°C, l'impact d'une gouttelette d'eau surfondue sur la structure entraîne un début de congélation. Il s'agit bien d'un début puisque la congélation d'une petite partie de l'eau libère suffisamment de chaleur latente pour élever la température de la gouttelette jusqu'à 0°C.

En fait, pour les températures voisines de 0°C, la congélation d'environ 1.25 % de la goutte pour chaque degré sous zéro est suffisant pour élever à 0°C la température du mélange eau-glace. La congélation ultérieure de la goutte ne peut intervenir que si la chaleur latente additionnelle peut être libérée.

Aux basses températures (-20°C par exemple) et pour de très petites gouttelettes (diamètre inférieur à 20 μ) la congélation s'achève très rapidement par conduction, évaporation et convection, puisque la gouttelette à 0°C est à une température nettement supérieure à celle de tout ce qui l'environne. On peut dire que la gouttelette gèle complètement et instantanément.

Aux températures négatives voisines de 0°C, et spécialement en présence de gouttes plus grosses, la congélation peut être très lente et la goutte s'étale sur la surface avant de perdre toute la chaleur latente libérée, avant donc de s'être entièrement solidifiée.

Ces processus ont une importance primordiale sur la forme et le type de givrage.

2. La trajectoire des gouttelettes d'eau surfondue

La trajectoire des gouttelettes d'eau entrainées dans un courant d'air au-dessus d'un obstacle est différente des lignes du flux d'air du fait de l'inertie des gouttelettes qui les empêche de suivre exactement la courbure des lignes de courant lorsqu'elles s'écoulent autour de l'obstacle.

A. La déviation des gouttelettes par rapport aux lignes de courant est d'autant plus grande que la gouttelette est grosse (c'est-à-dire que son inertie est grande).

B. La déviation par rapport au flux d'air est proportionnelle au rayon de courbure du bord de l'obstacle. Si le rayon de courbure est petit (forte courbure), presque toutes les gouttelettes seront captées par l'obstacle tandis que si le rayon de courbure est grand la perturbation des lignes de courant est telle que les petites gouttelettes sont déviées autour de l'obstacle et ne l'atteignent pas.

A titre indicatif, pour un rayon de courbure de 20 mm et une vitesse de 300 noeuds, 96 % des gouttes de 50 μ de diamètre sont captées, 84 % des gouttes de 30 μ et seulement 50 % des gouttes de 10 μ de diamètre.

C. De plus, les déviations de la trajectoire des gouttelettes d'eau dues aux perturbations des lignes de courant sont d'autant plus petites que la vitesse est grande; ainsi le nombre de gouttellettes captées augmente avec la vitesse.

Trajectoires des flux d'air et des gouttes d'eau surfondues sur une aile en mouvement et résultat après quelques heures de vol.

A partir de ces considérations, nous pouvons tirer les conclusions pratiques suivantes :

- la glace se forme plus aisément sur les parties de l'avion ayant un petit rayon de courbure (bord d'attaque des ailes et de l'empennage, bord des entrées d'air, etc)

- le nombre de gouttelettes captées par l'avion est directement proportionnel au nombre de grosses gouttes présentes dans le nuage;

- le nombre de gouttelettes captées augmente avec la vitesse.

3. La température des surfaces de contact

Il est évident qu'aucune formation de glace ne pourra être observée si la température des surfaces extérieures de l'avion est maintenue au-dessus de 0°C, quelles que soient les conditions ambiantes.

Les surfaces extérieures de l'avion peuvent être maintenues à température positive sous certaines conditions, soit naturellement par échauffement cinétique soit par échauffement artificiel.

L'échauffement cinétique se divise en échauffement par compression (principalement aux points de stagnation) et en échauffement par frottement (dû au mouvement relatif de l'air).

Les expériences ont démontré que dans les nuages composés de gouttelettes d'eau surfondue, l'échauffement cinétique est plus petit que dans l'air clair et plus grand que dans les nuages composés uniquement de cristaux de glace. Dans les nuages composés d'un mélange d'eau surfondue et de glace, l'échauffement cinétique est très faible pour des vitesses inférieures à 500 noeuds.

On constate généralement que le givrage est inexistant dans les nuages formés uniquement de cristaux de glace car ils n'adhèrent pas aux surfaces de contact. Une telle considération est entièrement justifiée pour les vitesses inférieures à 500 noeuds. Toutefois, il est possible que l'échauffement provoqué par des avions très rapides entraîne une fusion partielle des cristaux de glace et par conséquent, du givrage dans des nuages constitués de glace uniquement (Ci, Cs, Cc).

Deuxième partie

Classification des types de givrage

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