Avant d'expliquer les corrections apportées à l'anémométrie, c'est à dire à l'instrumentation destinée à mesurer la vitesse de déplacement de l'avion par rapport à l'air) du Concorde (qui est d'ailleurs valable également pour tous les autres aéronefs), il est nécessaire d'effectuer des rappels sur les caractéristiques de l'air et sur la terminologie.
L'air étant un fluide, au repos il est caractérisé par quatre grandeurs :
- PS : Pression Statique ou ambiante ou atmosphérique
- Rhô : Masse Spécifique ou volumique
- TS : Température Statique ou ambiante
- k : Compressibilité
La pression est exprimée en Pascal (Pa), bar (b), millimètre de mercure (mm/Hg) ou en pouce de mercure (In/Hg) avec les relations suivantes : 1b = 750 mm/hg = 29,53 In/Hg = 100000 Pa et 1mb = 1hPa.
La masse spécifique Rhô est la masse par unité de volume et est exprimée en Kg/m cube.
La masse spécifique de l'air évolue avec l'altitude. Le rapport entre la masse spécifique à l'altitude Z et la masse spécifique à l'altitude 0 est appelé Densité Delta. Au sol, Delta vaut 1.
La température statique TS s'exprime en degrés Celsius (°C) ou Kelvin (°K) avec la relation entre les deux échelles : T °K = t °C + 273.
On dit que l'air est compressible lorsque sa masse spécifique varie sous l'effet d'une variation de pression statique. La compressibilité (k)de l'air est caractérisée par le rapport de la variation de Rhô sur la variation de PS.
Les trois grandeurs de l'air (PS, Rhô, TS) varient avec l'altitude Z et sont sujettes à des variations considérables suivant l'endroit où l'on mesure ces grandeurs et selon les conditions météorologiques.
Afin que tous les instruments aérodynamiques indiquent tous la même information et puissent être étalonnés, il a été nécessaire de définir une atmosphère de référence concernant l'état de l'air qui est appelée ATMOSPHÈRE STANDARD en considérant que l'air est un gaz parfait et sec. Ceci entraine qu'à l'altitude zéro (niveau de la mer) les caractéristiques de l'Atmosphère Standard sont :
- PS 0 = 1013,2mb = 760 mm/Hg = 29,92 In/Hg
- Rhô 0 = 1,225 kg/m cube
- TS 0 = 15°C = 288°K
- La variation de TS avec l'altitude est de -6,5° par kilomètre jusqu'à 11km (36000 ft). Au dela de 11 km, la température est constante et égale à -56,5°C.
- De 0 à 2000ft, la variation d'altitude DELTA-Z est de 28ft/mB.
- Ensuite, les évolutions de PS, Rhô et TS en fonction de l'atitude sont données par des abaques.
L'air en mouvement est caractérisé par les quatre grandeurs vues précédemment (PS, Rhô, TS et k) et par deux autres grandeurs qui sont :
- V : la vitesse
- PD : la pression dynamique
La vitesse est la distance parcourue par unité de temps et s'exprime en mètre par seconde (m/s) et en noeud (kt ou mille nautique (1852m) par heure).
La pression dynamique PD caractériqe l'énergie due à la vitesse de l'air (énergie cinétique). Elle est proportionnelle à la vitesse de l'air et à sa masse spécifique.
La pression dynamique (PD) est calculée selon la formule :
PD = PT (Pression Totale) - PS (Pression Statique) = ½Rhô.V²
À ces définitions, il faut ajouter une autre valeur qui est le Coefficient d'antenne (k) c'est à dire le facteur de correction, généralement compris entre 0,95 et 1,05, permettant de tenir compte d'erreurs comme l'emplacement des antennes (pitot, flush), la longueur des canalisations, les effets d'incidence et de dérapage de l'aéronef.
ANÉMOMÈTRE (Mécanique ou via Centrale Aérodynamique)
L'anémomètre est un instrument aérodynamique destiné à mesurer la vitesse de l'aéronef par rapport à l'air par évaluation de la pression dynamique.
La vitesse de l'avion par rapport à l'air est appelée :
- Vitese Vraie (Vv) ou True Air Speed (TAS)
PD = ½Rhô.Vv²
Dans la formule de la pression dynamique PD, la masse volumique Rhô intervient ce qui doit donc faire intervenir la compressibilité de l'air.
Lorsque la vitesse vraie Vv (TAS) de l'avion est faible, on peut considérer l'air comme un fluide incompressible, c'est à dire que les variations de masse spécifique Rhô dues aux variations de pression dynamique PD sont tellement faibles que l'on considère Rhô comme constant
Pour pouvoir graduer le cadran d'un anémomètre en vitesses vraies Vv, il faut préciser, pour chaque graduation, la valeur de Rhô, c'est à dire l'altitude de vol correspondante. Cette solution présente des inconvénients pour l'étalonnage et l'utilisation de l'instrument.
On a donc recours à une solution paliant ces inconvénients en fixant la valeur de Rhô égale à Rhô0, masse spécifique de l'air à l'altitude Z = 0 en atmosphère standard. On a alors :
- PD = ½Rhô0.VE²
- VE est appelé Vitesse Équivalente ou Equivalent Air Speed (EAS)
Au sol VE = Vv puisque Rhô=Rhô0
En altitude : PD = ½Rhô.VE² = Delta.Vv², c'est à dire
VE² = Rhô/Rhô0.Vv² = Delta.Vv² avec Delta = densité de l'air.
La vitesse équivalent VE est une représentation de la pression dynamique PD lorsque l'air est considéré comme incompressible c'est à dire pour des vitesses vraies faibles (Vv < 170kt).
Lorsque la vitesse vraie Vv de l'aéronef augmente, l'air ne peut plus être considéré comme incompressible ; Rhô va varier en fonction des variations de PD. Il faut donc appliquer un coefficient de compressibilité k à la mesure de la pression dynamique PD.
On a alors : PD = ½Rhô.k.Vv² avec Rhô constant pour une altitude Z. Pour palier les inconvénients déjà signalés, on fixe la valeur de Rhô à Rhô0 d'où : PD = ½Rhô0.Vc²
- Vc est appelé vitesse conventionnelle ou vitesse corrigée ou Calibrated Air Speed (CAS).
Donc :
- PD = ½Rhô.k.Vv² = ½Rhô0.k.VE² = ½Rhô0.Vc² c'est à dire
- Vc² = k.VE² et si on pose k=1/k, Vc = VE/k
Le coefficient de compressibilité k est toujours inférieur à l'unité, donc Vc est toujours supérieure à VE.
Il faut aussi faire intervenir le coefficient d'antenne K ce qui donne :
- Vc = K.Vic
- Vic est appelé vitesse indiquée corrigée ou Corrected Indicated Air Speed (CIAS).
L'anémomètre doit être corrigé des erreurs détalonnage :
- Vic = Vi +/- DELTA I vaec DELTA I = Correction Instrumentale
- Vi est appelé vitesse indiquée ou Indicated Air Speed (IAS)
Enfin, lorsque l'avion vole à très grande vitesse, comme le Concorde, il convient d'appliquer une correction supplémentaire due aux effets d'onde de choc qui correspondent à une rupture de pression totale, de masse spécifique et de température.
Exemple complet de correction à 20000ft à environ 450km/h :
- True Air Speed (TAS) 355kt
Correction due à la densité (1/racine Delta) 1,392
- Equivalent Air Speed 255kt
Correction compressibilité (k) 0,98
- Corrected Air Speed (CAS) 261kt
Correction coefficient d'antenne (K) 1,05
- Corrected Indicated Air Speed (CIAS) 248kt
Correction instrumentale (+/- DELTA I) -2kt
- Indicated Air Speed (IAS) 250kt
