Le givrage et autres types de contamination

1. Le givrage et autres types de contamination Généralités Définitions Formation Différents types de givrage Classification du givrage effectif Le potentiel givrant de l'atmosphère Situations potentiellement givrantes Aspects aéronautiques Conséquences du givrage Les moyens de lutte Autres types de contaminations QUITTER

2. Généralités • Imputable dans 30% des accidents en aviation commerciale • Aux Etats Unis, a provoqué au moins 803 accidents de 1975 à 1988 causant la mort de 40 personnes par an • Phénomène le plus perturbant en vol IFR • L'augmentation du trafic aérien et donc du nombre de vols IFR impose de nombreux vols en conditions givrantes • RMK : certains phénomènes significatifs sont "visibles" (visibilités réduites, CB (tonnerre-éclair) … et attirent l'attention du pilote. Le givrage et un des phénomènes les moins visibles et a tendance à se faire oublier pour se rappeler brusquement au souvenir du pilote

3. Définitions • Contamination • dépôt de lithométéores ou d’hydrométéores sur une surface • Les sources principales de contamination sont : • l’eau • la glace • le sable • la poussière • Givrage • forme particulière de contamination consistant en un dépôt ou revêtement de glace sur un aéronef ou une partie de celui-ci.

4. Formation • transformation à température négative • vapeur  solide = condensation solide (gelée blanche) • (1) liquide  solide = congélation d'eau liquide résiduelle (givre) • (2) liquide  solide = cessation de l'état de surfusion (givre) • RMK : la congélation libère de la chaleur (latente) qui peut amener la température à des valeurs positives • particularités : • t<-20°C et G<10  congélation rapide et "immédiate" • t  0°C et G conséquent  congélation plus lente, plus homogène liquide  étalement  congélation

5. Les différents types de givrage (1/3) • la gelée blanche • formation : en dehors des nuages, passage direct de la vapeur d’eau en cristaux de glace (condensation solide). • aspect : aspect cristallin en forme d’aiguilles, d’écailles ou de plume qui la rend plutôt friable. • le givre blanc (ou mou) • formation : dans une atmosphère nuageuse, congélation rapide de gouttelettes en surfusion par contact avec une surface à température "fortement" négative • aspect : apparence opaque et blanche par inclusions d’air, plutôt fragile et friable. Glace plus ou moins poreuse, de densité plutôt faible et facilement fragmentée par une action mécanique

6. Les différents types de givrage (2/3) • Le givre transparent (ou dur) • formation : dans une atmosphère nuageuse, congélation lente de gouttelettes en surfusion sur des surfaces à température négative proche de 0°C, la gouttelette s’étale avant de congeler. • aspect : givre homogène, lisse, transparent, compact et très solide par absence d’inclusion d’air. • Le givre mixte • mélange de givre blanc et de givre transparent, mise en place simultanée ou en alternance rapide

7. Les différents types de givrage (3/3) • Le verglas • Formation : congélation lente de gouttes de bruine ou de pluie en surfusion après un choc sur une surface à température négative ou voisine de 0°C. • Le verglas se produit le plus souvent à l’avant des fronts chauds le long d’une bande relativement large ou à l’arrière des fronts froids sur une bande étroite • Aspect : Identique au givre transparent

8. Classification du givrage effectif • L’OACI ( RAC 4444 APP 1) détermine trois classes d’accrétion en fonction des contraintes appliquées à la conduite de l’avion : • givrage faible - pas de contrainte particulière sur la conduite de l’avion. • givrage modéré - conditions de givrage pouvant amener l’équipage à juger utile de changer de cap et/ou d’altitude. • givrage fort - conditions de givrage amenant l’équipage à changer immédiatement de cap et/ou d’altitude • RMK : dans une même atmosphère, deux aéronefs de caractéristiques différentes (vitesse, forme, température de surface, capacité de captation…) n'auront pas les mêmes contraintes à appliquer à la conduite de l'avion. L'un pouvant considérer un givrage effectif faible, et l'autre dans les mêmes conditions, modéré ou fort

9. Le potentiel givrant de l’atmosphère (1/6) Le givrage effectif ou accrétion sur l’aéronef ne doit pas être confondu avec le potentiel givrant. La vulnérabilité de l'aéronef au phénomène dépend de multiples facteurs comme la vitesse, le profil de  l’aile, le type de moteur, les systèmes d’antigivrage ou de dégivrage... • Éléments caractéristiques atmosphériques • le contenu en eau liquide surfondue (SLWC) • le diamètre des gouttelettes (diamètre volumique médian DVM) et leur répartition (spectre, nombre) • la température (T) • RMK • mise à part la température, il n'y a pas de mesures opérationnelles du contenu en eau liquide et du diamètre des gouttelettes, sauf aux niveaux de campagnes de mesures (météo) ou d'essais de certification avion (constructeurs) • les modèles numériques actuels ne sont pas adaptés à l'échelle du phénomène même si on peut en déduire certaines quantités d'eau liquide et déterminer des indices de givrage

10. Mesure de la teneur en eau liquide et de la vitesse verticale de l’air le long de la trajectoire d’un avion. Résultats obtenus lors de la traversée d’un cumulonimbus tropical au niveau –4°C/18000 ft MSL Le potentiel givrant de l’atmosphère (2/6) • influence des mouvements verticaux  • Contenu en eau liquide (ordre de grandeur) • brume et brouillard : de 0,1 à 2 g/m3 • nuages stables (St, As, Ns) : de 0,2 à 0,5 g/m3 • nuages instables (Cu, Ac, Cb) : de 0,5 à 5 g/m3 (jusqu'à 16 g/m3 dans certains nuages instables tropicaux) • quantités supérieures pour les précipitations il y a généralement 10 fois plus d’eau liquide surfondue dans 1 m3 de cumulus que dans 1 m3 de stratus

11. Le potentiel givrant de l’atmosphère (3/6) • Diamètre et nombre de gouttelettes (ordre de grandeur) • nuages stratiformes   de 2 à 30 • nuage cumuliformes   de 20 à 200 (300/500 ) • précipitations   de 200 à >500 • majorité des cas nb < 100 /cm3 (quelques cas 300/500 ) • Température (ordre de grandeur) • en règle générale, le potentiel givrant • présente un maximum au voisinage de l’isotherme 0°C • diminue avec l’altitude • typiquement : • nuages stratiformes entre 0°C et -10°C • nuages cumuliformes entre 0°C et -15°C (-30°C CB)

12. Le potentiel givrant de l’atmosphère (4/6) • Répartition horizontale des gouttelettes et du contenu en eau liquide Vol dans un "champ" denuages cumuliformes Vol dans une couche denuages stratiformes

13. -40° -30° -12° 0° LWC 1g DVM 15 20 Le potentiel givrant de l’atmosphère (5/6) • Répartition verticale • surfusion généralisée entre 0 et -10°C • noyaux glaçogénes actifs à partir de -15°C • vers -12°C  1 cristal/m3 • vers -30°C 1 cristal/cm3 • à partir de -40°C phase glace (sauf cas particuliers) • Corrélation diamètre-contenu en eau liquide

14. faible fort modéré <50 >50 STF CUF CB blanc transparent (verglas) type de givrage mixte Le potentiel givrant de l’atmosphère (6/6) • Classification corrélative et symboles Potentiel givrant LWC < 0,6g/m3  1,2g/m3 0,6  1,2g/m3 DVM nuages précipitations (FZRA/FZDZ) température 0°  -10° 0°  -15° 0°  -30°

15. Situations potentiellement givrantes (1/7) • Ciel clair : au sol • Ciel clair : en vol Cette forme légère de contamination peut malgré tout être très significative pour un avion moderne avec une aile à profil laminaire. Ces éléments peuvent également constituer un catalyseur pour une autre forme d’accrétion beaucoup plus sévère se produisant dans un milieu à fort potentiel givrant.

16. Situations potentiellement givrantes (2/7) • Au sein d’une atmosphère nuageuse A l’intérieur d’un nuage stable, les niveaux de potentiel maximum givrant se situent entre 0°C et -10°C A l’intérieur d’un nuage instable, les niveaux de potentiel maximum givrant se situent entre 0°C et -15°C

17. Situations potentiellement givrantes (3/7) • Précipitations surfondues

18. Situations potentiellement givrantes (4/7) • Précipitations surfondues

19. Situations potentiellement givrantes (5/7) • Présence de brouillard

20. Situations potentiellement givrantes (6/7) • Au relief Le potentiel givrant s’accroît avec les composantes verticales plus importantes qui sont à même d’augmenter l’apport d’eau par le bas et le contenu en eau liquide surfondue des nuages

21. Situations potentiellement givrantes (7/7) • ST et SC (blocage vertical)

22. T 27 8 vitesse 1 100 250 450 Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (1/8) • Les paramètres avion • Vitesse et forme (profil) conditionnent • la température de surface de l’avion (à l’impact et le long du profil) • la captation des gouttelettes (par le flux aérodynamique) Pour un gros porteur passant au FL100 en montée à M0,6 avec une température de l’air de -5°C, la température au point d’impact est de +12,8°C et la température moyenne le long du profil est de +11°C

23. Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (2/8) • captation des gouttelettes • Les gouttelettes sont d’autant plus déviées par rapport au flux aérodynamique et donc captées par un corps • que la vitesse est grande • que le profil du corps est épais • que leur masse est importante (inertie)

24. Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (3/8) • congélation des gouttelettes

25. Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (4/8) • Croissance sèche • gouttelettes de petites tailles • température plutôt basse • formes d’accrétion • Croissance humide • grosses gouttelettes • température entre 0 et -10°C

26. Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (5/8) • formes d’accrétion • influence de la température et de la vitesse

27. Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (6/8) • formes d’accrétion • influence de la température et de la vitesse

28. Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (7/8) • formes d’accrétion • influence sur la traînée

29. Aspects aéronautiques du givrage (givrage effectif) (8/8) • formes d’accrétion • influence sur la portance Sur un profil d ’aile moderne la dégradation de la portance suite à une contamination peut être considérable (-20 à -50 %) De plus, une forme d ’accrétion apparemment légère à des effets similaires à ceux de formes beaucoup plus sévères !

30. Les conséquences du givrage (1/5) • Surfaces critiques • Détérioration de l'aérodynamisme • plus de traînée, moins de portance, diminution des performances • augmentation de la vitesse de décrochage

31. V extrados Vo intrados Vfaible 0 1 dépôt D Les conséquences du givrage (2/5) • Ailes et empennages • effondrement de la portance par décollement des filets d'air à l'entrée de l'extrados • Cellule • augmentation de la masse (s’exprime en g/cm2/h ou g/cm2/mn) • centrage modifié • détérioration de l'aérodynamique ( traînée , portance , vitesse de décrochage ..) • blocage mécanique des gouvernes ( suite à recongélation) • opacification des vitres du cockpit

32. détente=refroidissement arrivée d'air atmosphérique 0<t<15°c dépôt de givre vaporisation du carburant=refroidissement arrivée carburant Les conséquences du givrage (3/5) • Moyens de propulsion : • bord d'attaque nacelle • cône d'entrée réacteur • stator premier étage compresseur (ingestion de glace, destruction d’organes mécaniques, explosion) • hélices ou pales de rotor : déséquilibre, déformation, rupture • moteur à piston : givrage du carburateur, perte de puissance, arrêt du moteur.

33. Les conséquences du givrage (4/5) • Antennes et les sondes • obstruction des prises de pression et de température totale, des sondes de dérapage et d'incidence, de l'avertisseur de décrochage • perturbations sur les indications de vitesse , de pression, des moyens radios (parasites, mise à la masse) … • indication erronée de l'antenne radar par surcharge du radôme de protection • Évacuations • obturation des évacuations des eaux usées, de l'eau de condensation des séparateurs d'eau, des panneaux de service • blocage des portes : soute, cabine,...

34. Les conséquences du givrage (5/5) • Pénalisations opérationnelles • pas de décollage à moins que les surfaces externes ne soient dégagées de tout dépôt susceptible d ’avoir une influence négative sur les performances et la manœuvrabilité • pas de vol dans des conditions de givrage connues ou prévues à moins que l’avion ne soit certifié et équipé pour faire face à de telles conditions • le carburant critique ETOPS doit prendre en compte les conditions givrantes

35. Les moyens de lutte (1/5) • Prévention et détection • difficultés à observer et mesurer en temps réel • difficulté de mise en corrélation d’une prévision givrage (potentiel) et de ses effets sur un avion donné (effectif) • caractère extrêmement variable dans l’espace et le temps des conditions givrantes • AIREP SPECIAL, PIREPS : source précieuse de localisation par observation en vol • utilisation des cartes de prévision de temps significatifs TEMSI • signalisation permanente par des messages de type SIGMET ou AIRMET • anticipation par l’expertise de l’équipage • à bord, moyens de détection limités à des témoins visuels de captation

36. Les moyens de lutte (2/5) • Antigivrage et dégivrage : au sol • traitement préventif à long terme : application d’un lubrifiant à base de silicone • bords d'attaque des volets hypersustentateurs • trains d'atterrissages, trappes et logements • joints d'étanchéité des portes et verrières • panneaux de service toilettes • traitement préventif à plus court terme : pulvérisation d’un produit antigivre (liquide épais type II) , temps de protection très variables. • Entre -7 et 0°C : 8 heures de protection en cas de gelée blanche, 20 minutes en cas de verglas.

37. Les moyens de lutte (3/5) • Antigivrage et dégivrage : au sol • traitement curatif par pulvérisation sous pression et à grand débit d’un liquide de dégivrage de type I. • Entre -7 et 0°C : 45 minutes de protection en cas de gelée blanche, 3 minutes en cas de verglas. • traitement curatif par traitement à l’eau chaude pure • traitement curatif par réchauffage électrique (glaces, évacuations des eaux usées) Coordination étroite entre le contrôle et l’équipage

38. Les moyens de lutte (4/5) • Antigivrage et dégivrage : en vol • circulation d'air chaud • piquage réacteur (turboréacteur) • gaz d'échappement (moteurs à pistons, turbopropulseur) • résistance électriques chauffantes collées sur les bords d’attaque • de la voilure • des pales d'hélice • des gouvernes de profondeur et de direction • des vitres du poste de pilotage • liquides à base d’alcool • par centrifugation sur les bords d'attaque des pales d'hélice • par exsudation pour la voilure

39. dP variable Les moyens de lutte (5/5) • Antigivrage et dégivrage : en vol • déformation de membranes de caoutchouc enveloppant les bords d’attaque • interdit au décollage et à l'atterrissage, • uniquement pour le dégivrage • Ces systèmes sont très gourmands en énergie et modifient les qualités aérodynamiques • Domaine d'utilisation : risque de givrage si (paramètres variables selon le type d'aéronef, les consignes compagnies,...): • au solSAT<8°C et humidité voisine de 100% • en vol-10°C<TAT<+8°C et humidité Exemples de système de dégivrage et d'antigivrage

40. Autres types de contaminations (1/3) • Contamination en vol • par fortes pluies • divers effets sur la conduite d’un vol : perception visuelle extérieure perturbée, modification de l’état de la surface de la voilure. • par la grêle • chocs avec l’avion : dégâts importants sur la voilure, le radôme ou le pare-brise, • ingestion de grêlons par un turboréacteur : destruction complète • par les lithométéores • détérioration rapide des éléments moteurs par obturation des filtres et des entrées d’air, vitrification, introduction dans les réservoirs à carburant mais également, par des effets abrasifs en opacifiant le pare-brise.

41. Autres types de contaminations (2/3) • Contamination des pistes RMK • la surface de la piste peut se recouvrir d’eau, de glace, de neige, d’un mélange d’eau et de neige (slush). • en de telles circonstances, le pilote peut éprouver des difficultés à contrôler la trajectoire de l’avion (hydroplanage), particulièrement avec des conditions de vent de travers. • par l’eau • phénomène d’aquaplaning augmentant les distances de roulage et rendant l’avion beaucoup plus vulnérable au vent traversier. • à l’exemple de l’A320, une épaisseur d’eau sur la piste supérieure ou égale à 3 millimètres implique une composante maximale de vent de travers à l’atterrissage ou au décollage de 5 kt pour respectivement 33 kt et 29 kt sur piste sèche.

42. Autres types de contaminations (3/3) • Contamination des pistes • par la neige et le slush • même conséquence avec la présence sur la piste de neige ou de slush (mélange de neige et d’eau). De plus, à l’atterrissage, l’utilisation des reverses provoque des projections importantes de neige pouvant nuire à la visibilité. • pour un gros porteur, 16 cm de neige froide ou 2,5 cm de slush imposent 50% de distance de roulage au décollage en plus. • par le verglas • la présence de verglas sur une piste interdit son utilisation • par les lithométéores • affecte la qualité du freinage de l’avion augmentant d’autant les distances d’arrêt et donc les longueurs de piste utilisables.

43. Le givrage et autres types de contamination FIN Première diapositive