Mesure de vitesse air

Tout ce qu’il faut savoir

1. Le type de capteur du Vector Vario

Le Vector Vario mesure la vitesse air grâce à un capteur de pression différentielle fonctionnant sur le même principe qu’un tube de Pitot/Prandtl.

Le Vector Vario est équipé de deux prises mesurant:

  • la pression totale par l’orifice qui est frontal à l’écoulement. 
  • la pression statique par les orifices étant perpendiculaires à l’écoulement.

Un capteur mesure la différence de pression entre ces deux prises. On peut ensuite en déduire la vitesse air en appliquant le théorème de Bernoulli.

2. Les différentes vitesses

Il existe 4 types de mesures de vitesse

Vitesse IAS (Indicated Air Speed)

La vitesse indiquée (IAS) provient du différentiel de pression mesuré par le tube de Pitot, en supposant une densité d’air correspondant aux conditions standard OACI au niveau de la mer.

Pour analyser les performances d’un parapente, l’IAS est la vitesse de référence car cette dernière ne dépends pas de l’altitude ni des conditions météorologiques.

Vitesse CAS (Calibrated Air Speed)

La CAS correspond à l’IAS corrigée des erreurs induites par les perturbations aérodynamiques autour de l’anémomètre.

En choisissant soigneusement l’emplacement du Pitot, la CAS reste généralement très proche de l’IAS. C’est le cas avec la fixation du Vector Vario sur l’élévateur. Toutefois, des perturbations résiduelles existent (bras du pilote, sellette… voir le paragraphe suivant).

Le Vector Vario intègre une correction dédiée, permettant d’estimer la CAS dans certains scénarios. Cette vitesse est ensuite utilisée pour déterminer la position du pilote sur la polaire des vitesses de l’aile.

Vitesse TAS (True Air Speed)

La TAS est obtenue à partir de la CAS en corrigeant l’influence de la densité réelle de l’air, qui diminue avec l’altitude.
La densité de l’air est calculé  à partir de la pression statique, de la température et de l’humidité.

Sur le Vector Vario, la TAS est utilisée pour le vario compensé ainsi que pour le calcul du vent.

Vitesse sol

La vitesse sol est la vitesse du pilote par rapport au sol, mesurée directement par le GPS.
La différence entre la TAS et la vitesse sol représente l’influence du vent.

Le schéma suivant propose une visualisation simplifiée des différentes vitesses et de leurs évolutions en fonction de l’altitude.

3. Les limites de la mesure proche de la sellette

En parapente, mesurer correctement la vitesse de l’air n’est pas aussi simple qu’il y paraît. La principale difficulté apparaît au moment de passer de la vitesse indiquée (IAS) à la vitesse corrigée (CAS). Cette correction suppose de bien évaluer comment l’aérodynamique du pilote et de son équipement influence le Vector Vario.

Or, cette influence n’est pas universelle : elle varie d’un pilote à l’autre. Elle dépend notamment de la sellette utilisée, de la posture en vol, de la présence d’un cockpit, et même de la façon de piloter.

Les images ci-dessous montrent un échantillon de configurations de vol avec le biais que chacune peut introduire dans la mesure de la vitesse IAS.

Perturbations « constantes » dues à la sellette :
a/ Sellette ouverte avec position assez relevée. Le corps offre une surface frontale élevée qui perturbe fortement l’écoulement. Le vario se trouve en général dans une zone ou la vitesse est généralement diminuée d’environ 10 %. Cette configuration est également très sensible aux déplacements du corps en virage (appuis sellette).
b/ Sellette cocon classique : l’écoulement est peu perturbé au niveau du vario et la mesure reste en général proche de la vitesse réelle.
c/ Sellette haute performance : l’écoulement est légèrement accéléré sur les bords de la sellette, ce qui peut augmenter la vitesse mesurée.

Perturbations « dynamiques » dues au pilotage :
d/ Rentrer les bras : cela revient à ajouter un obstacle latéral au vario, ce qui accélère localement l’écoulement (comme observé dans la simulation ci-dessous). La vitesse mesurée peut alors augmenter d’environ 10 %.
e/ Coller le bras le long de l’élévateur : selon l’alignement du bras avec le vario, l’écoulement peut être accéléré ou ralenti. Le plus souvent, il est accéléré et l’augmentation peut atteindre 10 %.
f/ Situation où le vario est très proche du corps : le corps constitue une barrière, provoquant un fort ralentissement de l’écoulement et donc une sous-estimation marquée de la vitesse.

Pour mieux comprendre l’origine de ces perturbations, l’image ci-dessous illustre les résultats d’une simulation numérique autour d’une sellette profilée.  Il s’agit d’une coupe verticale montrant les variations de vitesse en proximité du pilote. 

 

La vitesse réelle utilisée dans le calcul est de 10 m/s (zones vertes). On observe que des variations jusqu’à +/-2 m/s (20%) sont fréquentes (zones bleus ou rouges).

Le positionnement du Vector Vario sur l’élévateur a précisément pour objectif de placer le capteur dans une zone où l’écoulement est naturellement peu perturbé.
La figure suivante présente un zoom dans le plan horizontal, centré sur l’environnement immédiat du vario :

On observe que dans cette configuration, le vario se situe dans une zone où la vitesse est légèrement sous-estimée (environ –0,5 m/s en bleu clair, soit environ 5 % de moins que la vitesse réelle).

On remarque également que la zone d’influence des bras est assez étendue. De fortes accélérations de l’écoulement apparaissent sur les côtés (zones en jaune), tandis qu’un ralentissement est visible à l’avant, qui remonte partiellement jusqu’au vario. Un sillage est également naturellement présent à l’arrière.

4. Calibration du capteur

Le capteur de vitesse air présente un offset globalement stable dans le temps. Toutefois, cet offset peut légèrement varier avec la température ou être modifié en cas de choc sur l’appareil.

Lorsque le vario n’est pas en vol, il ajuste en continu son offset. Si la température ambiante est différente de celle rencontrée auparavant, l’appareil met progressivement à jour sa loi de compensation thermique.

Remarque : au décollage comme à l’atterrissage, il est recommandé de boucher l’un des côtés du tube afin de faciliter cette auto-calibration. Cette précaution est particulièrement utile lorsque le vent est fort.

Si un décalage important est détecté, l’application signale automatiquement la nécessité d’effectuer une calibration dans un environnement bien contrôlé.

La calibration est également accessible à tout moment dans le configurator, mais normalement cette action n’est pas nécessaire :

Si vous recherchez une précision maximale et que vous volez dans des températures inhabituelles pour votre appareil, il est possible d’accélérer la calibration thermique en procédant comme suit :

  1. Allumer le vario.

  2. Le placer dans sa pochette de rangement.

  3. Mettre l’ensemble dans le congélateur pendant environ 30 minutes,

  4. Le sortir, puis l’éteindre.

La calibration est entièrement automatique et ne génère aucun indicateur spécifique.

À noter : le Vector Vario pro intègre déjà une calibration thermique en usine entre -20°C et 40°C.

5. Précision du Vector Vario

Afin de garantir une mesure fiable même dans un environnement fortement turbulent, le Vector Vario bénéficie d’une géométrie aérodynamique spécialement conçue pour tolérer de larges variations d’incidence.

Le graphique ci-dessous illustre la réponse du capteur dans un écoulement laminaire en soufflerie à 10 m/s.

On y observe une remarquable stabilité de la mesure, maintenue jusqu’à environ ± 40° d’angle d’attaque.

La calibration de la vitesse air dépend de deux paramètres :

L’offset : Il s’agit d’un défaut constant sur la mesure de la pression différentielle.

  • Sans calibration thermique : jusqu’à 10 Pa d’erreur (très variable, dépend de l’écart de température par rapport à la calibration initiale).

  • Avec calibration thermique : inférieur à 2 Pa d’erreur.

La sensibilité :
Il s’agit de la réponse du vario à l’écoulement d’air, influencée par sa géométrie.

  • Les Vector Vario Pro bénéficient d’une calibration individuelle, permettant de réduire l’erreur à environ 0,5 %.

  • Sur les versions classiques, l’incertitude est inférieure à 2 %.

Le tableau suivant résume les incertitudes en km/h pour différentes vitesses de vol (IAS). La précision de la Vector Probe est également fournie à titre de comparaison.

6. La correction de la vitesse en vol

Comme expliqué précédemment, la vitesse de l’air n’est pas homogène autour du pilote. Ces variations induisent des perturbations sur la pression statique locale qui est mesurée par le Vector Vario.
L’image suivante illustre ces variations, en représentant les écarts de pression statique (en pascals) par rapport à la pression atmosphérique.

On observe qu’à proximité du pilote, les écarts de pression statique peuvent atteindre plusieurs dizaines de pascals.

Pour traiter ce problème, le Vector Vario utilise un filtre de Kalman fusionnant l’ensemble des capteurs afin d’estimer le niveau de perturbation statique.
Actuellement, la correction n’est établie que lors des phases de virage. Cela implique qu’un changement de posture lors d’une transition transition ne peut pas être évalué correctement.

Des améliorations sont en cours afin de rendre cette correction plus robuste et plus réactive.

Une remarque concernant le défaut de pression statique :
Ce biais affecte également l’estimation de la vitesse verticale. En effet, chaque variation de vitesse air provoque alors une modification artificielle de la pression statique, qui peut être interprétée à tort comme un changement d’altitude par le baromètre.

Ce phénomène concerne tous les varios, et selon l’emplacement du capteur, il peut être sensible (par exemple sur un casque). En général, un filtre de Kalman combinant pression et accélérations permet néanmoins de réduire l’effet de cette perturbation.

Sur le Vector Vario, le biais de pression statique estimé pour la correction de la vitesse air est également utilisé pour corriger la mesure de vitesse verticale.

7. Mesurer une vitesse avec précision

Bien que le Vector Vario n’ait pas été conçu à l’origine pour réaliser des mesures de vitesse de haute précision, il est néanmoins possible de l’utiliser à cette fin en prenant quelques précautions. En pratique, la vitesse corrigée (CAS) fournie par le Vector Vario n’est pas suffisamment fiable pour ce type d’analyse ; il est donc nécessaire de travailler à partir de la vitesse indiquée (IAS), tout en gardant à l’esprit qu’elle est influencée par la position du pilote et de son équipement.

Deux approches principales peuvent alors être envisagées :

  1. Travail en relatif :

    Cette approche consiste à comparer des mesures en veillant à conserver exactement la même position du pilote à chaque relevé, en particulier la position des bras à proximité du vario. La valeur absolue de la vitesse peut alors être biaisée, mais cela n’empêche pas de travailler de manière fiable en relatif. On peut par exemple déterminer si une aile a gagné ou perdu de la vitesse après un réglage de trim.

    Dans ce cadre, il est conseillé d’utiliser une sellette cocon ou une sellette orientée performance, et de garder les bras aussi écartés que possible pendant la phase de mesure, afin de limiter l’influence du pilote sur l’écoulement de l’air autour du capteur.

  2. Travail en absolu :

    Cette approche consiste à placer le vario dans une zone la plus dégagée possible, afin de limiter l’influence du pilote et de son équipement sur la mesure. Des essais sont actuellement en cours pour identifier les solutions de fixation les plus pertinentes (par exemple au-dessus de la poulie d’accélérateur).  
    Attention : le déplacement du vario sur les élévateurs peut poser des problèmes de sécurité, notamment lors du décollage. Cette solution doit donc être réservée à des utilisateurs avertis, parfaitement conscients des risques et capables de les maîtriser.

Remarque : Dans le log du Vector Vario Pro, il y a deux colonnes  A0_cor_DP et A1_cor_DP qui sont calculés en fin de vol. Il s’agit d’un affinage de l’offset qui dépend de la température du capteur. On peut alors déterminer les résidus sur le différentiel de pression pour améliorer la précision sur la mesure de vitesse. La relation à utiliser est la suivante :
DP_cor = DP + A0_cor_DP + A1_cor_DP * T_sensor
puis
IAS = sqrt(2/1.225*abs(DP_cor))/1.28
Pour permettre cette correction, il est conseillé de boucher le tube du Pitot pendant quelques secondes au décollage et à l’atterrissage.