6-3 Techniques vol à voile (motoplaneurs)

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Généralités

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1. Ascendances
   1. thermiques
   2. dynamiques
   3. vol d'onde
2. vol en circuit

Faire du vol à voile consiste à trouver des masses d'air dont les vitesses d'ascension sont plus élevées que la vitesse de chute propre du planeur et ainsi gagner de la hauteur. Les masses d'air ascendantes, ou ascendances étant généralement très localisées, les pilotes doivent s'arranger pour rester à l'intérieur. Les pilotes parlent souvent de « faire le plein », l'objectif étant de gagner le maximum d'altitude offerte par les conditions météo du jour. Cette expression illustre aussi le fait que l'énergie potentielle du planeur —ou son altitude, ce qui revient au même— peut être considérée comme son carburant.

Les masses d'air ascendantes les plus connues sont :

• les ascendance thermique qui sont le résultat du soleil qui chauffe le sol,
• les ascendances dues à l'effet de pente lorsque le vent frappe un relief le forçant à passer par-dessus,
• les ascendances d'une onde, créées par un reliefs et des conditions de vents particulières. Ils permettent d'atteindre des altitudes très importantes.

Vol en ascendances thermiques

Schéma d'une colonne d'air chaud. En (1), l'air s'échauffe près du sol. Il s'élève en (2) avant de refroidir par condensation et formation d'un nuage (A). L'air entre alors en expansion et redescend (3).

Article détaillé Wikipédia Ascendance thermique.

En vol de thermique, le pilote recherche des colonnes d'air ascendantes qui résultent de l'échauffement du sol par le soleil. L'air en contact avec le sol est alors réchauffé et peut se mettre à monter spontanément comme une montgolfière.

Le vol de thermique nécessite une colonne régulière d'air chaud, exploitable lorsque le profil de température de la masse d'air est bon, et le soleil suffisamment puissant. En règle générale, cela se produit à nos latitudes moyennes de la fin de l'hiver au milieu de l'automne. Il y a peu de thermiques en hiver, compte tenu du faible ensoleillement et des masses d'air qui possèdent des caractéristiques de gradient de température qui limite le phénomène de la convection.

Cumulus.

Dans certaines conditions d'humidités et de température, une ascendance thermique forme un nuage. Ces nuages de forme cotonneuse et à base plate, formés par des ascendances sont appelés Cumulus, avec une déclinaison suivant leur taille : Cumulus Fractus, Cumulus Humilis, Cumulus médiocris, Cumulus Congestus, Cumulo Nimbus. L'ascendance se poursuit dans le nuage et même se renforce, la condensation de l'eau libère de la chaleur (chaleur latente de condensation).

Lorsque les conditions d'humidités et de températures ne sont pas réunis, les ascendances ne forment aucun cumulus ce qui rend plus difficile la détection des ascendances, on parle de thermiques purs.

L'exploitation des thermiques par le pilote

Les ascendances thermiques se recherchent via un faisceau d'indices. Le pilote teste les zones les plus probables, mais n'est jamais sûr d'y trouver une ascendance. En effet, si l'on est certain du principe physique, il reste difficile de prédire avec certitude la présence d'une "pompe". C'est d'ailleurs pour ce côté aléatoire que le pilote doit conserver une zone posable accessible suivant son altitude, à tout instant.

• Les contrastes thermiques au sol : Les plus fortes probabilités se trouvent dans les zones de contrastes thermiques, capable de monter en température rapidement au soleil, telles que les champs moissonnés, des parkings de supermarché, les routes et autoroutes, et surtout les gravières et secteurs rocheux.
• Les nuages : La présence de Cumulus est un bon indice. Le cumulus qui prend du volume est plus fiable et indique qu'il est alimenté par une ascendance, par opposition à celui qui se désagrège indiquant la disparition de l'ascendance. Lorsque le cumulus est de grande taille, il y une plus forte probabilité de trouver la pompe là où son épaisseur est maximale, indiquée approximativement par la zone la plus sombre.
• Le vent : Les ascendances sont inclinées par le vent. Ainsi, on trouve un thermique sous le vent des indices en dessous de nous (au sol, planeur plus bas...), et au vent des indices au dessus de nous (cumulus, oiseaux qui spirale au dessus...). Les ascendances peuvent également s'aligner avec un vent fort (les descendances aussi!). Par voie de conséquence, les cumulus qui les chapeautes sont alignées et appelés "rue de cumulus".
• La position du soleil : c'est un indice faible, les ascendances sous un cumulus peuvent être recherchées du côté du soleil.
• La présence d'un oiseau ou d'un planeur qui spirale est indice fort d'ascendance...tout dépend de l'autre pilote, ou de l'espèce d'oiseaux qui spirale :-)

Lorsque le pilote vélivole trouve un thermique, il se met à décrire des spirales pour rester dans l'étroite zone qui monte, basiquement à 30° d'inclinaison, à la vitesse de taux de chute minimum du planeur. Il tentera en permanence de se repositionner dans la meilleure zone de montée, en décalant ses spirales et en adaptant l'inclinaison. Il s'aide d'abord de ses sensations (sensation de monter ou de tomber) qui ont l'avantage d'être instantanées mais sans valeur chiffrée, puis de son instrument variomètre qui permet de donner une valeur chiffrée mais toujours en retard de 3 à 5 secondes. L'instructeur de vol enseignera quelques lignes directrices pour les manœuvres de recentrages, qu'il nommera "Cartographie sur 3 tours", "Recentrage par ouverture", "Resserrer puis ouvrir après 3/4 de tours"...mais le principe est identique quelque soit la méthode : tourner en spirale parfaitement autour du noyau de l'ascendance.

La puissance des ascendances thermiques va de 0m/s à 3m/s, jusqu'à 5m/s les jours de très beau temps. Un tour de spirale à 30° d'inclinaison dure environ 30s, donne un diamètre de spirale de environ 300m.

Avant de se trop se rapprocher de la base du cumulus (par exemple 300m pour des raisons légales dans certains cas, ou environ 50m pour des raison de visibilité), ou bien arrivé au sommet du thermique pur à proximité de la couche d'inversion, le pilote quitte la zone et utilise l'altitude gagnée pour planer vers son prochain objectif.

Quelques astuces de pilotes :

• De fortes ascendances thermiques implique normalement la présence de fortes descendances dans la zone, et vice versa.
• Il est préférable de tourner complètement dans une zone stable qui monte faiblement, plutôt qu'a moitié dans une zone qui monte fortement.
• Un planeur qui s'approche trop près d'un cumulus peut être contraint de sortir ses aérofreins pour arrêter de monté, ou descendre, le temps de quitter la zone. Le vol sans visibilité est strictement interdit et dangereux à court terme.

La mécanique de l'ascendance thermique

Le mouvement de la bulle d'air se fait sans échange de chaleur avec l'air environnant car les masses d'air se mélangent mal.

La pression diminue lorsque l'altitude augmente, la bulle qui monte se dilate (ou se détend). Comme l'énergie thermique de la bulle d'air chaud reste constante (pas d'échange de chaleur avec l'air environnant), on parle de détente adiabatique. La baisse de température de la bulle est uniquement due à la détente, on parle alors de gradient thermique adiabatique qui dépend des conditions de gravité qui règnent sur terre et des propriétés de l'air. Sa valeur approximative est de 1°C/100m en atmosphère sec (hors nuage), et de 0.5 à 0.8°C/100m en atmosphère saturé (dans les nuages).

Vis à vis de de gradient thermique adiabatique, il existe en théorie 3 comportements possibles, qui dépendent du profil vertical de la température de l'air ambiant :

• Situation Stable : Si le gradient de température est plus faible que 1°C/100m, alors une bulle d'air poussée vers le haut devient plus froide que l'air qui l'entoure du fait de sa dilatation adiabatique. La bulle a tendance à redescendre à sa position initiale. La masse d'air est dite stable. Ce type de masse d'air n'est pas favorables à la convection.
• Situation Instable : Si la diminution de température de l'air ambiant avec l'altitude est plus élevé que 1°C/100m, alors une bulle d'air poussée vers le haut restera toujours plus chaude (donc plus légère) que l'air qui l'entoure du fait de la dilatation adiabatique, et a donc tendance accélérer vers le haut. La masse d'air est dite super-adiabatique ou instable. Dans le cas d'une masse d'air instable, il n'est même pas nécessaire que le soleil réchauffe le sol, car tout mouvement résulterait en une accélération de ce mouvement. Dans les faits, une telle situation d'équilibre instable ne perdure pas. Les mélanges verticaux vont spontanément se réaliser, plus ou moins brutalement (Orages dans les cas les plus brutaux), et le gradient de température vertical va se stabiliser à environ 1°/100m. Ce type de masse d'air est en quelque sorte trop favorable à la convection pour le vol en planeur.
• Si le gradient de température est égale au gradient thermique adiabatique de 1°/100m, La situation est ni stable, ni instable. C'est une situation favorable à une convection générée par l'échauffement du sol par le soleil.

Ces trois situations sont identiques en atmosphère saturé d'humidité, mais la valeur du gradient est alors de 0.5 à 0.8°C/100m.

L'atmosphère réelle est une superposition de couches d'air de ces trois situations. Par exemple :

• Une couche ni stable, ni instable, et sèche, surmonté d'une couche stable à 1800m : favorable au vol à voile.
• une couche stable entre 300 et 800m : défavorable au vol à voile (trop bas).
• une couche ni stable, ni instable, en dessous de 3000m + surmonté d'une couche instable de 3000m à 8000m : défavorable au vol à voile (Orage).
• typique en Europe du Nord d'une situation pré-orageuse. Couche stable entre 1500 et 2500m, la température augmente grâce au soleil à basse altitude par un phénomène de bouchon. Ensuite, des orages violents éclatent lorsque le bouchon cède.

Vol de pente

Schéma d'une pente, en vert la zone ascendante.

Article détaillé Wikipédia Soulèvement orographique.

En vol de pente, le pilote recherche des reliefs placés perpendiculairement au vent. L'air qui se déplace n'a d'autre choix que se mettre à monter le long du relief.

Le vol de pente nécessite un vent régulier et un relief. Le vol de pente en parapente ou l'aéromodélisme peut se pratiquer sur de petites pentes partout dans le pays, mais le vol en planeur nécessite de plus grand reliefs, essentiellement les massifs montagneux. Le vol de pente peut se pratiquer toute l'année. Le gain d'altitude dépasse rarement quelques centaines de mètres au-dessus du sommet des reliefs ; ces ascendances sont appelées ascendances dynamiques ;

Dans certaines conditions d'humidités et de température, une ascendance de pente forme un nuage orographique. Il a la particularité de ne pas bouger par rapport au sol, alors que le vent est significatif.

Lors de journées ensoleillées, les pentes exposées au soleil se réchauffent plus vite que les zones environnantes et il se produit alors un phénomène de vent anabatique qui peut s'ajouter au vent ambiant. Ce dernier phénomène est appelé par les vélivoles français « ascendance thermo-dynamique » ; il est l'addition d'un phénomène thermique et dynamique. Les pentes exposées au soleil sont ainsi de bons déclencheurs de thermiques.

L'exploitation des pentes par le pilote

Le vol de pente est relativement prévisible. En effet, le vent peut être considéré stable sur une courte période, et le relief ne change pas durant la vie d'un vélivole ! L'incertitude réside dans le sens du vent et la force du vent. En effet, dans des condition marginales, certaines pentes peuvent ne plus fonctionner si l'orientation change légèrement, ou si le vent faibli légèrement. Parce que le phénomène n'est pas absolument certain, le pilote conserve une zone posable accessible suivant son altitude, à tout instant.

Le pilote se place "au vent", des pentes susceptibles de fonctionner. Il prend une trajectoire sol (une "route") parallèle à la crête et réalise des allers et retours en faisant des demi-tour aux extrémités de la pente. Sur des pentes très courtes, cela revient a faire des "8" :

• Les lignes droites sont réalisées à des vitesses significatives de l'ordre de la vitesse de finesse maximum : la performance de montée est sacrifiée au bénéfice de la sécurité du vol. En effet, les fortes turbulences dues au relief pourraient créer des situations irrécupérables (décrochage, vrille) compte tenu de la proximité du sol.
• Les virage sont effectués toujours vers la vallée, basiquement à 30° d'inclinaison. Le rapprochement vers la pente est fait de la façon progressive avec une route qui converge vers la pente sous 45° maximum.

La puissance des ascendances en vol de pente va de 0m/s à 3m/s, la situation est relativement turbulente.

Le pilote doit être prudent à ne jamais se laisser dériver sous le vent de la crête, afin d'éviter la zone descendante de laquelle il ne pourrait plus sortir. Arrivé au sommet du de l'ascendance de pente, le pilote quitte la zone et utilise l'altitude gagnée pour planer vers son prochain objectif.

Quelques astuces de pilotes :

• x

Vol d'onde

Vol d'onde avec une première onde sur le relief (A) puis une seconde qui comporte des nuages lenticulaires (B).

Nuages de rotors, avec un nuage lenticulaire matérialisant un système d'ondes orographiques avec rotors.

Article détaillé Wikipédia Soulèvement orographique.

Le vol d'onde est un type de vol orographique. Sous le vent d'un relief, et sous certaines conditions de vent, se produisent un ou plusieurs ressauts, du fait de la compressibilité de l'air. En quelque sorte, l'air se comprime comme un ressort et rebondi plusieurs fois, impactant toute l'épaisseur de la tranche d'air. Ces ondes peuvent atteindre de grandes altitudes, largement supérieures à celle du relief générateur. Les ondes se forment lorsqu'un relief descendant est perpendiculaire au vent. Le vent favorable à l'onde est un vent fort, qui augmente avec l'altitude, dont la direction ne change pas avec l'altitude. L'absence d'ascendances thermiques est un facteur favorable à l'établissement de l'onde. Le vol d'onde se pratique plus particulièrement en hiver, dans certains massif montagneux.

Verticalement, l'onde est composée de deux partie distinctes qui ne se mélangent pas :

• La partie sous-ondulatoire : Zone turbulente proche du sol, dans laquelle se forme des rotors.
• La partie ondulatoire : Zone a écoulement laminaire, très calme malgré un vent fort, dans laquelle se forme les ressauts.

Dans certaines conditions d'humidités, l'onde se matérialise par des nuages forts utiles à la compréhension du système :

• Des nuages de Rotors dans la partie sous-ondulatoire. Ils ressemblent à des cumulus déchiquetés, mais immobile malgré la vitesse du vent. Ils tournent sur eux même, et leur partie "au vent" est une ascendance exploitable mais très turbulente.
• Des nuages lenticulaires, de forme très régulière en assiette inversée, parfois superposés en pile. Ils sont également d'apparence immobiles alors que le vent souffle avec intensité. Ils se forment dans le leur partie "au vent" (c'est l'ascendance exploitable), et se désagrègent dans leur partie "sous le vent". La zone est calme et sans aucune turbulence.

L'exploitation de l'onde par le pilote

Le vol d'onde est un cas particulier du vol à voile. Déjà par les conditions : Températures froides (de 10 à -30°C), évolution potentiellement à haute altitude avec de l'oxygène, vent en altitude très important (jusqu’à 100km/h), ascendance dynamique pouvant être puissante (taux de monté/descente de 0 à 5m/s, pouvant aller jusqu’à 10m/s).

L'autonomie du planeur face au vent, dans la partie descendante d'un ressauts occasionne une finesse sol faible, inférieure à 10 dans des certains cas.

Après son décollage, le pilote doit d'abord monter à l'aide des rotors dans la tranche sous-ondulatoire. Il se place "au vent" des rotors et tente d'y rester malgré le vent fort. Le pilote utilise des repères au sol pour s'aider. Cette partie du vol peut être très turbulente, et des précautions sont prises pour éviter toute situation irrécupérables (vitesse suffisante). Une fois la frontière de la zone ondulatoire franchie, les turbulences s'arrête soudainement. Le pilote se place dans la partie montante du ressaut et y reste en prenant en compte sa dérive. Le pilote s'aide de repères au sol et du variomètre, les sensations sont peu exploitables du fait du caractère très doux de la masse d'air. L'air étant calme, le pilote peut voler à des vitesses faibles sans craindre le décrochage ou la vrille.

Le pilote doit être prudent à garder le local d'une zone posable malgré la finesse sol potentiellement faible. Arrivé au sommet du ressaut, le pilote quitte la zone et vole de ressaut en ressaut. Pour pour planer vers son prochain objectif, le pilote alterne les trajectoires perpendiculaires au vent en restant dans un ressaut, avec des trajectoires face(ou dos) au vent pour changer de ressaut en un minimum de temps afin de minimiser la perte de hauteur.

Quelques astuces de pilotes :

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C'est en vol d'onde qu'ont été réalisés les plus grands records d'altitude et de distance.