PHÉNOMÈNES DANGEREUX

TURBULENCES DE SILLAGE



- Création des tourbillons

- Interaction entre le jet et un tourbillon de sillage

- Description d'in sillage tourbillonnaire

- Déflexion et stabilisation des tourbillons

- Dissipation des tourbillons

- Effets sur les aéronefs

- Conséquences sur le trafic aérien

- Quelques règles élémentaire de conduite

Avant-Propos

A part quelques modifications, cette page reprend l'excellent article de Jean-Claude Bex (officier mécanicien navigant) dans le magazine *Aviation 2000 N° 81 de janvier 1982, dans lequel un extrait de la thèse de Laurent Nybelen du 10 juin 2008 à été incorporé. Les dessins sont de l'auteur de ce site.
*Malheureusement ce magazine a disparu en 1986

Introduction

Bien que le phénomène de la turbulence de sillage des aéronefs soit connu depuis le début des vols motorisés, ce n'est qu'avec la mise en service des avions gros porteurs à turboréacteurs qu'il a pris une importance de plus en plus grande. Le nombre croissant d'incidents et d'accidents attirèrent l'attention sur les dangers présents lors du passage d'un appareil dans le sillage d'un avion plus lourd. Il constitue maintenant l'un des principaux problèmes auxquels sont confrontés les pilotes, les contrôleurs de la circulation aérienne et les responsables des aérodromes.

Définition

La turbulence de sillage dans son ensemble est due à l'existence de trois facteurs:
- les effets de souffle des hélices ou des réacteurs
- la turbulence induite par fuselage et les aspérités génératrices de traînée
- les fameux tourbillons marginaux ou vortex contrarotatifs, prenant naissance aux extrémités des ailes.



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Création des tourbillons

La structure détaillée des tourbillons et les mécanismes qui causent leur dissipation ne sont que partiellement connus, mais il est possible de faire une description raisonnablement exacte du mouvement général des tourbillons.
Les tourbillons marginaux étant le sous-produit inévitable de la génération de la portance, ont la particularité de n'exister qu'entre le décollage et l'atterrissage (toucher des roues).
En effet, pour maintenir un avion en vol ses ailes doivent défléchir en permanence vers le bas un certain volume d'air afin d'engendrer la portance nécessaire à la sustentation. Comment la portance est-elle créée
Cette opération est réalisée à l'aide de deux facteurs principaux :
- la mise en vitesse de l'avion
- l'angle d'attaque de l'aile.
La combinaison de ces deux paramètres générant une différence de pression entre l'intrados et l'extrados. Ces deux pressions ont tendance à s'équilibrer et donnent naissance à un courant circulaire autour de l'extrémité de l'aile. Traînée - Les tourbillons marginaux
Le mouvement de l'air passant de la zone de surpression (intrados) vers la zone de dépression (extrados), alimente un tourbillon marginal à chaque extrémité de l'aile dont l'importance croit avec le poids de l'avion et l'angle d'attaque de l'aile (incidence).

Dessin tourbillons

Les résultats des études en laboratoire, portant sur la modélisation des tourbillons et vérifiés par des essais en vol permettent de dire que :
- la distance latérale séparant le centre des deux noyaux dépend de la répartition de la portance le long de l'aile, mais dans la majorité des cas elle est sensiblement égale à l'envergure.
- que la vitesse tangentielle des tourbillons marginaux, donc leur intensité est proportionnelle à la vitesse de déflexion du volume d'air sous l'aile.
- qu'un avion en approche, c'est à dire à faible vitesse mais à angle d'attaque élevé engendre des vortex importants.
- les tourbillons croissent légèrement en diamètre et leur vitesse tangentielle peut atteindre les 3600ft/mn (18m/s) à 1 mn 1/2 derrière le générateur ou 30 sec après son passage, Étude numérique d'écoulements tourbillonnaires de sillage d'avion


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Interaction entre le jet réacteur et un tourbillon de sillage

Sous certaines conditions atmosphériques des traînées de condensation se forment derrière l'aéronef et correspondent aux tourbillons marginaux sur une partie de sillage. Ces traînées résultent de la condensation de la vapeur d'eau issue des jets moteurs, déclenchée par les particules de suies chaudes provenant de la combustion du Kérosène dans l'atmosphère très froide. Même après la dégénérescence des tourbillons ou par l'interaction avec la turbulence atmosphérique, ces traînées peuvent persister plusieurs heures dans l'atmosphère et contribuer à la formation de nuages (cirrus).
Pendant les premières secondes après l'émission, le jet se mélange rapidement avec l'air ambiant, pendant que la nappe de vorticité s'enroule autour des tourbillons marginaux. Par la suite, la dynamique est gouvernée par l'enroulement du jet autour du tourbillon.
La distance où le jet commence à subir l'influence du champ tourbillonnaire dépend de l'intensité du jet vis à vis de celle du tourbillon et de sa température. Mais aussi de la position des moteurs par rapport au bout d'aile, sur un quadrimoteur A380 par exemple le jet du moteur extérieur sera plus près du bout d'aile que le jet du moteur d'un bi-moteur A330 par exemple.

Dessin  Trajectoire tourbillons

L'illustration ci-dessus montre l'interaction du jet du réacteur avec le tourbillon marginal en condition de vol en croisière. Thése de Laurent Nybelen du 10 Juin 2008 - Étude numérique d'écoulements tourbillonnaires de sillage d'avion.

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Description d'un sillage tourbillonnaire

Ce paragraphe présente une description synthétique globale d’un sillage en fonction de la distance en aval du bord de fuite de la voilure.
L’âge d’un sillage correspond à une certaine distance derrière l’avion. Quatre régions se distinguent quelle que soit la configuration de l’avion générateur (hypersustentée ou croisière).
Le champ proche
Il couvre la formation de la nappe de vorticité générée à partir des bords de fuite de la voilure, et des tourbillons très concentrés générés aux discontinuités des surface portantes. dans cette partie du sillage, les jets moteurs ne sont turbulents qu’à petite échelle, la distance aval correspondant seulement à quelques diamètres du jet.
Photographie ci-dessous, le sillage d'un avion illustré par la vapeur d'eau dans des conditions atmosphériques très particulières. On distingue nettement la dépression au-dessus de l'aile, les tourbillons marginaux, les tourbillons des bouts de volets ainsi que les tourbillons des bouts de l'empennage horizontal.

Tourbillons DC 10

Le champ proche étendu
Cette région est caractérisée par l’enroulement de la nappe tourbillonnaire autour des tourbillons concentrés (bout de volet, bout d’aile). Certains tourbillons co-rotatifs peuvent fusionner ensemble et réduisent ainsi le nombre d tourbillons derrière chaque aile. Les écoulements de jet des moteurs sont généralement devenus turbulents à grande échelle et interagissent avec les tourbillons principaux.
Les deux tourbillons de bout d'aile et d'extrémité de volet orbitent l'un autour de l'autre et fusionnent pour ne plus former qu'un seul tourbillon. Les tourbillons de la nacelle réacteur (non visible sur la photo) conservent leur individualité plus longtemps, puis sont fortement étirés par la présence du tourbillon principal et sont finalement absorbés par ce dernier.

TourbillonsBoeing 737

Le champ moyen
A cette distance aval, il ne subsiste plus qu'un seul tourbillon, le tourbillon principal issu de la fusion de tous les tourbillons. Le sillage est alors composé d’une unique paire de tourbillons contra-rotatifs qui peuvent vivre plusieurs minutes dans l’atmosphère.
Sillage d'un avion dans le champ moyen, illustré par l'éjection de fumée lors de tests grandeur nature.

Sillage champ moyen

Le champ lointain
Quel que soit le système tourbillonnaire obtenu, il dégénère sous l’effet combiné des instabilités intrinsèques au système et de la turbulence externe. Cette région correspond au régime de destruction. Les systèmes tourbillonnaires qu’ils soient composés d’une ou plusieurs paires de tourbillons sont instables vis à vis de perturbations tridimensionnelles. Ces perturbations proviennent en général de la turbulence externe et permettent le développement d’instabilités responsables d’une dégénérescence. Le régime non linéaire des instabilités correspond à une interaction forte entre les différents tourbillons qui s’accompagne de la déstructuration plus ou moins rapide du sillage. Suivant le niveau de turbulence de l’atmosphère, le temps de saturation des instabilités peut également varier de manière significative. Globalement la vitesse de dégénérescence est liée au niveau de turbulence atmosphérique.
Thèse de Laurent Nybelen - Doctorat de l'université de Toulouse


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Déflexion et stabilisation des tourbillons

Animés de leur propre vitesse de rotation, génératrice d'effet gyroscopique, et du mouvement général de déflexion du volume d'air de l'aile les tourbillons subissent une poussée vers le bas et adoptent un taux de descente de l'ordre de 400/500ft/mn, pour se stabiliser à une altitude inférieure à environ 1000ft à celle de la trajectoire du générateur, avec une trajectoire sensiblement parallèle. Ceci lors des vols en croisière (palier).

 sillage déflexion vers le bas

Lors du décollage les tourbillons atteignent très rapidement la proximité du sol . Celui-ci, agissant comme un plan de réflexion, les noyaux se séparent horizontalement à une hauteur égale à la moitié de l'envergure du générateur dessin (ci-dessous) avec une vitesse latérale équivalente à celle de leur vitesse verticale de descente, soit 500ft/mn ou 5Kts en air calme.
De fait en atmosphère calme, la dispersion latérale des tourbillons s'effectuent d'une façon régulière, la préoccupation du pilote récepteur se limite d'une part, à respecter un espace minimal que nous verrons plus loin, et d'autre part à adopter une pente de montée supérieure ou égale à celle de l'avion générateur, eu égard au niveau de stabilisation des tourbillons.

 sillage sans vent

Photographie impressionnante des tourbillons de ce bi-réacteur au décollage.

Photo tourbillons décollage

Par contre, dans le cas d'un vent latéral sensiblement égal à 5Kts:
Vw 5kts + Vitesse latérale du tourbillon = Vitesse résultante de déplacement nulle
Ce qui revient à dire que ce léger vent traversier peut maintenir le tourbillon "au vent" en position fixe dans l'axe de la piste, et faire subir à l'avion récepteur un taux de roulis induit extrêmement préjudiciable à sa sécurité étant donné la proximité du sol.

 sillage avec vent

Ou en accélérant l'écartement des tourbillons près du sol et il peut venir "polluer" une piste parallèle si elle existe. D'où l'impérieuse nécessité de respecter, dans ce cas des séparations garante de la dissipation du phénomène.
A noter que si des pistes parallèles sont utilisées et que la distance les séparant est inférieure ou égale à 760 mètres, elles doivent être considérées comme une piste unique pour la turbulence de sillage.

 sillage deux pistes

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Dissipation des tourbillons

Bien que les mécanismes qui causent la dissipation des tourbillons ne soient que partiellement connus, il est possible d'en faire description raisonnablement exacte.
Les tourbillons marginaux se développant en paires symétriques : si l'un des noyaux est détruit, l'autre se désagrège habituellement au même endroit.
En l’absence de turbulence, il semble ressortie des diverses observations, qu’aucune partie de la traînée n’est détruite tant que les noyaux sont ininterrompus : leur vitesse tangentielle diminue progressivement en raison des frottements internes à l’air et leur rotation se poursuit pendant plusieurs minutes jusqu’à ce que le cisaillement du vent, la convexion thermique ou une interaction quelconque n’intervienne.
A partir de ce moment la portion de traînée postérieure au point de rupture perd rapidement ses caractéristiques de masse unifiée en rotation et en quelques secondes, les deux noyaux éclatent brusquement en diffusant, perpendiculairement à leur surface, une série de petits segments se transformant en flocons constituant une masse vaporeuse de turbulence.
Cette zone contient beaucoup d’énergie mais, celle-ci est beaucoup plus diffuse et désorganisée.
A titre d’exemple, un récepteur d’envergure sensiblement égale à 40 mètres, a statiquement 20% de ‘’chances’’ de subir un taux de rouis de l’ordre de 20°/sec à 3 Nm derrière un générateur de type Boeing 747. A faible altitude, le gradient de vitesse et de turbulence de tout vent supérieur à 5Kt sont suffisants pour détruire les noyaux en 1 mn 30 environ.
Par temps ensoleillé, les courants thermiques (de convexion) les dispersent en les cisaillant verticalement. Cependant en cas d’inversion de température, ces courants disparaissent au-dessous du niveau d’inversion et lorsque cette situation est accompagnée d’un vent calme ou très léger – cas fréquent au coucher ou au lever du soleil, les tourbillons peuvent se dérouler sans perturbation pendant plusieurs minutes et ne se dissiper que très lentement par frottement interne comme nous l’avons envisagé précédemment.
Il est aussi intéressant de noter que si sur un avion, la sortie des volets donne naissance à une série supplémentaire de tourbillons, ceux-ci sont animés d’une vitesse tangentielle plus faible.
Or, déplaçant la portance vers le fuselage, les hypersustentateurs ont tendance à rapprocher les noyaux des vortex d’ailes et à favoriser leur diffusion avec les tourbillons des volets, atténuant ainsi l’intensité générale par effet de viscosité.
Comme nous l’avons vu plus haut, l’intensité des tourbillons marginaux est essentiellement fonction de la vitesse de déflexion de volume d’air de l’aile.
Cette vitesse de déflexion est elle-même tributaire d’un certain nombre variables, exprimées dans l’équation suivante :  formule sillage
Dans laquelle :
    - W = masse du générateur
    - η = facteur de charge
    - D = envergure
    - V = vitesse de l’avion
    - ρ = masse spécifique de l’air ambiant
Cette équation est très utile car elle permet de déterminer l’effet des variations des différents paramètres influant, indirectement, sur la vitesse de rotation des tourbillons : notamment la masse du générateur, son envergure – déterminant une charge alaire – et sa vitesse.
En ce qui concerne le facteur de charge, son augmentation entraine celle de la portance, donc la vitesse de déflexion, les tourbillons deviennent également plus violents. En conséquence, certaines procédures locales d’atténuation du bruit prévoyant de virer brusquement dès le décollage, peuvent s’avérer très dangereuses si un avion s’incline dans les tourbillons marginaux particulièrement intenses créés par l’aéronef précédent…. qui a viré au même endroit.
En fait, les effets réels de la pénétration dans un tourbillon varient considérablement en fonction de toute une gamme de facteurs possibles dont les principaux sont les dimensions relatives de l’avion générateur et de l’avion récepteur, ainsi que l’angle et la vitesse de pénétration dans les vortex.


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Effets sur les aéronefs

En regardant le dessin ci-dessous il est aisé de constater que selon la position de récepteur par rapport aux noyaux et certaines conjonctions d’envergure, les effets ressentis seront différents et de trois ordres :
- roulis induit
- perte d’altitude ou de vitesse ascensionnelle
- facteurs de charge plus ou moins marqués.

Sillage distance

A - Pénétration parallèle dans l’axe d’un noyau

Dans ce cas-là l’avion récepteur sera soumis à un important mouvement de roulis. Si ce couple est supérieur aux possibilités de contrôle des gouvernes, soit à cause d’une vitesse air faible, soit du fait de la petite taille éventuelle du récepteur, celui-ci effectuera généralement un tonneau et sera expulsé à la partie inférieure du sillage.

B - Pénétration parallèle entre les noyaux

Ce genre de situation engendre une perte d’altitude rapide ou une diminution de vitesse ascensionnelle. En raison de la violence de la déflexion, cette perte de vitesse ascensionnelle peut s’avérer très dangereuse à basse altitude et risque d’être aggravée par l’action du pilote qui essaie de la contrer. Si de plus la vitesse-air du récepteur est faible, lors du décollage ou en approche finale par exemple, l’éventualité d’un décrochage apparaît comme extrêmement probable.

C - Pénétration transversale

Le récepteur va subir rapidement une série d’ascendance et de descendances entrainant des facteurs de charge élevés de l’ordre de -2 à + 4 ( un avion de ligne est en général certifié de -2 à + 2,5) associées à une combinaison de couple de roulis, de tangage et de perte d’altitude ou de vitesse ascensionnelle en fonction de l’angle de pénétration.
Cette intensité est d’autre part, d’autant plus importante que la vitesse du récepteur est élevée, et peut aboutir, dans certaines conditions à des ruptures structurales.


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Conséquences sur le trafic aérien

D’après les connaissances acquises sur les tourbillons marginaux, il apparaît clairement que le problème se manifeste principalement dans les zones terminales où le nombre d’appareils empruntant les mêmes trajectoires accroît le risque de rencontre des turbulence de sillage. La proximité du sol ne laisse, par ailleurs aucune marge de manœuvre pour la récupération d’une position inusuelle..
Sur certains aéroports, la mixité des types de trafic, IFR et VFR, et des types d’appareils, ne fait qu’aggraver ce risque.
En dernier lieu le manque de moyens permettant, en exploitation, de localiser et de suivre les tourbillons a conduit l'OACI à assurer la sécurité en augmentant la séparation entre les aéronefs. A la suite des essais en vol de l'Airbus 380 en 2008 l' OACI a créé une nouvelle classe “Super-Heavy” pour l'Airbus 380.
Selon leurs masses maximales au décollage, les aéronefs sont maintenant classés en quatre catégories :
   - avions légers = Light = masse inférieure à 7 tonnes
   - moyens tonnages = Medium = masse comprise entre 7 et 136 tonnes
   - gros porteurs = Heavy) = masse supérieure à 136 tonnes
   - Jumbo = Super = Airbus 380
D’après ce classement le tableau ci-dessous fournit les espacements recommandés, en miles nautiques. Ces séparations sont utilisables tant pour une piste unique que pour des pistes parallèles proches ou sécantes.

Générateur Récepteur
Avions legers Moyens tonnages Gros porteurs Super A380
Avions légers 3 Nm 3 Nm 3 Nm 3 Nm
Moyens tonnages 5 Nm 3 Nm 3 Nm 3 Nm
Gros porteurs 6 Nm 5 Nm 4 Nm 4 Nm
Super / 8 Nm 6 Nm 4 Nm

A titre d’information une durée de persistance de 80sec du vortex au voisinage du seuil de piste, correspond sensiblement à une séparation de 3 Nm. La probabilité de persistance pendant plus de 80sec, par vent traversier ou de face inférieur à 10Kts est inférieure à 4%. Par vent supérieur à 10Kts elle est pratiquement nulle.
Le STNA (DGAC) est parvenu au milieu des années 90 à partir de résultats théoriques et de données empiriques à quantifier la dispersion et la destruction de la turbulence de sillage par le vent. Ainsi, la durée de vie potentielle d'une turbulence de sillage dangereuse pour un avion de classe de turbulence Light, dans un corridor de largeur 100 m centré sur l'axe de piste est de :

Intensité du vent 10 Kts 13 Kts 20 Kts
Durée de vie du phénomène 80sec 60Sec 40sec

De même, il a été établi que la présence de vent traversier permet de chasser les tourbillons de sillage hors de l'axe de la piste. Ainsi, la durée nécessaire à écarter une turbulence de sillage du même corridor que précédemment pour qu'un avion léger puisse y évoluer sans danger est selon l'intensité de la composante transversale du vent :

Intensité du vent traversier 5 Kts 6 Kts 8 Kts 15 Kts
Temps de dispersion 60sec 40Sec 20sec 10sec

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Quelques règles élémentaire de conduite

Décollage

- Séparation minimale de 5Nm ou 2mn à respecter impérativement
- Vent traversier à considérer avec attention : si Vw 5kts présence toujours possible de tourbillons non résorbés ou rabattus dans l’axe de la piste.
- En cas d’utilisation de piste unique, éviter de décoller immédiatement si l’avion à l’atterrissage effectue une remise de gaz avant votre décollage
- Trajectoires anti-bruit avec procédure de virage
- Pente de montée récepteur supérieure ou au moins égale à la pente de montée générateur dans la mesure. Sinon attendre

Croisière

Indépendamment du problème de l’évitement des tourbillons marginaux dans cette phase, se pose celui des espacements "en route" qui, de part leur importance garantissent en principe l’innocuité des vortex.
Cependant, en raison des caractéristiques d’enfoncement inhérentes au sillage, certaines situations de croisement ou de dépassement peuvent conduire le pilote d’un avion récepteur à éviter de voler directement sous le sillage d’un générateur ou parallèlement à celui-ci. De la même façon, il est préférable de croiser la trajectoire d’un générateur à un niveau supérieur, plutôt que légèrement inférieur.

Approche et atterrissage

De la même façon que le décollage les séparations minimales doivent être de 5 Nm ou 2 mn. Ces espacement garantissent une marge de sécurité nécessaire et suffisante.
La pente de descente du récepteur doit être inférieure ou égale à celle du générateur. La circulation étant beaucoup plus dense à proximité des aéroports, la probabilité de pénétration de tourbillons par un récepteur devient plus élevée. Ce facteur contribue d’ailleurs grandement à l’augmentation du nombre d’accident de ce type dans les zones terminales. En conséquence, et, eu égard au mouvement descendant des vortex, l’utilisation d’un même ILS ou VASI par les appareils fournit une précieuse indication sur leur trajectoire, et permet aux récepteurs ‘potentiels’ d’adopter une pente supérieure ou égale à celle des générateurs.
Cette condition est d’autant plus importante que la vitesse-air des aéronefs en approche finale ou à l’atterrissage étant faible, le rendement des gouvernes s’en trouve affecté, et le voisinage du sol rend toute manœuvre de rétablissement extrêmement aléatoire.
Par vent traversier et dans certaines conditions l’utilisation de pistes parallèles proches pour les décollages et les atterrissages (distance inférieure ou égale à 760m) peut occasionner la présence sur l’un des deux axes des tourbillons ayant dérivés. Cependant au-delà de 330m d’espacement il paraît raisonnable de considérer ce risque a un faible niveau .... statistique !
Il est préférable d’atterrir long derrière un gros porteur en gardant présent à l’esprit, le fait que l’intensité de ses tourbillons marginaux augmente au moment de l’arrondi.

Remise de gaz

Remise des gaz du générateur : comme dans le cas du décollage ses vortex peuvent s’avérer très dangereux pour le récepteur, dans cette phase la vigilance, relative au respect des espacements de sécurité apparaît comme primordiale.

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