RADARS MÉTÉOROLOGIQUES AÉROPORTÉS

Introduction

Les conditions météorologiques extrêmes constituent une menace directe et réelle pour les aéronefs, quels que soient leur taille et leur âge. Les turbulences, la foudre, la grêle et d'autres phénomènes peuvent entraîner des blessures et une gêne à bord, et endommager l'avion, ce qui entraîne des coûts énormes pour les compagnies aériennes.
Les radars météorologiques aéroportés modernes sont des systèmes numériques légers et multicolores conçus pour fournir aux équipages de conduite la localisation et l'analyse des conditions météorologiques. L'objectif est de détecter et d'éviter les orages le long de la trajectoire de vol de l'avion. La détection du cisaillement du vent et des turbulences a été intégrée dans les systèmes de radar météorologique aéroportés.
Comprendre comment un cumulonimbus est structuré et évolue est essentiel pour éviter les perturbations météorologiques associées. Ci-dessous un cumulonimbus noyé dans la masse des nuages.

La FAA estime que chaque année, aux États-Unis, environ 58 personnes sont blessées par des turbulences faute de ne pas avoir bouclé leur ceinture de sécurité. Alors lorsqu'il s'agit de comprendre pourquoi des avions équipés de radars météorologiques technologiquement avancés peuvent se retrouver à voler dans des conditions météorologiques aussi défavorables, nous devons considérer que tirer le meilleur parti de la technologie à bord n'est qu'une partie de la réponse.
En effet, un radar météorologique n'est utile que si l'équipage de conduite est capable d'utiliser pleinement les capacités du système et d'interpréter l'affichage à l'écran. L'image des échos radar sur l'écran de navigation ND est une représentation de ce qui est détecté par le radar. Les décisions qui sont prises sur la base de ces informations varient en fonction de l'interprétation de l'équipage de l'image radar sur le ND, donc de l'expérience de l'équipage de conduite et de sa connaissance des limites du radar météorologique, mais aussi de l'évaluation globale de la situation météorologique qui joue un rôle central.
Le mot RADAR est la contraction des mots RAdio Detection And Ranging.
Les quatre menaces les plus courantes pour les avions sont les turbulences (qui se produisent lorsque deux masses d'air entrent en collision à des vitesses différentes), la grêle, le cisaillement du vent et le givrage. Ces quatre menaces sont des sous-produits des orages.

Turbulences : la majorité (97 %) des zones de turbulences dangereuses dans la troposphère est due aux nuages et aux précipitations,la turbulence associée à un cumulonimbus ne se limite pas à l'intérieur du nuage. Par conséquent, lorsque l'on vole dans une zone où des cumulonimbus se sont développés, il est nécessaire d'appliquer les recommandations d'évitement météorologique résumées dans cet article.
Grêle : on trouve une grande variété de grêlons différents à des niveaux élevés dans la troposphère.La présence de grêle dans un cumulonimbus varie en fonction de l'altitude et du vent : en dessous du FL 100, la grêle est tout aussi susceptible d'être rencontrée sous la tempête, dans le nuage ou autour de celui-ci (jusqu'à 2 NM).
Entre le FL 100 et le FL 200, environ 60 % de la grêle est rencontrée dans les cumulonimbus et 40 % à l'extérieur des nuages, sous l'enclume.
Au-dessus du FL 200, la grêle est plus susceptible d'être rencontrée à l'intérieur du nuage.
Lorsqu'on rencontre de la grêle à l'extérieur du nuage, la menace de grêle est généralement plus grande sous le vent des cumulonimbus car l'humidité est poussée vers le haut à l'intérieur du nuage par de forts courants d'air. Elle gèle alors et se transforme en grêle avant d'être soufflée sous le vent. Paradoxalement, le risque de grêle est moindre dans l'air humide que dans l'air sec. En effet, l'humidité de l'air se comporte comme un conducteur de chaleur et contribue à faire fondre la grêle.
Givre : le givrage des aéronefs est l'un des phénomènes les plus fréquents et les plus dangereux que peut rencontrer tout type d'avion ou d'hélicoptère dans les nuages et les précipitations. Un fort givrage,non seulement, aggrave le vol et la qualité aérodynamique d'un avion, mais peut aussi entraîner des accidents graves. Malheureusement, les radar standards ne peuvent associer les zones de givrage probable qu'à la présence de nuages et de précipitations lorsque l'avion vole au-dessus des isothermes zéro. En outre, la fiabilité de ces méthodes de localisation des zones de givrage probable semble également insuffisante, car dans de tels cas, pratiquement tous les nuages détectés doivent être considérés comme dangereux.

Description technique

Ils existent plusieurs fabricants de radar météorologique et chaque frabricant à conçu plusieurs modèles.
Voici ci-dessous la composition du radar RDR-1400c de Honeywell Bendix/King :
- un émetteur qui crée l'impulsion d'énergie ;
- un récepteur qui détecte, amplifie et transforme les signaux reçus en format vidéo. L'émetteur et le récepteur sont logés dans un même boîtier ;
- un boîtier avec tube cathodique (affichage de l'image) et commandes de réglage ( échelle, gain, tiltc etc...)
- une antenne qui envoie ces impulsions dans l'atmosphère et reçoit l'impulsion réfléchie en retour ;
ce type de radar est utilisé principalement par les hélicoptères et les avions d'affaire.

Les radars équipant actuellement les Airbus 320/330 et les Airbus 350/380 dans leur forme de base, ont cinq composants principaux :
- un émetteur qui crée l'impulsion d'énergie ;
- un processeur ;
- un panneau de commande indique à l'antenne quand émettre et quand recevoir les impulsions ;
- un récepteur qui détecte, amplifie et transforme les signaux reçus en format vidéo.L'émetteur et le récepteur sont logés dans un même boîtier.
- une antenne qui envoie ces impulsions dans l'atmosphère et reçoit l'impulsion réfléchie en retour.
Ci-dessous les principaux éléments composant le système Honeywell RDR 4000.

Ci-dessous les principaux éléments composant le système Honeywell RDR 4000 (dual system).
Le système à double contrôle offre à chaque pilote des commandes individuelles. Les pilotes peuvent utiliser les modes AUTO et MAN en même temps, ce qui signifie que chaque membre de l'équipage de conduite peut faire fonctionner le radar sans affecter ses performances, ce qui permet une détection et une analyse maximales des conditions météorologiques. Donc chaque pilote peut utiliser soit le mode MAN, soit le mode AUTO pour évaluer l'étendue verticale d'une cellule orageuse.

Radôme

L'une des parties les plus importantes d'un système de radar météorologique aéroporté ne fait même pas partie du système ! C'est le radôme (de radar et dôme).
Sur les avions de ligne ou d'affaires comme dans les hélicoptères, le radôme du système de radar météorologique se situe dans le nez de l'appareil.
Un radôme est une enceinte structurelle étanche qui protège l'antenne radar des environnements hostiles, tels que l'air en mouvement rapide, la pluie, les insectes, la glace, le sable et les rayons ultraviolets. Le radôme est construit dans un matériau qui atténue au minimum le signal du radar météorologique émis et reçu par l'antenne du radar météorologique. En d'autres termes, le radôme est conçu pour être transparent aux ondes radar ou radio dans une gamme de fréquences particulière. Il est fait d’un matériau léger, résistant, non-métallique et imperméable. Les radômes sont généralement constitués en nid d'abeilles d'un composite en fibre de verre, ils sont coûteux à réparer ou à remplacer et doivent être traités en conséquence. Sur un avion, en plus de protéger le radar et certaines antennes, le radôme contribue à l’aérodynamisme.
Ci-dessous le radôme d'un Airbus 320 (partie levée).

Les dommages les plus fréquents aux radômes sont les trous dans la structure causés par des décharges électriques statiques (foudre). Ces dommages peuvent être considérés comme de grands trous facilement visibles ou des trous de la taille d'une épingle presque imperceptibles.
Le radôme d'un Airbus A319 de Delta Airlines partiellement détruit par de nombreux impacts de grêle.

Antenne

L'antenne du radar est montée sur un cardan et sa stabilisation automatique telle qu'employée dans les radars météorologiques actuels, consiste en un moyen électromécanique de maintenir un balayage de faisceau sélectionné par rapport à l'horizon terrestre pendant les manœuvres modérées des aéronefs. Pour ce faire, une référence est établie par le gyroscope vertical de l'avion, généralement un composant du pilote automatique ou du système de contrôle de vol intégré (centrale à inertie).
La taille de l'antenne est cruciale pour les performances du radar. Une grande antenne a deux avantages... plus de gain (sensibilité) pour pouvoir voir les cibles plus faibles plus loin, et un faisceau plus étroit pour pouvoir voir plus de détails dans les cibles. Comme la même antenne est utilisée deux fois (pour émettre et pour recevoir), l'avantage de gain d'une grande antenne est doublé. Le diamètre de l'antenne varie selon le constructeur et le modèle de radars, mais sur un avion de ligne il est de l'ordre de 60 cm. Les antennes du RDR-4000 Honoywell ont un diamètre, soit de 18 inch (45,42 cm) ou 24 inch (60,96cm).
Autrefois, l'industrie des radars utilisait des antennes paraboliques, qui créaient un faisceau avec de puissants lobes latéraux. Les radars modernes utilisent tous des antennes plates qui forment ainsi un faisceau beaucoup plus précis.
Différence des faisceaux d'une antenne parabolique et d'une antenne plate.

Avantage d'une antenne parabolique.
- permet de voir les cibles à un angle de descente très prononcé, c'est là que se trouve l'eau liquide dans la plupart des orages de convection.
Inconvénients d'une antenne parabolique.
Les lobes secondaires :
- gaspillent de l'énergie et réduisent les performances des récepteurs dans les lobes latéraux.
- encombrent l'écran avec des images de lobes latéraux qui ressemblent à des cibles mais qui n'en sont pas.
- éclairent des cibles à des angles raides sous le nez de l'avion. Cela donne le fameux "cercle d'altitude".
Avantage d'une antenne plate.
- un radar avec une antenne plate aura une largeur de faisceau plus étroite donc une meilleure précision (cellule de résolution) et pourra regarder plus loin avec la même puissance d'émission (puissance plus concentrée), mais plus la largeur de faisceau du radar est étroite, plus il faudra de temps au radar pour terminer le balayage de son champ de vision complet.
Inconvénients d'une antenne plate.
- un radar à gain plus élevé (largeur de faisceau plus étroite) nécessite des antennes beaucoup plus grandes qui ne conviennent pas à un balayage rapide.
Voilà le problème qui hante les concepteurs de radars depuis les débuts du développement des radars est de trouver un équilibre entre la précision, la portée et le temps de balayage du radar.
Ci-dessous antenne plate Honeywell

Stabilisation de l'antenne

Le but de la stabilisation de l'antenne du radar est de maintenir un balayage radar constant à l'angle d'inclinaison souhaitée, au niveau de l'horizon terrestre pendant les opérations et les manœuvres normales de l'avion. Stabilisation en roulis. Pendant les virages, lorsque l'avion s'incline le radar, balaie du côté de l'aile basse une partie du sol. Du côté de l'aile haute, le radar balayera au-dessus des nuages et n'affichera pas les données météorologiques précises et nécessaires au pilote. La stabilisation de l'antenne ajustera l'angle d'inclinaison pour maintenir un balayage de niveau avec l'horizon.
Stabilisation en tangage. Pendant la montée ou la descente, la stabilisation ajustera l'angle de l'antenne vers le haut ou vers le bas selon le cas pour maintenir un balayage de niveau avec l'horizon. Sans la stabilisation, le radar balayerait au-dessus ou en dessous des cibles possibles, et n'afficherait pas les conditions météorologiques, potentiellement dangereuses.

Panneau de contrôle

Les premières générations de radars ne sont pas équipées d'une fonction d'inclinaison automatique ; l'inclinaison de l'antenne doit donc être ajustée manuellement de haut en bas au fur et à mesure du vol en fonction de l'altitude de l'avion, des conditions météorologiques prévues sur la trajectoire et de la sélection de la portée du ND. Ensuite, le pilote doit analyser et comprendre les différentes tranches de temps affichées par le radar afin d'obtenir une image globale.
Ci-dessous le panneau de contrôle de l'Airbus 320.

1 - La position de l'interrupteur SYS sur ON active l'affichage du radar météorologique sur le ND Voir Navigation Display, sauf en mode Plan.
2 - WX - Cette position permet l'affichage à 180° d'informations météorologiques radar continuellement mises à jour sur l'écran de navigation.
- MAP - Sur cette position le radar fonctionne en mode de cartographie du sol :
- couleur noire indique l'eau ;
- Couleur verte, fond ;
- Couleur ambrée, les villes et les montagnes.
3 - TILT - Ce sélecteur contrôle l'angle d'inclinaison de l'antenne par rapport à l'horizon. L'angle d'inclinaison est affiché dans le coin inférieur droit du ND . La rotation dans le sens des aiguilles d'une montre commande l'inclinaison vers le haut UP, et la rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre commande l'inclinaison vers le bas DN.
4 - PWS - Prédictive windshear switch ( alerte au cisaillement du vent)
- OFF - La sélection OFF désactive le PWS.
- AUTO - La sélection AUTO active le PWS.
5 - Sélecteur de gain - Le sélecteur de GAIN permet de régler la sensibilité du récepteur. Sur auto le réglage du gain est automatique, sinon le réglage est manuel jusqu'à la position MAX.

Honeywell a présenté le premier radar météorologique doté d'un calcul automatique d'inclinaison appelé Autotilt. En mode Autotilt, le radar utilise la base de données de terrain de l'EGPWS et ajuste automatiquement l'inclinaison de l'antenne en fonction de la position de l'avion, de l'altitude et de la portée sélectionnée sur le ND.

Puis vint la génération des radars entièrement automatiques.
Les fonctions automatiques permettent de :
- balayer l'espace aérien devant l'avion avec plusieurs faisceaux ;
- disposer d'un tampon tridimensionnel (3D) pour stocker les données météorologiques ;
- calculer et ajuster automatiquement l'inclinaison de l'antenne ;
- offrir un contrôle indépendant du pilote et une sélection de l'affichage.
Ces nouveaux radars optimisent la détection des conditions météorologiques et réduisent considérablement la charge de travail des pilotes.
Le radar météorologique WXR-2100 Multiscan fait partie de cette nouvelle génération de radars météorologiques qui offre un calcul automatique du contrôle de l'inclinaison et du gain à toutes les portées, toutes les altitudes. Les pilotes sélectionnent uniquement la portée souhaitée pour l'affichage et le radar effectue alternativement un balayage à deux réglages d'inclinaison de l'antenne. L'image qui s'affiche sur le ND est le résultat des informations stockées et combinées de chaque faisceau. Il ajuste automatiquement le gain et l'inclinaison en fonction de divers paramètres (altitude de l'avion, zone géographique, saison, heure de la journée).

La nouvelle génération de radars météorologiques utilise une mémoire tampon volumétrique 3D.
Le Honeywell RD-4000 peut sonder à des centaines de kilomètres devant lui (jusqu'à 320 NM sur les familles A320 et A330 et jusqu'à 640 NM sur les A350 et A380) pour afficher l'image météorologique en route, ainsi que scanner automatiquement depuis le sol jusqu'à 60 000 ft afin de fournir des informations ciblées à différentes altitudes. Les données d'affichage requises sont ensuite accessibles à partir de la mémoire tampon 3D.
Ci-dessous le panneau de contrôle du Honeywell RDR-4000 installé sur les A320 & A330. Avec la partie Commandant à gauche et la partie Officier/pilote à droite.

Ci-dessous le panneau de contrôle du Honeywell RDR-4000 installé sur les A350 & A380. On remarque les commandes du TCAS au centre du boîtier.

Les différents affichages

Dans les années 1960 l'affichage se faisait sur une tube cathodique mono-chrome avec 3 nuances de vert. En mode contour, le niveau 3 est entouré en noir.

Puis vint l'affichage sur un tube cathodique couleur avec quatre couleurs : vert, jaune, rouge et magenta. Certains radars n'utilisent pas la couleur (niveau) Magenta.
Ci-dessous le radar HONEYWELL BENDIX/KING ART 2000.

Avec l'arrivée des intruments EFIS, l'écho météorologique apparaît sur l'écran de navigation ND avec une échelle de couleurs qui va du rouge (haute réflectivité) au vert (faible réflectivité).