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Un changement de point de vue pour examiner les traces de plaine



Le mot de l'équipe

Avec l'équipe de XC Analytics, nous souhaitons donner la parole à des pilotes, chercheurs, moniteurs, et à tous les spécialistes du Vol Libre et du Vol en Planeur, pour apporter leur expertise et leur point de vue sur des sujets qui les passionnent, et qui, nous l'espérons, vous passionneront aussi. Pour commencer cette série du XC Lab, Alain Arnaud, ingénieur retraité et parapentiste, va vous faire découvrir sa méthode d'analyse des traces, et les enseignements qu'il en tire.
A titre personnel, les analyses qu'il a produit, et que vous découvrirez, sont parmi les meilleures qu'il m'a été donné de lire. Dans ce premier billet, Alain expose sa méthode, proche de celle utilisée par les outils de navigation tels XCSoar pour calculer la vitesse et la direction du vent. Il montera ensuite peu à peu en technique, pour aborder des sujets plus complexes, tout en restant aussi didactique que possible. Vos commentaires sont les bienvenus !


L'introduction d'Alain

Faut-il caler son pouce dans le mousqueton lorsque l’on enroule un thermique ? Pour certains, c’est une évidence, pour d’autres c’est une hérésie tant l’herbe semble plus verte ailleurs. Ce qui parait clair, lorsque l’on examine les traces, c’est que chaque pilote privilégie une certaine cadence dans les giratoires et y revient bien vite s’il a du s’en écarter. Lors d’un cross, le GPS enregistre une fois par seconde l’heure et la position géographique du pilote. On peut, à partir de là, restituer le parcours du pilote, tant en distance qu’en altitude. En montagne, c’est d’abord le relief qui structure la masse d’air. En plaine, la masse d’air où évolue le pilote, se déplace avec le vent météo. La trace qu’enregistre son GPS est un moyen de mieux la connaître.

Dans un premier temps, on va s’efforcer de recalculer la trace non plus en coordonnées géographiques mais dans des coordonnées liées à la masse d’air. D’abord, on constate que la trace permet de mesurer la vitesse horizontale de la masse d’air dans les ascendances. En effet, très souvent, le pilote décrit des cercles presque parfaits dans les giratoires. Il suffit de trouver une correction de vent qui superpose exactement ces cercles pour avoir la vitesse et la direction du vent local. De ces mesures, on déduit une vitesse moyenne du vent météo en fonction de l’heure sur toute la durée du vol. Il faut alors faire l’hypothèse que le vent moyen est le même dans les transitions. Corrigée du vent météo, la trace livre une autre image du parcours du pilote. En particulier, les cercles dans les girations sont superposés et la trace dans les thermiques est verticalisée.

Chacune des vitesses horizontales mesurées s’écarte sensiblement de la moyenne. Leur dispersion donne une idée de la turbulence horizontale. Les mesures s’étendent, en altitude, depuis les points bas de la trace, vers 500 m/sol, jusqu’à l’altitude maximum du vol, entre 1000 et 1500 m/sol. Il est donc possible, en sélectionnant des tranches d’altitude de se faire une idée des variations du vent météo moyen. De même grâce aux indications du vario, on peut avoir accès à l’activité des zones ascendantes et aux turbulences verticales. La masse d’air semble ainsi pavée d’ascendances dont on peu évaluer la répartition et, dans une certaine mesure l’étendue. Si, dans une journée, plusieurs pilotes ont fait des vols de distance à partir du même décollage, on obtiendra une meilleure vision de la masse d’air du jour.

Connaissant grâce au vario et au taux de chute de la voile, la vitesse ascensionnelle de l’air, en supposant (ce qui est une assez forte approximation) qu’elle est constante depuis le sol, on peut accéder à la zone de départ de l’air chaud et à ses caractéristiques (végétation, pente, orientation). Avec la répartition des ascendances, leur largeur et leur vitesse ascensionnelle, on peut construire un indice d’activité de la masse d’air. Si on dispose de plusieurs traces, on peut comparer les différents indices d’activité, tout en étant conscient que les différences observées peuvent provenir autant de l’art des pilotes que de la masse d’air elle-même.

La trace verticalisée permet de calculer une vitesse de progression dans la masse d’air, indépendamment du vent météo ainsi que la distance parcourue dans la masse d’air, deux valeurs qui révèlent l’aptitude du pilote à exploiter la météo du jour. Bien sûr, l’examen des traces ne permet pas de distinguer clairement ce qui relève des décisions du pilote et ce qui relève des aléas de la Couche Limite Atmosphérique. Les résultats obtenus ont donc seulement un caractère indicatif.

Il faut les confronter avec les prévisions du jour pour la masse d’air et le ressenti des pilotes. Des observations complémentaires le long du parcours, seraient très utiles :
  • Depuis le sol : température et humidité des sols, pluviosité de la veille, photos du ciel, photos-satellites, rayonnement solaire, sondages locaux.
  • En vol : enregistrement simultané sur le GPS de la position, de la température et de l’humidité de l’air, base des nuages, top d’entrée sous le nuage, top de sortie, déclaration de progression dans une rue.
On aimerait aussi connaître plus précisément le taux de chute des voiles en virage, par exemple avec trois cadences (tours en 30 secondes, tours en 20 secondes, tours en 16 secondes avec trois tours à chaque fois).

Chaque chapitre de la présentation s’attache à une caractéristique particulière de la CLA et la méthode suivie pour l’obtenir. Il est illustré par l‘analyse d’une ou plusieurs traces de très beaux vols récents, exceptionnels parfois. Le faible nombre de traces analysées, et de façon artisanale, ne permet sans doute pas de tirer des conclusions formelles de l’intérêt de la méthode. Mais, sans doute, grâce aux techniques modernes d’analyses des données, pourra-t-on, pour tous les jours volables, réunir et comparer les informations issues des prévisions météo et celles obtenues à partir des vols de plaine des pilotes de parapente.


Le billet d'Alain

Le pilote qui visualise sa trace de cross sur le site de la FFVL voit une succession de lignes droites dans les transitions et de cycloïdes dans les ascendances, voire de simples lignes brisées si le vent est fort. Dans les giratoires, le pilote décrit des cercles dans la masse d’air et c’est le vent qui provoque la déformation de ces cercles. Une image typique d’une telle séquence est présentée ci-dessous.


derivethermique


Le fichier IGC des points enregistrés par le GPS permet d’obtenir le graphique de cette séquence de vol depuis le point de départ de la transition. Après être entré dans le thermique en ligne droite sur près de 500m, le pilote infléchit sa trajectoire vers le sud puis enroule successivement 10 boucles et continue vers l’est en ligne droite en montant fortement, enfin il s’oriente vers le sud-est pour sortir du thermique.


graphiquederive


La déformation des boucles est due au vent météo. En corrigeant la trace par le vent météo du jour, on doit pouvoir retrouver la trajectoire du pilote dans la masse d’air. Pour cette journée, la météo donnait un vent d’ouest de 15 km/h. En appliquant cette correction, on obtient la trajectoire suivante:


graphiquederivecorrigee1


Les boucles sont plus resserrées, mais on sent que l’on peut faire mieux. En tâtonnant, on arrive à la figure suivante:


graphiquederivecorrigee2


Les boucles sont presque parfaitement superposées. La distance parcourue dans la séquence, qui était environ de 5 kilomètres, n’atteint plus guère que 3 kilomètres. Le pilote a parcouru 3 kilomètres par ses propres efforts et le vent l’a aidé de 2 kilomètres. Le vent qui a permis cet ajustement presqu’optimum est au 279° et sa force est de 15,7 km/h. Il est un peu différent du vent météo annoncé. On peut maintenant zoomer sur le giratoire.


graphiquesansvent1


Certaines boucles ne sont pas correctement centrées. Pour y voir plus clair, on peut observer obliquement le giratoire.


graphiquethermiqueoblique


Sur cette vue, on constate qu’il existe en fait trois zones. Une première qui comporte trois boucles, une seconde quatre et la dernière deux seulement. Pour expliquer ces trois zones, il y a deux hypothèses : soit le pilote à modifié sa trajectoire volontairement, soit c’est le vent local qui a changé. Comme les boucles se ressemblent fortement, la première hypothèse est peu vraisemblable. En revanche, la turbulence, toujours présente, pourrait expliquer ces variations. Ici, il faut décider comment segmenter le giratoires. En segmentant trop, on peut perdre en pertinence. Finalement on a retenu deux segments : les trois premières boucles puis les six suivantes. Le meilleur alignement des six dernières conduit à la figure suivante:


graphiquesansvent2


dont les caractéristiques sont les suivantes:
  • Nombre : 6
  • Diamètre moyen : 52,8 mètres
  • Vitesse du pilote : 10,3 mètres par seconde
  • Orientation du vent : 279°
  • Vitesse du vent : 15,7 km/h
La mesure de la vitesse du vent local est très précise : si l’on prend 279° et 15 km/h, l’image est clairement moins bien superposée.


graphiquesansvent3


Et si l’on prend 280° et 15,7 km/h, l’image est également moins bien centrée.


graphiquesansvent4


On peut donc dire que la méthode permet de mesurer le vent local à 1° près en direction et à mieux qu’un kilomètre à l’heure en force. Il faut noter que le vent local pour les trois premières boucles était de 14,2 km/h en force et 262° en direction. On peut également relever le temps par tour qui est ici de 16 secondes, ce qui est très serré et caractéristique du style de Martin Morlet. On peut calculer le vario moyen du segment qui est de 2,3 m/s. On peut en déduire la vitesse ascensionnelle de l’air si on connait le taux de chute de la voile. Même si une Enzo 3 a un taux de chute de 0,9 m/s en ligne droite, son taux de chute en virage à 16 secondes au tour devrait approcher 1,4 m/s et on pourrait en déduire que la vitesse ascensionnelle de l’air (VA) est de l’ordre de 3,7 m/s. Malheureusement, on ne dispose pas de tables pour le taux de chute en virage des voiles du marché et peu de pilotes se sont livrés à des essais en air calme pour s’en faire une idée précise.

Avec la verticalisation, on dispose d’un sondage local, en trois dimensions, du mouvement de la masse d’air. En explorant toute la trace, on pourra calculer avec précision un vent moyen et les variations autour du vent moyen. On pourra évaluer la distance parcourue et la vitesse dans la CLA qui marquent la véritable aptitude du pilote à tirer partie de l’agitation thermique du jour.


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