par John Picone, instructeur de l’école de formation au sol Brantford Flight Center détenant une licence de pilote privé et une qualification de vol aux instruments
Le désir de comprendre quelque chose, de pouvoir le conceptualiser, m’est particulièrement évident en tant qu’instructeur d’école de formation au sol. Qu’il s’agisse de l’aérodynamique, d’un décrochage d’empennage, de la prise en compte du givrage du carburateur même lorsque la température extérieure est de 30 °C, ou de la raison pour laquelle un pilote corrige vers la droite en traversant un front, je veux que mes étudiants comprennent, et pas seulement qu’ils mémorisent les leçons. Combien de pilotes seraient encore en vie s’ils avaient eu une compréhension profonde du facteur de charge et de la vitesse de décrochage en virant lentement de l’étape de base à l’étape finale?
S’il y a un domaine où la compréhension est importante, c’est bien l’altimétrie. La maxime anglaise « high to low, look out below ! » (à haute altitude comme à basse altitude, regardez au-dessous) est certainement un bon moyen mnémotechnique, mais il est essentiel de comprendre ce qui se cache derrière cet axiome. Aider les élèves à conceptualiser le fonctionnement de l’altimètre et la façon dont il doit être ajusté me remonte (hi!) le moral.
Plus tôt dans le cours, les étudiants ont déjà conceptualisé que l’air est composé de molécules et qu’en raison de la gravité plus forte près de la surface de la terre, plus on monte, moins il y a de molécules d’air. En outre, les molécules d’air situées en hauteur exercent une pression sur celles situées en dessous. Plus les molécules sont proches de la surface de la terre, plus la pression est élevée; plus les molécules sont éloignées de la surface de la terre, plus la pression est faible. La classe est également déjà familiarisée avec le baromètre à mercure, les normes liées à l’atmosphère type internationale (ISA) en matière de température et de pression au point de référence du niveau de la mer, ainsi que les gradients adiabatiques de pression et de température standards par rapport au point de référence. Si l’on ajoute à cela une compréhension des rudiments du circuit anémobarométrique, tout est en place pour explorer les erreurs de calage altimétrique et leurs conséquences.
Comment un altimètre de précision (doté d’une fenêtre Kollsman) fonctionne-t-il avec le comportement de l’air pour nous indiquer avec précision l’altitude à laquelle nous nous trouvons? Et quelles sont les conséquences si un pilote néglige de caler l’altimètre de manière appropriée?
La première étape consiste à faire comprendre aux étudiants le fonctionnement de l’altimètre. Bien que la désignation précise soit « capsule anéroïde », je dis à la classe que l’altimètre est simplement une boîte avec un ballon à l’intérieur. Il ne mesure pas vraiment l’altitude, mais plutôt les changements de pression. Ensuite, par la magie des tringleries, des aiguilles et des chiffres sur un cadran, il convertit les changements de pression en changements d’altitude. Grâce à la prise statique, l’air dans la boîte qui entoure le ballon est relié à l’air ambiant; c’est-à-dire l’air dans lequel se trouve l’aéronef à tout moment, qu’il soit au sol ou dans le ciel. La pression dans le ballon est toujours la même. Il pousse sur la paroi du ballon avec une pression de 29,92 po de mercure (Hg). La pression autour du ballon varie en fonction de la pression de l’air ambiant.
Image A
Imaginez un ballon gonflé au fond d’une piscine jusqu’à une taille donnée. Imaginez ensuite que la pression à l’intérieur du ballon soit la même que celle de l’eau qui l’entoure (image A). Maintenant, si nous laissons le ballon s’élever plus près de la surface de la piscine, où la pression de l’eau est moindre (image B), il se dilatera parce que la pression à l’intérieur de celui-ci est restée constante. L’altimètre fonctionne exactement de la même manière : la pression à l’intérieur du ballon (capsule anéroïde) reste constante et il se dilate ou se contracte en fonction de la pression de l’air environnant.
Image B
Figure 1 : Image d’avion de SmashIcons. Image d’aéroport par ClipArt Library
Reprenons le scénario de la figure 1 : un aéroport qui est au niveau de la mer un jour où la pression barométrique est de 29,92 Hg. Il se trouve que c’est le seul jour du siècle où c’est la pression type qui prévaut! La pression dans le boîtier de l’altimètre correspond à la pression dans le ballon anéroïde et l’aiguille indique que nous sommes à une altitude de « 0 » pi au-dessus du niveau de la mer (ASL). Si l’aéronef vole et atterrit sur un terrain situé au sommet d’une montagne, à une altitude d’aérodrome de 4 000 pi ASL, la pression barométrique extérieure, et donc la pression dans le boîtier de l’altimètre, diminuera. Dans ce cas, comme le montre la figure 2, la pression a baissé de 4 po de mercure pour atteindre 25,92 Hg, ce qui correspond à notre gradient adiabatique standard de 1 Hg pour chaque 1 000 pi. Naturellement, la capsule anéroïde se dilate et, reliée au cadran, donne une indication de 4 000 pi ASL.
Figure 2
Mais tout cela se passe dans une atmosphère type où la pression au niveau moyen de la mer (MSL) est de 29,92 Hg. Que se passe-t-il lorsque la pression au MSL n’est PAS la pression type, lorsqu’elle est supérieure ou inférieure à la pression dans la capsule anéroïde? Revenons à notre aérodrome au niveau de la mer.
Figure 3
Ce que nous voyons dans la figure 3, c’est que la pression barométrique à l’aéroport, souvent appelée pression à la station, est maintenant inférieure de 2 Hg à la pression type : 27,92 Hg. 2 po est égal à 2 000 pi, et donc lorsque la capsule anéroïde se dilate, l’aiguille indique 2 000 pi. Ce qui est logique, puisque la pression est plus faible — moins de molécules d’air — à une altitude plus haute. « Mais je ne suis pas plus haut! » pense le pilote. « Je suis toujours au niveau de la mer! » Et c’est là que M. Paul Kollsman entre en scène! Il a inventé l’altimètre de précision en 1928.
En tournant le bouton et en déplaçant l’échelle dans la fenêtre Kollsman, le mécanisme intérieur en entier de l’altimètre tourne. Dans ce cas, en tournant le bouton jusqu’à l’apparition d’un MSL de 27,92 Hg sur l’échelle de pression barométrique, l’aiguille reviendra à « 0 », qui est l’altitude correcte, comme le montre la figure 4.
Figure 4
Bien que cette pratique ne soit pas utilisée dans l’aviation, une autre façon d’expliquer le fonctionnement de l’altimètre est de demander aux étudiants ce qu’afficherait la fenêtre Kollsman si, quelle que soit l’altitude à laquelle se trouve un aéroport, on réglait l’aiguille à « 0 »? Dans le cas présent, nous comparons la pression dans la capsule anéroïde (29,92 Hg) à la pression dans la boîte, qui est la pression de l’air extérieur mesurée à l’aide d’un baromètre. Le scénario est le même que celui de la figure 4 : l’échelle de pression barométrique indique la pression barométrique extérieure, ou pression à la station. On parle parfois de QFE, « FE » étant l’abréviation de « field elevation » (élévation de l’aérodrome).
Si nous procédons ainsi — en calant l’altimètre sur « 0 » — à l’aéroport sur la montagne de la figure 2, une pression de 25,92 Hg sera indiquée. Mais cette pression est propre à cet aéroport; cela ne servirait pas à grand-chose si nous décollions d’ici et atterrissions à un aéroport dont l’altitude est différente. Ainsi, pour que nous soyons tous sur la même longueur d’onde, nous devons régler nos altimètres par rapport à un autre point de référence — le niveau de la mer, qui est commun à tous les aéronefs volant dans la région. Cela nous évitera d’entrer en collision les uns avec les autres. Pour connaître le niveau de référence de la mer, il suffit de tourner le sélecteur jusqu’à ce que l’aiguille indique l’élévation de l’aérodrome. En d’autres termes, comme Paul Kollsman en 1928, nous cherchons un moyen de régler l’altimètre pour tenir compte des variations de la pression barométrique en raison de l’élévation de l’aéroport. En ajoutant 4 000 pi d’élévation à l’aéroport, on ajoute 4 po à la pression indiquée dans l’échelle de pression barométrique, et on obtient la pression au niveau de la mer de 29,92 Hg, comme le montre la figure 5. On parle alors de QNH, « NH » étant l’abréviation de « nautical height » (hauteur par rapport au niveau de la mer), qu’on appelle généralement « calage altimétrique », et c’est le chiffre qu’on lit dans un message d’observation météorologique régulière d’aérodrome (METAR). Il est utile de connaître cette relation entre la pression à la station et l’élévation de l’aéroport; lors d’un décollage d’un aéroport où il n’y a pas de calage altimétrique disponible par une station météorologique locale, il suffit de caler l’altimètre sur l’élévation de l’aérodrome pour obtenir le QNH dans la fenêtre Kollsman. Essentiellement, la conversion de l’altitude ASL de l’aérodrome en pouces de mercure donne la différence entre la pression à la station QFE et le calage altimétrique QNH. Dans la figure 5, la différence est de 4 po; l’élévation d’aérodrome est de 4 000 pi. L’altitude vraie est égale à l’altitude indiquée.
Figure 5
Qu’en est-il des erreurs qu’un pilote peut commettre en réglant — ou en omettant de régler — le nombre dans la fenêtre Kollsman? Quelles sont les conséquences d’un QNH inexact? En effet, alors que la pression dans la capsule anéroïde reste inchangée à 29,92 Hg, la pression ambiante qui pénètre dans l’altimètre par la prise statique change. Non seulement d’un jour à l’autre, mais très probablement de l’aéroport de départ à l’aéroport de destination. Une façon utile d’aborder cette question est de personnifier l’altimètre : « À quelle altitude », demande Albert L’altimètre, « est-ce que je pense voler? »
Figure 6
Image avec l’autorisation de KindPNG (en anglais seulement)
Examinons le scénario présenté dans la figure 6. Albert se trouve à une altitude VRAIE de 6 000 pi ASL; le calage altimétrique QNH est de 28,92 Hg; la pression barométrique extérieure est de 22,92 Hg. La différence entre la pression barométrique et le QNH est de 6 pouces; l’aiguille affiche 6 000 pi et Albert vole à 6 000 pi ASL. Tout est exact! L’altitude VRAIE est égale à l’altitude INDIQUÉE.
Mais voyons les conséquences si Albert, lors de son vol de Brantford à Ottawa, se rend dans une région où la pression est plus élevée et néglige de mettre à jour son calage altimétrique avec un QNH révisé. La figure 7 montre que la pression barométrique la plus élevée — qui entre dans l’altimètre par la canalisation de pression statique — est maintenant 2 po de plus que ce qu’elle était au départ : 24,92 Hg. L’augmentation de la pression entraîne la contraction de la capsule anéroïde, donc l’aiguille descend.
Figure 7 (en anglais seulement)
Si Albert avait vérifié le QNH en vigueur auprès du contrôle de la circulation aérienne (ATC), il aurait constaté qu’il était également supérieur de 2 po : 30,92 Hg. Mais Albert n’a pas fait le réglage et, comme on peut le voir, la différence entre la pression barométrique extérieure et le calage de l’altimètre est de 4 po; l’altimètre affiche une lecture de 2 000 pi de moins que l’altitude vraie : c’est l’erreur de deux pouces! Ainsi, Albert L’altimètre « pense » qu’il vole à 4 000 pi ASL et monte de 2 000 pi jusqu’à ce qu’il atteigne l’altitude indiquée souhaitée de 6 000 pi. Je dis « indiquée » parce que c’est seulement ce qui est indiqué! Il ne s’agit PAS de l’altitude VRAIE d’Albert, qui est maintenant à 8 000 pi ASL. L’altitude VRAIE ne correspond pas à l’altitude INDIQUÉE. En passant d’une zone de basse pression à une zone de haute pression — sans effectuer de réglage — l’altimètre sera sous-évalué et le pilote compensera en volant trop haut.
Figure 8 (en anglais seulement)
Si cette situation est déjà assez grave, le scénario inverse, illustré à la figure 8, peut être mortel; le vol d’une zone de haute pression à une zone de basse pression, ce faisant, la pression statique dans le boîtier diminue et la capsule anéroïde se dilate. En ne réglant pas le calage altimétrique QNH sur la pression la plus basse (26,92 Hg), l’indication de l’altimètre est maintenant trop élevée : la différence entre le nombre affiché dans la fenêtre Kollsman et la pression barométrique réelle entrant dans l’altimètre par la prise statique est maintenant de 8 po : 28,92 po moins 20,92 po. L’aiguille indique 8 000 pi, soit 2 000 pi de plus que l’altitude à laquelle Albert veut voler. En conséquence, Albert descend à une altitude indiquée de 6 000 pi alors que son altitude réelle est maintenant de 4 000 pi ASL.
Comme on peut facilement l’imaginer, ces erreurs de calage altimétrique peuvent avoir de graves conséquences pour l’entrée dans un circuit et l’atterrissage : une remise des gaz ou un atterrissage trop court sont à l’horizon! Le second scénario — lorsque la pression passe d’un niveau élevé à un niveau bas — est particulièrement dangereux pour des raisons évidentes, surtout lorsque l’on vole dans des conditions météorologiques de vol aux instruments (IMC). Voler trop bas peut conduire à un CFIT : un impact sans perte de contrôle.
Le passage d’une haute altitude à une basse altitude ne concerne pas seulement les changements de pression barométrique. Le passage d’une température élevée à une température basse est également un facteur d’erreur dans le calage altimétrique. Les niveaux de pression changent plus rapidement par temps froid; les molécules d’air sont plus proches les unes des autres et la densité de l’air est plus élevée.
Le pilote dans la figure 9 a effectué le calage altimétrique correct, QNH, au départ; l’altimètre « pense » être à 6 000 pi ASL. Bien que le QNH reste correct tout au long du vol, on peut voir comment un changement de température (exagéré dans ce cas-ci) peut exacerber l’écart entre l’altitude INDIQUÉE et l’altitude VRAIE. C’est pourquoi les pilotes appliquent des corrections par temps froid aux altitudes importantes, en particulier lorsqu’ils effectuent des vols selon les règles de vol aux instruments. Aux États-Unis, la Federal Aviation Administration dispose même d’une liste d’aéroports réglementés par temps froid (« Cold Temperature Restricted Airports » — CTRA).
L’avènement de technologies telles que la surveillance dépendante automatique en mode diffusion (ADS-B) permet à l’ATC de rapprocher de plus en plus les aéronefs. L’élimination des erreurs de calage altimétrique n’a jamais été aussi importante. La pression est à son comble!
Figure 9 (en anglais seulement)