Brevet FR2584191A1 — publié le 19870102

L'invention concerne les techniques de détection de rafales et du cisaillement du vent en avant d'un aéronef. Les turbulences de l'air clair peuvent se produire soit naturellement soit par suite du passage d'un aéronef qui laisse des sillages tourbillonnaires ainsi que des écoulements vers le bas des filets d'air. La rencontre avec ces phénomènes d'un avion très sensible peut entraîner des battements ("buffeting") des problèmes liés au facteur de charge, etc, malgré l'existence de Systèmes d'Augmentation de Stabilité (SAS). La réponse imprévisible d'un avion est non seulement gênante du point de vue d'un pilote ou d'un passager, mais elle peut en outre porter atteinte à la capacité d'un avion militaire de viser et de lancer une arme. Par conséquent, le but de la présente invention est de réaliser une technique de détection de turbulences d'air clair, ce qui augmente la sécurité, la marche régulière et la stabilité de l'avion. Conformément à l'invention, les turbulences de l'air en avant d'un avion sont déterminées par balayage du faisceau d'une unité anémométrique à laser à distance focale variable proche de l'avion pour déterminer la vitesse dans l'air et l'angle d'attaque de l'avion, et par balayage du faisceau à des distances plus éloignées de l'avion et par mesure de la vitesse dans l'air. Des écarts entre la mesure proche et la mesure plus éloignée sont indicatifs par quantification des turbulences de l'air. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma montrant les éléments de base du système de détection de rafales conforme à l'invention. Ce système émet un faisceau de balayage 12. La figure 2 est un schéma du balayage du faisceau en angle de site. La figure 4 est un schéma du faisceau à balayage conique selon un angle de sommet fixe, à diverses distances en avant du système. La figure 5 est un schéma du faisceau à balayage conique selon un angle de sommet variable, pour diverses distances en avant du système. La figure 6 est un schéma du faisceau à balayage cruciforme, à diverses distances en avant du système. La figure 7 est un schéma du faisceau à balayage en site seulement, à diverses distances en avant du système. La figure 8 est un graphique et un schéma des composantes de vitesse d'un balayage vertical continu pour de l'air calme ou proche du système. La figure 9 est une nouvelle trace en fonction des conditions de la figure 8 mais en utilisant une référence différente. La figure 10 est un graphique et un schema de deux balayages; l'un rapproché et un autre balayage plus éloigné dans une region o il y a une rafale ascendante uniforme. La figure 11 et un graphique et un schéma de deux balayages; l'un rapproché et un autre balayage plus éloigné dans une région o il y a une rafale de front uniforme. La figure 12 est un graphique et un schéma de trois balayages; un rapproché et deux balayages plus éloignés dans une région o il y a un tourbillon. Un autre graphique montre le profil de vitesse du tourbillon. La figure 13 est une vue schématique en plan du faisceau réalisant un balayage selon divers plans verticaux à des azimuts différents. La figure 14 est un schéma synoptique grossier pour le cas général du fonctionnement du système de détection de rafales conforme à l'invention. Il est connu de contrôler les turbulences de l'air clair (CAT) sur la trajectoire de vol d'un avion par projection d'un faisceau laser sur la trajectoire de vol de l'avion et détection du rayonnement renvoyé par les aérosols atmosphériques. Par exemple, le brevet us 4 359 640 (Geiger, 1982) ayant pour titre CLEAR AIR TURBULENCE DETECTION, montre un tel système qui se limite, toutefois, à l'utilisation d'une paire de lasers par impulsions pour générer une paire de faisceaux cohérents disposés pour converger en un point situé en avant de la trajectoire de vol de l'avion (revendication 1 de ce brevet). Dans le brevet US 4 340 299 (Mongeon, 1982), ayant pour titre OPTICAL DOPPLER RADAR SYSTEM USING A CONICALLY SCANNED LASER BEAM, un laser à une première fréquence réalise un balayage conique sur une surface depuis une position élévée et le faisceau est dispersé par la surface. Un faisceau de retour est établi à partir de ce faisceau dispersé et est mélangé à un faisceau laser à porteur supprimé à une seule bande latérale à une fréquence décalée, pour élaborer un signal électrique dont la fréquence se décale de la fréquence décalée propor- tionnellement à la vitesse par rapport à la surface. Le décalage est fonction de la position du balayage et de la direction de déplacement. Des composantes de vélocité du signal traduisant la vitesse de dérive et la vitesse de cap sont résolues à partir de ce signal en le rapportant à la position de balayage pourdes positions de dérive et de cap. La composante du signal traduisant la vitesse en site est résolue en élimitant ces composantes dépendantes du balayage. Le système de balayage et les techniques de traitement de signaux du brevet Mongeon conviennent notamment à la présente invention. La figure 1 montre la configuration de base du système de détection de rafales 10 de l'invention. Une unité anémométrique à laser 11 projette un faisceau laser 12 à travers une lentille divergente 14 sur un miroir de balayage 16. Le miroir de balayage est actionné par des mécanismoe (non représenté qui ont pour rôle d'incliner le miroir selon les directions rep-- résentées par les flèches 18 et 20, autour de l'axe de tangage,22 de l'avion pour le balayage en site et autour de l'axe de lacet de l'avion 24 pour le balayage en azimut. Une lentille de focalisation 26 est mobile le long d'un axe optique 28, à l'aide d'un mécanisme approprié, pour faire converger le faisceau 12 en un point B, à une distance désirée en avant de l'avion, par exemple, entre 10 et mètres. Il est préférable d'utiliser un laser à impulsions, plutôt qu'un laser de type à ondes continues dans l'unité anémométrique à laser. Un laser à impulsions est plus léger est nécessite une moindre énergie, la distance jusqu'aux aérosols réflechissantsétant obtenue simplement en mesurant l'écart entre une impulsion émise et une impulsion subséquente réfléchie. Avec l'un ou l'autre type de laser, le décalage Doppler du faisceau réfléchi est converti directement en vitesse de l'avion relativement à la "cible" constituée par les aérosols. L'unité anémomét- rique à laser 10 comprend les circuits nécessaires à la résolution de la distance et de la vitesse relatives de façon connue. Pour déterminer le vecteur de vitesse résultant entre l'avion et la cible à aérosols il est nécessaire d'assurer un balayage du faisceau à la fois en site et en azimut. La figure 2 montre comment le faisceau pourrait être ajusté- selon deux angles de site successifs: un angle Q1 au-dessus de l'axe optique 28 convergeant en un point p' et un angle Q2 au-dessous de l'axe optique 28 convergeant en un point p'. On obtient ainsi deux composantes de vitesse: V1 mesuré parallèlement au faisceau supérieur et V2 mesuré parallèlement au faisceau inférieur. La vitesse résultante R et son angle d'attaque (a) par rapport à l'axe optique 28 sont déterminés par le diagramme des vecteurs de la figure 3 ainsi que les équations suivantes: V = R cos (Q1 + a) V2 =.R cos (0.2 - a). On suit un procédé analogue, nécessitant au moins deux positions azimutales du faisceau, pour établir la composante de vitesse latérale qui peut être représentée comme angle de dérapage. Dans la pratique, on utilise plus probablement un balayage continu en site et en azimut plutôt que par des points discrèts. Le diagramme des vecteurs de la figure 3 suppose que les vecteurs de vitesse V1 et V2 sont mesurés en deux points suffisamment rapprochés pour que le vecteur de la vitesse totale vraie ait la même grandeur et la même direction pour chaque point. Dans l'air calme (aucune turbulence) cela est en général- vrai mais dans des rafales cela n'est pas vrai en général. Si l'air est balayé tout proche de l'avion (10 mètres), la supposition que l'on a la même vitesse totale au niveau des deux points, ou sur la région balayée, sera valable pour la plupart des besoins pratiques. Ainsi, il est préferable de balayer proche de l'avion pour mesurer la vitesse vrai dans l'air de l'avion (vitesse, angle d'attaque et angle de dérapage). Les informations concernant des rafales sont alors obtenues par balayage à des distances supplémentaires plus éloignées de l'avion. De nombreux modèles de balayage sont possibles; certains modèles possibles sont illustrés sur les figures 4-7. La figure 4 montre le modèle de balayage qui résulterait de l'adaptation d'une lentille de focalisation à distance focale variable sur un système de détection de rafales ayant un angle de balayage conique fixe. L'angle de sommet fixe (b) du balayage conique a pour résultat Z584191 des cercles 30-32 de plus en plus grands à mesure que la distance focale (fl,f2,f3) augmente, ce qui constitue un inconvénient si on veut détecter la structure fine des turbulences de l'air à une distance importante de l'avion. La figure 5 montre un autre modèle de balayage conique à angle de sommet variabie. Cette caractéristique permet de maintenir constant le diamètre des cercles balayés 34-36 avec la distance, ou on peut réaliser des balayages multiples de diamètres variables à des distances focales déterminées (fl f2,f3) de l'avion. La figure 6 montre un modèle de balayage cruciforme, pour lequel les balayages indépendants suivant des plans verticaux et horizontaux sont effectués pour chaque distance focale (fl,f2,f3) d'intérêt. La figure 7 montre un balayage suivant seulement le plan vertical. Pour la plupart des situations d'intérêt concernant des rafales, l'avion répond en premier lieu selon l'axe de tangage ou le plan de symétrie; la réponse à des rafales latérales est en général beaucoup moins importanteYet par conséquent d'un moindre intérêt. Les composantes de vitesse mesurées lors d'un balayage vertical continu pour diverses conditions atmos- phériques possibles sont représentées sur les figures 8 à 12. On suppose que les composantes de vitesse latérale sont assez faibles pour être négligées. Si on trace la vitesse indiquée V. en fonction de l'angle Q du faisceau i laser, mesuré par rapport à l'axe optique, ascendant positif, l'allure générale de la courbe sera comme représentée sur la figure 8 si l'air est calme ou si le balayage se fait proche de l'avion. VO représente la grandeur o de la crête de la courbe, qui apparaît au niveau Q -a, o a représente l'angle d'attaque de l'avion par rapport à l'axe optique. La valeur de Vi variera selon la formule V. = V cos (Q + a). La crête de la courbe sera à gauche si l'angle d'attaque d l'axe optique est sera à gauche si l'angle d!attaque dé l'axe optique est positif, c'est-à- dire ajusté au-dessus de la trajectoire de vol. Si on retrace la courbe de la figure 8 pour Vi en fonction de (O + a), la courbe devient sy. métrique autour de l'axe vertical de la trace, comme le montre la figure 9. On se trouve toujours dans le cas d'air calme, ou le cas d'un balayage executé proche de l'avion dans des conditions de turbulence. La figure 10 montre les résultats obtenus avec deux balayages verticaux lorsque le balayage le plus éloigné se fait dans une région o règne une rafale ascendante uniforme de vitesse Vgust. Le balayage 1, proche de l'avion produit un profil de vitesse indiqué de caractère identique à celui représenté sur la figure 9, selon la formule Vi = Vo cos (Q + a). Le balayage 2, éloigné de l'avion, produit un profil de vitesse qui accroît la vitesse indiquée pour des angles du faisceau. au-dessous de la trajectoire de vol, c'est-à-dire (Q + a) négatif, et diminue la vitesse indiquée pour des angles du faisceau au-dessus de la trajectoire de vol, c'est-à-dire (6 + a) positif, selon la formule: Vi = V0 cos (0 + a) Vgust sin (Q + a) 1 gust La figure 11 montre des résultats comparables pour une rafale de front approchante de vitesse Vgust. Le balayage, proche de l'avion, est déterminé selon la formule: Vi = V cos (O + a) et le balayage 2, éloigné de l'avion, est déterminé selon la formule: Vi) (Vo + Vgust) cos (9 + a). Dans ce cas, la forme du profil de vitesse indiquée reste inchangée mais les grandeurs sont augmentés d'un pourcentage constant. Toute situation de rafale uniforme peut être représentée comme une combinaison quelconque de rafales - verticale et horizontale, de sorte que les équations - concernant les figures 10 et 11 peuvent être utilisées pour déduire les deux composantes de vitesse de rafale. Dans la pratique, les données présenteront une certaine dispersion et ne suivront pas parfaitement les profils idéaux. Les techniques standards d'adjustement de courbes peuvent être utilisées pour établir les composantes princin pales de la vitesse de rafale, et la grandeur de la disper- sion corréspondra à une turbulence générale superposée à la rafale principale. Un type d'écart d'une rafale uniforme qui présente un intérêt particulier est la présence d'un tourbillon de bord de fuite produit par un avion ayant passé à proximité. Les tourbillons de bord de fuite, allant en générallpar paires, sont caracterisés par une dimension relativement faible, des vitesses élévées autour du noyau, et une durée de plusieurs minutes, en fonction d'un certain nombre de facteurs. En raison de leur intensité, ils peuvent quelques fois représentent une rencontre de rafales grave qu'il faut éviter. Ils fournissenten outre, la preuve du passage antérieur d'un autre avion, et peuvent ainsi fournir des renseignements importantsilorsqu'il s'agit d'une action militaire. La figure 12 montre des profils de vitesse indiquéereprésentatifs d'un tourbillon passant au-dessous de la trajectoire de vol de l'avion à balayage. Comme dans les autres exemples, le balayage 1 est proche de l'avion. Le balayage 2 détecte la présence d'un tourbillon indiquée par l'écart non linéaire caractéristique de la vitesse indiquée par rapport au profil du balayage 1. Par réglage supplémentaire de la distance focale du faisceau, il est possible de localiser le noyau du tourbil- long; ce sera un balayage présentant l'écart de vitesse indiquée le plus important par rapport au profil du balayage 1. Le balayage 3 de la figure 12 traverse le centre du tourbillon, et le profil de la vitesse indiquée du balayage 3 montre la perturbation locale importante autour du noyau du tourbillon, laquelle est centrée autour du noyau du tourbillon, lequel est centré autour du site à laquelle le profil de vitesse traverse le profil du balayage 1. La figure 13 montre comment la possibilité de modification d'azimut du faisceau de balayage peut être utilisée pour localiser un tourbillon selon trois dimensions. On y voit un avion vu en plan, effectuant initialement un balayage vertical dans le plan de symétrie (vers et hors du dessin). Une fois un tourbillon detecté, des balayages supplémentaires dans des plans verticaux avec diverses orientations en azimut peuvent être utilisés pour localiser le centre du tourbillon comme une ligne dans l'espace tridimensionnelle. Le fonctionnement du système de détection de rafales est représenté sous forme de schéma synoptique sur la figure 14. Une description verbale du fonctionnement du système pour le cas général est comme suit: (a) effectuer un balayage circulaire ou cruciforme avec le détecteur anémométrique à laser près de l'avion. Calculer le vecteur de vitesse V relatif à l'axe de o référence de l'avion, y compris l'angle d'attaque a et l'angle de dérapage B. (b) (facultatif) calculer'la vitesse ascensionnelle en calculant la composante de vitesse perpendiculaire au plan horizontal, laquelle est déterminée grâce à des indicateurs d'attitude inertiels standard. (c) à partir des mesures de vitesse, d'angle d'attaque et de dérapage, ainsi que des mesures indépendantes de l'accélération linéaire et angulaire de l'aérodyne calculer la trajectoire de vol. (d ajuster le centre du balayage pour qu'il coincide avec la trajectoire de vol projetée; augmenter la distance focale de l'unité anémométrique à laser et balayer selon le modèle désiré à la distance accrue. (e) comparer les résultats du nouveau balayage avec le balayage initial proche de l'avion, et calculer les vitesses de rafale à la nouvelle distance. (f) répeter les étapes (d) et (e) eventuellement pour obtenir des informations plus complètes concernant le volume d'air vers lequel l'avion vole. (g) transmettre les données de rafale déduites sur un affichage d'avertissement de pilote et sur un système de commande de vol automatique numérique, o les informations stockées relatives aux caractéristiques dynamiques de l'avion servent à déterminer les déplacements du système de commande de l'avion nécessairespour neutraliser la rafale approchante. (h) lorsque l'avion rencontre la rafale, entrer les déplacements des commandes pour minimiser la perturbance. (i) (facultatif) si un profil de vitesse indiquée résultant d'un balayage montre les caractéristiques d'un tourbillon provoqué par un autre avion, effectuer des balayagqes verticaux supplémentaires à des distances focales différentes pour localiser le noyau, et ensuite effectuer les balayages verticaux analogues selon d'autres angles d'azimut de faisceau décalés derla trajectoire de vol pour définir le tourbillon selon trois dimensions. On n'a pas précisé ci-dessus la fréquence de balayage. La fréquence appropriée est fonction de la vitesse de vol; un avion grande vitesse pénétrera dans une rafale voisine plus rapidement qu'un hélicoptère volant lentement près de la terre. Il est normalement souhaitable de prévoir un avertissement d'au moins une seconde pour prendre en compte le temps de calcul avec un ordinateur à bord et pour permettre d'actionner les commandes. Le faisceau laser se propage à la vitesse de la lumière et les calculs se font très rapidement. Le mécanisme de balayage et les changements de la iongeur focale font intervenir des inerties relativement faibles; avec des servo -actionneurs modernes un balayage devrait être possible en 1/20 secondes ou moins, et un cycle complet utilisant des distances focales multiples devrait être possible en moins d'une demie seconde, et une mise à jour complète devrait être possible deux fois par seconde l ou plus rapidement. Les entrées de commande fournies par le système de détection de rafales (voir la figure 14) sont envoyées de préférence sur un système d'augmentation de stabilité (SAS) présentant des gains élévés et une faible autorité. De manière typique, le gain d'un tel système est soit fixe, ou il est varié en fonction de la vitesse, ou il est varié à l'aide d'un contrôler adaptatif. Cela est décrit en détail dans le brevet US 4 032 083 (Maciolek, 1977), ayant pour titre AUTOMATIC GAIN CONTROL FOR STABILITY AUGMENTATION SYSTEMS, qui décrit une technique permettant de faire varier automatiquement le gain d'un SAS en fonction du poids total et des déviations du centre de gravité de l'avion. Pour la mise en oeuvre de l'invention dans le contexte d'un SAS comme le décrit le brevet Maciolek, les entrées de commande pourraient être conçues pour fermer des interrupteurs 50, 54, 56 pour faire varier le gain du SAS par étapes. Dans un autre brevet US 4 213 584 (Tefft et al., 1980), ayant pour titre HELICOPTER HOVER STABILITY AND CRUISE GUST EFFECT ALLEVIATION on envisage de faire varier les entrées SAS en fonction de la vitesse dans l'air. Ainsi, on constate qu'il y a de nombreuses manières d'utiliser les entrées de commande de ce système, conjointement avec un SAS existant pour permettre de prévoir et d'alléger les effets de rafales approchantes. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de turbulences d'air sur la trajectoire de vol d'un avion, caracterisé en cequ'ilconsiste: à prévoir dans l'avion une unité anémométrique laser à distance focale variable pour projeter2 un faisceau en avant de l'avion à diverses distances focales; à mesurer la vitesse proche de l'avion en au moins deux points pour déterminer la vitesse (V -) et l'angle d'attaque (a) de l'avion par rapport à l'air calme; à mesurer la vitesse à une distance plus en avant de l'avion; et à déterminer qu'il y a une turbulence de l'air à une distance plus en avant de l'avion en fonction d'un écart entre la vitesse mesurée proche de l'avion et la vitesse mesurée à une distance plus éloignée de l'avion. 2. Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il consiste en outre à effectuer un balayage du faisceau selon un modèle circulaire en avant de l'avion pour mesurer la vitesse, le diamètre des cercles augmentant plus on s'éloigne de l'avion. 3. Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il consiste en outre à effectuer un balayage du faisceau selon un modèle circulaire en avant de l'avion pour mesurer la vitesse, le diamètre des cercles restant le même avec la distance d'éloignement de l'avion. 4. Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il consiste à effectuer un balayage du faisceau seulement en site pour mesurer la vitesse. 5. Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il consiste en outre à effectuer un balayage du faisceau en azimut seulement pour mesurer la vitesse. 6. Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il consiste en outre à effectuer un balayage du faisceau selon un modèle cruciforme en avant de l'avion pour mesurer la vitesse.