Brevet FR2883983A1 — publié le 20061006

L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de la turbulence de l'air dans l'environnement d'un aéronef, en particulier d'un avion de transport. Plus particulièrement, bien que non exclusivement, la turbulence mesurée peut être utilisée pour valider des modèles de simulation qui seront utilisés pour tester des caractéristiques d'un avion en laboratoire, lors de la conception ou avant le vol dudit aéronef, et notamment pour choisir le modèle le plus performant parmi une pluralité de modèles théoriques possibles. Pour une telle application, il est bien entendu nécessaire que les mesures réalisées soient particulièrement précises et fiables. On sait qu'en plus de l'hétérogénéité naturelle du champ de vites-ses aérodynamiques (ou champ de turbulence) dans l'environnement extérieur de l'aéronef, il existe également une perturbation de ce champ à proximité de l'aéronef, souvent sur plusieurs dizaines de mètres, qui est engendrée par le passage dudit aéronef. Cette perturbation perdure dans le sillage engendré par le passage de l'aéronef. Ceci rend bien entendu difficile la réalisation de mesures précises. La présente invention concerne un procédé de mesure, particuliè-rement efficace et fiable, pour mesurer la turbulence de l'air dans l'environnement d'un aéronef, en particulier d'un avion de transport, procédé qui permet de remédier aux inconvénients précités. Selon l'invention, ledit procédé est remarquable en ce que: a) lors d'un vol de l'aéronef, on réalise, à l'aide de lidars qui sont montés sur l'aéronef, douze mesures de vitesse aérodynamique dans l'environ- nement extérieur dudit aéronef, lesdites mesures étant réalisées en qua- tre points de mesure différents, à chaque fois selon trois axes prédéterminés; et b) à l'aide desdites douze mesures et d'un modèle mathématique prédéterminé du premier ordre décrivant un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables, on détermine un champ de vites-ses aérodynamiques qui existe dans ledit environnement de l'aéronef, et qui est représentatif de ladite turbulence de l'air. Ainsi, grâce à l'invention, on obtient une mesure de la turbulence qui est particulièrement précise et fiable. En effet: d'une part, en raison de l'utilisation de lidars, les différents points de mesure sont éloignés de l'aéronef, comme précisé ci-dessous, ce qui permet de réaliser des mesures dans des zones non perturbées par le passage de l'aéronef, et donc de mesurer la turbulence effective; et d'autre part, ledit modèle mathématique (du premier ordre décrivant un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables) qui est utilisé pour déterminer la turbulence prend en compte l'hypothèse selon laquelle le champ de vitesses aérodynamiques n'est pas uniforme aux différents points de mesure, ce qui correspond à la réalité. Ce modèle tient compte en revanche de l'hypothèse selon laquelle les dérivées premières du champ de vitesses aérodynamiques sont uniformes, ce qui suppose l'utilisation de douze variables (trois composantes et neuf dérivées premières). On sait qu'une turbulence de l'air est due à un champ de vitesses aérodynamiques non uniforme et représente donc une agitation désordon-née de l'air soumis à un écoulement dans lequel les filets fluides se mélangent au lieu de conserver leur individualité. Par ailleurs, on sait qu'un lidar est un dispositif permettant de déterminer la position et la distance d'un obstacle par réflexion sur celuici d'un rayonnement lumineux optique, émis généralement par un laser. Le terme lidar provient de l'abréviation d'une expression anglaise "Light Detection And Ranging". Le principe du lidar repose sur une transposition dans le domaine lumineux ou optique du principe d'un radar appliqué dans le domaine radioélectrique. De façon avantageuse, chaque lidar mesure au point de mesure qui lui est attribué trois composantes d'une vitesse aérodynamique respectivement selon lesdits trois axes prédéterminés, en réalisant pour chaque composante une mesure de l'effet Doppler d'un faisceau laser émis et rétrodiffusé par des particules présentes dans un volume prédéterminé autour dudit point de mesure. A l'étape a), dans un premier mode de réalisation, on utilise quatre lidars, dont chacun réalise des mesures à l'un desdits quatre points de mesure, tandis que dans un second mode de réalisation préféré, on utilise trois lidars, deux desdits lidars réalisant chacun des mesures à l'un desdits points de mesure, et le troisième lidar réalisant des mesures à deux instants successifs lors du vol de l'aéronef de manière à pouvoir réaliser ainsi des mesures à deux points de mesure différents qui correspondent aux deux points de mesure restants. Dans le cadre de la présente invention, lesdits lidars peuvent être agencés à n'importe quel endroit sur l'aéronef où ils sont en situation de pouvoir réaliser les mesures précitées (à condition que les endroits choisis soient différents les uns des autres). Toutefois, dans un mode de réalisation particulier appliqué au second mode de réalisation préféré précédent, lesdits lidars sont agencés respectivement sur un premier hublot avant droite, un premier hublot avant gauche et une aile de l'aéronef. En outre, de façon avantageuse, lesdits axes prédéterminés dé-pendent de l'aéronef et sont orientés vers l'avant. Le référentiel utilisé est donc lié à l'aéronef. La présente invention concerne également un dispositif de mesure de la turbulence de l'air dans l'environnement d'un aéronef. Selon l'invention, ledit dispositif est remarquable en ce qu'il comporte: un système de mesure comprenant des lidars qui sont montés sur l'aéronef et qui sont destinés à réaliser lors d'un vol de l'aéronef douze mesures de vitesse aérodynamique dans l'environnement extérieur dudit aéronef, ledit système de mesure réalisant lesdites mesures en quatre points de mesure différents, à chaque fois selon trois axes prédétermi- nés; et une unité centrale qui, à l'aide des mesures réalisées par ledit système de mesure et d'un modèle mathématique prédéterminé du premier ordre décrivant un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables, détermine un champ de vitesses aérodynamiques qui existe dans ledit environnement de l'aéronef, et qui est représentatif de ladite turbulence de l'air. Dans un premier mode de réalisation, ladite unité centrale est montée sur l'aéronef et détermine la turbulence de l'air lors du vol de l'aéronef. Dans un second mode de réalisation préféré, le dispositif conforme à l'invention comporte, de plus, un moyen d'enregistrement pour enregistrer dans une base de données les mesures réalisées par ledit système de mesure, et ladite unité centrale détermine la turbulence de l'air au sol après un vol, à l'aide des mesures enregistrées dans ladite base de données lors du vol. En outre, avantageusement, ledit système de mesure comporte: soit quatre lidars, dont chacun réalise des mesures à l'un desdits quatre points de mesure; soit trois lidars. Dans ce cas, deux desdits lidars réalisent chacun des mesures à l'un desdits points de mesure, et le troisième lidar réalise des mesures à deux instants successifs lors du vol de l'aéronef de manière à pouvoir réaliser ainsi des mesures à deux points de mesure différents qui correspondent aux deux points de mesure restants. Dans cet exemple, avantageusement, lesdits lidars sont agencés respectivement sur un premier hublot avant droite, un premier hublot avant gauche et une aile de l'aéronef. L'unique figure du dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Cette figure est un schéma synoptique d'un dispositif de mesure conforme à l'invention. Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté schématique-ment sur la figure est destiné à mesurer la turbulence de l'air dans l'environnement d'un aéronef non représenté, en particulier d'un avion de transport. On sait que la turbulence de l'air correspond à une agitation se superposant au mouvement moyen de l'air et constituée par des mouvement désordonnés, en continuelle transformation. La turbulence se rencontre à l'intérieur ou au voisinage des nuages (par exemple dans un nuage orageux où coexistent des courants verticaux de sens contraires). II existe également de la turbulence en ciel clair, soit près du sol, soit sur- tout à très haute altitude à proximité de courants jets. Selon l'invention, ledit dispositif de mesure 1 comporte: un système de mesure 2 qui comprend une pluralité de lidars L1, L2, L3, L4. Ces lidars L1, L2, L3, L4 précisés ci-dessous sont montés sur l'aéronef et sont destinés à réaliser, lors d'un vol dudit aéronef, douze mesures M1 à M12 de vitesse aérodynamique précisées ci-après. Ces mesures M1 à M12 sont réalisées à l'extérieur dudit aéronef dans l'environnement proche de ce dernier, mais toutefois à au moins une dis-tance prédéterminée dudit aéronef, en particulier à au moins 30 mètres. Ledit système de mesure 2 réalise lesdites douze mesures en quatre points de mesure différents, avec à chaque fois trois mesures par point de mesure, respectivement selon trois axes X, Y, Z prédéterminés; et une unité centrale 3 qui, à l'aide des mesures réalisées par ledit sys-tème de mesure 2 et d'un modèle mathématique intégré, détermine un champ de vitesses aérodynamiques existant dans ledit environnement de l'aéronef, qui est représentatif de ladite turbulence de l'air. Ce modèle mathématique est un modèle du premier ordre qui décrit un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables. Ainsi, grâce à l'invention, on obtient une mesure de la turbulence qui est particulièrement précise et fiable. En effet: d'une part, en raison de l'utilisation de lidars L1, L2, L3, L4, les différents points de mesure sont éloignés de l'aéronef, ce qui permet: de réaliser des mesures dans des zones non perturbées par le pas- sage de l'aéronef; et donc de mesurer la turbulence atmosphérique effective sur la trajectoire de l'aéronef, mais en dehors de la perturbation généré par ce der-nier; et d'autre part, ledit modèle mathématique (du premier ordre décrivant un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables) qui est utilisé pour déterminer la turbulence prend en compte l'hypothèse selon laquelle le champ de vitesses aérodynamiques n'est pas uniforme aux différents points de mesure, ce qui correspond à la réalité. Ce modèle tient compte, en revanche, de l'hypothèse selon laquelle les déri- vées premières dudit champ de vitesses aérodynamiques sont uniformes, ce qui suppose l'utilisation de douze variables (trois composantes et neuf dérivées premières précisées ci-dessous). On sait qu'un lidar L1, L2, L3, L4 est un dispositif permettant de déterminer la position et la distance d'un obstacle par réflexion sur celui-ci d'un rayonnement lumineux optique, émis généralement par un laser. Le terme Iidar provient de l'abréviation d'une expression anglaise "Light Detection And Ranging". Le principe du Iidar repose sur une transposition dans le domaine lumineux ou optique du principe d'un radar appliqué dans le domaine radioélectrique. Chaque Iidar L1, L2, L3, L4 mesure au point de mesure correspondant trois composantes d'une vitesse aérodynamique respectivement selon lesdits trois axes X, Y et Z prédéterminés, en réalisant pour chaque composante une mesure de l'effet Doppler d'un faisceau laser émis et ré- trodiffusé par les particules qui sont naturellement présentes dans un volume prédéterminé autour dudit point de mesure. Dans un premier mode de réalisation, le dispositif 1 conforme à l'invention comporte quatre lidars L1, L2, L3 et L4. Chacun de ces quatre lidars L1 à L4 réalise trois mesures à l'un desdits quatre points de mesure. En outre, dans un second mode de réalisation préféré, ledit dispositif 1 comporte uniquement trois lidars L1, L2 et L3. Un premier Iidar L1 réalise trois mesures à un premier desdits points de mesure, un deuxième Iidar L2 réalise trois mesures à un deuxième desdits points de mesure, et le troisième Iidar L3 réalise trois mesures à chaque fois à une même position par rapport à l'aéronef, mais à deux instants successifs lors du vol de l'aéronef de manière à pouvoir réaliser ainsi des mesures à deux points de mesure différents (espacés l'un de l'autre d'une distance représentative du vol de l'aéronef entre lesdits deux instants). Dans le cadre de la présente invention, lesdits lidars L1, L2, L3, L4 peuvent être agencés à n'importe quel endroit (sur l'aéronef) où ils peuvent réaliser les mesures précitées (à condition que les endroits choisis soient différents les uns des autres). Toutefois, dans un mode de réalisation particulier appliqué à un avion et au second mode de réalisation préféré précédent, lesdits lidars L1, L2 et L3 sont agencés respectivement sur un premier hublot avant droite, un premier hublot avant gauche et une aile de l'avion. Lesdits axes X, Y et Z précités dépendent de l'aéronef et correspondent, par exemple dans le cas d'un avion, respectivement à l'axe Ion- gitudinal de l'avion, un axe moyen passant par les ailes et qui est orthogonal audit axe longitudinal, et un axe qui est perpendiculaire au plan formé par les deux axes précédents. Longitudinalement, les points de mesure doivent être suffisamment éloignés de l'aéronef, par exemple de 30 mètres, pour ne pas être soumi- ses aux perturbations générées par l'aéronef. En outre, latéralement, deux points de mesure doivent être suffisamment éloignés l'un de l'autre pour pouvoir réaliser des mesures différentes, mais pas trop pour continuer à satisfaire des approximations linéaires prises en compte dans le modèle théorique. De préférence, la distance latérale entre deux points de mesure ne doit pas dépasser l'envergure de l'aéronef. Comme indiqué précédemment, l'unité centrale 3 détermine la turbulence de l'air (sous forme d'un champ de vitesses aérodynamiques) à l'aide d'un modèle mathématique du premier ordre qui décrit un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables. Les douze variables prises en compte dans ce modèle mathématique représentent: les trois composantes Wx, Wy, Wz du vent W, respectivement selon lesdits axes X, Y et Z; les trois dérivées premières du vent W selon l'axe X ôWx/ax, aWyiax, aWz/ax; les trois dérivées premières du vent W selon l'axe Y aWxiay, aWy/ay, aWziay; et les trois dérivées premières du vent W selon l'axe Z aWx/az, aWy/az, aWzIaz. Plus précisément, ladite unité centrale 3 détermine ledit champ de vitesses aérodynamiques, à partir dudit modèle mathématique et desdites mesures, en tenant compte des considérations suivantes. A partir des composantes précitées du vent et des gradients, on peut calculer les trois composantes du vent en un point quelconque de l'espace. Pour un point P fixe dans un repère lié à l'aéronef, les trois composantes du vent correspondent donc à une combinaison linéaire des composantes du vent et des gradients. Si le point P est un point auquel un lidar L1, L2, L3, L4 fait une mesure, alors cette mesure est la projection sur la direction de mesure des trois composantes du vent. Cette opération de projection est elle aussi linéaire. Pour chaque point de mesure P, on a donc une relation linéaire entre les composantes du vent et des gradients d'une part, et les mesures de chaque lidar d'autre part. On peut écrire cette relation sous forme d'une matrice. Avec M le vecteur des douze mesures des lidars L1, L2, L3 et L4, V le vecteur des composantes du vent et des gradients, et N est une matrice qui les relie, on obtient la relation suivante: M=N.V dans laquelle: M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M1 1 M12 Wx ôWx ax awx ay awx aZ Wy My ax awy ay My aZ Wz aWz ax aWz ay aWz az La matrice N dépend des directions des mesures, des positions des lidars L1, L2, L3, L4 sur l'aéronef, et des distances de mesure desdits lidars L1, L2, L3, L4. On peut donc calculer les composantes du vent es- timé V, à l'aide de l'expression suivante: =N-1.M où N-' est la matrice inverse de N. On notera que selon l'invention, le système de mesure 2 émet au-tant de faisceaux de mesure que nécessaire dans des directions optimisées, et l'unité centrale 3 réalise des traitements desdites mesures, qui permettent de s'affranchir de l'impact de contraintes technologiques et d'installation, notamment en ce qui concerne la position des points de me-sure et du fait que la vitesse mesurée est la projection de la vitesse aérodynamique sur un axe de visée (ou axe d'émission du faisceau de me-sure). Les résultats des traitements réalisés par ladite unité centrale 3 peuvent être transmis par l'intermédiaire d'une liaison 5 à un moyen d'information usuel 6, par exemple un écran de visualisation ou une imprimante, qui est susceptible de fournir lesdits résultats à un opérateur. Dans un premier mode de réalisation, ladite unité centrale 3 est montée sur l'aéronef et est reliée par une liaison 4 audit système de me-sure 2. Elle détermine alors la turbulence de l'air directement lors du vol de l'aéronef, à l'aide des mesures réalisées au cours de ce vol. En revanche, dans un second mode de réalisation, qui est représenté partiellement en traits interrompus sur la figure, le dispositif de me-sure 1 comporte de plus un moyen d'enregistrement 10 qui est relié par une liaison 8 audit système de mesure 2 et qui enregistre, en vol, dans une base de données 7 qu'il comporte, les mesures qui sont réalisées par ledit système de mesure 2. Ces résultats peuvent être transmis au sol par l'intermédiaire d'une liaison 9 (une liaison de transmission de données amovible) à l'unité centrale 3. Ladite unité centrale 3 détermine, dans ce cas, la turbulence de l'air au sol après le vol, à l'aide des mesures enregistrées dans ladite base de données 7 lors du vol et transmises par l'intermédiaire de ladite liaison 9. Par ailleurs, comme indiqué précédemment, chaque Iidar L1, L2, L3 et L4 effectue trois mesures. Ces mesures sont faites dans des directions qui ne sont pas forcément parallèles aux axes X, Y et Z de l'aéronef. Ces directions ne sont pas nécessairement perpendiculaires. Elles sont optimisées de façon à améliorer la qualité des mesures. Elles doivent être 1 o bien différentiées de façon à ce que l'inversion numérique de la matrice N permette de conserver une bonne précision. Elles satisfont aussi d'autres prérogatives: elles sont orientées vers des zones de l'espace où le champ aérodynamique est le moins perturbé possible par le passage de l'aéronef. En particulier, les points les plus favorables sont tous situés vers l'avant de l'aéronef, et beaucoup sont orientés vers le haut (et l'avant). REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la turbulence de l'air dans l'environne-ment d'un aéronef, caractérisé en ce que: a) lors d'un vol de l'aéronef, on réalise, à l'aide de lidars (L1, L2, L3, L4) qui sont montés sur l'aéronef, douze mesures de vitesse aérodynamique dans l'environnement extérieur dudit aéronef, lesdites mesures étant réalisées en quatre points de mesure différents, à chaque fois selon trois axes prédéterminés; et b) à l'aide desdites douze mesures et d'un modèle mathématique prédéterminé du premier ordre décrivant un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables, on détermine un champ de vites-ses aérodynamiques qui existe dans ledit environnement de l'aéronef, et qui est représentatif de ladite turbulence de l'air. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque lidar (L1, L2, L3, L4) mesure audit point de mesure trois composantes d'une vitesse aérodynamique respectivement selon lesdits trois axes prédéterminés, en réalisant pour chaque composante une mesure de l'effet Doppler d'un faisceau laser émis et rétrodif- fusé par des particules présentes dans un volume prédéterminé autour du-dit point de mesure. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'à l'étape a), on utilise quatre lidars (L1, L2, L3, L4), dont chacun réalise des mesures à l'un desdits quatre points de mesure. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'à l'étape a), on utilise trois lidars (L1, L2, L3), en ce que deux desdits lidars réalisent chacun des mesures à l'un desdits points de mesure, et en ce que le troisième lidar réalise des mesures à deux instants successifs lors du vol de l'aéronef de manière à pouvoir réaliser ainsi des mesures à deux points de mesure différents qui correspondent aux deux points de mesure restants. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits lidars (L1, L2, L3) sont agencés respective- ment sur un premier hublot avant droite, un premier hublot avant gauche et une aile de l'aéronef. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits axes prédéterminés dépendent de l'aéronef. 7. Dispositif de mesure de la turbulence de l'air dans l'environne- ment d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte: un système de mesure (2) comprenant des lidars (L1, L2, L3, L4) qui sont montés sur l'aéronef et qui sont destinés à réaliser lors d'un vol de l'aéronef douze mesures de vitesse aérodynamique dans l'environne- ment extérieur dudit aéronef, ledit système de mesure (2) réalisant les-dites douze mesures en quatre points de mesure différents, à chaque fois selon trois axes prédéterminés; et une unité centrale (3) qui, à l'aide des mesures réalisées par ledit système de mesure (2) et d'un modèle mathématique prédéterminé du premier ordre décrivant un champ de vitesses aérodynamiques en fonction de douze variables, détermine un champ de vitesses aérodynamiques qui existe dans ledit environnement de l'aéronef, et qui est représentatif de ladite turbulence de l'air. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite unité centrale (3) est montée sur l'aéronef et détermine la turbulence de l'air lors du vol de l'aéronef. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, un moyen d'enregistrement (10) pour enregistrer dans une base de données (7) les mesures réalisées par ledit système de mesure (2), et en ce que ladite unité centrale (3) détermine la turbulence de l'air au sol après un vol, à l'aide des mesures enregistrées dans ladite base de données (7) lors du vol. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit système de mesure (2) comporte quatre lidars (L1, L2, L3, L4), dont chacun réalise des mesures à l'un desdits quatre points de mesure. 11. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit système de mesure (2) comporte trois lidars (L1, L2, L3), en ce que deux desdits lidars réalisent chacun des mesures à l'un desdits points de mesure, et en ce que le troisième lidar réalise des mesures à deux instants successifs lors du vol de l'aéronef de manière à pouvoir réaliser ainsi des mesures à deux points de mesure différents qui correspondent aux deux points de mesure restants. 12. Dispositif selon la revendication Il, caractérisé en ce que lesdits lidars (L1, L2, L3) sont agencés respective-ment sur un premier hublot avant droite, un premier hublot avant gauche et une aile de l'aéronef. 13. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) susceptible de mettre en oeuvre le procédé spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 6. 14. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 7 à 12.