La polaire des vitesses d'un aéronef est la courbe qui décrit sa vitesse verticale en fonction de sa vitesse horizontale en vol droit stabilisé.
En règle générale cette courbe varie pour un aéronef donné et en air immobile en fonction du poids embarqué, de la poussée des moteurs et de l'inclinaison de son aile (assiette). Pour un PUL de vol libre le moteur est l'énergie potentielle gagnée en perdant de l'altitude et la poussée n'est rien d'autre que la partie horizontale de la force de portance, donc le pilote ne peut en aucune manière agir indépendamment sur la poussée et l'inclinaison de son aile. Pour une position des freins donnée en vol droit stabilisé, l'aile aura toujours exactement les mêmes paramètres de vol (assiette, incidence, vitesse, taux de chute, finesse). La forme de la polaire des vitesses ne dépendra donc que du PTV et du vent. Il est aussi à noter qu'en vol libre la vitesse évolue dans le sens opposé à l'incidence : l'incidence augmente lorsque la vitesse diminue.
La polaire des vitesses permet d'illustrer les différents régimes de vol d'une aile de vol libre et de déterminer ses valeurs de performance dans chaque régime (vitesses, taux de chute ou de montée, finesse, angle de plané). Une compréhension de cet outil vous aidera à optimiser un vol selon les conditions recontrées ou les phases de vol (exploitation d'ascendances, transition d'une zone ascendante vers une autre en perdant le moins possible d'altitude).
Description[]
Polaire des vitesses d'un parapente de type école ou vol rando par vent nul
A : vitesse de décrochage
B : Taux de chute mini
C : finesse max (7,8)
D : vitesse max accélérée
L'image ci-dessus montre la polaire des vitesses d'un parapente typique volant par vent nul. Notez que l'axe des abscisses qui représente la vitesse horizontale est en km/h alors que l'axe des ordonnées (vitesse verticale) est en m/s. La courbe de couleur bleu marine est la polaire des vitesses, les losanges annotés d'une lettre sont des points de cette polaire correspondant à des régimes de vol très particuliers précisés dans la légende et la droite verte est la trajectoire correspondant à la finesse maximale. Ici cette finesse max est de 7,8 ce qui signifie que le parapente peut avancer de 7,8 m en perdant un mètre d'altitude.
Attention, dès qu'on parle de vitesses, de finesse ou de trajectoire il faut préciser dans quel repère on se place ; ici on suppose que le vent est nul et qu'il n'y a pas d'ascendances, l'air est donc immobile par rapport au sol et le repère lié à la masse d'air est identique à celui lié au sol.
Voici à quoi correspondent les différents points :
- A correspond à la vitesse minimale à laquelle le parapente peut voler, car en-dessous l'incidence est trop importante et l'aile décroche. On parle de vitesse minimum, vitesse de décrochage ou incidence de décrochage. Selon le type de parapente, cette vitesse correspond à une amplitude de freinage plus ou mois importante : mains au niveau du bassin pour une aile performante, mains sous les fesses avec deux tours de freins pour une aile de débutant avec un maximum de sécurité passive et de tolérance au surpilotage.
- B correspond au taux de chute mini. À cette vitesse horizontale, l'aile perd de l'altitude le moins vite et volera donc le plus longtemps possible entre le décollage et l'atterrissage. Ce régime de vol est atteint en ayant à peu près les mains au niveau des épaules.
- C correspond à la finesse maximum. C'est le régime de vol pour lequel l'aile plane le mieux, c'est à dire peut voler le plus loin possible entre le décollage et l'atterrissage si on vole en ligne droite. Ce régime de vol correspond sur une voile de débutant à une position des mains au niveau des oreilles et une tension très faible mais sensible dans les commandes (en gros le poids des mains). On peut retrouver ce point sur n'importe quelle polaire des vitesse en tracant la droite qui passe par l'origine et tangente la courbe sans la traverser.
- D correspond à la vitesse maximale possible, avec les mains aux poulies (aucune tension sur les commandes) et l'accélérateur actionné au maximum (à fond de deuxième barreau).
Entre C et D on pourrait rajouter deux autres points particuliers :
- la vitesse bras hauts, vitesse maximale sans accélérateur, les mains dans les poulies
- la vitesse atteinte en actionnant le premier barreau aux maximum.
Sur ce schéma seule la trajectoire optimale est tracée (la droite verte reliant l'origine au point correspondant à la finesse max), mais on pourrait représenter la trajectoire pour tous les autres régimes de vols et en déduire la finesse (ou l'angle de plané) en traçant la droite reliant l'origine au point de la courbe qui nous interesse.
Principaux régimes de vol[]
La polaire des vitesses est toujours tracée pour toutes les vitesses possibles, de la vitesse de décrochage à la vitesse maximale à fond d'accélérateur. Toute la gamme de vitesses possibles représente le domaine de vol du PUL.
Décrochage[]
Le décrochage est une sortie du domaine de vol. L'aile ne plane plus, n'a plus de portance et n'avance plus. Elle tombe à la verticale et le pilote n'a plus aucune marge de pilotage. La seule action de pilotage qu'il lui reste s'il ne veut pas rejoindre directement le sol sous lui à vitesse relativement élevée (8 m/s) est de relever les mains pour revenir en vol, et cette reprise de vol sera délicate et dangereuse car il faudra gérer une abattée très ample. Vous n'avez pas envie d'essayer ça volontairement avant d'avoir une très grosse expérience de pilotage, un parachute de secours, un plan d'eau sous les pieds pour amortir votre éventuelle chute et un bateau près à vous récupérer si vous vous retrouvez dans l'eau coincé dans votre sellette et emmêlé dans vos suspentes.
Pour plus d'informations voir l’article décrochage.Basses vitesses[]
Les basses vitesses désignent l'intervalle entre la vitesse de décrochage et la vitesse du taux de chute mini. C'est un régime de vol un peu dangereux car il y a peu de marge avant le décrochage. Une soudaine rafale de vent dans le dos ou par-dessous (entrée de thermique) peut facilement le provoquer (ce qui je vous le rappelle n'est pas ce que vous souhaitez). Il est donc important de bien connaitre son aile avant de voler volontairement aux basses vitesses.
La plupart des ailes avec un niveau raisonnable de sécurité passive ont des commandes très tendues aux basses vitesses, et les maintenir enfoncées longtemps est alors très fatiguant.
Cependant il peut être parfois utile de voler aux basses vitesses dans certains cas particuliers :
- voler lentement permet de rester plus longtemps dans une zone ascendante, et de plus le taux de chute faible dans ce régime de vol permet de monter plus vite ;
- lorsqu'on est trop long à l'atterrissage (risque d'atterrir au-delà du terrain) le mauvais angle de plané peut permettre de descendre sur une trajectoire plus inclinée ; les mises en gardes sur les dangers des basses vitesses ont alors tout leur sens car un décrochage proche du sol ne laisse pas le temps de revenir en vol avant l'impact. Il est vital de parfaitement connaitre les réactions de son aile dans ce régime de vol avant de l'utiliser près du sol.
Vol normal[]
Entre le taux de chute mini et la vitesse bras hauts se situe le régime de vol le plus sécurisant avec le maximum de marge de pilotage et de variation d'incidence possible avant un incident de vol. La limite haute de ce régime correspond à une position des mains le plus haut possible, les commandes au contact des poulies. Attention, malgré l'importante marge d'incidence possible avec cette position des mains on s'expose à des fermetures car l'absence de tension dans les commandes ne permet pas d'obtenir les précieuses informations que votre voile veut vous transmettre pour anticiper ces incidents de vol.
Vol accéléré[]
Après avoir relevé les mains au maximum pour ne plus freiner du tout, il vous reste une marge de vitesse offerte par l'accélérateur. Ce dernier agit sur le profil de l'aile en modifiant la longueurs des élévateurs pour la rendre plus piqueuse.
Ce régime de vol permet entre autres :
- d'avancer face à une forte brise en fond de vallée pour rejoindre l'atterrissage si vous avez perdu votre altitude trop loin du terrain ;
- d'avoir plus de finesse dans les transitions face au vent ;
- de gagner une compétition en finissant le circuit le plus vite possible ;
- de perdre rapidement de l'altitude en augmentant le taux de chute ; cette méthode est presque toujours combinée aux oreilles.
Le vol accéléré se fait à des angles d'incidence très faibles (rappelez vous que l'incidence diminue quand la vitesse augmente) et expose donc à des risques de fermeture qui seront en plus particulièrement violentes car elles se produiront à grande vitesse. Ce risque de fermeture peut être minimisé en faisant les oreilles en même temps, ces dernières provoquant au contraire une augmentation de l'incidence.
La polaire des vitesses atteint sa limite supérieure quand l'accélérateur est mécaniquement bloqué (poulie contre poulie). Si le constructeur autorisait trop d'amplitude d'accélération, la limite serait atteinte avec un incident de vol (fermeture frontale) en prime lorsque l'incidence devient trop faible et que l'air ne rentre plus par les ouvertures en bord d'attaque.
Performance de l'aile[]
Voici la polaire des vitesses d'un parapente un peu plus performant que le précédent : un parapente destiné à la pratique du cross.
Polaire des vitesses d'un parapente de type cross par vent nul
Légende identique à l'image précédente
Les différences remarquables avec la polaire du parapente de débutant sont :
- toutes les vitesses des points particuliers sont supérieures ; ce parapente est optimisé pour voler vite ;
- la finesse max est bien sur plus importante mais est aussi obtenue à vitesse plus grande pour optimiser les transitions en volant vite et en perdant peu d'altitude lors d'un cross ; sur les voiles les plus performantes, la finesse max s'obtient même légèrement accélérée ;
- les taux de chutes et donc les finesses sont moins dégradées par le fait d'accélérer ; puisqu'on vous dit que ce parapente est optimisé pour la vitesse !
- l'intervalle correspondant aux basses vitesses est plus réduit, il y a donc moins de marge entre le taux de chute mini et le décrochage, le risque de surpilotage est plus important.
Effets du vent[]
On a vu plus haut qu'à PTV constant une aile à une polaire des vitesses uniques par vent nul ou si on se place dans le repère lié à la masse d'air (dans lequel l'air est considéré immobile) ce qui revient au même. Par contre si on considère que c'est le sol qui est immobile la présence de vent va avoir une influence. Pour simplifier, on va considérer dans cette section que le vent est purement horizontal, constant (sinon on n'est plus dans le cas d'un vol droit stabilisé) et vient soit de derrière soit de face.
Dans ce cas le vent décale l'axe des abscisses en s'additionnant en se soutrayant à la vitesse horizontale de l'aéronef. La forme de la polaire n'est pas modifiée mais son décalage a une influence sur les valeurs de finesses et le régime de vol pour lequel la finesse maximale est obtenue.
Vent arrière[]
Si le vent vient de derrière, la polaire est décalée vers la droite. Toutes les vitesses horizontales par rapport au sol sont augmentées de la vitesse du vent. Dans ce cas on voit que le meilleur plané s'obtient en freinant la voile un peu plus que sans vent. Cependant cette finesse max ne s'obtient jamais avec un freinage plus important que celui du taux de chute minimum. Dans le cas limite d'un vent de vitesse infini, la finesse max (infinie elle aussi, c'est à dire que l'aile avance horizontalement) serait confondue avec le taux de chute minimum. Par bonheur, cette situation limite ne se produit pas fréquemment.
Vent de face[]
Polaire des vitesses par rapport au sol d'un parapente ralenti par un vent de face
Lorsque le vent vient de face, c'est le contraire qui se produit : les vitesses sont toutes diminuées de la vitesse du vent. Dans le cas du schéma avec 30 km/h de vent la vitesse mini est même négative : le vol se fait en marche arrière aux basses vitesses. Les conséquences sur la finesse sont elles aussi inversées : la finesse max s'obtient les bras plus hauts que sans vent, voir accéléré. Sur le schéma, avec 30 km/h de vent de face (ce qui fait d'ailleurs trop de vent pour voler dans la plupart des situations), la finesse max de ce parapente de loisir est même obtenue avec l'accélérateur actionné au maximum.
Effet des courants ascendants ou descendants[]
Un vent vertical a pour effet de décaler les vitesses verticales sur l'axe des ordonnées, comme le vent horizontal le faisait pour l'axe des abcisses.
Ascendance[]
Polaire des vitesses par rapport au sol d'un parapente dans une ascendance
La première particularité du vent ascendant, c'est que lorsqu'il est supérieur au taux de chute mini la courbe passe dans le positif : il devient possible de gagner de l'altitude. L'angle de plané optimal ainsi que la finesse max correspondront à une trajectoire ascendante et s'obtiendront pour une vitesse inférieure à celle du taux de chute mini. Mais cette considération n'est pas vraiment utile car souvent lorsqu'on est dans une zone ascendante on essaye d'y rester et de monter le plus vite possible, sans se soucier d'aller le plus loin possible. Il reste donc plus avantageux de voler au taux de chute mini.
Descendance[]
Les effets d'un vent vertical descendant sont à peu près les mêmes que celui d'un vent de face : la finesse diminue pour un régime de vol donné, la finesse max est elle aussi plus faible et s'obtient pour une vitesse plus grande voir accéléré. Dans cette situation le mieux à faire pour ne pas perdre trop d'altitude est d'accélérer autant que possible pour sortir de la zone descendante à finesse max.
Effets du PTV[]
L'augmentation ou la diminution du PTV décale la courbe mais ne modifie pas sensiblement la finesse max.
Dans ce paragraphe, nous parlerons de variations raisonnables du PTV (en gros plus ou moins 20 % autour du PTV au milieu de la fourchette pour laquelle la voile est homologuée). Pour des variations très importantes l'effet devient plus compliqué, surtout pour une voile souple telle qu'un parapente.
Le poids total volant a une influence directe sur la vitesse d'un aéronef dans l'air : plus le poids est important, plus la charge alaire est élevée et plus l'aile volera vite sur sa trajectoire. À amplitude de freinage/régime de vol égal la voile aura à la fois une vitesse horizontale et un taux de chute plus élevé. Par contre on voit en pratique que la trajectoire reste la même et donc les valeurs de la finesse pour une amplitude de freinage donnée ne change pas. En particulier la finesse max reste la même. La courbe est simplement translatée le long de la droite de finesse max, vers en bas à droite pour une augmentation du poids et dans le sens opposé pour une diminution du poids.
Sur la figure ci-dessus, l'évolution de la courbe est très importante pour illustrer plus efficacement le phénomène. En pratique pour une évolution du PTV tout en restant dans la marge homologuée, la variation de vitesse horizontale est de l'ordre d'un km/h et la variation du taux de chute de l'ordre d'un demi dixième (0,05) de m/s.
On peut en conclure qu'une voile peu chargée montera mieux en thermique et y restera plus facilement car la vitesse plus faible permet des virages à faible rayon de courbure pour tourner plus efficacement autour du centre du thermique (noyauter le thermique) si ce dernier n'est que peu étendu. Une voile chargée aura au contraire plus de vitesse ce qui lui permettra d'avancer plus facilement face au vent et donc d'avoir plus de finesse lors de transitions dans ces conditions(voir le paragraphe #Vent de face).
Comme expliquée plus haut, ces effets sont presques négligeables tant qu'on reste dans l'intervalle de 20 km/h prévu par le constructeur. Par contre l'augmentation de vitesse en prenant volontairement un modèle de voile trop petit devient un atout certain pour décoller dans des vents plus forts et avancer faces aux brises de vallée dans le cadre d'une pratique telle que le vol rando, à condition d'avoir le niveau pour gérer la vivacité accrue de la voile.