Vol à voile

Schéma d'une colonne d'air chaud. En (1), l'air s'échauffe près du sol. Il s'élève en (2) avant de refroidir par condensation et formation d'un nuage (A). L'air entre alors en expansion et redescend (3).

En vol de thermique, le pilote recherche des colonnes d'air ascendantes qui résultent de l'échauffement du sol par le Soleil. L'air en contact avec le sol est alors réchauffé et, par dilatation, sa masse volumique diminue. Le mouvement est assez rapide pour qu'il se fasse sans échange de chaleur avec l'air environnant. On peut alors considérer qu'il s'agit d'une dilatation adiabatique. L'air se refroidit.

Le gradient thermique adiabatique est g/C_p où g = 9.80665 est l'accélération de la gravité et C_p = 1 006 J/kg/K est la capacité calorifique de l'air. Sa valeur exacte est donc de 0,009 75 K/m ou de manière approximative 1 °C / 100 m.

En théorie, si le gradient de température de l'air ambiant est supérieur au gradient thermique adiabatique, alors la masse d'air en mouvement se trouve toujours plus légère que l'air qui l'entoure et a donc tendance à s'accélérer. La masse d'air est dite superadiabatique (souvent appelée instable). Toutefois, une telle situation est hautement improbable car le temps caractéristique d'une ascendance thermique est de 10 minutes[5] - [6] - [7] et à la suite du mélange vertical, en moins d'une heure le profil vertical de la masse d'air suivra l'adiabatique sèche.

Si le gradient de température est inférieur au gradient thermique adiabatique, au contraire tout mouvement de l'air vers le haut a tendance à être contrarié par sa dilatation adiabatique, qui l'amène à une température inférieure à celle de l'air ambiant. La masse d'air est alors stable. C'est pourquoi les masses d'air très homogènes ne sont pas favorables à la convection, même s'il fait très chaud. Ceci est typique en Europe du Nord d'une situation pré-orageuse. Comme le mélange de l'air ne peut pas se faire avec les couches supérieures, la température augmente à basse altitude par un phénomène de bouchon. Ensuite, des orages violents éclatent lorsque le bouchon cède. Les conditions les plus favorables se rencontrent derrière les fronts froids, lorsqu'une masse d'air froid passe sur un sol encore chaud, ce que les météorologues appellent un ciel de traîne.

Les bulles d'air chaud les plus probables se trouvent dans les zones de contrastes thermiques telles que les champs moissonnés récemment, des parkings de supermarché, les routes et autoroutes, et surtout les gravières et secteurs rocheux. Si l'on est certain de ce principe physique, il n'en reste pas moins vrai qu'il est difficile d'associer un aspect du sol avec la certitude de la présence d'un « thermique ».

Comme le vol de thermique nécessite une colonne d'air chaud, son exploitation n'est possible en règle générale, dans les latitudes moyennes, que du printemps à la fin de l'été. Il y a peu de thermiques en hiver, compte tenu du faible ensoleillement pour les déclencher et du faible potentiel d'absorption thermique de la neige (environ 1 %). Toutefois, dans les Alpes du Sud, il est possible de trouver des thermiques toute l'année. Dans le sud des États-Unis, lorsque le temps est ensoleillé en hiver, il y a des ascendances thermiques parfaitement exploitables en milieu de journée.

Cumulus.

Aux autres latitudes, les masses d'air possèdent des caractéristiques de gradient de température (différence de température entre deux altitudes) qui neutralisent le phénomène de la convection.

Lorsque le vélivole trouve un thermique, généralement sous sa matérialisation (en fait un nuage appelé cumulus, de forme cotonneuse et à base plate), il se met à décrire des spirales et tente de trouver la meilleure zone de montée. Celle-ci l'élèvera jusqu'à ce qu'il rencontre la base des nuages (ou 500 pieds au-dessous aux États-Unis), dans lesquels il ne pourra entrer pour des raisons légales (en planeur, seul le vol à vue est autorisé) ou bien à proximité de la couche d'inversion où la température cesse de décroître suivant l'adiabatique sèche. Il était dit que les ascendances devenaient inutilisables lorsque l'indice thermique à un niveau donné est inférieur en valeur absolue à −2 K[8]. La notion d'indice thermique est aujourd'hui abandonnée par la Federal Aviation Administration[9].

L'ascendance se poursuit dans le nuage et même se renforce, la condensation de l'eau absorbant un surcroît de chaleur (chaleur latente de changement d'état) ce qui accentue la différence de masse volumique entre l'air sec du nuage et l'air humide de l'ascendance. Un planeur qui s'approche trop près peut être obligé de sortir ses aérofreins pour ne pas se faire « aspirer » par le nuage. Il n'est pas exceptionnel d'observer une vitesse verticale de 2 m/s même à plus de 120 km/h, sous un nuage, et ceci sous des latitudes moyennes (nord de la France). Il peut aussi prendre de la vitesse (sans dépasser les limites autorisées, ce qui mettrait la structure en danger) pour rester sous la base du nuage et accumuler de l'énergie cinétique, qui peut, une fois le nuage dépassé, être convertie en hauteur en réduisant la vitesse.

Lorsque l'air est particulièrement instable, les cumulus vont se mettre à bourgeonner, se transformer en cumulus congestus puis en cumulonimbus et engendrer localement et temporairement des ascendances puissantes et très douces dues à un déficit de pression[10] - [4]. Ces nuages sont en général inappropriés pour la pratique du vol à voile car ils peuvent engendrer des rafales descendantes qui peuvent être extrêmement violentes. En outre ces rafales descendantes engendrent une goutte froide qui va générer une inversion locale de température près du sol et qui va supprimer toute ascendance autour du cumulonimbus. Le vélivole se méfiera aussi particulièrement des zones où l'air est en ascension généralisée et laminaire.

Schéma d'une pente, en vert la zone ascendante.

En situation de vol de pente, en revanche, le pilote recherche les masses d'air ascendantes qui résultent d'un mouvement mécanique dû à l'action du vent sur le relief. Le vol de pente fonctionne sous tous les climats et par tous temps mais uniquement en certains lieux dès lors que l'intensité du vent est suffisante (~ 15 km/h). Ces reliefs doivent être suffisamment étendus afin d'éviter d'être contournés par le vent. Les ascendances ainsi générées peuvent généralement se prolonger jusqu'à 500 à 700 m au-dessus de la ligne de crête suivant la forme de la pente et la force du vent. Lors de journées ensoleillées, les pentes exposées au soleil se réchauffent plus vite que les zones environnantes et il se produit alors un phénomène de vent anabatique qui peut s'ajouter au vent ambiant. Ce dernier phénomène est appelé par les vélivoles français « ascendance thermo-dynamique » ; il est l'addition d'un phénomène thermique et dynamique. Aux États-Unis, on parle simplement de vent anabatique. Les pentes exposées au soleil sont ainsi de bons déclencheurs de thermiques.

Le record de durée en planeur monoplace revient à Charles Atger réalisé le 2 avril 1952 sur planeur Air 100, d'une durée de 56 heures et 15 minutes, au départ de l'aérodrome du Mazet de Romanin[11] - .

L'aérologie particulière de ce terrain de vol à voile, liée à l'intensité et la durée du vent de mistral a permis la réalisation de ce record. Des éclairages furent installés afin d'éclairer la chaîne des Alpilles durant ce vol de durée.

Pour des raisons de sécurité, le code sportif ne reconnaît plus de record de durée depuis l'accident mortel de Bertrand Dauvin en 1954[12].

Vol d'onde avec une première onde sur le relief (A) puis une seconde qui comporte des nuages lenticulaires (B).

Nuages de rotors (cumulus fractus) avec un nuage lenticulaire (cirrocumulus lenticularis) matérialisant un système d'ondes orographiques avec rotors en aval de la Sierra Nevada.

LS1-d de l'aéroclub de Nogaro en vol au-dessus des Pyrénées.

Le vol d'onde est une variante de vol orographique permettant au planeur de monter beaucoup plus haut que le vol de pente.

En effet, sous le vent du relief, et sous certaines conditions, se produisent un ou plusieurs ressauts, du fait de l'élasticité de l'air^[Faux]. Ces ondes peuvent atteindre de grandes altitudes, largement supérieures à celle du relief générateur. Ces zones de ressauts sont parfois matérialisées par des nuages particuliers appelés lenticulaires, nuages de forme très régulière, parfois en pile d'assiettes, anormalement immobiles alors que le vent souffle avec intensité.

C'est en vol d'onde qu'ont été réalisés les plus grands records d'altitude absolue et de distance.

Quelques pilotes comme Ingo Renner ont utilisé les différences de vitesses entre différentes masses d'air superposées. Cette technique est surtout utilisée par les albatros et les pilotes de modèles réduits radio commandés.

Remorquage d'un Grob G103 Twin Astir II par un Robin DR-400.

La méthode de lancement la plus commune est le remorquage par un avion à l'aide d'un câble largable ou enroulable. Certains moto-planeurs ou ULM suffisamment puissants peuvent être utilisés pour le remorquage de planeurs légers.

Cependant, ce mode de lancement cède progressivement du terrain au profit du treuil pour des raisons économiques. En effet, l'avion consomme plus pour son besoin propre que pour la traction du planeur proprement dite, et sa consommation lors du remorqué (environ 40 litres à l'heure) représente souvent la plus grande part du budget d'un vélivole[13].

Décollage au treuil.

Un treuil.

Une autre méthode de « lancer » fait appel au treuil monté sur un véhicule lourd ou une remorque. Cette technique de lancement est particulièrement impressionnante : relié à ce treuil par un câble, le planeur accélère de 0 à 80-90 km/h sur 15 mètres, et il décolle ensuite un peu à la façon du cerf-volant selon une forte pente de montée (45 degrés en moyenne)[14]. La vitesse de montée est limitée à 100 km/h environ, selon le planeur et le treuil utilisés (V_w). Arrivé pratiquement à la verticale du treuil, à environ 400 mètres de hauteur, le câble est décroché du planeur et freiné dans sa descente par un petit parachute pendant que l'individu chargé d'actionner le treuil, le « treuillard », rembobine.

Cette méthode, assez pratiquée en Allemagne et en Suisse l'est de plus en plus en France. Son coût est beaucoup plus faible que le remorquage, mais le désavantage réside dans le fait que le largage s'effectue toujours au même endroit, alors qu'en remorquage, l'avion peut emmener le planeur là où son pilote le souhaite, c'est-à-dire dans une ascendance. D'autre part, les altitudes atteintes avec un treuil sont bien moindres qu'avec un avion remorqueur. Néanmoins, la pratique montre qu'avec une météo « volable », ces derniers points n'ont que peu d'importance. En revanche, par mauvaise météo, les départs en remorqué sont rares à cause de leur coût et sont remplacés par des lancers avec le treuil, à fin d'écolage.

Enfin, sur le plan de la protection de l'environnement, le treuil garantit la tranquillité des riverains des aérodromes et ne consomme que l'énergie nécessaire au décollage du planeur, soit environ un litre d'essence ou un kWh pour les treuils électriques.

DG-808B de 18 mètres, moteur sorti.

Les motoplaneurs intègrent un moteur thermique ou électrique qui leur permet de décoller de façon autonome. Le moteur est ensuite arrêté pour poursuivre en vol à voile. Il peut être redémarré en cas de besoin, notamment pour éviter un atterrissage aux vaches.

Les motoplaneurs de performance disposent le plus souvent d'une hélice rétractable dans le fuselage (derrière l'aile ou dans le cône de nez) pour ne pas dégrader leur aérodynamique en vol à voile.

Ceux dont l'hélice n'est pas rétractable (l'hélice est simplement mise en drapeau quand le moteur est arrêté) ont de moins bonnes performances mais permettent d'effectuer facilement l'école de début ou les vols d'hiver (comme les SF25 ou SF28).

Décollage d'un planeur derrière une voiture.

Le décollage tracté par voiture est plus rare. Ce type de décollage se réalise avec un véhicule lourd ayant une excellente accélération et une bonne force pour tirer le planeur. La piste de décollage doit être assez longue pour permettre au véhicule de parcourir une grande distance, car le câble est long et le planeur monte comme avec le treuil. D'une autre façon, le vol peut s'effectuer au bord d'une falaise, la voiture tracte le planeur droit vers la falaise, le planeur stabilise son vol à 2 ou 3 m du sol, puis la voiture ralentit et s'arrête, le planeur la survole. Ce type de décollage a été illustré par le film La Grande Vadrouille. La technique s'apparente au décollage au sandow mais ne nécessite pas autant de vent pour être mise en œuvre.

Un décollage Sandow d'un ASK 21.

Cette technique n'est quasiment plus pratiquée de nos jours, c'était la méthode de lancement favorite jusqu'au début de la Seconde Guerre mondiale.

Le sandow est constitué d'un brin élastique muni à son milieu d'un anneau destiné à être placé dans le crochet de remorquage. Ce brin est prolongé à ses deux extrémités par des cordes d'une douzaine de mètres de longueur et munies d'un nœud tous les deux mètres pour faciliter la prise en main[15].

Une corde fixée à un piquet passe dans la béquille de queue et un aide maintient le bout libre pour immobiliser le planeur. (les planeurs allemands étaient munis d'un anneau de retenue en arrière de la béquille). Le reste de l'équipe se répartit sur les deux cordes à nœuds et se place de façon que le sandow forme un grand V pour que le planeur puisse passer entre les deux groupes lors du décollage. En fonction de divers paramètres (force du vent, niveau du pilote, poids du planeur, genre de vol recherché) le chef d'équipe (en général un moniteur) annonçait le nombre de pas à faire pour mettre le sandow en tension et, éventuellement, de courir ensuite. Par exemple, "quinze pas et courir". Les équipiers commencent à marcher pendant que le chef d'équipe compte les pas à voix haute. Quand le nombre de pas prévu est atteint la corde retenant la queue du planeur est lâchée et les deux équipes courent jusqu'à ce que le planeur les dépasse[15].

Ce mode de lancement était évidemment plus adapté au vol de pente puisqu'il permettait d'envoyer le planeur directement dans la zone d'ascendance dynamique tout en l'éloignant rapidement du sol. Il était également pratiqué en plaine pour l'instruction en monoplace des jeunes pilotes. Il permettait tout juste des "sauts de puce" et donnait lieu à obtention du brevet A (10 secondes) et B (60 secondes).

Planeurs alignés pour décoller et effectuer un vol sur la campagne.

• Vol local :

On parle de vol local lorsqu'un planeur ne s'éloigne pas de l'aérodrome de décollage ou d'une zone possible, de façon à pouvoir y atterrir en toute circonstance et en particulier s'il ne trouve plus d'ascendances. En pratique, la distance d'éloignement du terrain dépend directement de l'altitude de l'appareil. Celui-ci doit pouvoir regagner le terrain dans les pires conditions, à savoir une finesse de 10 pour un pilote débutant, 20 au maximum pour un pilote confirmé dans un planeur de finesse 30. Toutefois ce facteur peut être facilement porté à 30 ou 35 si le pilote est aux commandes d'un planeur de compétition. Il convient d'ajouter à ce cône une marge de sécurité de 300 m correspondant aux manœuvres d'approche de l'aérodrome. C'est-à-dire que pour respecter la règle du vol local, un planeur situé à 25 km du terrain piloté par un débutant doit être à une altitude supérieure ou égale à 2 500 m+300 m au-dessus du sol. Soit un volume en forme de cône inversé au-dessus de l'aérodrome où chaque mètre gagné en altitude permet d'en parcourir 10 en distance horizontale. C'est un 'cône de finesse 10'. Il est à noter que lors de très bons jours où la base de cumulus est à 3 000 m et si l'on est aux commandes d'un planeur de compétition, on peut être local à l'aérodrome à 80 km de celui-ci!

Le vol local permet de se faire plaisir avec un faible risque de se vacher.

• Vol sur la campagne avec ou sans but fixé :

Une fois délivrée l'autorisation de vol sur la campagne (en France), le vélivole peut, lorsque les conditions météorologiques le permettent, s'éloigner du terrain pour réaliser des vols de distance. Ainsi il peut parcourir plus de 500 km lors d'un circuit en triangle, en survolant des lieux magnifiques vus du ciel. Si les conditions météorologiques rencontrées lors du vol sur la campagne ne permettent plus au pilote de maintenir ou de gagner de l'altitude, de rejoindre son aérodrome de départ, de destination ou un autre aérodrome de déroutement et parce que les planeurs purs ne sont pas motorisés, ils peuvent être alors amenés à se vacher. Le vol sur la campagne consiste à se déplacer d'un cône à l'autre, d'une surface adaptée pour se vacher à une autre en profitant des mouvements ascendants de la masse d'air, de parcourir ainsi de grandes distances et parfois à se poser dans un champ.

Bien sûr, le vélivole, comme le pilote d'avion, est soumis aux règles de l'espace aérien.

Janus C en arrivée à grande vitesse après un circuit en compétition.

Le but d'une épreuve de compétition de vol à voile est simple : effectuer un circuit en un minimum de temps. Des variations peuvent exister dans la façon dont est définie l'épreuve, cependant l'objectif global reste le même.

La forte dispersion en matière de performances en fonction du type de planeur a mené à la création de différentes classes :

En plus de cette classification basée sur l’envergure et la présence de dispositifs améliorant les caractéristiques de base du planeur, il existe un système de handicaps basé sur les performances effectives de la machine dans les conditions météorologiques habituelles d’une région. Ce handicap reflète l’ensemble du comportement du planeur tels qu’une faible vitesse de décrochage et un faible taux de chute, ce qui permet d’exploiter au mieux les ascendances, ou tel qu’un maintien d’une bonne finesse à des vitesses élevées, ce qui diminue l’impact d’un vent debout et permet d'effectuer de plus grandes distances durant les bonnes heures de la journée.

Ce système accorde un handicap de 100 à une machine « moyenne » (planeur de compétition au début des années 1980), de moins de 100 à une machine moins performante et plus de 100 à une meilleure machine. Les points obtenus lors d’une épreuve sont divisés par ce handicap.

Ainsi, dans le cadre de la Coupe Charon (Belgique) ou de la Netcoupe (France), un triangle de 300 km réussi et annoncé avant le vol vaut 300 points s’il est réalisé avec un LS1f, 384 points s’il est réalisé avec un Ka8 (de) et 227 points s’il réalisé avec un ETA. Grâce à ce système de handicap, les résultats obtenus reflètent mieux la qualité du pilotage et moins la performance du planeur. Il existe aussi une compétition internationale Online Contest (en) qui suit les règles de la Sports Class où à chaque type de planeur est attribué un handicap. Dans sa version classique, aucune déclaration n'est nécessaire et jusqu'à 6 branches sont autorisées. Cela permet d'effectuer de très longs vols tout en restant proche de l'aérodrome. Par exemple, on peut effectuer un vol de 60 km en restant à 5 km de l'aérodrome ! En effet, 60 km = (5+5) * 6 km. Par exemple, avec un plafond de 3 000 m et un planeur de compétition, on peut faire un vol de (80+80) * 6 = 960 km tout en restant local!

Le vol à voile a été un sport de démonstration à l'occasion des Jeux olympiques d'été de 1936 (Berlin) lors desquels 4 planeurs DFS Habicht avaient fait une présentation de voltige. Pour les jeux de 1940 prévus à Helsinki le vol à voile figurait parmi les disciplines officielles. Pour mettre les pilotes dans les mêmes conditions la compétition devait se courir sur "monotype", le planeur retenu était le DFS Meise adapté au cahier des charges et rebaptisé DFS Olympia Meise pour l'occasion. Les plans étaient fournis aux autres pays désirant participer. En France le planeur "olympique" fût nommé Nord 2000[16]. Les événements ayant empêché cette édition des jeux le vol à voile n'a jamais été olympique.

Les compétitions de voltige sont régulières.

Dans ce type de compétition, le pilote vole pour effectuer un programme constitué de figures (comme le vol inversé, le looping, le tonneau, la cloche et d'autres). Chaque manœuvre a son « facteur de charge ».

Le maximum des points est donné pour la manœuvre la mieux exécutée. Dans le cas contraire, des points sont déduits. Des manœuvres efficaces permettent d’effectuer le programme en entier avec une altitude donnée. Le gagnant est bien sûr le pilote qui a le plus de points.

• Gil Roy, Le vol à voile, Paris, Denoêl, 1996, 232 p. (ISBN 2-207-24384-2)
• [Météorologie du vol libre] (en) Dennis Pagen, Understanding the sky, Dennis Pagen Sport Aviation Publications, 1992, 280 p. (ISBN 0-936310-10-3)
• [Modèle numérique des thermiques] (en) Michael Allen, Updraft Model for Development of Autonomous Soaring Uninhabited Air Vehicles, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005 (lire en ligne)
• [Advanced soaring] (en) Bernard Eckey, Advanced Soaring made easy, West Lakes, SA, 2012, 3^e éd., 432 p. (ISBN 978-0-9807349-2-8)
• Gabriel Chevenoy, Jean Michel Thellier, Robert Prat, Manuel du pilote Vol à Voile, Toulouse, Cépaduès éditions, 2017, 12^e éd., 290 p. (ISBN 978-2-85428-895-7)
• Helmut Reichmann (trad. de l'allemand), La Course en Planeur : traité du vol à voile de performance et de compétition, Nogent-sur-Marne, Volez! Editions, 2008, 197 p. (ISBN 978-2-917396-04-9)

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