Altimètres et altitude

Un altimètre est un instrument utilisé pour indiquer la hauteur de l'aéronef au-dessus d'un niveau prédéterminé, tel que le niveau de la mer ou, dans le cas d'un altimètre radio/radar, la hauteur du terrain sous l'aéronef. La façon la plus courante de mesurer cette distance est enracinée dans les découvertes faites par des scientifiques il y a des siècles. Les travaux du XVIIe siècle prouvant que l'air dans l'atmosphère exerçait une pression sur les choses qui nous entourent ont conduit Evangelista Torricelli à l'invention du baromètre. Toujours au cours de ce siècle, en utilisant le concept de ce premier instrument de mesure de la pression atmosphérique, Blaise Pascal a pu montrer qu'il existe une relation entre l'altitude et la pression atmosphérique. À mesure que l'altitude augmente, la pression atmosphérique diminue. La quantité qu'il diminue est mesurable et cohérente pour tout changement d'altitude donné. Par conséquent, en mesurant la pression atmosphérique,

Les altimètres qui mesurent l'altitude de l'avion en mesurant la pression de l'air atmosphérique sont appelés altimètres à pression. Un altimètre barométrique est conçu pour mesurer la pression de l'air ambiant à n'importe quel endroit et à n'importe quelle altitude. Dans les avions, il est connecté au(x) évent(s) statique(s) via des tubes dans le système pitot-statique. La relation entre la pression mesurée et l'altitude est indiquée sur la face de l'instrument, qui est calibrée en pieds. Ces appareils sont des instruments à lecture directe qui mesurent la pression absolue. Un soufflet anéroïde ou anéroïde est au cœur du fonctionnement interne de l'altimètre manométrique. Attachés à ce diaphragme scellé sont les liaisons et les engrenages qui le relient au pointeur indicateur. La pression d'air statique pénètre dans le boîtier hermétique de l'instrument et entoure l'anéroïde. Au niveau de la mer, l'altimètre indique zéro lorsque cette pression est exercée par l'air ambiant sur l'anéroïde. Lorsque la pression atmosphérique est réduite en déplaçant l'altimètre plus haut dans l'atmosphère, l'anéroïde se dilate et affiche l'altitude sur l'instrument en faisant tourner le pointeur. Lorsque l'altimètre est abaissé dans l'atmosphère, la pression de l'air autour de l'anéroïde augmente et le pointeur se déplace dans la direction opposée.

Le cadran, ou cadran, d'un altimètre analogique se lit de la même manière qu'une horloge. Lorsque l'aiguille la plus longue se déplace autour du cadran, elle enregistre l'altitude en centaines de pieds. Un tour complet de cette aiguille indique 1 000 pieds d'altitude.

Le deuxième point le plus long se déplace plus lentement. Chaque fois qu'il atteint un chiffre, il indique 1 000 pieds d'altitude. Une fois autour du cadran pour ce pointeur est égal à 10 000 pieds. Lorsque le pointeur le plus long parcourt complètement le cadran une fois, le deuxième point le plus long ne déplace que la distance entre deux chiffres, indiquant que 1 000 pieds d'altitude ont été atteints. S'il en est équipé, un troisième pointeur, le plus court ou le plus fin, enregistre l'altitude par incréments de 10 000 pieds. Lorsque ce pointeur atteint un chiffre, 10 000 pieds d'altitude ont été atteints. Parfois, une zone hachurée en noir et blanc ou en rouge et blanc est affichée sur le visage de l'instrument jusqu'à ce que le niveau de 10 000 pieds soit atteint.

De nombreux altimètres contiennent également des liaisons qui font tourner un compteur numérique en plus de déplacer des pointeurs autour du cadran. Cette fenêtre de référence rapide permet au pilote de lire simplement l'altitude numérique en pieds. Le mouvement des chiffres rotatifs ou du compteur à tambour lors d'une montée ou d'une descente rapide rend difficile ou impossible la lecture des chiffres. La référence peut alors être dirigée vers l'indication de style horloge classique. La figure illustre le fonctionnement interne derrière ce type d'affichage numérique mécanique de l'altitude pression.  

Les véritables écrans d'instruments numériques peuvent afficher l'altitude de nombreuses façons. L'utilisation d'un affichage numérique plutôt qu'une reproduction du cadran de type horloge est la plus courante. Souvent, un affichage numérique numérique de l'altitude est donné sur l'affichage de vol principal électronique près de la représentation de l'horizon artificiel. Une échelle verticale linéaire peut également être présentée pour mettre en perspective cette valeur numérique dure.

Une mesure précise de l'altitude est importante pour de nombreuses raisons. L'importance est amplifiée dans les conditions de vol aux instruments (IFR). Par exemple, l'évitement d'obstacles élevés et d'un terrain en pente repose sur une indication d'altitude précise, tout comme le vol à une altitude prescrite attribuée par le contrôle de la circulation aérienne (ATC) pour éviter une collision avec d'autres aéronefs. Mesurer l'altitude avec un appareil de mesure de pression est semé d'embûches. Des mesures sont prises pour affiner l'indication de l'altitude-pression afin de compenser les facteurs susceptibles de provoquer un affichage imprécis. 

Un facteur majeur qui affecte les mesures d'altitude-pression est les variations de pression naturelles dans l'atmosphère en raison des conditions météorologiques. Différentes masses d'air se développent et se déplacent à la surface de la terre, chacune avec des caractéristiques de pression inhérentes. Ces masses d'air sont à l'origine des conditions météorologiques que nous connaissons, en particulier aux limites des masses d'air appelées fronts. En conséquence, au niveau de la mer, même si la température reste constante, la pression de l'air monte et descend à mesure que les masses d'air du système météorologique vont et viennent. Les valeurs de la figure sont donc des moyennes à des fins théoriques.  

Pour maintenir la précision de l'altimètre malgré la variation de la pression atmosphérique, un moyen de réglage de l'altimètre a été conçu. Une échelle de pression réglable visible sur la face d'un altimètre analogique connu sous le nom de fenêtre barométrique ou Kollsman est réglée pour lire la pression atmosphérique existante lorsque le pilote tourne le bouton à l'avant de l'instrument. Ce réglage est lié par des engrenages à l'intérieur de l'altimètre pour déplacer également les pointeurs indiquant l'altitude sur le cadran. En mettant la pression atmosphérique connue actuelle (également connue sous le nom de calage altimétrique) dans la fenêtre, l'instrument indique l'altitude réelle. Cette altitude, ajustée en fonction des changements de pression atmosphérique dus aux conditions météorologiques et à l'incohérence de la pression de la masse d'air, est connue sous le nom d'altitude indiquée.

Il convient de noter qu'en vol au-dessous de 18 000', le calage altimétrique est modifié pour correspondre à celui de la station météorologique ou de l'aéroport disponible le plus proche. Cela permet de maintenir la précision de l'altimètre au fur et à mesure que le vol progresse.

Alors qu'il n'y avait guère besoin de mesurer l'altitude exacte dans les premières aviations à voilure fixe, connaître son altitude fournissait au pilote des références utiles tout en naviguant dans les trois dimensions de l'atmosphère. Au fur et à mesure que le trafic aérien augmentait et que le désir de voler dans toutes les conditions météorologiques augmentait, la mesure exacte de l'altitude devenait plus importante et l'altimètre était affiné. En 1928, Paul Kollsman a inventé le moyen de régler un altimètre pour refléter les variations de pression atmosphérique par rapport à la pression atmosphérique standard. L'année suivante, Jimmy Doolittle a réussi son vol démontrant la faisabilité du vol aux instruments sans références visuelles à l'extérieur du cockpit à l'aide d'un altimètre sensible Kollsman.

Le terme altitude-pression est utilisé pour décrire l'indication qu'un altimètre donne lorsque 29,92 est réglé dans la fenêtre de Kollsman. Lorsqu'ils volent dans l'espace aérien américain au-dessus du niveau moyen de la mer (MSL) de 18 000 pieds, les pilotes doivent régler leur altimètre sur 29,92. Avec tous les aéronefs faisant référence à ce niveau de pression standard, la séparation verticale entre les aéronefs affectés à différentes altitudes par l'ATC devrait être assurée. C'est le cas si tous les altimètres fonctionnent correctement et que les pilotes maintiennent leurs altitudes assignées. Notez que l'altitude vraie ou la hauteur réelle d'un aéronef au-dessus du niveau de la mer est uniquement la même que l'altitude-pression lorsque des conditions de jour standard existent. Sinon, tous les aéronefs dont les altimètres sont réglés sur 29,92 "Hg pourraient avoir des altitudes vraies supérieures ou inférieures à l'altitude pression indiquée. Cela est dû au fait que la pression dans la masse d'air dans laquelle ils volent est supérieure ou inférieure à la pression diurne standard (29,92). L'altitude réelle ou vraie est moins importante que d'empêcher les aéronefs d'entrer en collision, ce qui est accompli par tous les aéronefs au-dessus de 18 000 pieds faisant référence au même niveau de pression (29,92 "Hg).

La température affecte également la précision d'un altimètre. Les diaphragmes anéroïdes utilisés dans les altimètres sont généralement en métal. Leur élasticité change lorsque leur température change. Cela peut conduire à une fausse indication, surtout à haute altitude lorsque l'air ambiant est très froid. Un dispositif de compensation bimétallique est intégré à de nombreux altimètres sensibles pour corriger les variations de température. La figure montre un tel dispositif sur un altimètre à tambour.  

La température affecte également la densité de l'air, ce qui a un impact important sur les performances d'un avion. Bien que cela n'entraîne pas une lecture erronée de l'altimètre, les équipages de conduite doivent être conscients que les performances changent avec les variations de température dans l'atmosphère. Le terme altitude-densité décrit l'altitude corrigée pour une température non standard. C'est-à-dire que l'altitude-densité est l'altitude de jour standard (altitude-pression) à laquelle un aéronef connaîtrait des performances similaires à celles qu'il aurait le jour non standard actuellement connu. Par exemple, lors d'une journée très froide, l'air est plus dense que lors d'une journée standard, de sorte qu'un avion se comporte comme s'il se trouvait à une altitude inférieure. L'altitude-densité est plus faible ce jour-là. Par une journée très chaude, l'inverse est vrai, et un avion se comporte comme s'il se trouvait à une altitude plus élevée où l'air est moins dense. L'altitude-densité est plus élevée ce jour-là.

Des facteurs de conversion et des tableaux ont été produits afin que les pilotes puissent calculer l'altitude-densité n'importe quel jour particulier. L'inclusion de la pression atmosphérique non standard due aux systèmes météorologiques et à l'humidité peut également être prise en compte. Ainsi, bien que les effets de la température sur les performances de l'avion ne provoquent pas d'indications erronées de l'altimètre, une indication altimétrique peut être trompeuse en termes de performances de l'avion si ces effets ne sont pas pris en compte.

D'autres facteurs peuvent entraîner une indication altimétrique inexacte. L'erreur d'échelle est une erreur mécanique par laquelle l'échelle de l'instrument n'est pas alignée de sorte que les pointeurs de l'altimètre indiquent correctement. Des tests et des ajustements périodiques effectués par des techniciens formés à l'aide d'équipements calibrés garantissent que l'erreur d'échelle est réduite au minimum.

L'altimètre barométrique est relié au système pitot-statique et doit recevoir un échantillon précis de la pression atmosphérique ambiante pour indiquer l'altitude correcte. L'erreur de position, ou erreur d'installation, est cette imprécision causée par l'emplacement de l'évent statique qui alimente l'altimètre. Bien que tous les efforts soient faits pour placer des évents statiques dans de l'air non perturbé, le flux d'air au-dessus de la cellule change avec la vitesse et l'attitude de l'avion. La quantité de cette erreur de collecte de pression d'air est mesurée lors de vols d'essai, et un tableau de correction montrant les écarts peut être inclus avec l'altimètre à l'usage du pilote. Normalement, l'emplacement des évents statiques est ajusté pendant ces vols d'essai afin que l'erreur de position soit minimale. L'erreur de position peut être supprimée par l'ADC dans les avions modernes, de sorte que le pilote n'a pas à se soucier de cette imprécision.  

Les fuites du système statique peuvent affecter l'entrée d'air statique dans l'altimètre ou l'ADC, entraînant des indications d'altimètre inexactes. C'est pour cette raison que la maintenance statique du système comprend des contrôles d'étanchéité tous les 24 mois, qu'une anomalie ait été constatée ou non. Voir la section sur l'entretien de l'instrument vers la fin de ce chapitre pour plus d'informations sur cette vérification obligatoire. Il faut également comprendre que les altimètres mécaniques analogiques sont des dispositifs mécaniques qui résident souvent dans un environnement hostile. Les variations importantes de la plage de vibrations et de températures rencontrées par les instruments et le système statique de Pitot (c'est-à-dire les raccords et raccords de tubulure) peuvent parfois créer des dommages ou une fuite, entraînant un dysfonctionnement de l'instrument. Un entretien approprié lors de l'installation est la meilleure action préventive.

La nature mécanique de l'appareil de mesure de pression à membrane de l'altimètre analogique présente des limites. Le diaphragme lui-même n'est élastique que lorsqu'il réagit aux changements de pression d'air statique. L'hystérésis est le terme utilisé lorsque le matériau à partir duquel le diaphragme est fabriqué prend un jeu pendant de longues périodes de vol en palier. Si elle est suivie d'un changement d'altitude brusque, l'indication est en retard ou répond lentement tout en se dilatant ou en se contractant lors d'un changement d'altitude rapide. Bien que temporaire, cette limitation provoque une indication d'altitude inexacte.

Il convient de noter que de nombreux altimètres modernes sont construits pour s'intégrer dans les systèmes de commande de vol, les pilotes automatiques et les systèmes de surveillance de l'altitude, tels que ceux utilisés par l'ATC. Le fonctionnement de base de détection de pression de ces altimètres est le même, mais un moyen de transmission des informations est ajouté.