Qualification of two unmanned aerial systems for wind and turbulence observations in the atmospheric boundary layer

Qualification de deux avions sans pilote équipés pour l'observation du vent et de la turbulence dans la couche limite atmosphérique Le développement des drones dans le cadre de la recherche atmosphérique a connu une forte croissance durant ces dernières années en raison de leurs multiples avantages. Les drones constituent un outil performant pour le profilage des paramètres les plus importants de la couche limite atmosphérique (CLA) comme la température, l’humidité et le vecteur vent, ainsi que pour les observations de la turbulence. Les avions instrumentés dédiés aux observations atmosphériques ont été une source d’inspiration pour le développement des charges utiles des drones qui sont des plateformes complémentaires aux systèmes déjà existants comme les tours, les avions instrumentés et les radiosondes, puisqu’ils peuvent échantillonner des zones inaccessibles aux autres plateformes. Nous avons qualifié deux charges utiles pour la mesure du vent et de la turbulence dans la couche limite atmosphérique pour deux drones de différentes tailles. Le premier est un drone de petite taille (3.5 kg y compris la charge utile et une envergure de 2.6 m) nommé OVLI-TA (Objet Volant Leger Instrumenté–Turbulence Atmosphérique). Le second est le drone BOREAL à voilure fixe de taille supérieure (25 kg dont une charge utile jusqu’à 5 kg et une envergure de 4.2 m).L’instrumentation météorologique d’OVLI-TA est composée d’une sonde cinq-trous qui remplace le nez du drone, un tube Pitot pour mesurer la pression statique et dynamique, une centrale inertielle, un GPS, ainsi que des capteurs de température et d’humidité. De plus, l’autopilot Pixhawk a été utilisé pour la navigation. Les calibrations de la sonde cinq-trous ont été réalisées en soufflerie afin de déterminer les coefficients de sensibilité des angles d’attaque et de dérapage. On présente les analyses d’un vol de qualification mené en mars 2016 dans le centre de recherche atmosphérique à Lannemezan qui est équipé d’une tour de 60 m instrumentée et dédiée à la mesure continue des paramètres de la couche limite atmosphérique, ainsi que de vols réalisés en juin et juillet 2016 lors de la campagne de mesure internationale DACCIWA (Dynamics-Aerosol-Chemistry-Clouds Interactions in West Africa), au Bénin. Cette analyse permet d’évaluer les performances d’OVLITA pour mesurer les valeurs moyennes du vent, de la température et de l’humidité, ainsi que la turbulence. Dans cette évaluation, les observations de la tour de 60 m et des radiosondes ont servi de référence.Les avancées de BOREAL par rapport à OVLI-TA résident dans sa charge utile qui est plus importante, son autonomie de vol qui peut atteindre les 9 heures, et aussi sa capacité de voler dans des conditions météorologiques plus défavorables. Son instrumentation météorologique inclut un GPS et une centrale inertielle, une sonde cinq-trous qui remplace le nez du drone et qui mesure les angles d’attaque et de dérapage, un tube Pitot, et des capteurs de température et d’humidité. Afin de calibrer la sonde cinq-trous, j’ai analysé les données du test en soufflerie et j’ai réalisé des simulations numériques avec le code d’écoulement FLUENT. De plus, le premier vol de qualification de BOREAL effectué en 2018 nous a permis de déterminer la vitesse air optimale du drone à laquelle les vibrations sont significativement réduites à un niveau acceptable. Par la suite, en 2020, une première campagne de mesure a été menée à Lannemezan afin de qualifier les capacités de BOREAL à mesurer le vent et la turbulence et ceci suite à des comparaisons avec la tour instrumentée. Un état détaillé des performances de la plateforme est présenté.