Safire : des avions au service de la recherche en environnement

SAFIRE: aircraft for environmental research With its Safire fleet, France manages a public research infrastructure that supplies the scientific community with three aircraft for altitude measurements. A wide variety of instruments can be installed on the aircraft, either inside the cabin or on the fuselage or under the wings, according to the physico-chemical parameters of the atmosphere or the Earth’s surface to be investigated.After a review of the facilities, the organization of SAFIRE and the management of experimental campaigns, we give an introduction to airborne operations, instrumentation and data processing. Finally two examples of experimental campaigns are described. L e Service des avions français instrumentés pour la recherche en environnement (Safire) est une unité mixte de service du CNRS, de Météo-France et du Cnes : chercheurs et ingénieurs en sont les usagers pour mener à bien les expériences nécessitant des mesures aéroportées in situ ou par télédétection. En France, plusieurs dizaines de laboratoires sont concernés par l’expérimentation scientif ique aéroportée1. Nombre d’entre eux se reposent entièrement sur Safire pour les vols comme pour le processus d’installation instrumentale. Mais certains ont acheté ou conçu et développé en interne leurs propres instruments pour répondre à des besoins spécif iques. Ils ont ensuite recours à des prestataires, privés ou publics, dont Safire. Les principaux thèmes des expérimentations portent sur l’observation atmosphérique, océanographique et des surfaces continentales, la recherche et le développement aéronautique et le soutien aux missions spatiales. De fait, Saf ire occupe une place particulière dans le paysage de la recherche aéroportée, avec ses trois avions ainsi qu’une large gamme d’instruments scientif iques. Cette infrastructure de recherche publique française est de portée internationale. Tout chercheur français ayant un projet de recherche peut mettre à contribution Safire pour le réaliser sous réserve de le faire valider par le Comité scientifique et technique avions (CSTA) et de rassembler le financement nécessaire pour en couvrir les coûts. Une unité mixte de service En tant qu’unité mixte de services, Saf ire est gouverné par un comité de direction constitué de représentants du Cnes, de Météo-France et du CNRS (plus particulièrement de l’Insu, Institut national de sciences de l’Univers). Le comité prend l’avis de la communauté des chercheurs au travers du CSTA, composé d’experts et de représentants des principaux laboratoires utilisateurs de Safire. Les tutelles financent le fonctionnement courant de l’unité. Une autre part, substantielle, des ressources de Safire provient des laboratoires ou organismes utilisateurs de ses services, en particulier via des projets financés par l’Agence nationale de la recherche, la Commission européenne ou encore des agences gouvernementales qui soutiennent souvent les utilisateurs de Safire. Les agents de Safire, issus du CNRS et de Météo-France, sont majoritairement des ingénieurs ou des techniciens, spécialistes de techniques de mesures aéroportées. Des pilotes professionnels, des mécaniciens aéronautiques et du personnel support complètent le dispositif. La base de safire est située sur l’aéroport de Toulouse-Francazal (figure 1). 1. Enquête effectuée en 2014 auprès de plus de 200 laboratoires par le CSTA. Figure 1. Locaux de Francazal. 31 La Météorologie n° 93 mai 2016 Les avions de Safire L’ATR 42 est un bi-turbopropulseur qui peut voler jusqu’à 8 000 mètres d’altitude. En raison de sa taille imposante d’avion commercial, avec une capacité d’emport de 2,5 tonnes de matériel, il permet à plusieurs laboratoires de collaborer en utilisant leurs propres instruments lors de vols mutualisés (encadré 1). À l’origine biréacteur d’affaires, le Falcon 20 explore de plus hautes altitudes avec un plafond de 12 000 m. Sa vitesse de croisière au moment de la mesure est de 200 m/s, soit deux fois plus élevée que celle de l’ATR : cela en fait l’avion le plus rapide de la flotte. Le Piper Aztec, vétéran de la flotte avec 40 ans de service, est un petit bimoteur particulièrement adapté aux mesures en basses couches. Ses caractéristiques lui permettent de faire des tests à bas coût et de voler là où des avions plus gros ne peuvent pas aller. Il a ainsi pu effectuer des survols d’agglomérations à basse altitude qui auraient été interdits à des avions plus volumineux. Une vocation internationale dans une structure européenne Avec ses trois avions, Safire représente une des plus grosses flottes européennes dédiées à la recherche. Un tel dispositif reste un atout majeur pour soutenir la compétitivité des équipes françaises et garantir leur participation aux grandes campagnes internationales de mesure. Naturellement au service des chercheurs de notre pays, Safire fait aussi voler des scientifiques de toute nationalité sur tous les continents. En parallèle, la recherche aéroportée bénéficie de la complémentarité des vecteurs européens réunis au sein du consortium Eufar (European fleet for airborne research). Cette « initiative d’infrastructure intégrée (I3) » européenne permet notamment à tous les scientif iques européens, qu’ils disposent ou non d’un outil national, de bénéf icier de vols scientif iques f inancés. Saf ire a réalisé plusieurs dizaines d’heures de vol dans ce cadre et, sous l’impulsion de ses tutelles, joue un rôle moteur dans ce mouvement européen. Très prochainement, Eufar devrait se consolider en une fédération d’unités nationales au moyen d’une entité juridique commune. Une grande variété de thèmes de recherche Compte tenu de son histoire (encadré 2) et de ses liens forts avec Météo-France, il est naturel que le principal thème des recherches impliquant Safire porte sur l’observation de l’atmosphère. Les enjeux scientif iques autour de la météorologie et du climat nécessitent toujours plus d’observations des interactions entre dynamique, nuages, aérosols, chimie et rayonnement. L’avion reste un outil indispensable par son aptitude à pénétrer dans les phénomènes atmosphériques que les chercheurs souhaitent étudier. Les mesures in situ effectuées à partir d’avions de recherche classiques concernent essentiellement la troposphère, où l’on peut approcher la plupart des phénomènesmétéorologiques que ce soit dans la couche limite ou au sommet des nuages convectifs. La 1. La flotte de Safire 32 La Météorologie n° 93 mai 2016 Un autre grand axe d’utilisation de la mesure aéroportée est l’observation des surfaces (océan, surfaces continentales ou Terre solide), qui recoupe des recherches sur le climat, mais aussi sur la végétation, la sismologie, le volcanisme... Parmi les outils pour lesquels la demande progresse fortement, on peut citer l’imagerie. Ainsi), des caméras hyperspectrales sont testées et utilisées dans les avions de Safire par des chercheurs en sciences des surfaces continentales en collaboration étroite avec l’Onera (Office national d’études et de recherche aérospatiale). L’observation spatiale joue un rôle prépondérant dans tous ces domaines, et les avions de Safire contribuent à son développement au travers notamment de la mise en œuvre de « démonstrateurs » aéroportés, ce qui est une des raisons pour lesquelles le Cnes est cotutelle de l’unité. Ces moyens aériens sont utilisables par toutes les communautés de recherche. La créativité des chercheurs a d’ailleurs permis de mettre en œuvre des projets « exotiques », à l’intersection entre plusieurs disciplines. Ainsi, pendant la campagne Draconides2, le Falcon 20 s’est déplacé jusqu’à Kiruna pour traquer et photographier une pluie de météorites. Une structure de travail aérien dédiée à la recherche La flotte de Saf ire est composée d’avions qui ont été profondément modifiés pour les adapter aux besoins de la recherche. Leurs structures (fuselage et ailes) sont percées ou couvertes de hublots, trappes, pylônes-supports de capteurs et autres veines de prélèvement (figure 2) ; un réseau de distribution électrique et de mesure a été installé et l’aménagement de la cabine lui-même a peu de choses à voir avec le type original de l’avion. En raison du volume important occupé par les appareils de mesure ou de calcul, seulement neuf sièges sont disponibles en cabine dans l’ATR 42 – au lieu de la cinquantaine prévue dans la conf iguration de transport de passagers –, quatre dans le Falcon 20 et deux dans le Piper Aztec. Ils sont réservés aux expérimentateurs navigants de Safire et aux scientifiques qui analysent les données pendant le vol, interviennent si besoin sur les instruments et modif ient Les historiens rapportent que, dès ses balbutiements, la conquête de l’air par les avions a donné lieu à des expériences physiques sur l’atmosphère, tout comme les techniques d’exploration par cerf-volant et ballon-sonde qui ont contribué à la naissance de la météorologie moderne. Néanmoins, il faut attendre la mise au point d’avions légers et fiables pour que le Service météorologique français, l’ONM (Office national météorologique), se dote en 1936 et à l’initiative de l’ingénieur René Eyraud d’un motoplaneur (photo 2) et dont le devis sur papier pelure est pieusement conservé dans les archives de Safire... Les reconnaissances météorologiques aériennes effectuées pendant la deuxième guerre mondiale ont fait gagner du galon aux avions de recherche : à partir de 1947, le CAEM (Centre aérien d’études météorologiques), ancêtre de Safire, et la SASM (Section d’avions de sondages météorologiques), unité militaire exploitant des aéronefs, collaborent en mêlant ingénieurs civils et moyens militaires. À la fin des années 1960, la recherche amorce une nouvelle phase en se dotant de moyens aéroportés en propre. L’objectif est de mettre en place des méthodes éprouvées afin d’étudier l’atmosphère et les surfaces océaniques ou continentales à partir d’avions, en complément des données au sol. Basé dans les installations du Centre d’essais en vol (CEV) de Brétignysur-Orge, l’é