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October 23, 2009

Commandes de vol électriques – Lois NORM ALT1 ALT2 et DIR sur Airbus

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Written by: mecifi
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Airbus-Cockpit-jour

La légende veut que le concept de commandes de vol électriques ait été introduit dans les avions civils par Airbus lors de la livraison du premier A320 en 1988. Répandre cette information, c’est oublier le vrai précurseur, un autre avion civil, pourtant bien bruyant pour passer inaperçu. Ayant réalisé son premier vol en 1969, l’Aérospatiale Concorde avait déjà toutes ses surfaces de vol qui étaient contrôlées par un signal électrique provenant de deux circuits indépendants. Maintenant, sur cet appareil, les mouvements des surfaces de vol étaient directement proportionnels au déplacement des commandes dans le cockpit. Ce n’est plus du tout le cas aujourd’hui ou qu’à de rares exceptions près.

L’idée fondatrice consiste à remplacer les câbles, poulies, renvois et autres ressorts de tension par un système basé sur des ordinateurs et de simples fils électriques. Les surfaces de vol sont toujours mobilisées par des vérins hydrauliques, mais ces derniers reçoivent leurs ordres par un contrôle électronique. Bien sur, personne n’a été encore assez fou pour transmettre ces ordres en… wireless. Des câbles électriques circulent dans l’appareil et véhiculent ces ordres qui sont élaborés dans la soute électronique.

En 1994, Boeing emboite le pas à Airbus en introduisant ce même concept sur son 777. A la différence près que Boeing a voulu que les pilotes gardent la même expérience de vol et les mêmes perceptions. Ainsi le triple-seven utilise un manche classique qui permet aussi un retour visuel aux pilotes y compris quand c’est le pilote automatique qui contrôle l’appareil. La famille Airbus dispose d’un manche latéral comme certains avions de chasse.

 

Airbus A320-200 cockpit
Cockpit Airbus A320 – On voit bien le stick coté commandant de bord
 

 

En plus du gain de poids, cette conception a permis d’introduire dans le programme de gestion des commandes de vol des modules permettant d’augmenter la sécurité, le confort ou l’économie. Un Airbus sait, par exemple, braquer ses surfaces de vol très vite pour contrer les effets des turbulences et améliorer l’expérience de vol des occupants. Le pilote le plus alerte serait incapable de fournir une telle fonction.

 

Boeing 777 cockpit
Cockpit Boeing 777-300 : commandes de vol électriques mais présentées de manière classique
 

 

Sécurité apportée par les commandes de vol électriques:
La gestion informatisée des commandes de vol permet d’introduire des fonctions qui sécurisent le domaine de vol. Ici encore, on trouve deux philosophies différentes que l’on regarde du coté de Boeing ou Airbus.

Sur Airbus, le domaine de vol est limité par l’ordinateur de bord. Par exemple, si on réfléchit à la protection contre les inclinaisons excessives, elle fonctionne comme ceci :

Quand le pilote incline le stick latéralement, le système de contrôle de vol reçoit l’information et va lancer une action sur les surfaces de vol en fonction de l’attitude de l’avion. Si l’avion a les ailes horizontales, ou est incliné moins de 33 degrés, la commande est exécutée normalement. Le pilote ramène le stick au neutre et l’appareil garde son inclinaison. Dès 33 degrés, le système réagit de manière différente. Il faut que le pilote maintienne son ordre d’inclinaison pour que l’avion aille et reste dans la zone au-delà des 33 degrés. Des que l’avion atteint les 67 degrés d’inclinaison, il refuse d’aller plus loin. Si à ce moment le pilote relâche la pression sur le stick, l’avion revient dans la zone des 33 degrés d’inclinaison.

La facilité de programmer des algorithmes de contrôle permet d’introduire des variantes en fonction d’autres éléments. Si l’appareil est à un angle d’attaque trop élevé, la limite d’inclinaison imposée sera de 45 degrés au lieu de 67 degrés. Si la vitesse est trop élevée et que le pilote lâche la pression sur le stick, l’avion revient à 0 degrés, c’est-à-dire les ailes à l’horizontale…

Sur le Boeing 777, cette protection existe aussi mais au lieu d’être limitative, elle est dissuasive. Quand le pilote donne un ordre à incliner, le système de commandes va renvoyer une force au manche proportionnelle à l’inclinaison déjà atteinte. Ainsi, plus l’avion est incliné, plus le manche sera lourd et il faudra une force de plus en plus importante pour l’incliner encore dans la même direction. Par contre, si le pilote est déterminé, il peut exercer une force suffisamment élevée et obtenir l’inclinaison qu’il veut.

Que ce soit chez l’un ou l’autre des constructeurs, le système des commandes de vol a besoin de connaitre la situation de l’avion, à savoir attitude, vitesse, hauteur… pour réaliser correctement ses protections. Ceci se fait par le biais de nombreuses sondes et de capteurs. Si ces derniers sont défaillants, le système est obligé de passer à des modes qui suppriment les protections tout en permettant le pilotage de l’avion.

Un Airbus est typiquement équipé de :

- 3 tubes de Pitot
- 6 sondes de pression statique
- 3 sondes d’angle d’attaque
- 2 sondes de température totale

Toutes ces sondes sont chauffées pour éviter le givrage. Les grandeurs physiques mesurées par les Pitot sont transformées en valeurs numériques par des boitiers ADM (Air Data Modules). Il y a 8 ADM mais 9 sondes Pitot et statiques. Ceci s’explique par le fait qu’une sonde statique n’est pas numérisée mais sa grandeur physique est directement transmise au système d’instruments de secours se trouvant au milieu de la console centrale. Le Pitot situé en bas a gauche de l’appareil a un double rôle. D’une part, la pression qu’il mesure est directement acheminée par un tube au badin de secours et d’autre part, elle est numérisée et utilisée ailleurs.

Les valeurs captées par les sondes et numérisées par les ADM sont envoyées aux trois boitiers ADIRU. Leur partie Air, a savoir l’ADR, va s’intéresser a ces paramètres et élaborer des informations telles que la vitesse indiquée, le nombre de mach, l’altitude… etc. Ces informations sont d’une part envoyées au pilote par le biais des instruments, mais aussi aux ordinateurs gérant les commandes de vol.

Principe de non-similarité :
En plus d’avoir des ordinateurs de bord multiples, 5 en tout, Airbus a aussi choisi de les construire selon des architectures différentes afin d’écarter l’éventualité liée à une panne de cause commune. Par exemple, sur la famille A320 il y a 2 ordinateurs de type ELAC et 3 autres de type SEC. L’ELAC est construit autour du processeur de type 68010 développé par Motorola. Les SEC tournent avec un processeur développé à la même époque que le 68010, à savoir l’Intel 80186 qui a une fréquence de 8 Mhz et 68 broches. Chaque ELAC, comme chaque SEC possède un canal principal d’où sortent les ordres de commandes et un canal de contrôle qui vérifie en temps réel les sorties. Chaque canal fonctionne avec un programme écrit séparément soit un total de 4 programmes différents pour le groupe ELAC et SEC. De plus, les SEC n’nt pas les Loi Normale et Alternatives, ils ne connaissent que la Loi Directe.

Limites de protection : 
Autant un système ABS sur les voitures n’a pas été conçu pour sauver des gens qui roulent à tombeau ouvert, autant le système de commandes électriques et ses protections n’ont pas été conçus pour tolérer tout et n’importe quoi. Ce système n’a jamais protégé contre les équipages mal ou sous formés, contre ceux qui sciemment violent les règles, contre la mauvaise maintenance… etc. En plus, ce système ne peut pas empêcher une personne parfaitement déterminée de quitter le domaine de vol. Le 27 novembre 2008, un équipage en a fait la triste expérience sur un Airbus A320 de XL Airways. Pour avoir voulu expérimenter les protections de l’avion dans un contexte qui ne le permettait pas, le commandant de bord s’est retrouvé avec un avion à 57 degrés de cabrer, 3800 pieds d’altitude et 40 nœuds de vitesse, soit 74 km/h. Le crash contre la mer provoqua la mort des 7 occupants de l’appareil.

Les limites sont faites pour des pilotes de « bonne foi » : Une approche difficile, un moment d’inattention, la vitesse baisse trop et la protection se déclenche et sauve la mise ! Maintenant, si on arrive à faible vitesse puis à la brutale on coupe les gaz, on sort de train et on déploie les aérofreins pour voir comment le système va réagir, on risque d’avoir des surprises.

———–> Loi Normale :
Airbus Loi Normale

C’est le mode habituel de l’Airbus. L’appareil se pilote au facteur de charge. C’est-à-dire que pour un mouvement donné du stick, correspond toujours la même accélération (ou même g). Ceci est à comparer aux avions à commandes de vol classique pour lesquels un mouvement du manche correspond toujours au même débattement des surfaces de vol.

Lors du décollage, ce mode efface les ordinateurs de la chaine de commande et permet au pilote de faire la rotation en action directe et a autorité totale sur la gouverne de profondeur. Dès que l’avion prend de la hauteur, la loi normale remet progressivement les ordinateurs dans la boucle.

 

 

Loi Normale : protections 
Protection Facteur de Charge :

Cette protection évite de surcharger l’avion par des manœuvres brutales. En configuration, slats rentrés, il n’est pas possible d’aller plus loin que +2.5 g en tirant sur le stick ou à moins de -1 g en poussant dessus. Si les slats sont sortis, l’intervalle se restreint à 2.0 et 0 g.

Lors du crash de l’Airbus A320 de Gulf Air (lire ici), il a été justement reproché à cette protection d’avoir empêchée le pilote d’appliquer un ordre aussi agressif que nécessaire pour éviter l’impact avec l’eau.

 

Protection en Tangage (Pitch) :

Il n’est pas possible de cabrer l’avion à plus de 30 degrés. Cette limite s’abaisse avec la vitesse jusqu’à 25 degrés. Il n’est pas possible de piquer à plus de 15 degrés. 

Protection d’angle d’attaque :

Empêche l’avion de décrocher. Dès que l’avion arrive à une incidence élevée, le mode normal active la protection. A ce moment, l’avion ne se pilote plus au facteur de charge, mais a l’incidence. A chaque déflection du stick va correspondre une incidence. Si le stick est tiré au maximum, l’avion atteint une incidence maximale inferieure a l’incidence de décrochage et n’ira pas plus loin. 

Protection Survitesse :

Quand l’appareil atteint sa vitesse ou son mach maximal (VMO ou MMO), les ordres a piqué ne sont plus pris en compte et un ordre a cabré est envoyé. En même temps, l’inclinaison maximale qu’il est possible d’ordonner est passe a 45 degrés avec l’appareil qui revient a l’horizontale des que le stick est relâché. Si le pilote automatique est actif, il va se déclencher quand cette protection s’active. 

Protection en inclinaison latérale :

Quand le pilote incline le manche, même très rapidement, l’avion part en inclinaison dont la vitesse est limitée à 15 degrés par seconde. Le maximum atteignable est de 45 ou 67 degrés en fonction de la protection survitesse si elle est active ou non. Jusqu’à 33 degrés d’inclinaison, si le pilote relâche le stick, l’avion garde l’inclinaison atteinte. Au-delà, il revient à 33 degrés. Exception, si la protection survitesse est active, l’avion revient à l’horizontale si la pression sur le stick est relâchée. 

Alarme faible énergie :

C’est une alarme orale qui retentit des que l’avion entre dans une situation ou il ne suffit pas de tirer le manche pour arrêter la descente, mais il faut aussi mettre des gaz. Ceci évite des accidents du genre Indian Airlines vol 605 où les pilotes réalisent une approche a faible vitesse horizontale mais avec un taux de chute formidable. Ces situations sont dangereuses parce que même en tirant complètement sur le manche, l’appareil ne remontera pas, il faut mettre des gaz avec des réacteurs qui mettent plusieurs secondes à réagir. 

 

En résumé, les commandes de vol électroniques protègent contre les problèmes les plus rencontrés lors d’accidents liés à ce qu’on appelle communément des « erreurs de pilotage ». Ils constituent une sorte de filet de survie efficace contre les ordres trop brusques, les pertes de contrôle, les attitudes inusuelles, les désorientations spatiales, les vitesses excessives, le décrochage en toute phase de vol ainsi que les situations de faible énergie qui s’établissent sournoisement lors de l’approche.

Ces protections sont disponibles sur un avion en parfait état de fonctionnement. Dès qu’il y a des pannes, certaines fonctions deviennent impossibles à réaliser par manque de données, d’autorité ou même de pertinence. Quand le système constate des pannes susceptibles de l’affecter, il quitte le mode dit Loi Normale et rentre dans un des autres modes disponibles : Loi Alternative 1, Loi Alternative 2 et Loi Directe.

———–> Loi Alternative 1 :
Airbus Loi Alternative 1

L’avion reste toujours pilotable au facteur de charge comme sur la Loi Normale mais la réponse en tangage est plus lente vu qu’il n’y a plus de protections sur le pitch. Le système de commandes de vol passe dans ce mode s’il détecte l’une des pannes suivantes :

 

 

Les pannes suivantes font passer l’Airbus en mode Loi Alternative 1. De plus, celles en arrière plan rouge provoquent l’arrêt du pilote automatique :
Impossibilité d’agir sur le plan horizontal réglable (PHR), soit parce qu’il est bloqué, soit parce que sa position est inconnue suite a la panne du capteur qui la mesure.
Panne d’une des gouvernes de profondeur
Panne du vérin de l’amortisseur de lacet (yaw damper)
Panne des capteurs de position des volets ou des slats
Panne d’un ADR à condition que les 2 ADR restants ne s’entendent pas sur la valeur de l’angle d’attaque

 

Quand cette loi est active certaines protections sont conservées, d’autres disparaissent et d’autres sont modifiées :

- Protection Facteur de Charge : conservée
- Protection en Tangage (Pitch) : perdue
- Protection d’angle d’attaque : Modifiée. Comme il n’y a plus d’information d’angle d’attaque, une méthode approchée est utilisée. En fonction du poids de l’avion, le système définit une vitesse minimale a l’approche de laquelle le dispositif de protection entre en jeu. Une alarme de type cricket retentit, une voix synthétique annonce « stall ! », un ordre à piquer est progressivement introduit et le mode passe en loi directe permettant une autorité totale au pilote. Ce dernier peut contrer l’ordre à piquer engagé par la protection.
- Protection Survitesse : Modifiée. Quand l’appareil rentre dans la zone de survitesse, un ordre à cabrer est progressivement envoyé dans la chaine de commande. Le pilote a la possibilité de le contrer.
- Protection en inclinaison latérale : conservée
- Alarme faible énergie : perdue.

———–> Loi Alternative 2 :
Airbus Loi Alternative 2

Sur l’axe de tangage, l’avion se cabre ou pique de la même manière que dans la Loi Alternative 1. Par contre, latéralement, la déflection des ailerons devient proportionnelle au déplacement du stick. Le gain varie en fonction de la position des volets. Le taux de roulis possible est de 20 à 25 degrés par seconde alors qu’il est de 15 degrés par seconde en Loi Normale. Les spoilers 2, 3 et 6 sont inhibés sauf si les ailerons sont en panne. De plus, il n’y a plus de protection en inclinaison. Le pilote doit donc agir avec modération sur cet axe.

 

 

Les pannes suivantes font passer l’Airbus en mode Loi Alternative 2. De plus, celles en arrière plan rouge provoquent l’arrêt du pilote automatique :
Panne des 2 moteurs (genre crash de l’Hudson)
Panne de deux centrales inertielles sur les 3 que possède l’avion
Panne de deux ADR sur les 3 que possède l’avion
Désaccord entre ADRs
Panne de tous les spoilers
Panne de tous les ailerons internes
Panne des transducteurs permettant de connaitre la force sur les palonniers

 

Remarque : en cas de pannes multiples, c’est la panne appartenant au mode le plus dégradé qui entrera en jeu. Par exemple, si le capteur du PHR tombe en panne et qu’en même temps il y a un désaccord entre ADRs, c’est la Loi Alternative 2 qui sera activée.

En Loi Alternative 2, voici l’état des protections :
- Protection Facteur de Charge : conservée
- Protection en Tangage (Pitch) : perdue
- Protection d’angle d’attaque : Comme ALT1, c’est-à-dire basée sur la vitesse sauf si 2 ADRs sont en panne. Dans ce cas, plus de protection d’angle d’attaque.
- Protection Survitesse : Comme ALT1 sauf si 3 ADRs sont en panne.
- Protection en inclinaison latérale : perdue
- Alarme faible énergie : perdue.

———–> Loi Directe :
Airbus Loi Directe

Cette loi est la plus dégradée. Les mouvements du side stick donnent des mouvements proportionnels sur les surfaces de vol. La gouverne de profondeur a une butee variable. Son débattement est élevé quand le centre de gravite de l’appareil se trouve vers l’avant et faible quand le centre de gravité est vers l’arrière. Ceci permet d’avoir un avion ni trop sensible, ni trop mou sur cet axe.

 

 

Les pannes suivantes font passer l’Airbus en mode Loi Directe. Dans ce mode, il n’y a plus de pilote automatique.
Panne des trois centrales inertielles
Panne des trois PRIM (l’avion peut voler avec 1 ou 2 SEC opérationnels)
Panne des deux gouvernes de profondeur (le contrôle en pitch se fait au PHR)
Les 2 moteurs en panne ainsi que le PRIM 1

 

Il n’y a plus aucune protection. Le trim automatique n’existe plus. Les alarmes de décrochage et de survitesse existent toujours mais c’est au pilote de faire les corrections nécessaires.

Remarque : le Concorde a été exploité pendant des décennies alors que ses commandes de vol électriques n’avaient que la Loi Directe avec pilote automatique. Par contre, ses équipages avaient la formation pour voler tout le temps en Loi Directe.

Situations inusuelles :
Un pilote qui agit progressivement sur les commandes rencontre des protections d’enveloppe qui vont l’empêcher de mettre l’avion dans une situation inusuelle. Par contre, rien n’interdit a une perturbation violente, par exemple, de mettre l’avion dans n’importe quelle attitude. Si l’avion se retrouve dans une zone largement au-delà de son enveloppe de vol protégée, le système se déclare en faillite et le pilote à un accès direct aux surfaces de vol. La seule protection restante est celle du facteur de charge sur l’axe de tangage. Voici les conditions qui déclenchent ce mode :

Pitch : plus de 50 degrés en cabré ou plus de 30 degrés de piqué
Inclinaison : plus de 125 degrés
Angle d’attaque : supérieur à 30 degrés, ou inferieur à -10 degrés
Vitesse indiquée : supérieure à 440 nœuds ou inferieure à 60 nœuds
Mach : supérieur à 0.96 ou inferieur à 0.1

Apres la récupération, la loi passe en mode alternatif et le pilote automatique redevient disponible. (Exemple : incident Northwest vol 8).

Commandes mécaniques :
En cas de perte de tout le courant électrique, l’avion a encore une gouverne de direction mécanique, un amortisseur de lacet (yaw damper) de secours ainsi que la possibilité de bouger mécaniquement le plan horizontal réglable.



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One Comment


  1. TANOE Didier Gilbert Kacou

    bonjour, très bon ee exceptionnel site bien pensé , précis ee très informatif, le tout de manière succincte!!!!! félicitations!!!
    je pense également monter un site web ultérieurement, d’ ici quelques mois, sur la sécurité aérienne avec une place toute particulière pour les accidents et victimes mondiaux!!
    bonne continuation!!!
    encore grand merci!!!
    et j espere voir plein de nouveaux articles!!!
    cordialement,
    considération,
    didkac



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