Northwest Airlink 3701 : Core Lock à 41000 pieds

Les vols de repositionnement sont des vols dont le but est de déplacer un avion sans passagers ou charge marchande sur le lieu de son prochain vol. Les compagnies cherchent à les éviter au maximum, mais ils s’imposent d’eux-mêmes en cas de problèmes techniques ou de météo trop défavorable obligeant des appareils à se rendre sur des terrains qu’ils quitteront sans passagers.

Le Northwest Airlink 3701 du 14 octobre 2004 était justement l’un de ces vols. Les deux pilotes devaient repositionner un jet régional, CRJ-200, depuis Little Rock National à Minneapolis International.

 

CRJ-200
Trajet planifie (1100 km) ainsi que le lieu du crash.
 

 

Cinq secondes après le décollage, alors que l’appareil est à moins de 200 pieds sol, le manche est tiré brutalement provoquant un facteur de charge de 1.8 G et un cabré de 22 degrés. Le variomètre saute à 3000 pieds par minute et l’aiguille du badin revient en arrière. Quelques secondes plus tard, l’avion est au bord du decrochage. Le manche vibre et un dispositif automatique le pousse vers l’avant. L’accélération passe à 0.6 g et l’avion se stabilise en reprenant des paramètres normaux. Ce n’est que le début…

A 14000 pieds, le pilote automatique est rapidement branché et les deux membres d’équipage s’échangent leurs places. Le commandant de bord passe à droite et le copilote prend le siège du pacha. L’ambiance se relaxe de plus en plus.

Au passage des 15000 pieds, le pilote automatique est débranché et le manche tiré suffisamment pour obtenir 2.3 g et une vitesse ascensionnelle digne d’un avion de chasse : 10000 pieds par minute ! Bien sûr, ce n’est pas une performance naturelle. Le CRJ-200 troque encore une fois de la vitesse contre de l’altitude.

L’expérience est encore recommencée vers le niveau 250. Cette fois, le DFDR enregistre 1.87 G et près de 9000 pieds par minute de taux de montée. Les pilotes réalisent également des dérapages à droite et à gauche dont certains impliquent un débattement jusqu’en butée de la gouverne de direction.

Avec une telle détermination, l’avion est à son niveau de croisière planifié par la compagnie, le FL330, en à peine un quart d’heure. Cependant, les pilotes ne vont pas en rester là. Au sein de la compagnie, existait une confraternité informelle appelée « club 410 ». Pour y entrer, il fallait avoir volé le CRJ-200 à son altitude maximale certifiée en croisière, à savoir le niveau de vol 410.

A 21:35, après en avoir rapidement discuté, les pilotes demandent au contrôleur de leur donner le niveau de vol 410. Celui-ci est immédiatement assigné et la montée recommence ; rapidement au début, puis elle se poursuit à 500 pieds par minute. A 21:52, les pilotes sont admiratifs devant l’altimètre qui indique 41000 pieds et des poussières. Pourtant, il n’y a pas que lui qui indique des valeurs étonnantes. Au passage du niveau 370, la vitesse affichée n’est que de 203 nœuds et mach 0.63. Quand l’appareil atteint le 410, le badin n’indique que 163 nœuds et mach 0.57

Le commandant quitte son siège pour aller chercher de quoi fêter la prouesse. Il revient avec une canette de Pepsi et s’excuse de ne pas avoir de glaçons. Le contrôleur aérien est un peu bluffé par la situation, il contacte les pilotes :

– 3701, vous êtes bien dans un RJ-200 ?
– Affirmatif ! confirme le commandant de bord
– Je ne vous ai jamais vu aussi haut les gars
[Rires de l’équipage]
– On n’a pas de passagers, on a décidé de nous amuser un peu et monter ici
– Je vois
– C’est le plafond de cet appareil

Il est 21:57, le commandant de bord vient de terminer l’échange avec le contrôleur de Kansas City. L’appareil est au niveau 410 depuis 5 minutes quand les problèmes commencent.

La vitesse baisse progressivement vers 150 nœuds. Le commandant rappelle immédiatement le contrôleur pour lui annoncer qu’après tout ils ne pourront pas tenir le 410 et ils doivent descendre au 370. Il n’a pas finit sa phrase que le vibreur de manche s’active annonçant la proximité du decrochage. L’avion est instable et la consommation des réacteurs commence à baisser signe d’une panne imminente. Cinq fois de suite le vibreur de manche s’active et un ordre à piquer est automatiquement introduit. Au lieu de rendre le manche et laisser l’avion reprendre de la vitesse, les pilotes s’acharnent à tenir l’altitude et tirent sans arrêt sur les commandes.

En quelques secondes, l’avion se cabre brutalement à 29 degrés, il monte à 42000 pieds et la vitesse baisse à 74 nœuds. Les ailes décrochent et l’avion s’incline de 82 degrés à gauche. Le nez passe 32 degrés sous l’horizon mais le pire est encore à venir. Apres une bataille qui leur fait perdre 8000 pieds en 14 secondes, les pilotent redressent l’avion vers 34000 pieds. A ce moment, les indicateurs du fuel flow des deux réacteurs tombent à zéro. Entretenu par le vent relatif, le N1 continue à tourner en baissant progressivement. Les deux moteurs se sont éteints. L’avion plonge dans la nuit en vol plané à 180 nœuds.

En effet, les réacteurs ne supportent pas les perturbations du flux d’air qui arrive à l’entrée. C’est pour cette raison que les avions de voltige sont toujours à hélices. Même les jets militaires à très haute performance ne peuvent pas tout se permettre. Si les moteurs sont au ralenti, ils peuvent encore pardonner mais à la puissance de croisière, une figure de voltige réalisée suite à une perte de contrôle peut provoquer l’extinction des moteurs.

Vers 29000 pieds, les pilotes réussissent à démarrer l’APU qui fournira du courant électrique à la place de la batterie qui ne sait alimenter que les circuits vitaux. La check-list de l’appareil explique que pour relancer les deux réacteurs éteints en vol, il faut piquer jusqu’à atteindre 300 nœuds. Une telle manœuvre peut couter jusqu’à 5000 pieds ; effet montagnes russes garanti.

La plongée permet de fournir un vent relatif assez puissant pour entrainer en rotation forcée les attelages compresseurs-turbines basse et haute pression (N1 et N2). A ce stade, il suffit d’ouvrir l’allumage et le carburant pour que les réacteurs se lancent.

Les pilotes commencent la manœuvre, mais déduisent tout de suite qu’elle ne va pas aller très loin. Malgré l’augmentation de la vitesse, l’attelage haute pression, N2, ne bouge même pas. Son aiguille de tours reste sur zéro comme s’il avait été soudé.

Il reste encore une option, mais jouable à plus faible altitude seulement : utiliser la pression d’air fournie par l’APU pour relancer les moteurs. Des le passage dès 13000 pieds, ils essayent. Quatre tentatives sont réalisées et à chaque fois, l’aiguille du N2 ne bouge même pas. Le crash semble de plus en plus concret.

Dans le manuel de l’appareil, il est indiqué que l’APU peut fournir de la pression pneumatique jusqu’à une altitude maximale de 15000 pieds. Par contre, les documents ayant servi à sa conception montrent qu’elle est en réalité opérationnelle jusqu’à 21000 pieds.

Le contrôleur suggère à l’équipage l’aéroport de Jefferson City et leur donne la fréquence ILS pour la piste 30. C’est pourtant trop tard. Même en planant selon un angle parfait, il n’est plus possible de rejoindre cet aéroport qui se trouve déjà trop loin.

Le copilote, qui est aux commandes, ne voit pas la piste. Il est paniqué mais le commandant, qui ne la voit pas non plus, se veut rassurant :
– Je vois les lumières
– où ca ?
– Tout droit
– Tout droit, nous sommes sur l’approche ?
– oui, puis tourne légèrement sur la droite
– Je tourne un peu à droite ?
– Non, reste dans cette direction
– Je reste dans cette direction ?
– Oui
– Je ne crois pas qu’on va le faire !
– Je crois que nous sommes ok
– Mais elle est où ? Je ne le sais pas !

Cette fois, même le commandant de bord perd sa confiance :
– On ne va pas le faire mec, on ne va pas le faire ! lance-t-il

Le GPWS sent la proximité du sol et lance une alarme au sujet du train d’atterrissage toujours rentré : Too Low Gear ! Il va en envoyer de plus en plus d’alarmes jusqu’à l’impact.
– Garde ce train rentré, je ne veux pas aller dans les maisons. On dirait qu’il y a une route la !
– Où ça ?
– Tourne ! Tourne !
– Je tourne où ?
– Tourne à ta gauche, a gauche !
Too Low Gear
– Je la vois, je ne peux pas
Too Low Terrain
– Je n’y arriverais pas
Whoop whoop pull up! Whoop whoop pull up!
– On va se prendre les maisons dude!
Whoop whoop pull up!
Sons similaires à ceux d’un impact
Fin de l’enregistrement

L’appareil percute d’abord des arbres avec ses ailes. Ceci-ci a l’effet de le retourner pratiquement sur le dos. A l’impact, c’est le nez qui touche en premier et les pilotes sont tués sur le coup. Plusieurs jardins et des garages sont endommagés. Les maisons sont évitées de justesse. L’aéroport était encore à 4 kilomètres.

Le Core Lock :
Des le départ, les enquêteurs se sont penchés sur le core lock. Ce phénomène très peu connu des pilotes peut arriver sur un réacteur qui s’arrête brutalement en vol pour une quelconque raison. En effet, quand on arrête un réacteur alors que l’avion est au sol, les différentes parties vont refroidir lentement et de concert. Dans ce cas là, il n’y a pas de souci. Par contre, si le réacteur s’arrête en vol, la partie externe va refroidir plus vite à cause de la circulation d’air. Elle va se contracter et venir au contact des turbines qui seront bloquées, voir même définitivement endommagées.

Bombardier avait identifié ce problème sur les réacteurs de type General Electric CF34-1 et CF34-3 dès 1983 lors des tests de certification du premier appareil de la série Challenger. Avant la livraison, les pilotes d’essai appliquaient un test à chaque appareil sorti des chaines de montage. Tout d’abord, ils réalisaient une montée jusqu’au niveau 310. Puis, la manette du réacteur à tester était ramenée jusqu’au ralenti vol pendant 5 minutes. Apres ce temps là, le moteur était coupé et une descente entamée à une vitesse de 190 nœuds. Puis, le pilote laisse la vitesse chuter jusqu’à ce que l’attelage N2 s’arrête complètement et son indicateur de tours par minute tombe à zéro.

A huit minutes et demi précisément après l’arrêt, le pilote pousse le manche ainsi que le réacteur restant pour obtenir une vitesse de 320 nœuds. Si au passage du niveau 210 l’aiguille du N2 n’a pas décollé de zéro, le réacteur est considéré comme en core lock et le pilote d’essai n’insiste plus.

Un réacteur qui bloquait de la sorte avait besoin d’un supplément d’usinage pour créer un jeu un peu plus large entre les extrémités des aubes des turbines et le stator qui est fixe autour. Cet usinage se faisait par une procédure en vol. En fait, le pilote attend que le réacteur refroidisse et le relance à l’aide de l’APU. Puis, il recommence le même test cité plus haut à la différence prés que lors de la descente, la vitesse maintenue est de l’ordre de 240 nœuds et le N2 gardé autour de 4% pendant huit minutes et demi. Durant cette phase, les aubes de la turbine grattent contre leur stator qui est muni d’une garniture conçue pour s’éroder lors de ces frictions.

Apres cela, le test de core lock est répété. Si le N2 bloque, la procédure de friction est recommencée et ainsi de suite jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de blocage.

D’après les techniciens de Bombardier, aucun réacteur livré en ligne n’était sensé bloquer tant que la vitesse était maintenue à 240 nœuds ou plus.

 

Réacteur double flux. Les flèches rouges indiquent l’endroit où le core lock se produit. C’est à cet endroit que l’écart de température est maximal entre l’attelage tournant et l’extérieur. Les turbines basse pression ne sont pas concernées parce qu’elles sont moins chaudes d’une part, et d’autre part, elles sont directement connectées à la soufflante qui les entraine.

 

 

Quand un réacteur est en régime de croisière, certaines parties atteignent des températures dépassant les 1000 degrés. A ce moment, il y a un équilibre qui fait que les jeux entre les différentes pièces sont à leur optimum. Par contre, si le réacteur est subitement éteint, ses parties ne vont pas refroidir à la même vitesse parce qu’elles n’ont pas la même constitution ni la même exposition au vent relatif. Ceci donne des taux de contractions différents qui peuvent aboutir à un grippage temporaire. C’est-à-dire un grippage qui va persister jusqu’à ce que le core interne du réacteur refroidisse à son tour. C’est pour cette raison que les réacteurs sont toujours arrêtés après quelques minutes de fonctionnement à un régime faible et stabilisé qui permet de réduire au minimum les écarts de température.

L’arrêt qui survient à haute altitude est le plus critique. A ce moment, le core interne est le plus chaud alors que le stator est exposé à un puissant souffle d’air qui le refroidit. Même le test réalisé par Bombardier n’est pas très réaliste dans le sens où le moteur est arrêté après un temps de ralenti de 5 minutes. Après l’accident, Transport Canada a demandé au constructeur d’abaisser ce temps à 2 minutes. En fait, même abaissé de la sorte, ce temps laisse le NTSB inquiet sur le fait que la démonstration d’un redémarrage en vol après panne n’a pas été apportée. Ceci reste pourtant une obligation légale d’après le CFR 14 article 25.903. Encore une fois, on constate que les normes de certification sont parfois validées à la légère. Les cimetières sont pleins de pilotes qui ont voulu aller voir de près les limites, même certifiées, d’un avion.

Sur l’avion accidenté, le réacteur numéro 1 a bloqué alors qu’il avait passé avec succès les tests core lock de Bombardier. Le réacteur 2 a bloqué aussi mais, à la décharge du constructeur, il n’a jamais été soumis à ces tests parce qu’il a été installé plus tard sur l’appareil en remplacement de son moteur numéro 2 d’origine.

Pénalité à 240 nœuds :
La meilleure vitesse de plané pour un CRJ-200 est de l’ordre de 170 nœuds. Si le pilote affiche cette vitesse en cas de panne des deux moteurs, il aura la possibilité de parcourir une distance maximale et donc accès a un nombre croissants d’aéroports se prêtant à un atterrissage d’urgence. Cependant, pour ne pas prendre le risque de bloquer le core interne, N2, les pilotes doivent, d’après le constructeur, maintenir une vitesse de 240 nœuds. Cette vitesse est à maintenir jusqu’à ce qu’un démarrage en vol puisse être tenté. Si c’est un démarrage par l’APU, 240 nœuds suffisent. Si faut le faire en utilisant le souffle du vent relatif, il faut encore pousser sur le manche pour afficher au moins 300 nœuds.

 

Trajectoire
Voici les vitesses à maintenir en cas de double panne moteur sur un CRJ-200.
Pour tenir 300 nœuds avec un tel appareil, il faut piquer de 8 degrés et être prêt à
perdre 5000 pieds dans la manœuvre. La vitesse optimale pour planer est de 170 nœuds.
 

 

Le problème avec les 240 nœuds, c’est qu’ils représentent une vitesse qui n’est pas optimale pour du vol plané. Le pilote doit afficher un taux de chute élevé et donc parcourir une distance plus courte. Si jamais le démarrage d’un moteur au moins s’avère impossible, il restera encore moins de terrains accessibles en vol plané.

Susceptibilité des autres réacteurs au core lock :
Etant donné la similarité des techniques de fabrication, des réacteurs d’autres modèles et d’autres fabricants que General Electric doivent être sujets au core lock s’ils venaient à s’éteindre a haute puissance et à haute altitude. Le NTSB a recommandé à la FAA de lancer une étude sur la question et surtout de déterminer dans quelle mesure et comment redémarrer un de ces réacteurs si jamais le N2 tombe effectivement à zéro. Des instructions claires sur ce risque doivent être communiquées aux pilotes et figurer également en bonne place dans le manuel des appareils concernés.

Démarrage en vol :
Les premières générations de réacteurs avaient la totalité de l’air qui arrivait à l’entrée qui traversait la zone haute pression et les chambres de combustion. C’était des réacteurs à simple flux. Ils étaient faciles à démarrer en vol. On raconte même des démarrages réussis au sol grâce au souffle des moteurs d’un autre avion ! Cette époque est révolue…

Les réacteurs d’aujourd’hui sont à double flux à fort taux de by-pass qui fait que seul 10 à 20% de l’air qui arrive à l’entrée traverse effectivement le core central, N2. Il faut donc encore plus de vitesse pour obtenir un flux suffisant au démarrage en vol. Sur l’avion accidenté, les réacteurs avaient un taux de by-pass de 85%.

 

Reacteur simple flux
Ancienne technologie : réacteur simple flux. Tout l’air qui arrive a l’avance, circule dans
le cœur du réacteur. Le démarrage en vol est plus facile.
La réglementation ne pose aucune limite à la vitesse nécessaire, ni à l’altitude qu’il serait nécessaire de sacrifier pour pouvoir relancer un réacteur moderne. En 1999, la FAA a lancé une consultation des principaux acteurs sans que ceci n’aboutisse à une quelconque avancée sur ce point. Le NTSB a formellement demandé l’établissement d’une limite de vitesse maximale pour le redémarrage en vol des réacteurs ainsi qu’une limite maximale de l’altitude qu’il serait nécessaire de perdre pour les relancer.

Performances d’appareil :
D’après les manuels fournis par la compagnie aérienne, la montée vers 41000 pieds devait se faire sans jamais passer sous une vitesse indiquée de 250 nœuds. L’altitude réelle que peut atteindre l’avion dépend de son poids mais également de la densité de l’air. Plus il fait chaud, moins il sera possible de monter. Le jour de l’accident, la tropopause était à seulement 26700 pieds. A 41000 pieds, il faisait une température de -47.1 soit prés de 10 degrés trop chaud par rapport à l’atmosphère standard à ce niveau. Ceci donne une altitude densité plus élevée que 41000 pieds et donc moins de performances au niveau aérodynamique ainsi qu’au niveau des moteurs.

En conséquence, même à vide, l’appareil ne pouvait pas maintenir le taux de montée de 500 pieds qui lui avait été imposé. C’est pour cette raison que dès le niveau 370, on assiste à une situation de troc vitesse contre altitude. La vitesse passe ainsi de 203 à 163 nœuds durant cette phase. Pour tenter ce niveau, le mode approprié au pilote automatique est le mode maintient de vitesse. Or, de par leur inexpérience avec les performances de cette machines, les pilotes avaient utilisé le mode vitesse verticale. Celui-ci garde comme objectif un variomètre précis et ne fais pas cas de la vitesse qui peut aller jusqu’au decrochage si nécessaire.

En 11 novembre 1979, l’équipage d’un DC-10 d’Aeromexico a provoqué le decrochage de l’avion. Le mode maintien de vitesse verticale avait été sélectionné au pilote automatique avec une altitude cible de 31000 pieds. Au fur et à mesure que l’appareil gagnait de l’altitude, il avait du mal à maintenir le taux de montée imposé. Vers 30000 pieds, le DC-10 se met à vibrer, le decrochage est tout proche. Le commandant de bord ne se rend pas compte de la situation, mais pense que le réacteur numéro 2 connait un pompage. Il lui réduit les gaz. La vitesse passe immédiatement à 173 nœuds soit 30 nœuds la vitesse locale de decrochage. L’avion tombe comme une pierre. Il est récupéré à 19000 pieds ! L’avion est au-dessus du Luxembourg et il continue son vol jusqu’à Miami pour constater à l’arrivée qu’il manque plusieurs mètres d’ailes. (Sécurité Aérienne, pages 274 et 275).

Pourquoi les pilotes n’ont pas réagi au stick shaker ?
Lors de leur entrainement, les pilotes avaient été formés à des techniques courantes de récupération d’un début de decrochage avec perte minimale d’altitude. Pour s’en sortir, il s’agissait d’augmenter les gaz afin que l’appareil reprenne de la vitesse. Par contre à cette altitude, les réacteurs n’avaient plus assez de potentiel pour corriger la situation. Le NTSB n’a pas pu déterminer si les manettes ont été poussées ou pas vers l’avant parce que leur position n’est pas enregistrée par le DFDR. En tous les cas, les tours n’ont pas augmenté.

Par ailleurs, un bug dans le software qui gérait le bandeau des vitesses sur les primary displays des pilotes rajoutait un sentiment de sécurité. En effet, il indiquait la vitesse de decrochage 10 nœuds plus bas qu’elle ne l’est en réalité. De sorte que lorsque le pilote sent le vibreur de manche, il a encore l’impression d’être à 10 nœuds au-dessus de la vitesse de decrochage. Le software a été corrigé 2 ans après l’accident.

Un troisième point que les enquêteurs n’ont pas abordé mais qui pourrait aussi contribuer à expliquer pourquoi les pilotes ont voulu maintenir l’altitude à tout prix. Durant la phase où le decrochage semble imminent, les pilotes sont dans l’attente d’une autorisation de descente. Le contrôleur est entrain de synchroniser avec un collègue pour leur permettre d’accéder à un niveau inferieur. Or, si les pilotes avaient entamé la descente sans autorisation appropriée, ce fait aurai crée un incident qui aurait probablement donné lieu à quelques questions une fois au sol. Il aurait peut être même justifié la lecture des enregistreurs de vol et donc la découverte des violations commises par les pilotes. Le fait de maintenir l’altitude juste le temps de recevoir l’autorisation de descente pouvait, à leurs yeux, encore permettre une sortie honorable de cette situation.

Ceci explique aussi pourquoi le commandant de bord a toujours dit aux contrôleurs aériens qu’il avait un seul moteur en panne alors que dès les premières secondes, il avait détecté et annoncé dans le cockpit la panne des deux réacteurs.

Check-list double panne moteur : 
Les premiers points de cette check-list sont à connaitre par cœur et les pilotes les connaissaient. Il s’agissait de piquer et maintenir 240 nœuds. Malheureusement, cette check-list n’insiste pas sur le fait que cette vitesse est essentielle pour éviter le core lock et donc assurer le succès du démarrage par la suite. Les pilotes commencent à chercher une vitesse élevée que 79 secondes après avoir identifié la double panne. De plus, alors qu’ils se sont montrés agressifs dès le début du vol, une fois l’urgence déclarée ils ne vont pas aller jusqu’au bout et pousser suffisamment le manche pour afficher 240 nœuds. Ceci a eu pour résultat que lorsque l’appareil arriva dans la zone où un démarrage pouvait être tenté, les cores N2 sur les deux moteurs étaient déjà bloqués.

Conclusion :
Les pilotes avaient 31 et 23 ans et leur avion a évité les maisons de justesse. Fait étonnant, quand secouristes arrivent sur place, le commandant de bord est retrouvé dans le siège de gauche et le copilote dans le siège de droit. Les enquêteurs ne pourront jamais déterminer ni quand, ni comment chacun a repris sa place.

 

CRJ-200
Arriere de l’appareil. Notez la proximite de la maison
 

 

 

CRJ-200
Arriere de l’appareil.
 

 

 

CRJ-200
Train d’atterrissage
 

 

 

CRJ-200
Des pieces sont arrivees sur les maisons
 

 

 

CRJ-200
Un des reacteurs. Apres demontage, les enqueteurs peuvent tourner le N2 a la main…
A froid, il n’y a plus de core lock.
 

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