Les instruments de bord

7 01 2009

Les instruments de bord

I -Le poste de pilotage

–          Les instruments de conduite :

o   Anémomètre

o   Altimètre

o   Variomètre

o   Indicateur de virage

o   Horizon artificiel

–          Instruments de contrôle

o   Contrôle des pressions et/ou des dépressions

o   Contrôle des vitesses de rotation

o   Contrôle des débits

o   Contrôle des températures

o   Contrôle des niveaux

o   Contrôle divers

–          Instruments de navigation et de radionavigation

o   Navigation

§  Compas

§  Conservateur de cap

§  Centrales inertielles

o   Radionavigation

§  VOR/DME

§  ADF

§  ALS/MLS

§  GPS

II- Les instruments aérodynamiques (ou aérobarométriques)

Ils utilisent les propriétés liées à la pression de l’air environnant. Une sonde (appelée tube de Pitot) disposée sur l’avant du fuselage ou de la voilure permet de capter la pression totale à un endroit où la pression créée par l’écoulement de l’air autour de l’avion (vent relatif) et la pression atmosphérique (Pt) régnante s’additionnent. Des prises d’air disposées sur le côté du fuselage de l’aéronef permettent de mesurer la pression atmosphérique pure (pression statique) à un endroit où le déplacement de l’air n’a aucun effet. La vitesse de l’avion par rapport au vent peut alors être déduite de la différence entre pression totale et pression statique. Cette différence représente la pression dynamique, proportionnelle à la vitesse de l’avion par rapport à l’air. Le système installé sur les aéronefs est désigné par le terme anémobarométrique.

–          A- L’anémomètre (ou Badin du nom de son inventeur Raoul Badin)

Il est associé au tube de Pitot et mesure la vitesse de l’aéronef par rapport à l’air qui l’entoure. Il mesure la différence entre la pression totale (Pt) et la pression statique (Ps), et la convertit  en vitesse.

Elle est généralement mesurée en nœuds, mais, sur quelques avions français et sur les avions russes, elle est donnée en kilomètres par heure.

Les différentes vitesses caractéristiques

o   La vitesse indiquée (Vi ou IAS Indicated air speed)

C’est la vitesse lue directement sur l’instrument. Elle n’est pas corrigée en fonction des variations de densité de l’atmosphère et de la température.

o   La vitesse corrigée (CAS)

Elle est obtenue à partir de la Vi, en tenant compte des erreurs de la sonde (défauts, fuites, position). Le tube de pitot étant souvent monté sur l’aile (bord d’attaque ou intrados), plus l’avion sera cabré (en vol cabré la sonde n’est plus dans l’axe du vent), plus la vitesse lue sera erronée.

o   La vitesse propre ou vitesse vraie (Vp ou TAS True air speed)

C’est une une vitesse corrigée. Si les conditions du jour sont dites standard (15°C au niveau de la mer et pression de 1013 hPa), la vitesse propre est égal à la vitesse sol. On peut obtenir la Vp ou TAS par la lecture du tableau des performances du manuel de vol de l’avion utilisé. La Vp correspond à la vitesse effective de l’avion dans l’air et dépend :

1/ de la vitesse indiquée de l’aéronef (Vi)

2/ de l’altitude de vol de l’aéronef (pressions)

Comme la pression diminue, les frottements aussi et donc l’avion à moins de mal pour une puissance donnée d’avancer. Donc, au fur et à mesure que l’avion prend de l’altitude, la pression statique diminue : la vitesse indiquée Vi devient inférieure à la vitesse propre de l’avion. Formule :

Majoration de 1% par tranche de 600 pieds d’altitude de la vitesse indiquée.

Le code couleur sur le Badin :

  • l’arc vert indique les conditions normales de vol de l’avion (braquage des commandes à fond sans risque de détérioration),
  • l’arc jaune les vitesses interdites en air turbulent,
  • l’arc blanc la zone où l’on peut utiliser les équipements augmentant la traînée (volets, trains d’atterrissage, etc.),
  • enfin, le trait rouge indique la vitesse limite (VNE : never exceed), particulièrement pour la structure de l’appareil.

Les vitesses remarquables :

VSo : vitesse de décrochage volets et trains sortis

VS1 : vitesse de décrochage en lisse

VFE : vitesse maximale volets sortis

VNO : vitesse normale maximale en atmosphère agitée

VNE : vitesse à ne jamais dépasser

Pour des avions volant à des vitesses proches de celle du son ou au-delà, d’autres lois sont utilisées, ainsi que d’autres instruments (machmètre).

–           B- le variomètre

Il évalue les vitesses verticales (Vz) de montée ou de descente par rapport au sol.

Il mesure la différence entre la pression atmosphérique aux environs de l’aéronef à l’instant T et celle de l’instant T-t (mise en mémoire).

Principe du variomètre à « boitier capacité »

Dans sa version classique, cet instrument utilise les variations de pression statique pour indiquer des variations d’altitude, c’est-à-dire des vitesses verticales.

De l’air à la pression statique extérieure est stocké dans une bouteille appelée capacité qui se met à pression avec un temps connu. La pression dans la capacité est donc en retard par rapport à la pression courante. Au moment de la mesure, l’instrument fait la différence entre la pression extérieure et la pression de la capacité. À noter que le variomètre fonctionne avec un léger temps de retard (appelé hystérésis), dû au temps de remplissage de la capacité.

On en déduit une vitesse verticale, de montée ou de descente (Vz) qui est exprimée en pieds par minute ou en mètre par seconde. Il est très utilisé par les pilotes de planeurs.

Il existe une version différente, où l’instrument est appelé à énergie totale.

–          C- L’altimètre

Il évalue et l’indique l’altitude ou la hauteur au dessus d’un niveau pris pour référence.

C’est un baromètre mesurant la pression atmosphérique et le traduit en valeur altimétrique par un cadran gradué en pieds (ft) ou parfois en mètre (m).

On retiendra que dans les basses couches de l’atmosphère, une variation de 28 ft correspond à une variation de 1 hectopascal (hpa). (Quand on s’élève de 28ft, la pression diminue d’1 hpa).

La grande aiguille indique les centaines de pieds, la petite aiguille donne les milliers de pieds et le petit triangle extérieur affiche les dix mille pieds.

Un bouton de recalage permet de sélectionner la pression de référence en faisant tourner l’ensemble du mécanisme et son aiguille par rapport au cadran altimétrique.

Calages altimétriques

Caler l’altimètre consiste à afficher dans la fenêtre de l’instrument, la pression de référence choisie. A chaque calage barométrique choisi correspond une altitude de référence.

Calage au QNE : la pression de référence est 1013 hpa ou calage au FL (pour Flight Level, en français Niveau de Vol). Le « 0 » de l’altimètre correspond à l’altitude où l’on rencontre la pression atmosphérique standard ( 1013,25 hPa ). On indique ensuite l’altitude par tranches de centaines de pieds. Ex : le FL 100 correspond à une altitude de 10 000 pieds au-dessus de la pression « 1013,25 hPa ». En raison de la variation constante de la pression atmosphérique, les FL se déplacent continuellement, dans le sens vertical.

Calage au QFE :la pression de référence est celle du jour. Il indique une hauteur par rapport à un point de référence (en cours de disparition ou utilisée uniquement en vol très localisé).

Calage au QNH : la pression de référence est celle de l’aérodrome. Il indique une altitude. Le « 0 » de l’altimètre correspond au niveau de la mer.

III- Les instruments gyroscopiques.

Ils utilisent les propriétés des corps en rotation rapide que sont les gyroscopes (fixité de l’axe du rotor dans l’espace absolu, couple gyroscopique, précession). Les gyroscopes classiques sont entrainés par une pompe à vide ou un moteur électrique qui leur confère une vitesse de rotation très élevée (10 000 tr/min dans le premier cas, 20 000 tr/min dans le second).

A- Gyro compas / gyro directionnel

Il s’agit d’un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de conserver une référence de cap de façon beaucoup plus précise qu’un compas magnétique. Il est asservi à une vanne de flux (en anglais : flux valve) qui permet de le recaler automatiquement en fonction du champ magnétique terrestre. Il est aussi appelé plateau de route.

B- Horizon artificiel

Il s’agit d’un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de visualiser l’attitude de l’avion par rapport à ses axes de roulis et de tangage et plus précisément de leurs angles avec un plan horizontal : assiette (à cabrer ou à piquer) et inclinaison (à droite ou à gauche). Certaines erreurs d’indications subsistent en virage et lors d’accélération.

C- Indicateur de virage et de dérapage (bille-aiguille)

La bille (symétrie du vol)

Le système est constitué :

  • d’une bille baignant dans un liquide amortisseur
  • d’un tube incurvé qui contient la bille et son liquide
  • d’un vase d’expansion qui permet la circulation du liquide en cas de dilatation

La bille renseigne sur la symétrie du vol : tant que l’aiguille reste centrée, le vol est symétrique (l’écoulement de l’air est symétrique par rapport à l’axe longitudinal de l’avion). Si la bille s’écarte de sa position centrale (dérapage ou glissade) : il faut utiliser la gouverne de direction et pousser la pédale du palonnier du côté ou s’écarte la bille.

L’aiguille (indicateur de virage)

L’aiguille est associée à un gyromètre, composé d’un gyroscope à deux degrés de liberté. Elle indique :

  • le sens du virage : si l’aiguille s’incline à droite, l’avion est en virage à droite et inversement à gauche
  • le taux du virage : vitesse de défilement du repère capot, c’est la vitesse que l’on met pour effectuer un virage

Un virage est effectué au taux standard (ou taux 1) si l’avion effectue un virage de 360° en 120 secondes (ou 180° en une minute), soit 3° par seconde. Le taux 2 est un virage de 360° en une minute.

IV-Le compas

Le compas fonctionne comme une boussole grâce à un barreau aimanté qui prend la direction du Nord magnétique : il indique le cap magnétique. En conséquence, les directions indiquées par le compas sont toutes décalées de la valeur de l’angle compris entre le Nord vrai (Nord du méridien ou encore Nord géographique) et le Nord magnétique. Cet angle est appelé déclinaison magnétique (D). Sa valeur varie avec le lieu géographique. Elle est dite Ouest lorsque le Nord magnétique est à l’Ouest du Nord vrai, ce qui est le cas sur l’ensemble de la France.

Le compas est formé d’une partie étanche remplie d’un liquide ingelable, dont le rôle consiste à amortir les oscillations de la rose. Cette dernière, constituant la partie mobile sur laquelle est fixé l’aimant, porte l’inscription des directions magnétiques marquées de 10 en 10 degrés de 0 à 360° dans le sens des aiguilles d’une montre. Ainsi, l’indication 3 correspond à 30° et 33 signifie 330°.

Le compas donne des indications erronées en virage, lors de variations de vitesse et en atmosphère turbulente. C’est pourquoi un instrument complémentaire plus stable est utilisé : le conservateur de cap ou directionnel.

V- Les instruments électromagnétiques

A- Radioaltimètre

Il utilise un radar placé sous le fuselage utilisant l’effet doppler.

Il est utilisé pour les procédures d’approche finale ou dans le cadre de la prévention contre le risque de percuter le relief. Il indique de façon très précise (à 50 cm près) la hauteur de l’avion par rapport au sol.

B- Instruments de radio-navigation

Ils utilisent des stations au sol ou des satellites pour fournir des indications sur la position de l’avion dans l’espace.

o   Radiocompas (ADF – Automatic Direction Finder)

Une antenne sur l’avion capte un signal radio (dans la bande de fréquence de 190 kHz à 1750 kHz) émis par un émetteur au sol appelé NDB (Non Directional Beacon). L’information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique la direction de cette station.

o   VOR (VHF Omnidirectional Range)

Une antenne sur l’avion capte un signal radio (dans la bande de fréquence de 108 à 118 MHz) émis par un émetteur au sol appelé VOR. L’information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique le cap à suivre pour se diriger vers (ou s’éloigner de, selon la sélection) cette station.

o   RMI (Radio Magnetic Indicator)

Il combine sur un même instrument les fonctions ADF et VOR et donne le cap à suivre pour se diriger vers (ou s’éloigner de, selon la sélection) ces stations.

o   DME (Distance Measuring Equipment)

Un équipement sur l’avion échange un signal radio (dans la bande de fréquence de 960 à 1215 MHz) avec une station au sol. L’information délivrée au pilote est la distance oblique à cette station, sa vitesse de rapprochement (ou d’éloignement) ainsi que le temps nécessaire pour la rejoindre.

o   ILS (Instrument Landing System)

Une antenne sur l’avion capte deux signaux radio lors des approches. L’information délivrée au pilote est l’écart de sa trajectoire par rapport à l’axe de la piste et la pente qu’il doit tenir pour aboutir au seuil. L’ILS est utilisé pour les atterrissages tous temps en IFR.
L’indication « droite-gauche » est véhiculée par une émission VHF (de 108.1 à 111.95 Mz), tandis que l’indication « haut-bas » est véhiculée par une émission UHF (de 334.7 à 330.95 Mhz)

o   GPS (Global Positioning System)

Appareil disposant d’une antenne qui capte un signal radio UHF émis par une constellation de satellites. L’information délivrée au pilote est sa position sur le globe terrestre (latitude, longitude et, avec une mauvaise précision, altitude), sa route vraie ainsi que sa vitesse par rapport au sol.

o   Systèmes de visualisation électronique (EFIS – Electronic Flight Instruments System)

Ils permettent de visualiser sur des écrans (PFD – Primary Flight display, ND – Navigation Display) l’ensemble des paramètres nécessaires au pilote. De la même façon, des écrans (ECAM – Electronic Centralised Aircraft Monitoring sur Airbus) permettent d’afficher les paramètres moteurs. Sur Dornier Do 328, L’EICAS (Engine Indicating and Crew Alerting System) est un écran central divisé en 2 parties, la 1ère qui symbolise les paramètres moteurs, et la 2ème, le CAS FIELD, dans laquelle sont centralisées toutes les informations et alarmes de l’avion, avec un code couleur selon l’importance du message:

  • Cyan : Informations
  • Ambre : message de dysfonctionnement mineur ou illogique;
  • Magenta : alarmes ou pannes majeures à traiter d’urgence par l’équipage.

Voir aussi : HUD / Affichage tête haute

VI- Systèmes de gestion de vol

A- Système de gestion de vol (FMS – Flight Management System)

Il permet grâce notamment à une centrale inertielle couplée à un calculateur d’assister le pilote pendant le vol. Il lui fournit des renseignements sur le pilotage, la navigation, les estimées, la consommation, etc.

B- Système de pilotage automatique (PA en français ou AFCS – Automatic Flight Control System)

Il permet, grâce à un ensemble de servocommandes, d’asservir l’avion dans une configuration de vol (mode de base) ou sur une trajectoire donnée (mode supérieur). Ces 2 systèmes partagent le ou les mêmes calculateurs. Ils fonctionnent selon 3 phases : armé (le calculateur acquiert les données), capture (le calculateur indique les corrections à effectuer), maintien (le calculateur tient les paramètres).

C- Directeur de vol (DV)

Il fournit au pilote une aide en lui indiquant le sens et l’amplitude des manœuvres à effectuer pour amener l’avion dans une configuration de vol ou sur une trajectoire sélectionnée. Il se présente sous la forme de moustaches sur l’horizon artificiel qu’il s’agit de faire correspondre avec la maquette de l’avion qui y figure, ou sur la forme d’une croix sur laquelle aligner le repère central représentant l’avion.

VII- Instruments de surveillance des paramètres moteurs et autres systèmes

A- Manomètres

Ils indiquent les pressions d’huile, de carburant ou d’admission.

B- Tachymètre

Il indique le régime du moteur (en tr/min) ou du réacteur (en% d’un régime nominal).

C- Systèmes d’alarmes

o   Avertisseur de décrochage

Il permet de prévenir (par un signal sonore ou une vibration du manche) le pilote lorsque l’avion s’approche de l’angle d’incidence maximum avant décrochage. Ce système s’appelle Stall Warning System

o   Avertisseur de proximité du sol

L’avertisseur de proximité du sol (GPWS – Ground Proximity Warning System) permet de prévenir (par un message vocal « terrain » ou « pull up ») le pilote lorsque l’avion s’approche du sol. Une version améliorée possède en plus une cartographie plus ou moins fine du terrain qui est présentée aux pilotes sur les écrans EFIS en cas d’alarme. Sur A380, le programme présente une vue en coupe latérale du plan de vol.

o   Dispositif d’évitement de collisions

Le dispositif d’évitement de collisions (TCAS – Traffic and Collision Avoidance System) permet de prévenir (sur un écran et par un message vocal « trafic ») le pilote lorsque l’avion s’approche d’un autre avion. Il peut également proposer (en se synchronisant avec le TCAS de l’autre appareil : coordination des manœuvres) une manœuvre d’évitement dans le plan vertical (climb: monter, descend: descendre). Le BEA préconise de suivre les instructions du TCAS en priorité sur les instructions données par le Contrôle aérien (suite à la collision en plein ciel de 2 avions au-dessus du sud de l’Allemagne – voir Vol 2937 Bashkirian Airlines).

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