Instruments de vol


Instruments de vol

Instrument de bord (aéronautique)

Les instruments de bord servent à présenter au pilote toutes les informations qui lui sont utiles au maintien en vol de son avion, à sa navigation, à ses communications avec les infrastructures de la gestion du trafic aérien et lui permettent d'interagir avec son avion.

Ils sont regroupés sur le tableau de bord aussi près que possible du pilote. Les quatre instruments de base sont toujours disposés de la même façon (en configuration de T basique) : l'horizon artificiel au centre, l'anémomètre à sa gauche, l'altimètre à sa droite, le gyro directionnel ou plateau de route en dessous. Cette disposition permet d'optimiser le circuit visuel au cours du vol. La disposition des autres instruments est relativement standard mais varie d'un avion à l'autre. Avec la généralisation des écrans rassemblant toutes les informations du T de base sur une seule surface de visualisation, les instruments conventionnels ne sont conservés sur les planches de bord équipées d'écrans qu'à titre d'instruments de secours pour pallier une éventuelle défaillance des systèmes électroniques.

Ils peuvent être présentés sous forme classique (voir la première image ci-dessous) ou leurs informations intégrées dans un écran (voir poste de pilotage de l'A319). Les photos correspondent à des avions différents dans des situations de vol différentes ; les indications des instruments ne correspondent donc pas.

Les 4 instruments de base en T complétés par, en bas à gauche l'indicateur de virage, en bas à droite le variomètre
Le poste de pilotage de l'Airbus A319

Sommaire

Les différents types d'instruments

Les instruments de bord utilisent pour la saisie des informations et leur visualisation différents systèmes : instruments électromécaniques, pneumatiques, électroniques, radioélectriques etc. On pourrait les classer selon leur mode de fonctionnement ou bien leur fonction (informations de vitesse, d'attitude par rapport au milieu environnant, de navigation ou même simplement par ordre alphabétique). La liste ci-dessous ne suit actuellement aucune de ces logiques.

Compas magnétique

Il utilise le champ magnétique terrestre comme référence.

Il est constitué d'une lunette de lecture sur un boitier étanche rempli d'un liquide dans lequel se déplace librement un équipage mobile formé par une rose des caps et des barreaux aimantés. C'est un instrument peu précis qui donne des indications fausses dès que l'avion n'est pas stable sur une trajectoire rectiligne, horizontale et à vitesse constante. Il est néanmoins utile pour régler ou recaler le conservateur de cap (voir les articles compas et boussole).

De plus, il est influencé par les champs magnétiques engendrés par les équipements électriques de l'avion. Aussi, il est accompagné d'une courbe de calibration, établie dans des conditions standard de mise sous tension des équipements proches.

Enfin, comme pour tout compas magnétique, il faut tenir compte de la déclinaison du pôle magnétique et des influences locales.

Instruments aérodynamiques (ou anémobarométriques)

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 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 (voir plus bas anémomètre).

Altimètre

Un altimètre est un simple baromètre (exactement le même qui sert aux météorologistes pour lire une pression atmosphérique) qui est étalonné pour indiquer directement une information d'altitude exprimée en pieds ou en mètres.

Les scientifiques ont mis au point une échelle, qui met en relation une pression statique directement avec une information d'altimétrie.

On considère en atmosphère standard que 1 hPa (hectoPascal) correspond à 27 ft (pieds).
Pour mémoire la référence de l'atmosphère standard (ou atmosphère type OACI) a été réalisée au niveau de la mer (Marseille) à une température de 15°C, 0% d'humidité et une pression atmosphérique de 1 013,25 hPa .
La pression atmosphérique change constamment ; il faut donc recaler l'altimètre pour avoir une information correcte.

Différents calages altimétriques : (voir langage (aéronautique), Code Q)

  • QNH : indique une altitude. Le "0" de l'altimètre correspond au niveau de la mer.
  • QFE : indique une hauteur par rapport à un point de référence (en cours de disparition, remplacé par les radiosondes sur les avions de ligne).
  • QNE, 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.

Ce calage est très utilisé pour les avions de ligne, ainsi que pour la délimitation de zones aériennes fixes, telles les TMA, CTR, et autres zones d'approches ou d'interdictions de survol.

Anémomètre (badin)

Anemometre dr400.jpg

Les premiers instruments de mesure de la vitesse étaient constitués d'un levier vertical articulé autour d'un pivot et supportant une palette rectangulaire orientée perpendiculairement à l'écoulement du vent relatif et une aiguille. Il était maintenu en position zéro par un ressort calibré (principe du peson). La pression du vent faisait déplacer l'aiguille sur un cadran pour indiquer la vitesse air. Conçu en 1910, il était désigné indicateur Etévé du nom de son inventeur Albert Etévé.

Ce système était appelé antenne à déflexion sur le Stampe SV4. En 1965, certains Tiger Moth en étaient encore équipés.

Aujourd'hui, le dispositif utilisé est un instrument appelé badin en France (en 1911, du nom de son inventeur, Raoul Badin) associé au tube de Pitot. C'est un manomètre étalonné en fonction de la loi de Bernoulli qui détermine la « pression dynamique » qui est égale à la différence entre la pression totale et la pression statique. Cette pression dynamique, est fonction de la vitesse de l'avion par rapport à l'air et permet d'afficher une information de vitesse air sur le badin. Elle est généralement mesurée en nœuds, mais, sur quelques avions français et sur les avions russes, elle est donnée en kilomètres par heure. L'anémomètre donne la vitesse indiquée (Vi) ou vitesse lue. Cette vitesse correspond à la vitesse propre (Vp) ou vitesse vraie à la pression de 1 013,25 hPa (au niveau de la mer en atmosphère standard) et à la température de 15 °C. Avec la baisse de la densité de l'air, donc en montant, la vitesse propre est supérieure à la vitesse indiquée (une approximation peut être faite en ajoutant 1 % par tranche de 600 pieds au dessus de la surface 1 013 hPa).

Les arcs de couleur indiquent les zones de vitesses maximales :

  • 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.

Voir les vitesses aéronautiques.

Pour les avions volant à des vitesses proches de celle du son et au-delà, d'autres lois sont applicables et, donc, d'autres instruments : le machmètre.

Variomètre

Variomètre.jpg

Date de création : 1928 en Allemagne.
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, dû au temps de remplissage de la capacité.

Il existe une version différente, où l'instrument est appelé à énergie totale (ou variomètre compensé). Il indique la variation de la somme de l'énergie cinétique (due à la vitesse), et de l'énergie potentielle (due à l'altitude). Il est utilisé pour la pratique du vol à voile, où il est intéressant de connaître le gain d'énergie du planeur dû à la vitesse verticale de la masse d'air, et ce même lors d'une ressource. En effet en vol à voile, l'absence de moteur fait que la seule cause possible d'une augmentation de l'énergie est une masse d'air ascendante (les frottements sont négligés). Le variomètre à énergie totale indique donc la variation d'énergie traduite en vitesse verticale. Lors de la prise de vitesse précédant le décollage, il indique une valeur positive bien que la vitesse verticale soit nulle. Il existe enfin des variomètres dits « netto » qui déduisent la vitesse verticale de la masse d'air, en fonction des variations de l'énergie totale et des caractéristiques du planeur.

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).

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.

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 et inclinaison.

Indicateur de virage et de dérapage (bille-aiguille)

L'indicateur de virage est un gyroscope à un degré de liberté qui permet de visualiser le taux de virage (et non l'inclinaison) de l'avion.

Il est associé à une bille qui se déplace dans un tube incurvé selon la verticale apparente et qui visualise le dérapage de l'avion. La bille fonctionne simplement par gravité. En effet, quand le dérapage est nul et le vol symétrique, la gravité relative (gravité équivalente créée par le poids et la force centrifuge) est selon l'axe vertical de l'avion. Si la gravité relative forme un angle avec la verticale du planeur, c'est qu'il existe un dérapage. En vol à voile, l'indication donnée par la bille est souvent doublée par un fil de laine collé sur la verrière. Le fil de laine est collé par une de ses extrémités, et la dizaine de centimètres du fil (souvent de couleur rouge) se déplace avec le vent relatif. Le fil indique alors l'angle entre le vent relatif et l'axe du planeur, ce qui est la définition du dérapage ou de la glissade.

Centrale à inertie

La centrale à inertie (en anglais Inertial Navigation System, INS) est composée de deux gyroscopes à trois degrés de liberté et d'un trièdre d'accéléromètres. Après une phase de stabilisation, tous les mouvements de l'avion autour de la position de référence sont connus. Elle remplace donc l'horizon artificiel et le gyro directionnel. Par intégration des signaux des accéléromètres, les vitesses de l'avion selon les trois axes sont calculées dans le référentiel terrestre. La position de l'avion est ainsi calculée toujours dans le référentiel terrestre, faisant ainsi abstraction des mouvements dus aux courants aériens. La dérive de position est de l'ordre du mile marin à l'heure. Ce système est donc insuffisant pour déterminer l'altitude avec une précision suffisante. Pour corriger les défauts, il existe plusieurs méthodes dont le couplage barométrique ou encore le couplage avec un GPS. Les avions de ligne devant franchir les océans en empruntant les espaces MNPS sont équipés de trois centrales de ce type. On trouve deux types de centrales, celles qui sont équipées de gyroscopes mécaniques ou les plus modernes qui sont équipées de gyrolasers.

Gyrolaser

Un gyrolaser est composé d'un circuit de lumière parcourant un triangle équilatéral. La source de lumière (rayon laser) est appliquée au milieu de la base du triangle, ou elle est séparée en deux faisceaux vers les deux angles inférieurs du triangle où sont placés deux miroirs qui redirigent les deux faisceaux de lumière vers le troisième sommet. La vitesse de propagation de la lumière étant constante, si le triangle est animé d'un mouvement de rotation dans son plan, la distance parcourue dans les deux branches devient différente (Effet Sagnac). Grâce aux propriétés du rayonnement laser, on observe alors une interférence au sommet du triangle. Un détecteur photoélectrique peut compter et déterminer le sens de défilement des raies de cette interférence, dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation du triangle sur lui-même. En montant trois dispositifs de ce type selon un trièdre, et en traitant les signaux, il devient possible de déterminer tous les mouvements d'un avion selon ses trois axes comme avec un gyroscope mécanique. En ajoutant les accéléromètres et le traitement de leurs signaux, une centrale à inertie a été reconstituée.

Instruments électromagnétiques

Radioaltimètre (ou sonde altimétrique)

Article détaillé : Radioaltimètre.

Il utilise un radar chirp placé sous le fuselage. 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.

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 (voir GPS).

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.

VOR (VHF Omnidirectional Range)

Une antenne sur l'avion reçoit 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.

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.

DME (Distance Measuring Equipment)

Un équipement sur l'avion échange un signal radio (dans la bande de fréquence de 960 à 1 215 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.

ILS (Instrument Landing System)

Une antenne sur l'avion reçoit 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 transmise par une émission VHF (de 108,10 à 111,95 MHz), tandis que l'indication « haut-bas » est transmise par une émission UHF (de 334,7 à 330,95 MHz).

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.

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 deux parties, la première qui symbolise les paramètres moteurs et la seconde, 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 et vert : informations et fonctionnement normal ;
  • blanc : système armé et en attente de fonctionnement ou système en fonctionnement (suivant la philosophie du constructeur) ;
  • bleu : indication de transit (ex. : ouverture ou fermeture d'une vanne) ;
  • magenta : valeurs présélectionnées ;
  • ambre : message de dysfonctionnement mineur ou illogique ;
  • rouge : alarmes ou pannes majeures à traiter d'urgence par l'équipage.

Voir aussi : HUD / Affichage tête haute.

Système de gestion de vol

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.

Le pilote dispose d'une interface lui permettant avant le départ d'entrer son plan de vol. Il s'agit d'une sorte de "contrat" passé au préalable avec les autorités du contrôle aérien qui décrit la façon dont le vol va se dérouler. Par exemple, départ de Toulouse Blagnac, piste 14L, départ standard LACOU5A, puis passage par Agen, Limoges, et enfin atterrissage à Orly, approche ILS piste 26 après l'arrivée standard AGOP1S. Le plan de vol est constitué d'une suite de points dont la structure est définie par des normes précises telles que l'ARINC 424. A partir de ce plan de vol, le FMS calcule la trajectoire qui sera affichée sur les écrans de visualisation et une estimation de l'ensemble des données susceptibles d'être utile au pilote pendant le vol: heures de passage aux différents points du plan de vol, estimation de la quantité de fuel à bord, etc. Le FMS est en général couplé au pilote automatique pour l'assister dans le guidage de l'avion.

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 deux systèmes partagent le ou les mêmes calculateurs. Ils fonctionnent selon trois phases : armé (le calculateur acquiert les données), capture (le calculateur indique les corrections à effectuer) et maintien (le calculateur tient les paramètres).

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.

Instruments de surveillance des paramètres moteurs et autres systèmes

Manomètres

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

Tachymètre

Il indique la vitesse de rotation du moteur (en tr/min) ou d'un réacteur (en % d'un régime nominal).

Systèmes d'alarmes

Avertisseur de décrochage

Il émet 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

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.

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).

Voir aussi

Aéronautique ~ Aviation ~ Avion ~ Helylux ~ IFR ~ Planeur ~ Unité en aviation ~ VFR ~ Instrument de navigation ~ Papi ~ Vitesses (aérodynamique)

Liens externes

Équipementiers

Réalisation d'instruments virtuels

Comment exploiter ses instruments en vol

  • Portail de l’aéronautique Portail de l’aéronautique
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