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PILOTE AUTOMATIQUE DIRECTEUR DE VOL Nicolas CHAUMEL.

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2 PILOTE AUTOMATIQUE DIRECTEUR DE VOL Nicolas CHAUMEL

3 Au menu… I) Présentation – Généralités PA/DV II) Lois de pilotage III) Réalisation 0) Acronymes - Dénominations

4 PA (français) AP (anglais). DV (français) FD (anglais). CADV : Commande Automatique du vol (français) AFCS Auto Flight Control System (anglais). AFDS : Auto Flight Director System (BOEING). FMG(E)C : Flight Management Guidance Enveloppe Computer (AIRBUS) A/T: Auto Throttle (« Les manettes bougent ! ») (BOEING et autres). A/THR : Auto Thrust (« Les manettes ne bougent pas ! ») (AIRBUS) MSP / MCP / FCU : Panneau de commande PA/DV/AT.

5 I) Présentation – Généralités PA/DV Automatismes de conduite : Pilote automatique SYSTEME ACTIF Automanette/Autopoussée Lautomanette affiche la poussée nécessaire à chaque phase de vol. Elle peut afficher une POUSSEE, une VITESSE ou un nombre de MACH. Développée dans un autre chapitre. A) Présentation générale Le pilote automatique « pilote lavion » en TRAJECTOIRE et parfois en VITESSE.

6 Amortisseur de lacet (Yaw Damper) Avions rapides à réaction Traité en détails en mécanique du vol (080). A noter que cest un automate (Pas dentrée pilote nécessaire) Trim automatique en profondeur Trim suivant les conditions de vol (Mach Trim, Trim dincidence, Trim) Contre panne moteur Avions récents : A320 et suivants, B777… Contrôle du domaine de vol Avions récents : A320 et suivants…

7 Systèmes daide à la conduite Directeur de vol - SYSTEME PASSIF Voir section A320 (3) doc élève! Le directeur de vol effectue les calculs de guidage en fonction de la phase de vol et des desiderata pilote et les affiche sur les ADI / EADI / PFD. Dans le cadre dun directeur de vol à barres de tendance, la référence de travail est la maquette avion fixe par rapport à lavion et non la ligne dhorizon. Attention : Le fait que les barres DV soient centrées signifie que lavion suit la trajectoire calculée par le calculateur DV, pas forcément quil est sur un axe VOR / ILS…

8 B) Généralités Nous allons maintenant clairement expliciter ce qui change quand on passe dun pilotage MANUEL classique à un pilotage assisté par un DIRECTEUR DE VOL puis ensuite à un pilotage automatique. a) Pilotage Manuel -Instruments -Perceptions Le pilote analyse la situation, effectue une synthèse et élabore des ordres de pilotage. Le pilote agit sur les gouvernes. Gouvernes Les évolutions de lavion sont perçues par les capteurs. b) Pilotage avec directeur de volSystème PASSIF -ADC -INS/IRS -Récepteurs Radio Nav Calculateur DV Le pilote agit sur les gouvernes. Gouvernes 1) Principes Voir schémas doc élève.

9 c) Pilotage automatique Système ACTIF -ADC -INS/IRS -Récepteurs Radio Nav Calculateur PA Servomoteur PA Gouvernes Essentiel à retenir : Le DV réduit la charge de travail du pilote en lui épargnant le balayage et lANALYSE de la planche de bord ainsi que la synthèse et lélaboration des ordres de pilotage. Le DV donne des ordres au pilote sous forme de TENDANCES de pilotage (SENS et AMPLITUDE des corrections à apporter) sur les ADI / EADI / PFD. Le PA et le DV ont de nombreux points communs : Signaux dentrée calculateur pratiquement identiques. Modes de fonctionnement presque tous identiques. Sur les avions récents, un SEUL calculateur assure les fonctions PA et DV.

10 2) Un peu dhistoire de laviation ! Nous allons voir quelques exemples de PA/DV et ainsi constater les évolutions technologiques importantes qui ont eu lieu dans ce domaine. Le DC-3 (1935) 2 Modes disponibles en même temps : Acquisition et maintien de cap Maintien dassiette Assiette ( Incidence ( + Pente ( ) (Flight Path Angle (FPA) en Anglais) Question subsidiaire : Un maintien dassiette automatique implique-t-il un maintien automatique du taux de montée?

11 Solution Prenons lexemple suivant : En méca. vol. on montre que lincidence est caractéristique dune vitesse indiquée de lavion : Basse vitesse Forte incidence et Haute vitesse Faible incidence. On est à 120 kts soit On a donc On sait que Vz (ft/min) x Vs(kts) Doù Vz 240ft/min. Le PA du DC3 maintient lassiette mais la vitesse indiquée augmente à 150kts. A cette vitesse et Doù Vz 450ft/min ! Conclusion : Un maintien dassiette ne permet un maintien de pente et de taux de montée quà vitesse indiquée constante. Sur DC3 si on voulait utiliser ce mode pour maintenir une altitude ( et Vz 0) il fallait maintenir une vitesse indiquée constante !

12 Le B /-200/-300/SP/SR (1969) MSP : Mode Select Panel PAM : Panneau Annonciateur de ModeBoîtier de commande dévolution Ambre : Mode armé Vert : Mode engagé Remarque : La molette directeur de vol permet de préafficher lassiette de montée N-1 moteurs

13 ADI : Attitude Director Indicator Directeur de vol classique à barres de tendance. En cas de panne dune source ou dun affichage, un drapeau apparaît.

14 Minima opérationnels 1) Approche de non - précision Guidage latéral (LOC, VOR, NDB, RNAV, GPS…) OBLIGATOIRE Guidage vertical (glideslope, PAPI…) POSSIBLE Information de distance (DME, markers, RNAV, GPS…) POSSIBLE Minimum vertical : MDA : Minimum Descend Altitude lue sur laltimètre calé au QNH. Minimum horizontal : Visibilité Météo 2) Approche de précision Guidage latéral (LOC – RNAV-GPS à venir…) OBLIGATOIRE Guidage vertical (glideslope et à venir DGPS) OBLIGATOIRE Information de distance (DME, markers, DGPS) OBLIGATOIRE Minimum vertical : DH : Decision Height donnée par une radiosonde. Minimum horizontal : Visibilité Météo / RVR

15 Le B (1988) (les B757/B767 partagent le même MCP) MCP : Mode Control Panel PFD : Primary Flight DisplayCDU : Control Display Unit FMA: Flight Mode Annunciator Vert: Mode engagé Blanc: Mode armé

16 De même que précédemment, en cas de panne dune source ou dun affichage, des drapeaux apparaissent. On peut noter une constante avec les écrans : quand un affichage nest pas disponible, fiable ou possible, il nest pas affiché et un drapeau le remplace. Cela permet immédiatement de lever le doute sur un affichage suspect.

17 L A320 (1988) (les A318/19/20/21/30/40 en sont extrêmement proches) FCU : Flight Control Unit PFD : Primary Flight Display MCDU : Multi purpose Control Display Unit FMA: Flight Mode Annunciator Vert: Mode engagé Cyan: Mode armé Blanc: Sélection pilote (poussée sélectée manuellement, engagement PA/DV…)

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19 Manettes de poussée (Thrust Levers) Différents « crans » ou « detents » en anglais. TO/GA: Poussée de décollage ou remise des gaz. FLX/MCT: Poussée réduite au décollage ou poussée maxi. continue. CL: Poussée de montée 0: Ralenti. REV: Inversion de poussée.

20 Le B737NG (1997) (« Next Generation » -600/-700/-800/-900) MCP : Mode Control Panel PFD : Primary Flight Display FMA: Flight Mode Annunciator Vert: Mode engagé Blanc: Mode armé Attention ! Cest ce code couleur qui peut être demandé à lexamen ! CDU : Control Display Unit

21 Le B777 (1994) MCP : Mode Control Panel PFD : Primary Flight DisplayCDU : Control Display Unit FMA: Flight Mode Annunciator Vert: Mode engagé Blanc: Mode armé

22 L A380 (2005) (évolution des systèmes AIRBUS précédents) FCU : Flight Control Unit PFD : Primary Flight Display FMA: Flight Mode Annunciator Indicateur de position train / volets et de réglage du PHR / THS.

23 MFD : Multi Fonction Display CCD : Cursor Control Device

24 3) Diverses représentations du directeur de vol Il existe plusieurs représentations du directeur de vol en fonction de la génération des équipements, du choix pilote, de la phase de vol… La représentation la plus courante et donnant des ordres de TANGAGE et ROULIS que le pilote devra appliquer consiste en deux BARRES de tendance. Il existe aussi le couple FLIGHT PATH DIRECTOR + FLIGHT PATH VECTOR (Représentation AIRBUS, sur B777, il existe une représentation proche). Voir section A320 (3) doc élève!

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27 Affichage du FPV et de la cible de pente sur B777. Il ny a pas de guidage latéral du FPV. Le mode TRK commande la barre verticale du DV. Le mode FPA commande le symbole magenta et la barre horizontale du DV.

28 Il existe également le directeur de vol « à moustaches » courant sur les petits avions et certains avions de ligne (ici le B737NG). Dans toutes les représentations vues précédemment, les ordres donnés au pilote par les calculateurs étaient sur les axes de ROULIS et TANGAGE. Il existe certaines représentations du directeur de vol assurant un guidage suivant laxe de LACET (au sol le plus souvent) permettant par mauvaise visibilité de guider lavion au roulage au décollage et à latterrissage. Voir section A320 (3) doc élève!

29 4) Modes de pilotage – Généralités Définition : Modus La manière, la façon en latin ! Un mode de pilote automatique est une « action à effectuer dune certaine manière » par lautomatisme suite, le plus souvent, à une sélection pilote (dans certains cas, le changement de mode est automatique, cest une réversion de mode). Modes de base : Ensemble des modes permettant de gérer les variations dATTITUDE de lavion par rapport à son centre de gravité. Autre définition admettant quelques exceptions… : Ensemble des modes nayant quun état ENGAGE et pas détat ARME. MODES DE PILOTAGE Attention ! Ce sont des notions fondamentales à connaître parfaitement! Exemples : Maintien assiette ( Thêta Ailes horizontales, Inclinaison Phi Modes supérieurs : Ensemble des modes permettant de gérer la position du centre de gravité de lavion par rapport à la Terre. Autre définition admettant aussi quelques exceptions… : Ensemble des modes ayant un état ENGAGE et un état ARME. MODES DE GUIDAGE Exemples : INS/LNAV/NAV, G/S, LOC, LAND, VOR, …

30 Propriété fondamentale : La mise en œuvre des modes supérieurs ne peut se faire quau travers des modes de base. 5) Architecture PA/DV Ancienne génération : PA 2 axes (Tangage-Pitch/Roulis-Roll) + Éventuellement un automate sur la chaîne de Direction-Yaw. Nouvelle génération : PA 3 axes (Tangage-Pitch/Roulis-Roll/ Direction-Yaw). 6) Commandes dengagement B747 « Classique » 3 positionsB737NG 3 positions Remarque : Un automatisme (ex : PA/DV/AT) a besoin dentrées du pilote pour fonctionner alors que lautomate (ex : YD) nen a pas besoin.

31 OFF : PA coupé (facile !) MAN : - Maintien de lassiette instantanée - HDG HOLD si linclinaison est faible sinon ATT (maintien de linclinaison) - ALT HOLD se fait au détriment de lassiette (délestage carburant) Le pilotage se fait via la boîte de commande dévolution. On ne met ici en œuvre que des modes de base.

32 CWS: (Control Wheel Steering) « Pilotage transparent » Question dexamen : Si le pilote lâche le manche lavion conserve sa dernière attitude. Les efforts exercés sur le manche par le pilote humain sont traduits en signaux électriques via des biellettes dynamométriques. Ils sont envoyés aux calculateurs PA qui : Se synchronisent aux actions du pilote. Modifient la position des gouvernes et ainsi lATTITUDE de lavion. On ne met ici en œuvre que des modes de base. Ici le manche remplace la boîte de commande dévolution du mode MAN.

33 COMMAND Possibilité dengager des MODES SUPERIEURS -Sur le B737NG, la sélection du mode command fait dabord passer lavion en CWS. De manière générale, la sélection dun PA ou dun DV entraîne lengagement des MODES DE BASE, ici CWS R(Roll) Maintien inclinaison et CWS P(Pitch) Maintien assiette - Sur certains avions, la sélection de COMMAND ou ON entraîne lengagement automatique de HDG-TRK HOLD/ATT et V/S- FPA. - Ici, le pilote a manuellement sélecté HDG SEL et MCP SPD.

34 Sécurités à lengagement PA TESTS: Validité des informations dattitude (Centrales Gyro – INS – IRS) Intégrité PA Molette TURN de la boîte de commande dévolution centrée Boucle de synchronisation Active PA OFF. Son rôle est de synchroniser le calculateur TANGAGE sur lassiette avion instantanée quand il est piloté manuellement. Elle permet ainsi déviter une embardée à lengagement du PA. Calculateur TANGAGE synchronisé (bon fonctionnement de la boucle de synchronisation) Dégagement automatique PA si : Panne calculateur Perte des informations dATTITUDE Perte du TRIM automatique (Vu en détails plus loin) Dégagement manuel PA si : Poussoir manche pressé Barre MCP abaissée Effort important aux commandes

35 Schéma synoptique du fonctionnement dun mode PA sur un axe (roulis) 7) Modes PA/DV Cap affiché par le piloteCap actuel Signal décart (entrée) Braquage gouverne commandé par le PA Braquage actuel Braquage gouverne différentiel (sortie)

36 Liste des modes PA/DV les plus courants a) HDG SEL (Acquisition et maintien de cap) Ne comporte pas détat armé, il peut donc éventuellement être considéré comme un mode de base. b) INS / LNAV / NAV Nécessite un plan de vol inséré (éventuellement FMS). Company route Waypoints Coordonnées géographiques Repère / Relèvement /Distance (Place / Bearing / Distance) MERUE / 260° / 15 NM Point le long de la route (Waypoint along track) 15 NM avant DPE Intersection MERUE 260° / CRL 120° Lengagement est fonction de lXTK (écart de route latéral).

37 c) VOR / LOC (Acquisition et maintien dun radial sélecté ou dun LOC) Pour linterception daxe VOR, 3 sélections doivent être faites : VOR / LOC Fréquence Course Ici VOR / PTV 201° Lengagement est fonction de i (Psi) (cap dinterception) et R (erreur de radiale) il donne comme pour le mode précédent une trajectoire dinterception asymptotique.

38 Le mode HDG SEL préalablement engagé est chassé par VOR/LOC au moment de linterception. Sert aussi à acquérir et maintenir un localizer si une fréquence ILS a été affichée. A linterception du LOC, le bouton CRS devient inopérant.

39 Cône de confusion Mode réellement engagé Mode annoncé au FMA Attention : Le HDG HOLD est ici une FONCTION du mode VOR, le PA/DV nest pas dans le « vrai » mode HDG HOLD cest pourquoi VOR/LOC reste affiché au FMA !

40 d) ILS / APP / LAND (Acquisition et maintien dun LOC et dun GLIDESLOPE et éventuellement atterrissage automatique) Les procédures veulent que, normalement, on intercepte le glide par en-dessous (le bon sens et la sécurité aussi !). Attention : Le mode LAND nest pas un mode DV seul ! N.B.: A la pression du poussoir APP (LOC + G/S) sur les avions modernes, le mode LAND sarme automatiquement et les 2 (3) PA sont alimentés électriquement. Interception daxe LOC

41 h1 : Hauteur (radiosonde) darmement de latterrissage automatique. Les 2 (ici 3) PA sont alimentés électriquement et actionnent les gouvernes via leurs servocommandes hydrauliques. Ils dialoguent entre-eux, généralement, le 1 er PA engagé est la référence (PA maître). h2 : Hauteur dalerte (facultative exemple ici du B )

42 A retenir : On ne peut jamais avoir deux modes engagés en même temps sur le même axe Si lun est engagé, lautre est forcément ARME. Exemple : HDG HOLD (Engagé) / LOC (armé) Interception LOC (Engagé). Un atterrissage est considéré comme automatique si le guidage va au moins jusquau toucher des roues. Pour faire un atterrissage automatique, lensemble pilote automatique doit être FAIL SAFE OPERATIONNAL (Opérationnel après panne). Le roll out néquipe que les avions de dernière génération et nest nécessaire que dans certaines catégories dapproches de précision (CAT III). Il utilise le faisceau du LOC pour assurer un guidage latéral de piste. e) Changement de niveau de vol FL CH (MCP SPD annoncé au FMA du 737) FL CH Le pilote (ou lautomanette !) affiche la poussée requise pour monter ou descendre et cest le PA qui, via les gouvernes de profondeur, maintient une vitesse indiquée constante affichée au MCP.

43 Maintien de vitesse verticale (V/S) ou de pente (FPA) Le pilote (ou lautomanette) gère la vitesse tandis que le PA maintient la vitesse verticale ou la pente. f) Mode TURB (Avions anciens uniquement) Permet la réduction de lamplitude et de la vitesse des corrections du PA. A son engagement, la PA passe automatiquement en MAN / CWS Seuls les modes de base restent disponibles. Le pilotage se fait via la boîte de commande dévolution (MAN) ou le manche (CWS).

44 8) Mode DV autreAttention ce nest pas un mode PA ! Back beam / Back course Permet de polariser à 180° linformation LOCALIZER pour garder un DV directif (guidant dans le bon sens) dans le cas de lutilisation dun LOC dans le sens inverse. Voyons maintenant quelques exemples pour mettre toutes ces belles connaissances en application !


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