PILOTE AUTOMATIQUE DIRECTEUR DE VOL Nicolas CHAUMEL

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

0) Acronymes - Dénominations 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.

I) Présentation – Généralités PA/DV A) Présentation générale Automatismes de conduite : Pilote automatique SYSTEME ACTIF Le pilote automatique « pilote l’avion » en TRAJECTOIRE et parfois en VITESSE. Automanette/Autopoussée L’automanette 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.

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

Systèmes d’aide à la conduite Voir section A320 (3) doc’ élève! Directeur de vol - SYSTEME PASSIF 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 d’un directeur de vol à barres de tendance, la référence de travail est la maquette avion fixe par rapport à l’avion et non la ligne d’horizon. Attention : Le fait que les barres DV soient centrées signifie que l’avion suit la trajectoire calculée par le calculateur DV, pas forcément qu’il est sur un axe VOR / ILS…

B) Généralités Voir schémas doc’ élève. 1) Principes Nous allons maintenant clairement expliciter ce qui change quand on passe d’un 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 l’avion sont perçues par les capteurs. b) Pilotage avec directeur de vol Système PASSIF ADC INS/IRS Récepteurs Radio Nav Calculateur DV Le pilote agit sur les gouvernes. Gouvernes

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 l’ANALYSE de la planche de bord ainsi que la synthèse et l’élaboration 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 d’entrée calculateur pratiquement identiques. Modes de fonctionnement presque tous identiques. Sur les avions récents, un SEUL calculateur assure les fonctions PA et DV.

2) Un peu d’histoire de l’aviation ! 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 d’assiette Assiette (q) = Incidence (a) + Pente (g) (Flight Path Angle (FPA) en Anglais) Question subsidiaire : Un maintien d’assiette automatique implique-t-il un maintien automatique du taux de montée?

Solution Prenons l’exemple suivant : q = +5° => +5° = a + g En méca. vol. on montre que l’incidence est caractéristique d’une vitesse indiquée de l’avion : Basse vitesse => Forte incidence et Haute vitesse => Faible incidence. On est à 120 kts soit a = +3°. On a donc g = +2°. On sait que Vz (ft/min) = g(%) x Vs(kts) D’où Vz = 240ft/min. Le PA du DC3 maintient l’assiette mais la vitesse indiquée augmente à 150kts. A cette vitesse a = +2° et q = +5° => g = +3° D’où Vz = 450ft/min ! Conclusion : Un maintien d’assiette ne permet un maintien de pente et de taux de montée qu’à vitesse indiquée constante. Sur DC3 si on voulait utiliser ce mode pour maintenir une altitude (q = 0° et Vz = 0) il fallait maintenir une vitesse indiquée constante !

Le B747-100/-200/-300/SP/SR (1969) MSP : Mode Select Panel PAM : Panneau Annonciateur de Mode Boîtier de commande d’évolution Ambre : Mode armé Vert : Mode engagé Remarque : La molette directeur de vol permet de préafficher l’assiette de montée N-1 moteurs

ADI : Attitude Director Indicator Directeur de vol classique à barres de tendance. En cas de panne d’une source ou d’un affichage, un drapeau apparaît.

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 l’altimètre 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

Le B747-400 (1988) (les B757/B767 partagent le même MCP) MCP : Mode Control Panel PFD : Primary Flight Display CDU : Control Display Unit FMA: Flight Mode Annunciator Vert: Mode engagé Blanc: Mode armé

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

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

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.

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

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

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.

MFD : Multi Fonction Display CCD : Cursor Control Device

Voir section A320 (3) doc’ élève! 3) Diverses représentations du directeur de vol Voir section A320 (3) doc’ élève! 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!

Affichage du FPV et de la cible de pente sur B777. Il n’y 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.

Voir section A320 (3) doc’ élève! 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 l’axe de LACET (au sol le plus souvent) permettant par mauvaise visibilité de guider l’avion au roulage au décollage et à l’atterrissage. Voir section A320 (3) doc’ élève!

4) Modes de pilotage – Généralités Attention ! Ce sont des notions fondamentales à connaître parfaitement! Définition : Modus = La manière, la façon en latin ! Un mode de pilote automatique est une « action à effectuer d’une certaine manière » par l’automatisme suite, le plus souvent, à une sélection pilote (dans certains cas, le changement de mode est automatique, c’est une réversion de mode). Modes de base : Ensemble des modes permettant de gérer les variations d’ATTITUDE de l’avion par rapport à son centre de gravité. Autre définition admettant quelques exceptions… : Ensemble des modes n’ayant qu’un état ENGAGE et pas d’état ARME. MODES DE PILOTAGE Exemples : Maintien assiette (q Thêta), Ailes horizontales, Inclinaison ( Phi). Modes supérieurs : Ensemble des modes permettant de gérer la position du centre de gravité de l’avion 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, …

Propriété fondamentale : La mise en œuvre des modes supérieurs ne peut se faire qu’au 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. Remarque : Un automatisme (ex : PA/DV/AT) a besoin d’entrées du pilote pour fonctionner alors que l’automate (ex : YD) n’en a pas besoin. Nouvelle génération : PA 3 axes (Tangage-Pitch/Roulis-Roll/ Direction-Yaw). 6) Commandes d’engagement B747 « Classique » 3 positions B737NG 3 positions

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

CWS: (Control Wheel Steering) Ici le manche remplace la boîte de commande d’évolution du mode MAN. « Pilotage transparent » 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 l’ATTITUDE de l’avion. On ne met ici en œuvre que des modes de base. Question d’examen : Si le pilote lâche le manche l’avion conserve sa dernière attitude.

COMMAND => Possibilité d’engager des MODES SUPERIEURS Sur le B737NG, la sélection du mode command fait d’abord passer l’avion en CWS. De manière générale, la sélection d’un PA ou d’un DV entraîne l’engagement des MODES DE BASE, ici CWS R(Roll) Maintien inclinaison et CWS P(Pitch)  Maintien assiette - Ici, le pilote a manuellement sélecté HDG SEL et MCP SPD. - Sur certains avions, la sélection de COMMAND ou ON entraîne l’engagement automatique de HDG-TRK HOLD/ATT et V/S-FPA.

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

Braquage gouverne différentiel (sortie) 7) Modes PA/DV Schéma synoptique du fonctionnement d’un mode PA sur un axe (roulis) Cap affiché par le pilote Cap actuel Signal d’écart (entrée) Braquage gouverne commandé par le PA Braquage actuel Braquage gouverne différentiel (sortie)

Liste des modes PA/DV les plus courants a) HDG SEL (Acquisition et maintien de cap) Ne comporte pas d’état 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° L’engagement est fonction de l’XTK (écart de route latéral).

c) VOR / LOC (Acquisition et maintien d’un radial sélecté ou d’un LOC) Pour l’interception d’axe VOR, 3 sélections doivent être faites : VOR / LOC Fréquence Course Ici VOR 116.50 / PTV 201° L’engagement est fonction de i (Psi) (cap d’interception) et DR (erreur de radiale) il donne comme pour le mode précédent une trajectoire d’interception asymptotique.

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

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

Interception d’axe LOC d) ILS / APP / LAND (Acquisition et maintien d’un LOC et d’un 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 n’est pas un mode DV seul ! N.B.: A la pression du poussoir APP (LOC + G/S) sur les avions modernes, le mode LAND s’arme automatiquement et les 2 (3) PA sont alimentés électriquement.

h1 : Hauteur (radiosonde) d’armement de l’atterrissage automatique. Les 2 (ici 3) PA sont alimentés électriquement et actionnent les gouvernes via leurs servocommandes hydrauliques. Ils dialoguent entre-eux, généralement, le 1er PA engagé est la référence (PA maître). h2 : Hauteur d’alerte (facultative exemple ici du B747-400)

e) Changement de niveau de vol FL CH (MCP SPD annoncé au FMA du 737) A retenir : On ne peut jamais avoir deux modes engagés en même temps sur le même axe => Si l’un est engagé, l’autre est forcément ARME. Exemple : HDG HOLD (Engagé) / LOC (armé) -> Interception LOC (Engagé). Un atterrissage est considéré comme automatique si le guidage va au moins jusqu’au toucher des roues. Pour faire un atterrissage automatique, l’ensemble pilote automatique doit être FAIL SAFE OPERATIONNAL (Opérationnel après panne). Le roll out n’équipe que les avions de dernière génération et n’est nécessaire que dans certaines catégories d’approches 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 l’automanette !) affiche la poussée requise pour monter ou descendre et c’est le PA qui, via les gouvernes de profondeur, maintient une vitesse indiquée constante affichée au MCP.

Maintien de vitesse verticale (V/S) ou de pente (FPA) Le pilote (ou l’automanette) gère la vitesse tandis que le PA maintient la vitesse verticale ou la pente. f) Mode TURB (Avions anciens uniquement) Permet la réduction de l’amplitude 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 d’évolution (MAN) ou le manche (CWS).

8) Mode DV autre Attention ce n’est pas un mode PA ! Back beam / Back course Permet de polariser à 180° l’information LOCALIZER pour garder un DV directif (guidant dans le bon sens) dans le cas de l’utilisation d’un LOC dans le sens inverse. Voyons maintenant quelques exemples pour mettre toutes ces belles connaissances en application !