Sciences et Techniques de l'Aéronautique

L'Aéronautique touche à toutes les Sciences et Techniques : c'est ce qui la rend passionnante, même en virtuel .

Il m'a semblé nécessaire d'approcher quelques une de ces Sciences et Techniques qui gravitent autour de l'Aéronautique , à savoir :
-Atmosphère terrestre .
- Météo aéronautique .
- Position d'un lieu - système géodésique .
- Détermination de la position d'un avion .
- Fly-by-wire ou commande de vol électrique .
- Les communications aéronautiques .
- Cartographie Numérique .
- Il vole !!

L'atmosphère terrestre est l'enveloppe gazeuse entourant la Terre solide .

L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres aéronefs

Nos avions volent dans la Troposphère :: la température décroît avec l'altitude (de la surface du globe à 8-15 km d'altitude) ; l'épaisseur de cette couche varie entre 13 et 16 km à l'équateur, mais entre 7 et 8 km aux pôles. Elle contient 80 à 90 % de la masse totale de l'air et la quasi-totalité de la vapeur d'eau[5]. C'est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques

Très vaste sujet ; des milliers de site en traitent .
Je puise dans une information pléthorique pour vous faire une synthèse courte de ce sujet essentiel pour nos vols;

En aéronautique, on s'intéresse à :

• obscurcissement/visibilité
• précipitations
• nuages
• vent, températures et pression
• évolution dans l'espace
• évolution dans le temps
• indicateurs d'intensité

D'abord un rappel du début des messages :
METAR/SPECI (observation): LFPB 0930z:
Le Bourget observé à 9:30 UTC
TAF (prévision) : LFPO 210200z 0312 :
Orly le 21 du mois en cours à 02:00 UTC valable de 03:00 à 12:00 UTC (TAF 9 heures)

Un METAR rare : 19 déc 2011 - Neige

LFPG Paris-Charles de Gaulle METAR observed at: 19 Dec 08:30 UTC (38 minutes ago)
Wind direction: from 120 degrees varying from 80 to 150 degrees
Wind speed: 8 knots
Visibility: 900 meters
Runway 27L visual range: Ranging from 1300 to 2000 meters (recent tendency : deteriorated)
Runway 09R visual range: Ranging from 1300 to 1700 meters (recent tendency : deteriorated)
Runway 26R visual range: Ranging from 1000 to 1600 meters (recent tendency : no change)
Runway 08L visual range: 1800 meters (recent tendency : no change)
Runway 26L visual range: 1700 meters (recent tendency : deteriorated)
Runway 08R visual range: 1500 meters (recent tendency : deteriorated)
Runway 27R visual range: 1600 meters (recent tendency : deteriorated)
Runway 09L visual range: Ranging from 1000 to 1500 meters (recent tendency : deteriorated)
Present weather: Light Snow
Sky conditions:
Few (1/8-2/8) at less than 100 feet
Broken (5/8-7/8) at 300 feet
Broken (5/8-7/8) at 8300 feet
Temperature: 0 degrees Celsius, Dew point: 0 degrees Celsius
Altimeter setting: 994 hectopascal

Je vous renvoie aux grilles de code pour décoder :
Guide Aviation de Meteo-France

Il est essentiel pour vous d'apprendre à décoder un METAR ou un TAF qui font partie du quotidien du pilote.

D'autres informations sont accessibles :
TEMSI : La carte TEMSI est une carte où figure le temps prévu pour une heure fixe. On y représente les principaux phénomènes météorologiques et les masses nuageuses jusqu'au niveau de vol 125. Il faut connaître les symboles utilisés dans ces cartes
En France elle sont renouvelées toutes les trois heures (06 UTC, 09 UTC, etc.) et sont tracées environ 6 heures avant leur validité. Valables pour une heure donnée, il faut donc les interpréter si l'heure de vol ne correspond pas à celle du TEMSI.
Il faut distinguer la carte TEMSI EUROC qui concerne l'Europe occidentale pour une altitude allant de la surface à 45 000 pieds (environ 14 000 mètres) et la carte TEMSI FRANCE qui ne concerne que la France et dont l'altitude est limitée à 12 500 pieds (environ 4 000 mètres).

SIGMET : Un SIGMET (SIGnificant METeorological Information ) est un message destiné aux aéronefs en vol signalant les phénomènes météorologiques très dangereux et organisés observés et/ou prévus .

Vous trouverez sur ce site " les bulletins metar" pour le monde entier :
http://fr.allmetsat.com/metar-taf/

Sur ce site, vous trouverez les cartes Météo du monde entier :
https://sites.google.com/site/acnetworkweather/home/europe

Je rappelle la définition de la latitude et la longitude :
La latitude d'un lieu est l'angle entre la verticale en ce lieu et le plan de l'équateur. La longitude est l'angle entre le plan méridien passant par la verticale et le plan méridien passant par la verticale d'un lieu de référence (ex : Greenwich, Paris).
C'est les coordonnées LAT/LON utilisées pour les waypoints,VOR et NDB , etc .
Ex : AMFOU N43* 35.75' E6* 6.07'

Mais pour définir la position d'un lieu, il ne suffit pas de donner ses coordonnées x et y, ni sa latitude et sa longitude, ni de dessiner un point sur une carte quelconque ; Il faut aussi que soient précisés les modèles, les projections, les systèmes de coordonnée utilisés.
Un datum (ou système géodésique) c'est un jeu cohérent de tout ces paramètres.
Il pourra comprendre :

• Un ellipsoïde de référence : La Terre étant un peu aplatie aux pôles et renflée à l'équateur, un ellipsoïde de révolution est un modèle plus fidèle qu'une sphère .
• Un géoïde (qui sert souvent seulement de référence pour les altitudes).
• Un système de projection pour les cartes, qui permet de représenter la surface de la terre sur la surface plane d'une carte. Les 3 types principaux sont : cylindrique, conique et azimutale.
• Un système de coordonnées.
• Des principes de calcul, y compris les approximations à faire.

Le WGS84 (World Geodesic System 1984 : Système géodésique mondial, révision de 1984) est le système géodésique associé au GPS ; il s'est rapidement imposé comme une référence "standard" pour la cartographie.
- Ellipsoïde de référence : GRS80 ou WGS84 (très proches, moins d'un mm de différence) grand axe : 6 378 137.000 m, petit axe : 6 356 752.314 m.
- Géoïde, utilisé pour les altitudes : WGS-84 Geoid Heights, défini par pas de 0.25degrés par la NIMA (US National Imagery and Mapping Agency)

• Coordonnées géographiques : en degrés, méridien de référence : Greenwich
• Projections et coordonnées associées :

UTM (Universal Transvers Mercator) entre les latitudes 80° sud et 84° nord.
UPS (Universal Polar Stereographic) pour les pôles.
Consultez pour les UTM et UPS :
http://earth-info.nga.mil/GandG/coordsys/grids/utm.html
Pour les conversions en LAT/LON :
Conversion LAT/LON

Une fois en vol, une des tâches principales du FMS (Flight Mnagement System ) est de déterminer la position de l'avion et l'exactitude de cette position .Un FMS simple utilise un seul capteur, en général un GPS afin de déterminer la position. Mais les FMS modernes utilisent autant de capteurs qu'ils peuvent afin de déterminer et de valider exactement leur position. Certains FMS utiliser un filtre de Kalman (outil statistique : le filtre de Kalman est un estimateur récursif. Cela signifie que pour estimer l'état courant, seuls l'état précédent et les mesures actuelles sont nécessaires ) pour intégrer les positions des différents capteurs en une seule position. Les capteurs courants sont :
· Les récepteurs GPS de qualité aéronautique agissent comme capteur primaire, car ils ont la plus grande précision et intégrité.

· Les Radio aides conçus pour la navigation des avions sont les seconds capteurs de haute qualité. Il s'agit notamment;
Le DME (équipement de mesure de distance) qui vérifie les distances de cinq stations DME différentes simultanément afin de déterminer une position toutes les 10 secondes.
Le VOR (radiophare omnidirectionnel VHF) qui fournissent un appui. Avec deux stations VOR, la position de l'avion peut être déterminée, mais la précision est limitée.

· Les systèmes de référence inertielle (IRS) qui utilisent des gyroscopes et des accéléromètres afin de calculer la position de l'avion. Ils sont très précis et indépendants de sources extérieures. Les avions utilisent la moyenne pondérée de trois indépendant IRS pour déterminer la "triple mixte IRS" position.

Le FMS croise en permanence les différents capteurs et détermine une position unique et précise de l'avion . La précision est décrite suivant les règles de l'ANP ( Actual Navigation Performance ) comme un cercle ou l'avion peut être et dont le diamètre est mesuré en miles nautiques. L'espace aérien moderne est régulé par un ensemble de performances de navigation requises (RNP : required navigation performance ). L'avion doit avoir son ANP inférieur à sa RNP pour fonctionner dans certains espace aérien de haut niveau . ( Un RNP de 10 signifie que le système de navigation doit être en mesure de calculer sa position à l'intérieur d'un cercle avec un rayon de 10 miles nautiques. Un RNP de 0.3 signifie que le système de navigation aérienne doit être en mesure de calculer sa position à l'intérieur d'un cercle avec un rayon de 3 / 10 d'un mile nautique. )

Dans les premiers avions, et aujourd'hui encore sur les avions légers, les liaisons entre le manche, le palonnier et les gouvernes de direction et de profondeur étaient réalisées à l'aide de tringles ou de câbles et le pilote exerçait directement sa force sur les gouvernes.

Un Fly-by-Wire systéme (FBW) remplace le contrôle manuel de vol d'un avion par une interface électronique. Les mouvements des commandes de vol sont convertis en signaux électroniques transmis par des fils (d'où le terme fly-by-wire ), et les ordinateurs de contrôle de vol déterminent la façon de déplacer les actionneurs (hydrauliques ou électriques) de chaque surface de contrôle pour fournir la réponse ordonnée. Le système fly-by-wire permet également d'envoyer des signaux automatiques par les ordinateurs de l'avion pour effectuer des fonctions sans l'apport du pilote, comme les systèmes qui aident automatiquement à stabiliser l'avion.

Le Concorde a été le premier à exploiter cette technologie dans le domaine du transport commercial . En 1984 l'Airbus A320 devient le premier avion commercial dont les commandes sont entièrement contrôlées par un ordinateur de contrôle de vol .

L'avènement du FADEC (Full Authority Digital Engine Control) permet de faire fonctionner les systèmes de contrôle de vol et les auto-manettes pour les moteurs de manière pleinement intégrés . Sur les avions militaires modernes, d'autres systèmes tels que autostabilization, navigation, radars et systèmes d'armes sont tous intégrés avec les systèmes de commande de vol. Le FADEC permet des performances maximales de l'avion sans avoir peur d'une mauvaise opération du moteur, de dommages à l'avion ou de charge de travail trop élevé du pilote .

Dans le domaine civil, l'intégration accroît la sécurité du vol et entraine des économies .
L'A320 d'Airbus et ses frères fly-by-wire sont protégés contre les situations dangereuses telles que la faible vitesse de décrochage ou la surcharge par une enveloppe de vol de protection l En conséquence, dans de telles conditions, les systèmes de contrôle de vol des commandes des moteurs augmentent la poussée, sans intervention du pilote. Dans les modes de croisière économie, les systèmes de contrôle de vol régulent les manettes des gaz et les sélections de réservoir de carburant avec plus de précision que les pilotes les plus habiles. FADEC réduit la traînée du gouvernail nécessaire pour compenser sur le côté la poussée des moteurs déséquilibrés.
Sur la famille A330/A340, le carburant est transféré entre le réservoir principal (l'aile et le centre du fuselage) et un réservoir de carburant dans le stabilisateur pour optimiser le centre de gravité de l'avion en vol de croisière. Les contrôles de gestion du carburant maintient avec précision le centre de gravité de l'avion avec des transferts de masse de carburant, plutôt que d'avoir de traînées aérodynamiques induites par les élévateurs

Une onde radioélectrique (dite onde radio) est une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à 3 000 GHz, soit une longueur d'onde supérieure à 0,1 mm.

Le domaine des radiocommunications est réglementé par l'Union internationale des télécommunications (UIT) qui a établi un règlement des radiocommunications dans lequel on peut lire la définition suivante :

Ondes radioélectriques ou ondes hertziennes : « ondes électromagnétiques dont la fréquence est par convention inférieure à 3 000 GHz, se propageant dans l'espace sans guide artificiel » ; elles sont comprises entre 9 kHz et 3 000 GHz qui correspond à des longueurs d'onde de 33 km à 0,1 mm[1].
Les ondes de fréquence inférieure à 9 kHz sont cependant des ondes radio, mais ne sont pas réglementées.

Les ondes de fréquence supérieure à 3 000 GHz sont classées dans les ondes infrarouge (irda), car la technologie associée à leur utilisation est actuellement de type optique et non électrique, mais cette frontière est artificielle, il n'y a pas de différence de nature entre les ondes radio et les ondes lumineuses (et les autres ondes électromagnétiques).

Une onde radio est classée en fonction de sa fréquence exprimée en Hz ou cycles par seconde.

En radiocommunication, la méthode standard de communication entre le contrôleur et un pilote est la voix, en utilisant soit des bandes VHF pour les communications à courte ou moyenne distance ou des bandes HF pour les communications à longue distance (telle que celle prévue par Shanwick Oceanic Control).

VHF :La bande aéronautique VHF est une bande de fréquences du spectre radioélectrique, réservée à l'aéronautique par des traités internationaux. Elle est utilisée pour les communications à courte et moyenne distance entre les pilotes et le personnel des stations au sol.
La bande aéronautique internationale 108 MHz à 137 MHz est nommée bande VHF.

HF : Le domaine des « hautes fréquences » (« High Frequencies » en anglais, abrégé en HF), désigne les ondes radio dont la fréquence est comprise entre 3 MHz et 30 MHz. Elles sont également appelées « ondes décamétriques », c'est-à-dire que leur longueur d'onde est comprise entre 10 et 100 mètres;
Ces fréquences sont utilisées pour les vols longs courriers, mais l'utilisation est difficile. La portée étant de plusieurs milliers de kilomètres, les communications captées sont très nombreuses. Certains phénomènes, comme les cycles solaires, peuvent rendre toute communication impossible pendant plusieurs heures, soit ainsi, sur des milliers de kilomètres.

D'autres systèmes sont utilisés , lorsque la voix ne passe pas, pour des raisons d'encombrement des canaux ou parce que la HF est inaudible (ce qui arrive assez souvent avec les cycles solaires ) . C'est alors la transmission de données qui se développe de plus en plus .

CPDLC (Controller Pilot Data Link Communications) ,système de transmissions de court message de données (datalink) par Radio (ACARS VHF) ou Satellites (SATCOM) .
Ce réseau de liaison de données fournit aux pilotes l'assurance que les données critiques telles que les clairances, les ATIS, les autorisations océaniques, les données météorologiques de l'aéroport, les météo graphiques et les plans de vol sont toujours reçus sur demande du pilote .

SATCOM ( pour SATellite COMmunications ), couverture par satellites, sauf pour les régions des Pôles .
SATCOM fournit une couverture à travers le monde (sauf dans les régions polaires) par le biais du réseau de satellites INMARSAT. C'est un service de transmission de données assez cher.

HF Datalink, utilisé pour les transmissions de données dans les régions polaires. à partir de stations sol telle que Barrow, San Francisco, Reykjavik, Shannon, Krasnoyarsk .
Il fournit aussi dans le monde entier des communications et des transmissions de données en HF. Ce service est fournit par 14 stations sol .

04-05-2012

Dans la simulation, nous avons déjà ces systèmes de cartographie numérique, permettant de planifier et de suivre un vol , sans toutefois la sophistication que propose le réel .

Dans le réel , (extrait d'un article de Boeing Aéro du 2éme trimestre 2012 ) les avantages tels que les marges de sécurité améliorées, la charge de travail réduite du pilote et une plus grande efficacité d'exploitation sont à l'origine du mouvement de l'industrie aéronautique depuis des cartes de navigation principalement à base de papier vers la technologie de cartographie entièrement numérique.

1- Remplacement des cartes papier dans le cockpit

L'application de la cartographie en ligne, comme celle actuellement offerte par Jeppesen, peut non seulement éliminer la nécessité du papier volumineux des cartes en route, mais aussi fournir aux opérateurs en temps réel des capacités de planification d'itinéraire .
Le système de positionnement global (GPS) à base de connaissance de la position en vol couplé avec les données d'application en cartographie route ( Jeppesen EFB numérique) a été récemment approuvé par la US Federal Aviation Administration (FAA) pour convenir comme un remplacement en vol du papier graphique (voir fig. 1). Les données numériques de cartographie de route utilise en temps réel les données GPS afin de permettre la planification d'itinéraire précis et de position sol .

2- Graphiques dynamiques en route sur iPad

Jeppesen mobile FliteDeck pour iPad offre un remplacement a complet sur le dispositif papier .

3: Carte mobile d'Aéroport

Un plan de l'aéroport en mouvement, comme celui-ci de Chicago O'Hare Airport (ORD), améliore la prise de conscience de la position chez les équipages .

4 - Les données météorologiques en cours de route sur carte de navigation

L'Ajout de données météorologiques sur les données de navigation en cours de route est la prochaine étape de développement .

5 - La prochaine génération de cartographie numérique

Les Technologies d'avenir fourniront aux équipages avec les informations dont ils ont besoin de porte à porte, y compris le taxi de l'aéroport (en haut), la navigation en route (au centre), et à l'arrivée et l'approche (en bas), toutes liées de façon transparente.
L'application affichera les NOTAM et des alertes météorologiques en superpositions directes sur la carte, en fournissant aux équipages une vue unique des informations de vol qui améliore l'appréciation de la situation, la prise de décision, et l'efficacité des vols.
En outre, le système est conçu être sensible au contexte, mettre à jour automatiquement ce qui est représenté à l'écran pour refléter la phase actuelle de vol. Par exemple, lors de la saisie de la géométrie d'une piste affectée et étant aligné à l'intérieur d'une tolérance définie de la direction de la piste, le système détecte le départ prochain et passe en mode départ, en changeant le champ de vision et le contenu des informations .

On peut se poser la question : Pourquoi un avion plus lourd que l'air vole ?
Un schéma sera plus parlant qu'un long exposé .
La poussée ou traction développe une résultante aérodynamique qui se décompose en portance et traînée .
La portance est créée par l'effet de surpression sur l'intrados et de dépression sur l'extrados : dés que la portance dépasse le poids, l'avion décolle .
La traînée est la partie nuisible de la résultante aérodynamique .

Les gouvernes en vol

Le pilote agit sur les gouvernes pour modifier la trajectoire de l'avion dans le plan vertical (montée ou descente) ou dans le plan horizontal (en virage). Pour être équilibré, le virage peut nécessiter une action sur les trois axes.

Pour obtenir un mouvement de tangage le pilote actionne le manche qui commande la gouverne de profondeur.
Elle est située le plus loin possible de l'aile, sur l'empennage horizontal ou bien sur un plan canard.
Pour obtenir un mouvement de roulis le pilote actionne latéralement le manche qui commande les ailerons.
Ces gouvernes sont généralement situées le plus loin possible de l'axe de roulis, donc vers l'extrémité des ailes.
Pour obtenir un mouvement de lacet le pilote actionne le palonnier (pédales) qui commande la gouverne de direction avec ses pieds.
Elle est située le plus loin possible de l'axe de lacet, sur l'empennage vertical. En vol, le palonnier est une commande secondaire dite « de symétrie » qui sert à équilibrer le débit d'air sur les deux ailes de l'avion, et donc à équilibrer la portance.