Les commandes de vol électriques Fly by Wire

Fly by Wire

Fly-by-Wire (FBW) est le terme généralement accepté pour les systèmes de commandes de vol qui utilisent des ordinateurs pour traiter les entrées des commandes de vol effectuées par le pilote ou le pilote automatique et envoyer les signaux électriques correspondants aux commandes de gouverne de vol. Cette disposition remplace la liaison mécanique et signifie que les signaux d'entrée du pilote ne déplacent pas directement les gouvernes. Au lieu de cela, les données sont lues par un ordinateur qui, à son tour, détermine comment déplacer les gouvernes pour obtenir ce que le pilote veut, conformément à la loi sur les commandes de vol en vigueur.

Pourquoi c'est utile

Les avantages d'un poids réduit, d'une fiabilité améliorée, d'une tolérance aux dommages et d'un contrôle plus efficace d'un avion nécessairement très manœuvrable, ont d'abord été constatés dans la conception des avions militaires. Le premier avion à avoir un FBW pour toutes ses commandes de vol à la place d'un fonctionnement mécanique direct ou à assistance hydraulique a été le F-16 en 1973. Dans le contexte du besoin d'agilité des avions militaires à réaction rapide, et donc relativement plus instable, le FBW permet de s'assurer que les augmentations involontaires de l'angle d'attaque ou de dérapage sont détectées et rapidement et automatiquement résolues en déviant marginalement les surfaces de contrôle de la manière opposée tant que le problème est encore minime. FBW permet également des systèmes de protection des paramètres de vol très fiables qui, à condition que le système FBW fonctionne à son niveau normal, améliore considérablement la sécurité.

Comment ça marche

Le principe utilisé est celui du contrôle d'erreur dans lequel la position d'une surface de contrôle (le signal de sortie) est continuellement détectée et "renvoyée" à son ordinateur de contrôle de vol (FCC). Lorsqu'une entrée de commande (le signal d'entrée) est effectuée par le pilote ou le pilote automatique, la différence entre la position actuelle de la gouverne et la position apparemment souhaitée de la gouverne indiquée par la commande est analysée par l'ordinateur et un signal correctif approprié est envoyé électriquement à la gouverne. La compensation du Larsen fonctionne comme un contrôle d'erreur et le FCC régule le système en comparant les signaux de sortie aux signaux d'entrée. Toute erreur entre les deux devient une commande à la surface de contrôle de vol jusqu'à ce que la sortie soit égale à l'entrée.

Dans un système Fly By Wire (FBW), la route du signal de FCC à la surface de contrôle est appelée la voie avant, tandis que la route du signal de la surface de contrôle à la FCC est appelée la boucle ou voie de rétroaction. Le gain est l'amplification ou l'atténuation appliquée au signal avant pour obtenir la réponse souhaitée de l'aéronef. Un filtre peut être utilisé pour bloquer la rétroaction des signaux ou des mouvements qui se produisent à un intervalle indésirablement fréquent.

L'un des avantages d'un tel système de rétroaction est que le système de commande de vol (FCS) peut être utilisé pour réduire la sensibilité aux changements des caractéristiques de base de stabilité de l'avion ou aux perturbations externes. Le pilote automatique, un système d'augmentation de stabilité (SAS) et un système d'augmentation de contrôle (CAS) sont tous des systèmes de contrôle à rétroaction.

Dans un SAS, une fonction d'amortisseur est formée dans la boucle de rétroaction et a généralement un faible gain, ou autorité, sur une surface de contrôle. Un CAS est mis en œuvre sur la trajectoire avant et représente une "direction assistée" de haute autorité, fournissant une réponse cohérente dans des conditions de vol très variables. Les principes CAS et SAS ont été utilisés indépendamment dans les avions militaires avant de voler par câble, intégrés dans un FCS, ils peuvent opérer avec plus de précision et beaucoup plus de flexibilité. Une réponse cohérente de l'avion est obtenue sur une large enveloppe de vol grâce aux gains CAS qui sont programmés en fonction de la vitesse, de la mach, de la position du centre de gravité et de la configuration.

Lois des contrôles

Les FCC au centre d'un FCS sont programmés avec des lois de contrôle qui régissent le système de contrôle par rétroaction. Les lois de contrôle sont généralement nommées d'après le paramètre de rétroaction primaire comme'xxx feedback' ou'xxx commande'.

La " commande G ", qui est une capacité souhaitable à des vitesses élevées, signifie que pour une quantité particulière d'effort au manche, vous obtenez (si l'énergie disponible le permet) le même " g " quelle que soit la vitesse dominante. De même, dans un système de commande de vitesse en tangage, vous obtenez le même taux de tangage pour une force donnée au manche, quelle que soit la vitesse dominante.

Pour équilibrer le besoin de communiquer rapidement les commandes des pilotes tout en maintenant un contexte pour eux comme base de précision dans le temps, la FCC fournit un chemin direct vers l'ascenseur via la'ligne proportionnelle' ou le'feed forward gain' mais aussi achemine la même commande à travers un circuit parallèle'intégrateur' qui produit une commande de surface de contrôle jusqu'à ce que le signal de rétroaction soit égal au signal de commande original du pilote. Les ingénieurs doivent " régler " le réglage du gain de l'intégrateur afin d'éviter un retard excessif.

Un contrôle d'intégrateur pur, ou un gain d'intégrateur trop élevé'K' provoquerait un retard excessif dans la réponse de l'avion, ce qui explique pourquoi la ligne proportionnelle est également utilisée. Cet agencement, appelé commande "proportionnelle plus intégrale", se retrouve dans la plupart des conceptions fly-by-wire, y compris celles de Boeing et d'Airbus.

S'il y a un décalage indu dans un FCS, ce qui entraîne un retard dans le changement de direction, par exemple, d'un piqué à un piqué, l'effet serait analogue au décalage de performance humaine bien connu sous le nom d'oscillation induite par le pilote ou PIO.

Un aéronef dont l'assiette en tangage est contrôlée par un ordre de vitesse en tangage ou un ordre de vitesse en tangage ou un ordre de vitesse en g vous permet de maintenir l'assiette avec des commandes libres, semblable à la fonction de direction du volant de contrôle (CWS) d'un pilote automatique. Si vous changez d'assiette en tangage et relâchez la pression sur les commandes à l'attitude désirée, le système maintient cette nouvelle attitude parce que le FCS réagit pour ramener le taux de tangage à zéro. L'avion doit voler facilement avec des forces de contrôle modérées et un contrôle précis de l'assiette. L'un des avantages conséquents de la rétroaction en tangage ou en g est le trim automatique, c'est-à-dire que vous pouvez changer de vitesse sans avoir besoin d'un nouveau trim pour le vol en palier. Il en va de même pour les changements de poussée ou de configuration. L'équilibrage automatique assure une stabilité apparente à vitesse neutre. Même si la stabilité à vitesse positive était une exigence de conception généralement acceptée pour les aéronefs à commande conventionnelle, l'absence d'une telle stabilité semble acceptable pour ceux qui pilotent des avions FBW avec cet effet non modéré. Certains types de FBW, cependant, conservent la "sensation" de garniture conventionnelle.

Une loi de contrôle commune qui mélange g et la rétroaction du taux de tangage est appelée C* (verbalisé comme étoile C). À basse vitesse dans un avion C*, le taux de tangage s'applique alors qu'à des vitesses plus élevées, g s'applique. Le changement est transparent et se produit, par exemple, à environ 210 nœuds dans les avions de la série Airbus A320. Boeing a utilisé une loi de contrôle C* modifiée appelée C*U où U' représente la vitesse avant de l'avion et qui assure la stabilité apparente de la vitesse. Pour ce faire, les commutateurs de compensation règlent une vitesse de référence qui est additionnée à la vitesse réelle dans la boucle de rétroaction de la FCC de telle sorte que le pilote ressent les signaux de force de commande conventionnels lorsque la vitesse change. Vous " ajustez une vitesse ", pas la surface de contrôle de tangage. Comme la vitesse de référence de compensation maximale est de 330 noeuds, un pilote devrait appuyer sur le volant pour augmenter encore plus la vitesse vers Vmo, ce qui permet d'obtenir une indication tactile à haute vitesse.

En examinant plus en détail des phases de vol spécifiques, FBW permet aux concepteurs d'optimiser la dynamique efficace pour les différentes phases de vol en introduisant, par exemple, un mode d'approche ou un mode arrondi et en créant un FCS multi-mode.

Dans les séries Airbus A320 et Boeing 777, les lois de contrôle ne sont pas pleinement actives avant que l'avion ne soit en vol, car les capteurs utilisés pour la rétroaction détecteraient beaucoup de vibrations et de " bruit " pendant la course au décollage. L'atterrissage exige d'autres transitions. Comme la prise en compte de l'effet de sol est un facteur ponctuel dans l'exécution d'un atterrissage réussi, la loi de contrôle de la décision peut avoir besoin d'une " compensation de l'arrondi " pour s'assurer que le mouvement habituel du manche vers l'arrière est nécessaire pour l'arrondi. Dans le cas de la loi de contrôle C* dans le Boeing 777, une commande de piqué artificiel est entrée à 30 pieds par radio à cette fin. Les lois de contrôle du Boeing 777 ont également été utilisées pour améliorer les caractéristiques de dé-rotation par rapport à celles des Boeing 757 et 767 en affinant le gain de l'intégrateur C*U lors des essais en vol. Voir aussi l'article séparé Flight Control Laws, qui contient plus de détails sur les lois de contrôle d'Airbus et de Boeing.

Redondance du système ?

Plutôt que de fournir un FCS conventionnel de secours, l'approche avec des avions commerciaux normalement entièrement contrôlés par FBW consiste à assurer la redondance des FCC et des capteurs en installant un plus grand nombre d'entre eux. Les avions de ligne civils FBW ont généralement utilisé des FCS triplex, comme c'est le cas des Boeing 777 et des Airbus A340, qui ont tous deux un soutien mécanique limité pour permettre une période de " survie " en croisière afin de régler tout problème électrique. Tout système FBW duplex doit être doté d'un système de secours mécanique complet.

Lorsque tous les composants sont opérationnels, on dit généralement qu'un FCS fonctionne selon la loi normale. Les défaillances limitées entraînent généralement un retour automatique à un mode FCS dégradé, mais toujours calculé. Le niveau le plus bas du mode de secours FBW comporte normalement des signaux électroniques analogiques qui contournent les FCC et vont directement aux actionneurs des commandes de vol - Direct Law. En vertu de la loi directe, il n'y a pas de contrôle par rétroaction et il peut y avoir des gains fixes visant à fournir des forces de contrôle acceptables proportionnelles à la déflexion de la surface de contrôle. Le gain sélectionné peut optimiser les forces de contrôle pour la configuration d'atterrissage, ou peut fournir des gains différents pour la croisière et l'atterrissage, commutés, par exemple, par l'intermédiaire du sélecteur de volets.

Protection de l'enveloppe de vol

Le contrôle par rétroaction de la vitesse, du nombre de Mach, de l'assiette et de l'angle d'attaque peut être utilisé pour s'assurer que l'avion FBW reste dans l'enveloppe de vol certifiée. Deux stratégies ont été utilisées pour y parvenir : la stratégie Airbus de " limites dures " dans laquelle les lois de contrôle ont une autorité absolue à moins que le pilote ne choisisse Direct Law ; ou la stratégie Boeing de " limites douces " dans laquelle le pilote peut outrepasser la protection de l'enveloppe de vol et conserve ainsi le contrôle ultime sur l'exploitation de l'avion.

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Vidéo Airbus A330 fly-by-wire control system

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