Le simulateur de vol


Qu'est-ce qu'un simulateur de vol ?

03 juillet 2018
Présentation et histoire du simulateur de vol

Un simulateur de vol est un dispositif qui recrée artificiellement le vol d'un aéronef et l'environnement dans lequel il vole, à des fins de formation des pilotes, de conception ou à d'autres fins. Il comprend la réplication des équations qui régissent la façon dont les aéronefs volent, la façon dont ils réagissent aux applications des commandes de vol, les effets d'autres systèmes d'aéronef et la façon dont l'aéronef réagit à des facteurs externes comme la densité de l'air, la turbulence, le cisaillement du vent, les nuages, les précipitations, etc. La simulation de vol est utilisée pour diverses raisons, y compris la formation au vol (principalement des pilotes), la conception et le développement de l'avion lui-même, et la recherche sur les caractéristiques de l'avion et les qualités de maniabilité des commandes.


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Histoire de la simulation de vol

Première Guerre mondiale (1914-18)

Une zone d'entraînement était réservée au tir à l'air comprimé géré par le pilote ou par un spécialiste du tir à l'air comprimé. Pour tirer sur une cible en mouvement, il faut viser en avant de la cible (ce que l'on appelle l'angle d'attaque) afin de tenir compte du temps nécessaire aux balles pour atteindre le voisinage de la cible. C'est ce qu'on appelle parfois aussi le "tir de déflexion" et cela demande de l'habileté et de la pratique. Pendant la Première Guerre mondiale, des simulateurs au sol ont été mis au point pour enseigner cette compétence aux nouveaux pilotes.


Les années 1920 et 1930

L'appareil de simulation de vol le plus connu était le Link Trainer, produit par Edwin Link à Binghamton, New York, USA, qu'il a commencé à construire en 1927. Il a ensuite breveté son dessin, qui a été mis en vente pour la première fois en 1929. Le Link Trainer était un simulateur de vol à cadre métallique, généralement peint dans sa couleur bleue bien connue. Certains de ces simulateurs de vol du début du siècle existent encore, mais il devient de plus en plus difficile d'en trouver en bon état et fonctionnel.


Seconde Guerre mondiale (1939-1945)

Le principal formateur de pilotes utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale était le Link Trainer. Quelque 10 000 Link Trainer ont été produits pour former près de 500 000 nouveaux pilotes de pays alliés, dont beaucoup aux États-Unis et au Canada. De nombreux pilotes ont été formés dans ces pays avant de retourner en Europe ou dans le Pacifique pour participer à des missions de combat. Presque tous les pilotes de l'armée de l'air américaine ont été formés avec un Link Trainer.

Un autre type d'appareil d'entraînement de la Seconde Guerre mondiale était utilisé pour la navigation nocturne par les étoiles. Le Celestial Navigation Trainer de 1941 mesurait 13,7 m (45 pi) de haut et pouvait accueillir l'équipe de navigation d'un équipage de bombardiers. Il permettait d'utiliser des sextants pour prendre des "photos d'étoiles" à partir d'un affichage projeté du ciel nocturne.


1945 aux années 1960

En 1954, United Airlines a acheté quatre simulateurs de vol (de Curtiss-Wright) pour un coût de 3 millions de dollars. Ces simulateurs étaient similaires aux modèles précédents, avec l'ajout de visuels, de son et de mouvement. C'était le premier des simulateurs de vol modernes pour les avions commerciaux.


De nos jours

Les fabricants de simulateurs se consolident et s'intègrent verticalement, car la formation offre une croissance à deux chiffres : la CAE prévoit 255 000 nouveaux pilotes de ligne de 2017 à 2027 (70 par jour), et 180 000 premiers officiers évoluant vers le titre de commandant de bord. La plus importante compagnie est Canadian CAE Inc. (fabricant canadien de technologies de simulation, de technologies de modélisation et de services de formation destinés aux compagnies aériennes, aux avionneurs, aux spécialistes de la santé et aux clients du secteur de la défense.) avec une part de marché de 70 % et des revenus annuels de 2,8 milliards de dollars. Cette compagnie fabrique des dispositifs de formation depuis 70 ans, mais s'est lancée dans la formation en 2000 avec de multiples acquisitions, réalisant plus que la production des simulateurs. La société L3 CTS basée à Crawley est entrée sur le marché en 2012 en acquérant l'usine de fabrication de Thales Training & Simulation près de l'aéroport de Gatwick où elle assemble jusqu'à 30 appareils par an, puis l'école de formation CTC au Royaume-Uni en 2015, Aerosim à Sanford, Floride en 2016, et l'académie portugaise G Air en octobre 2017.

Avec une part de marché de 20 %, l'équipement représente encore plus de la moitié du chiffre d'affaires de L3 CTS, mais cela pourrait bientôt s'inverser puisqu'il forme 1 600 pilotes professionnels chaque année, 7 % des 22 000 qui entrent dans la profession chaque année, et vise 10 % dans un marché fragmenté. Le troisième plus important est TRU Simulation + Formation, créé en 2014 lorsque Textron Aviation a fusionné ses simulateurs avec Mechtronix, OPINICUS et ProFlight, en se concentrant sur les simulateurs et en développant les premiers simulateurs de vol pour le 737 MAX et le 777X. Le quatrième est FlightSafety International, axé sur les avions généraux, d'affaires et régionaux. Airbus et Boeing ont investi dans leurs propres centres de formation, visant des marges plus élevées que les constructeurs d'avions comme MRO, en concurrence avec leurs fournisseurs CAE et L3.

En juin 2018, il y avait 1 270 simulateurs de lignes aériennes commerciales en service, soit une augmentation de 50 en un an : 85 % de FFS et 15 % de FTD. CAE a fourni 56 % de cette base installée, L3 CTS 20 % et FlightSafety International 10 %, tandis que les centres de formation de CAE sont le plus important exploitant avec une part de 13 %. L'Amérique du Nord possède 38 % des appareils d'entraînement du monde, l'Asie-Pacifique 25 % et l'Europe 24 %. Les types de Boeing représentent 45 % de tous les avions simulés, suivis par Airbus avec 35 %, Embraer à 7 %, Bombardier à 6 % et ATR à 3 %.


Types de dispositifs d'entraînement au vol en service

Formation des pilotes

Plusieurs dispositifs différents sont utilisés dans l'entraînement au vol moderne. Le Cockpit Procedures Trainer (CPT) est utilisé pour pratiquer les procédures de base du poste de pilotage, comme le traitement des listes de vérifications d'urgence, et pour se familiariser avec le poste de pilotage. Certains systèmes d'aéronef peuvent être simulés ou non. Le modèle aérodynamique est généralement extrêmement générique s'il est présent.


Technologie - Mouvement

Il est difficile de faire des évaluations statistiquement significatives du transfert de compétences basées sur la formation sur simulateur et conduisant à la manipulation d'un avion réel, en particulier lorsqu'il s'agit d'indices de mouvement. Des échantillons de l'opinion des pilotes sont nécessaires et de nombreuses opinions subjectives ont tendance à être diffusées, en particulier par les pilotes qui ne sont pas habitués à faire des évaluations objectives et à répondre à un calendrier d'essai structuré. Pendant de nombreuses années, on a cru que la simulation de mouvement DOF 6 donnait au pilote une plus grande fidélité aux opérations des commandes de vol et aux réactions de l'avion aux commandes et aux forces externes, et donnait de meilleurs résultats d'entraînement pour les élèves que la simulation sans mouvement. C'est ce que l'on appelle la "fidélité de pilotage", qui peut être évaluée par des normes de vol d'essai telles que l'échelle numérique de Cooper-Harper pour les qualités de pilotage. Des études scientifiques récentes ont montré que l'utilisation de technologies telles que les vibrations ou les sièges dynamiques dans les simulateurs de vol peut être aussi efficace dans la prestation de la formation que les gros et coûteux FFS 6-DOF.


Qualification et approbation - Procédure

Lorsqu'un fabricant souhaite faire approuver un modèle de DTA, un document qui contient les spécifications de la gamme de modèles et qui prouve la conformité aux règlements appropriés est soumis à la FAA. Une fois que ce document, appelé Guide d'approbation de qualification (GAQ), a été approuvé, tous les futurs dispositifs conformes au GAQ sont automatiquement approuvés et l'évaluation individuelle n'est ni nécessaire ni disponible.


Simulateurs de vol modernes haut de gamme

Simulateur de mouvement vertical (VMS) à la NASA/Ames

Le plus grand simulateur de vol au monde est le simulateur de mouvement vertical (VMS) du NASA Ames Research Center, au sud de San Francisco. Il s'agit d'un très grand système de mouvement de projection avec 18 mètres (+/- 9 mètres) de mouvement vertical (soulèvement). Le système de levage supporte une poutre horizontale sur laquelle sont montés des rails de 12 mètres, permettant le déplacement latéral d'une cabine de simulateur de +/- 6 mètres. Une plate-forme hexapode conventionnelle de 6 degrés de liberté est montée sur la poutre de 12 mètres, et une cabine interchangeable est montée sur la plate-forme. Cette conception permet une commutation rapide des différentes cabines d'avion. Les simulations vont des dirigeables, des avions commerciaux et militaires à la navette spatiale. Dans le cas de la navette spatiale, le grand simulateur de mouvement vertical a été utilisé pour étudier une oscillation longitudinale induite par le pilote (PIO) qui s'est produite lors d'un premier vol de la navette juste avant l'atterrissage. Après l'identification du problème sur le VMS, il a été utilisé pour essayer différents algorithmes de contrôle longitudinal et recommander le meilleur pour le programme Shuttle.


Formation à la désorientation

AMST Systemtechnik GmbH (AMST) d'Autriche et Environmental Tectonics Corporation (ETC) de Philadelphie, aux États-Unis, fabriquent une gamme de simulateurs pour la formation à la désorientation, qui offrent une liberté totale en lacet. Le plus complexe de ces appareils est le simulateur Desdemona de l'Institut de recherche TNO aux Pays-Bas, fabriqué par AMST. Ce grand simulateur a un cockpit à cardan monté sur un cadre qui ajoute un mouvement vertical. Le cadre est monté sur des rails fixés à une plate-forme tournante. Les rails permettent à la cabine du simulateur d'être positionnée à des rayons différents du centre de rotation, ce qui donne une capacité G soutenue jusqu'à environ 3,5.


Simulation de vol amateur

La simulation de vol amateur fait référence à la simulation de divers aspects du vol ou de l'environnement de vol à des fins autres que la formation au pilotage ou le développement d'aéronefs. Une importante communauté de passionnés de la simulation est soutenue par plusieurs progiciels commerciaux, ainsi que par du matériel commercial et de fabrication artisanale.


Historique et utilisation

Avant l'essor des jeux vidéo, Sega produisait des jeux d'arcade qui ressemblaient à des jeux vidéo, mais qui étaient en fait des jeux électromécaniques qui utilisaient la projection d'image arrière d'une manière similaire à celle d'un zoetrope pour produire des animations mobiles sur un écran. En 1975, Taito a publié un jeu vidéo de simulation, Interceptor, qui était un simulateur de vol de combat à la première personne en arcade rudimentaire qui impliquait l'utilisation d'un joystick à huit directions pour viser avec un réticule et tirer sur les avions ennemis qui se déplacent en formations de deux et dont la taille dépendait de leur distance par rapport au joueur.

Les simulateurs de vol ont été parmi les premiers types de programmes à être développés pour les premiers ordinateurs personnels. Les simulateurs subLOGIC de Bruce Artwick étaient bien connus pour les fonctionnalités qu'ils ont réussi à obtenir sur les machines 8 bits. Les principales technologies de jeu informatique telles que les graphiques 3D, le jeu en ligne et le modding ont d'abord été présentées dans des simulateurs de vol de combat tels que Red Baron II et European Air War. Le monde du jeu dans les simulateurs de vol est souvent basé sur le monde réel. Cependant, ils sont souvent confinés à une partie du monde par des frontières invisibles. Dans certains jeux, l'avion s'arrête simplement en plein vol, tandis que d'autres jeux obligent le joueur à faire demi-tour. Cependant, de nombreux jeux résolvent ce problème de limites en enveloppant le monde du jeu comme une sphère.

Bien que ces jeux s'efforcent d'être très réalistes, ils simplifient souvent certains éléments pour atteindre un public plus large. Beaucoup d'avions de combat modernes ont des centaines de commandes, et les jeux de simulation de vol simplifient généralement ces commandes de manière drastique. De plus, certaines manœuvres peuvent assommer un pilote ou déchirer son avion, mais les jeux ne mettent pas toujours en œuvre ces préoccupations.

Un type de simulateur de vol populaire sont les simulateurs de vol de combat, qui simulent les opérations aériennes de combat du point de vue du pilote et de l'équipage. Les titres de simulation de vol de combat sont plus nombreux que les simulateurs de vol civils en raison de la variété des sujets disponibles et de la demande du marché.

Au début des années 2000, même les simulateurs de vol de divertissement étaient devenus si réalistes qu'après les événements du 11 septembre 2001, certains journalistes et experts ont spéculé sur le fait que les pirates de l'air pourraient avoir acquis suffisamment de connaissances pour diriger un avion de ligne à partir de packages tels que Microsoft Flight Simulator. Microsoft, tout en réfutant ces critiques, a retardé la sortie de la version 2002 de son simulateur pour supprimer le World Trade Center de son décor de New York City et a même fourni un patch pour supprimer les tours rétroactivement des versions antérieures de la simulation.

L'avènement des simulateurs de vol en tant que divertissement de jeux vidéo à domicile a incité de nombreux utilisateurs à devenir des "concepteurs d'avions" pour ces systèmes. En tant que tels, ils peuvent créer des avions militaires ou commerciaux, et ils peuvent même utiliser des noms de compagnies aériennes de la vraie vie, tant qu'ils ne font pas de profits de leurs conceptions. De nombreux autres utilisateurs de simulateurs de vol ludiques créent des compagnies aériennes fictives, ou des versions virtuelles de compagnies aériennes réelles, appelées compagnies aériennes virtuelles. Ces modifications ajoutent généralement du réalisme à la simulation et offrent souvent une expérience de jeu considérablement élargie, avec de nouvelles situations et de nouveaux contenus. Dans certains cas, une simulation est beaucoup plus poussée en ce qui concerne ses caractéristiques que ce qui avait été envisagé ou prévu par ses développeurs d'origine. Falcon 4.0 est un exemple d'une telle modification. Les "moddeurs" ont créé de nouvelles zones de guerre, ainsi que la possibilité de piloter des centaines d'avions différents, par opposition à la cellule d'origine.

L'une des façons dont les utilisateurs de logiciels de simulation de vol s'engagent est par le biais d'Internet. Les pilotes virtuels et les contrôleurs aériens virtuels participent à une expérience de vol en ligne qui tente de simuler l'aviation réelle à un degré élevé. Il existe plusieurs réseaux où ce type de jeu est possible, les plus populaires étant VATSIM et IVAO. Virtual Skies fournit une entrée avec un niveau de jeu assez bas, permettant à n'importe quel membre de faible niveau de voler ou de contrôler son jeu sans s'inquiéter si quelque chose tourne mal. Virtual Skies couvre principalement le VATSIM du Royaume-Uni et des États-Unis et est généralement considéré comme ayant une meilleure couverture virtuelle de l'Amérique du Nord et de la Grande-Bretagne, tandis que les pilotes et contrôleurs d'IVAO volent et contrôlent généralement l'Europe, l'Afrique et l'Amérique du Sud. Le processus de certification ATC de l'IVAO n'est pas aussi strict que celui de VATSIM, ce qui permet de disposer d'un plus grand nombre de contrôleurs, mais garantit leur compétence dans une moindre mesure que VATSIM. Les deux réseaux reçoivent entre 300 et 900 connexions ATC et pilotes, selon l'heure de la journée.


Console de jeux vidéo

Beaucoup plus rares mais tout de même remarquables sont les simulateurs de vol disponibles pour différentes consoles de jeu. Les séries Pilotwings de Nintendo et Ace Combat de Namco sont des exemples de réussite. Bien qu'ils ne soient généralement pas aussi complexes que les simulateurs sur PC, les simulateurs de vol sur console peuvent toujours être agréables à jouer, bien que leur statut de "simulation" soit contesté par de nombreuses personnes dans le milieu de la simulation de vol.


Cockpits construits à la maison - Simpits

Souvent appelé Simpits, la construction de cockpit est un passe-temps courant chez les pilotes de simulateur. Ces cockpits varient d'un seul ordinateur, avec un certain effort pour créer une zone permanente de simulation, jusqu'à des projets complets de reconstruction de cockpit utilisant plusieurs systèmes. La croissance de la complexité et du réalisme du cockpit domestique a été alimentée par l'ouverture des progiciels de simulation avec les SDK (Software Development Kits) publiés aujourd'hui.

Ce matériel d'utilisation à domicile est rarement certifié pour la formation au vol, de sorte que les heures passées à pratiquer avec un simulateur maison ne compteront pas dans les heures d'un pilote. Cependant, il est largement utilisé comme aide à la formation non officielle, ce qui permet une pratique réaliste des procédures, ainsi que la possibilité d'effectuer des approches visuelles ou IMC avant un vol réel. L'opinion professionnelle est divisée quant à l'efficacité de cette simulation de vol à domicile par rapport au vol réel, et cela a fait l'objet de débats dans des magazines de vol populaires tels que " Pilot " jusqu'en 2007.

Pour ceux qui souhaitent plus qu'un simulateur de bureau, des répliques de panneaux sont disponibles dans le commerce pour imiter ceux que l'on trouve dans les avions de ligne modernes comme dans un Boeing ou un Airbus. Ces panneaux s'intègrent soit dans une véritable section de cockpit, dans laquelle sont intégrés des Home Simulator, cela à grande échelle, soit dans un cadre de cockpit fait maison, normalement en bois.

Lorsqu'il n'existe pas de panneaux ou de contrôles commerciaux, les constructeurs de simulateurs créent souvent leurs propres simulateurs à partir de bois ou de matériaux similaires faciles à travailler. Un autre moyen courant de se procurer le matériel spécifique nécessaire dans un simulateur, ainsi que celui utilisé par le secteur commercial, est d'obtenir un composant réel d'un parc à ferraille et de le convertir pour l'entrée d'un PC. Le matériel d'interface pour ces commandes faites maison est directement disponible auprès des fournisseurs commerciaux, ou peut être obtenu en démontant des joysticks bon marché ou des composants similaires et en les recâblant. Certains constructeurs incorporeront même des plates-formes de mouvement, bien que, contrairement aux simulateurs commerciaux, ces derniers soient normalement plus limités en mouvement et s'appuient souvent sur des moteurs électriques plutôt que sur des systèmes hydrauliques.

Au-delà du matériel des cockpits domestiques, la plupart des logiciels de simulation de vol peuvent simuler des systèmes d'avion modernes à un niveau très élevé en plus de la dynamique de vol de base, fournissant des recréations précises, entre autres, du FMC (Flight Management Computer), du pilote automatique et des systèmes de gestion du moteur. Avec du matériel et des logiciels supplémentaires, cela peut être étendu, par exemple, à un panneau de plafond entièrement fonctionnel nécessitant des listes de contrôle du monde réel à suivre pour le démarrage du moteur et le vol avec un équipage de pont de vol complet.


Simulateurs de vol spatial

Comme l'espace est un prolongement naturel de l'espace aérien, les simulateurs de vol spatiaux peuvent être traités comme une extension du genre des simulateurs de vol. Il existe une interdépendance considérable entre ces deux types de simulateurs, car certains simulateurs de vol utilisent des engins spatiaux comme extension et certains simulateurs de vol spatial peuvent être équipés de moteurs de simulation de vol atmosphérique réalistes. Par exemple, en 2013, un projet de simulateur de vol spatial hobbyiste a été réalisé à l'aide du logiciel de simulation Pioneer.

Certains jeux du genre visent à recréer une représentation réaliste du vol spatial, impliquant le calcul d'orbites dans le cadre d'une simulation physique plus complète que les simulateurs de pseudo-vols spatiaux. D'autres se concentrent sur le gameplay plutôt que de simuler le vol spatial dans toutes ses facettes. Le réalisme de ces derniers jeux est limité à ce que le concepteur du jeu juge approprié pour le gameplay, au lieu de se concentrer sur le réalisme du déplacement de l'engin spatial dans l'espace. Certains "modèles de vol" utilisent un système physique basé sur la physique newtonienne, mais ceux-ci se limitent généralement à manœuvrer le vaisseau dans son environnement direct et ne tiennent pas compte des calculs orbitaux qui feraient d'un tel jeu un simulateur.


Jeux et logiciels sur ordinateur

Les simulateurs de vol populaires pour les ordinateurs de maison comprennent :

  • * Flight Simulator de Microsoft
  • * X-plane 11
  • * AeroFly FS
  • * FlightGear
  • * IL-2 Sturmovik (series)
  • * Combat flight simulator
  • * Red Ace Squadron
  • * GeoFS
  • * Take On Helicopters
  • * Condor: Le simulateur de voltige de compétition
  • * Orbiter, un simulateur de vol spatial gratuit, comprend également de nombreux types d'addons historiques et fictifs.
  • * Microsoft Space Simulator
  • * Space Shuttle Mission 2007, incluant plusieurs missions effectuées par la navette spatiale.
  • * ...

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