Brevet de pilote d'aéronef/Tableau de bord

Les instruments de bord servent à présenter à l'équipage, en particulier au pilote, toutes les informations utiles au maintien en vol de l'aéronef, à la navigation, aux communications avec les infrastructures de la gestion du trafic aérien.

**Tableau de bord**
Leçon : Brevet de pilote d'aéronef

Chapitre n^o 3
Chap. préc. :	Plan de vol
Chap. suiv. :	Décollage

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Brevet de pilote d'aéronef/Tableau de bord », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.

Les instruments de bord sont regroupés selon leur fonction, éventuellement à proximité des commandes correspondantes :

pilotage : horizon artificiel, anémomètre, altimètre, variomètre, etc.
navigation : compas, vol aux instruments, VHF, GPS, etc.
gestion des groupes motopropulseurs : tachymètre, température et pression, etc.
gestion des télécommunications : radio, système d'intercommunication de bord, etc.
gestion des servitudes : consommation de carburant, tension et intensité électrique, etc.
accomplissement de la mission : instruments spécialisés.

Selon le type d'aéronef et le nombre de membres d'équipage les instruments sont regroupés sur des tableaux et, pour le pilote, sur le tableau de bord situé devant lui. Les quatre instruments de base sont toujours disposés de la même façon (en configuration de T basique) : l'horizon artificiel au centre, l'anémomètre à gauche, l'altimètre à droite, le gyro directionnel ou plateau de route en dessous. Cette disposition permet d'optimiser le circuit visuel au cours du vol. La disposition des autres instruments est variable mais respecte certains standards.

Sur les aéronefs les plus récents les instruments sont remplacés par des écrans rassemblant toutes les informations du T de base sur une seule surface de visualisation, les instruments conventionnels ne sont conservés qu’à titre de secours pour pallier une éventuelle défaillance des systèmes électroniques. Les écrans sont le plus souvent multi-fonctions, c'est-à-dire qu’ils sont prévus pour afficher l’ensemble des informations nécessaires à une phase de vol au gré du pilote. Originellement les écrans reprenaient les vues de type classiques des instruments analogiques. Ils sont progressivement remplacés par des visuels regroupant les informations selon des standards ergonomiques.

Altimètre

Un altimètre est un instrument de mesure permettant de déterminer la hauteur d'un aéronef par rapport à un niveau de référence : le sol, le niveau de la mer (mesure d'altitude) ou une surface isobare.

À bord d'un aéronef, il est nécessaire de connaître trois hauteurs ou altitudes :

la hauteur par rapport au sol : en particulier pour la navigation locale et éviter les obstacles artificiels dont les cartes publient l'altitude et la hauteur. En utilisant la pression de l'aérodrome en référence, l'aéronef décolle ou se pose avec l'altimètre indiquant 0.
l'altitude par rapport au niveau de la mer : pour éviter les obstacles naturels dont les cartes publient l'altitude.
le niveau de vol : pour éviter les abordages entre aéronefs en utilisant une référence arbitraire identique pour tous et fixée à 1 013 hPa.

Pour obtenir les indications ci-dessus, il faut que l'altimètre soit calé sur la pression correspondante. Ces pressions sont transmises par radio et les pilotes utilisent toujours les codes développés à l'époque du Morse afin d’éviter les ambigüités.

QNH : pression au niveau de la mer. Permet de mesurer l'altitude.
QFE : pression au niveau du sol. Permet de mesurer une hauteur. Utilisé près d'un aérodrome, ce calage permet de décoller et d'atterrir avec une indication de 0.
QNE, ou calage au niveau de vol : calage utilisé par tous les aéronefs en croisière. La référence étant identique pour tous, elle permet d’éviter les accidents.

Anémomètre (badin)

Un anémomètre est un instrument de mesure permettant de déterminer la vitesse d'un aéronef par rapport à l'air ambiant. La connaissance de la vitesse de l'air est indispensable pour conserver l'aéronef dans son domaine de vol, donc entre la vitesse minimale permettant sa sustentation et la vitesse maximale où les forces aérodynamiques risquent d'endommager la structure. Ces deux vitesses varient en fonction de la configuration (train sorti, volets sortis, etc.) et de l'attitude (virage, descente, etc.). C'est pourquoi un anémomètre adapté à un aéronef particulier comporte des zones de couleurs différentes :

l'arc vert indique les conditions normales de vol de l'avion,
l'arc jaune les vitesses interdites en air turbulent,
l'arc blanc plage de sortie des dispositifs hypersustentateurs, configuration de volets entièrement sortis,
enfin, le trait rouge indique la vitesse limite, particulièrement pour la structure de l'appareil.

Les premiers instruments de mesure de la vitesse étaient constitués d'un levier vertical articulé autour d'un pivot et supportant une palette rectangulaire orientée perpendiculairement à l'écoulement du vent relatif et une aiguille. Il était maintenu en position zéro par un ressort calibré (principe du peson). La pression du vent faisait déplacer l'aiguille sur un cadran pour indiquer la vitesse de l'air. Conçu en 1910, il était désigné indicateur Étévé du nom de son inventeur ; Albert Étévé.

Ce système était appelé antenne à déflexion sur le Stampe SV4. En 1965, certains Tiger Moth en étaient encore équipés. Aujourd'hui, le dispositif utilisé est un instrument appelé badin en France (en 1911, du nom de son inventeur, Raoul Badin) associé au tube de Pitot. C'est un manomètre étalonné en fonction de la loi de Bernoulli qui détermine la pression dynamique qui est égale à la différence entre la pression totale et la pression statique. Cette pression dynamique, est fonction de la vitesse de l'avion par rapport à l'air et permet d'afficher une information de vitesse air sur le badin. Elle est généralement mesurée en nœuds, mais, sur quelques avions français et sur les avions russes, elle est donnée en kilomètres par heure. L'anémomètre donne la vitesse indiquée, cette vitesse correspond à la vitesse propre ou vitesse vraie à la pression de 1 013,25 hPa (au niveau de la mer en atmosphère standard) et à la température de 15 °C. Avec la baisse de la densité de l'air, donc en montant, la vitesse propre est supérieure à la vitesse indiquée (une approximation peut être faite en ajoutant 1 % par tranche de 600 pieds au-dessus de la surface 1 013 hPa). Pour les avions volant à des vitesses proches de celle du son et au-delà, d'autres lois sont applicables et, donc, d'autres instruments : le machmètre.

Variomètre

Date de création : 1928 en Allemagne. Dans sa version classique, cet instrument utilise les variations de pression statique pour indiquer des variations d'altitude, c'est-à-dire des vitesses verticales. De l'air à la pression statique extérieure est stocké dans une bouteille appelée capacité qui se met à pression avec un temps connu. La pression dans la capacité est donc en retard par rapport à la pression courante. Au moment de la mesure, l'instrument fait la différence entre la pression extérieure et la pression de la capacité. À noter que le variomètre fonctionne avec un léger temps de retard, dû au temps de remplissage de la capacité.

Il existe une version différente, où l'instrument est appelé à énergie totale (ou variomètre compensé). Il indique la variation de la somme de l'énergie cinétique (due à la vitesse), et de l'énergie potentielle (due à l'altitude). Il est utilisé pour la pratique du vol à voile, où il est intéressant de connaître le gain d'énergie du planeur dû à la vitesse verticale de la masse d'air, et ce même lors d'une ressource. En effet en vol à voile, l'absence de moteur fait que la seule cause possible d'une augmentation de l'énergie est une masse d'air ascendante (les frottements sont négligés). Le variomètre à énergie totale indique donc la variation d'énergie traduite en vitesse verticale. Lors de la prise de vitesse précédant le décollage, il indique une valeur positive bien que la vitesse verticale soit nulle. Il existe enfin des variomètres qui déduisent la vitesse verticale de la masse d'air, en fonction des variations de l'énergie totale et des caractéristiques du planeur.

Horizon artificiel

Il s'agit d'un gyroscope à trois degrés de liberté qui permet de visualiser l'attitude de l'avion par rapport à ses axes de roulis et de tangage et plus précisément de leurs angles avec un plan horizontal : assiette et inclinaison.

Indicateur de virage et de dérapage (bille-aiguille)

L'indicateur de virage est un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de visualiser le taux de virage (et non l'inclinaison) de l'avion. Il est associé à une bille qui se déplace dans un tube incurvé selon la verticale apparente et qui visualise le dérapage de l'avion. La bille fonctionne simplement par gravité. En effet, quand le dérapage est nul et le vol symétrique, la gravité relative (gravité équivalente créée par le poids et la force centrifuge) est selon l'axe vertical de l'avion. Si la gravité relative forme un angle avec la verticale du planeur, c’est qu’il existe un dérapage. En vol à voile, l'indication donnée par la bille est souvent doublée par un fil de laine collé sur la verrière. Le fil de laine est collé par une de ses extrémités, et la dizaine de centimètres du fil (souvent de couleur rouge) se déplace avec le vent relatif. Le fil indique alors l'angle entre le vent relatif et l'axe du planeur, ce qui est la définition du dérapage ou de la glissade.

Instruments gyroscopiques

Ils utilisent les propriétés des corps en rotation rapide que sont les gyroscopes : fixité de l'axe du rotor dans l'espace absolu, couple gyroscopique, précession. Les gyroscopes classiques sont entrainés par une pompe à vide ou un moteur électrique qui leur confère une vitesse de rotation très élevée (10 000 tr/min dans le premier cas, 20 000 tr/min dans le second).

Compas magnétique

Il utilise le champ magnétique terrestre comme référence. Il est constitué d'une lunette de lecture sur un boitier étanche rempli d'un liquide dans lequel se déplace librement un équipage mobile formé par une rose des caps et des barreaux aimantés. C'est un instrument peu précis qui donne des indications fausses dès que l'avion n’est pas stable sur une trajectoire rectiligne, horizontale et à vitesse constante. Il est néanmoins utile pour régler ou recaler le conservateur de cap. De plus, il est influencé par les champs magnétiques engendrés par les équipements électriques de l'avion. Aussi, il est accompagné d'une courbe de calibration, établie dans des conditions standard de mise sous tension des équipements proches. Enfin, comme pour tout compas magnétique, il faut tenir compte de la déclinaison du pôle magnétique.

Gyro compas / gyro directionnel

Il s'agit d'un gyroscope à deux degrés de liberté qui permet de conserver une référence de cap de façon beaucoup plus précise qu'un compas magnétique. Il est asservi à une vanne de flux qui permet de le recaler automatiquement en fonction du champ magnétique terrestre. Il est aussi appelé plateau de route.

Centrale à inertie

La centrale à inertie est composée de deux gyroscopes à trois degrés de liberté et d'un trièdre d'accéléromètres. Après une phase de stabilisation, tous les mouvements de l'avion autour de la position de référence sont connus. Elle remplace donc l'horizon artificiel et le gyro directionnel. Par intégration des signaux des accéléromètres, les vitesses de l'avion selon les trois axes sont calculées dans le référentiel terrestre. La position de l'avion est ainsi calculée toujours dans le référentiel terrestre, faisant ainsi abstraction des mouvements dus aux courants aériens. La dérive de position est de l’ordre d'un mille marin à l’heure. Ce système est donc insuffisant pour déterminer l'altitude avec une précision suffisante. Pour corriger les défauts, il existe plusieurs méthodes dont le couplage barométrique ou encore le couplage avec un GPS. Les avions de ligne devant franchir les océans en empruntant les espaces MNPS sont équipés de trois centrales de ce type. On trouve deux types de centrales, celles qui sont équipées de gyroscopes mécaniques ou les plus modernes qui sont équipées de gyrolasers.

Gyrolaser

Un gyrolaser est composé d'un circuit de lumière parcourant un triangle équilatéral. La source de lumière (rayon laser) est appliquée au milieu de la base du triangle ou bien elle est séparée en deux faisceaux vers les deux angles inférieurs du triangle où sont placés deux miroirs qui redirigent les deux faisceaux de lumière vers le troisième sommet. La vitesse de propagation de la lumière étant constante, si le triangle est animé d'un mouvement de rotation dans son plan, la distance parcourue dans les deux branches devient différente (Effet Sagnac). Grâce aux propriétés du rayonnement laser, on observe alors une interférence au sommet du triangle. Un détecteur photoélectrique peut compter et déterminer le sens de défilement des raies de cette interférence, dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation du triangle sur lui-même. En montant trois dispositifs de ce type selon un trièdre, et en traitant les signaux, il devient possible de déterminer tous les mouvements d'un avion selon ses trois axes comme avec un gyroscope mécanique. En ajoutant les accéléromètres et le traitement de leurs signaux, une centrale à inertie a été reconstituée.

Radioaltimètre (ou sonde altimétrique)

Il utilise un radar chirp placé sous le fuselage. Il est utilisé pour les procédures d'approche finale ou dans le cadre de la prévention contre le risque de percuter le relief. Il indique de façon très précise (à 50 centimètres près) la hauteur de l'avion par rapport au sol.

Ils utilisent des stations au sol ou des satellite artificiels pour fournir des indications sur la position de l'avion dans l'espace.

Radiocompas

Une antenne sur l'avion capte un signal radio (dans la bande de fréquence de 190 kHz à 1 750 kHz) émis par un émetteur au sol appelé balise non directionnelle. L'information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique la direction de cette station (l'angle se nomme Gisement).

VHF Omnidirectional Range

Une antenne sur l'avion reçoit un signal radio (dans la bande de fréquence de 108 à 117,95 MHz) émis par un émetteur au sol appelé VOR. L'information délivrée au pilote est présentée par une aiguille qui indique le cap à suivre pour se diriger vers (ou s'éloigner de, selon la sélection) cette station.

Radio indicateur magnétique

Il combine sur un même instrument les fonctions ADF et VHF et donne le cap à suivre pour se diriger vers (ou s'éloigner de, selon la sélection) ces stations.

Équipement de mesure de distance

Un équipement sur l'avion échange un signal radio (dans la bande de fréquence de 960 à 1 215 MHz) avec une station au sol. L'information délivrée au pilote est la distance oblique à cette station, sa vitesse de rapprochement (ou d'éloignement) ainsi que le temps nécessaire pour la rejoindre.

Système d'atterrissage aux instruments

Une antenne sur l'avion reçoit deux signaux radio lors des approches. L'information délivrée au pilote est l'écart de sa trajectoire par rapport à l'axe de la piste et la pente qu’il doit tenir pour aboutir au seuil. L'ILS est utilisé pour les atterrissages tous temps en Vol aux instruments. L'indication « droite-gauche » est transmise par une émission VHF (de 108,10 à 111,95 MHz), tandis que l'indication « haut-bas » est transmise par une émission UHF (de 334,7 à 330,95 MHz).

GPS (Global Positioning System)

Appareil disposant d'une antenne qui capte un signal radio UHF émis par une constellation de satellites artificiels. L'information délivrée au pilote est sa position sur le globe terrestre (latitude, longitude et, avec une mauvaise précision, altitude), sa route vraie ainsi que sa vitesse par rapport au sol. Il n’est pas considéré comme un instrument primaire, du fait de sa dépendance au réseau de satellites américains. On l'utilise comme aide en navigation de vol à vue.

Les différents types d'instruments

Les instruments de bord utilisent pour la saisie des informations et leur visualisation différents systèmes : instruments électromécaniques, pneumatiques, électroniques, radioélectriques, etc. (ont pour fonction: informations de vitesse, d'attitude par rapport au milieu environnant, de navigation).

Instruments aérodynamiques (ou anémobarométriques)

Ils utilisent les propriétés liées à la pression de l'air environnant. Une sonde (appelée tube de Pitot) disposée sur l'avant du fuselage ou de la voilure permet de capter la pression totale à un endroit où la pression créée par l'écoulement de l'air autour de l'avion du vent relatif et la pression atmosphérique régnante s'additionnent. Des prises d'air disposées sur le côté du fuselage de l'aéronef permettent de mesurer la pression atmosphérique pure (pression statique) à un endroit où le déplacement de l'air n'a aucun effet. La vitesse de l'avion par rapport au vent peut alors être déduite de la différence entre pression totale et pression statique. Cette différence représente la pression dynamique, proportionnelle à la vitesse de l'avion par rapport à l'air. Le système installé sur les aéronefs est désigné par le terme anémobarométrique.

Systèmes de visualisation électronique

Ils permettent de visualiser sur des écrans l’ensemble des paramètres nécessaires au pilote. De la même façon, des écrans permettent d'afficher les paramètres moteurs. Sur w:Dornier Do 328, est un écran central divisé en deux parties, la première qui symbolise les paramètres moteurs et la seconde, le CAS FIELD, dans laquelle sont centralisées toutes les informations et alarmes de l'avion, avec un code couleur selon l'importance du message :

cyan et vert : informations et fonctionnement normal ;
blanc : système armé et en attente de fonctionnement ou système en fonctionnement (suivant la philosophie du constructeur) ;
bleu : indication de transit (ex. : ouverture ou fermeture d'une vanne) ;
magenta : valeurs présélectionnées ;
ambre : message de dysfonctionnement mineur ou illogique ;
rouge : alarmes ou pannes majeures à traiter d'urgence par l'équipage.

Système de gestion de vol

Il permet grâce notamment à une centrale inertielle couplée à un calculateur d'assister le pilote pendant le vol. Il lui fournit des renseignements sur le pilotage, la navigation, les estimées, la consommation, etc.

Le pilote dispose d'une interface lui permettant avant le départ d'entrer son plan de vol. Il s'agit d'une sorte de contrat passé au préalable avec les autorités du contrôle aérien qui décrit la façon dont le vol va se dérouler. Le plan de vol est constitué d'une suite de points dont la structure est définie par des normes précises telles que l’ARINC 424. À partir de ce plan de vol, le système de gestion de vol calcule la trajectoire qui sera affichée sur les écrans de visualisation et une estimation de l’ensemble des données susceptibles d’être utile au pilote pendant le vol: heures de passage aux différents points du plan de vol, estimation de la quantité du carburant à bord, etc. Le système de gestion de vol est en général couplé au pilote automatique pour l'assister dans le guidage de l'avion.

Système de pilotage automatique

Il permet, grâce à un ensemble de servocommandes, d'asservir l'avion dans une configuration de vol (mode de base) ou sur une trajectoire donnée (mode supérieur). Ces deux systèmes partagent le ou les mêmes calculateurs. Ils fonctionnent selon trois phases : armé (le calculateur acquiert les données), capture (le calculateur indique les corrections à effectuer) et maintien (le calculateur tient les paramètres).

Directeur de vol

Il fournit au pilote de l'avion une aide, en lui indiquant le sens et l'amplitude des manœuvres à effectuer pour amener l'avion dans une configuration de vol ou sur une trajectoire sélectionnée. Il se présente sous la forme de moustaches sur l'horizon artificiel qu’il s'agit de faire correspondre avec la maquette de l'avion qui y figure, ou sur la forme d'une croix sur laquelle aligner le repère central représentant l'avion.

Manomètres

Ils indiquent les pressions d'huile, de carburant ou d'admission.

Tachymètre

Il indique la vitesse de rotation du moteur (en tours/minutes) ou d'un réacteur (en % d'un régime nominal).

Avertisseur de décrochage

Il émet un signal sonore ou une vibration du manche au pilote lorsque l'avion s'approche de l'angle d'incidence maximum avant le décrochage.

Avertisseur de proximité du sol

L'avertisseur de proximité du sol permet de prévenir (par un message vocal) le pilote lorsque l'avion s'approche du sol. Une version améliorée possède en plus une cartographie plus ou moins fine du terrain qui est présentée aux pilotes sur les écrans des systèmes électroniques des instruments de vol en cas d'alarme. Sur A380, le programme présente une vue en coupe latérale du plan de vol.

Dispositif d'évitement de collisions

Le dispositif d'évitement de collisions permet de prévenir (sur un écran et par un message vocal « trafic ») le pilote lorsque l'avion s'approche d'un autre appareil. Il peut également proposer (en se synchronisant avec le TCAS de l'autre aéronef : coordination des manœuvres) une manœuvre d'évitement dans le plan vertical. Le BEA préconise de suivre les instructions du TCAS en priorité sur les instructions données par le Contrôle aérien.

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Plan de vol

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