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L'avion sera électrique et communicant

Thierry Mahé
Deux vastes programmes, l'un américain, l'autre européen, posent les jalons de l'avionique et de la gestion du trafic aérien des années 2020.

L'avion de ligne va s'intégrer dans un vaste système d'informations communicantes, la prise de décision du pilote s'appuyant sur une vision globale du trafic et sur de nouvelles interfaces offrant une réalité "augmentée". Pour se plier à cette complexité évolutive, l'informatique du cockpit entre de plain-pied dans l'ère de l'interopérabilité et du plug and play. Parallèlement, le découplage des commandes et des organes se parachève, allant jusqu'à l'abandon progressif des systèmes hydrauliques pour des actionneurs tout électriques. Dans le même temps, les dispositifs de divertissement envahissent la cabine des avions de ligne, même à bas prix, même régionaux.

1. L'avion au coeur d'un système d'information

C'est le phénomène de fond de la gestion du trafic aérien : considérer l'appareil comme un noeud communiquant dans une toile d'informations. Le pilote n'est plus simplement informé par la tour de contrôle, il a une vue synthétique de son environnement, à commencer par la flotte des appareils qui suivent la même route que lui ou s'apprêtent à décoller ou à atterrir sur le même aéroport. Si un appareil le précédant change de trajectoire, ce changement est aussitôt transmis et force le recalcul du plan de vol. Évidemment, cela suppose une communication haut débit, toute numérique entre les avions et le sol, via des satellites. Et cela procure une énorme souplesse pour améliorer la consommation (par exemple éviter qu'un avion fasse des ronds en l'air au-dessus de l'aéroport), densifier le trafic, améliorer la sécurité. Ce concept d'optimisation général est dit "gate to gate" puisque, outre les phases de vol et d'approche, il prend en compte une gestion "taxi" optimisée des avions au sol.

Deux grands programmes défrichent cet avenir de la gestion du trafic aérien, l'européen Sesar et son pendant américain NextGen. Sesar a pour objectif, sous la houlette d'Eurocontrol, de rationaliser à l'échelle européenne, d'ici à 2020-2025 (déploiement prévu à compter de 2013), la navigation aérienne : il existe en effet pas moins d'une cinquantaine de systèmes différents. Le programme coûtera environ 20 milliards d'euros. Sesar devrait signer la fin du système de radionavigation VHS au bénéfice d'un transfert de données numériques. Et va intégrer le futur système de géolocalisation par satellite Galileo, pour des systèmes beaucoup plus précis d'estimation de la distance au sol, et de détection des turbulences. NextGen est cohérent avec ces objectifs.

Pour autant, ces programmes soulèvent des interrogations. Comme la gestion des conflits entre compagnies et l'ATC (Airport and Tower Control), la coexistence d'appareils de nouvelle génération avec les modèles anciens, ou encore la part d'autonomie à donner au pilote...

La vision "système" du trafic aérien touche évidemment les équipements au sol. Et l'opérateur de contrôle va lui aussi se voir secondé par de puissants outils numériques. Ainsi, le Laboratoire d'automatique, de mécanique et d'informatique industrielles et humaines (LAMIH, Valenciennes, Nord) teste-t-il au centre de contrôle de Bordeaux (Gironde), la plate-forme Amanda qui se comporte comme un système expert, apte à jauger la pertinence de telle ou telle solution. Le laboratoire d'informatique de l'École polytechnique (LIX) travaille, lui, à un redécoupage dynamique des secteurs aériens affectés à chaque centre de contrôle, dans le but d'équilibrer la charge de travail au cours de la journée.

Martin Defour, directeur technique de la division aéronautique de Thales, estime qu'une vision système de la gestion des ressources de calcul à bord (une fonction étant distribuée sur plusieurs calculateurs) sert un meilleur dimensionnement des systèmes embarqués et peut contenir l'augmentation fonctionnelle.

Cette vision du calcul réparti (assez proche de ce que l'automobile connaît dans le cadre du consortium international Autosar) s'appuie sur des bus de communication (et non plus du fil à fil). Ainsi l'A380 inaugure un réseau de type Ethernet (AFDX, pour Avionics Full Duplex). Ces réseaux embarqués répartissent mieux la puissance de calcul. Ils absorberont aussi le contrôle-commande de plusieurs centaines ou milliers de nouveaux actionneurs à venir. On pense à des vérins capables de modifier dynamiquement la voilure. Ou aux centaines de petits spoilers que les ingénieurs voudraient intégrer aux ailes, en substitution des volets qui se déploient actuellement.

2. Un cockpit évolutif et tout LCD

L'AirLab est le laboratoire-démonstrateur de Thales destiné à tester, simuler, implémenter les nouvelles technologies qui vont envahir le cockpit. En interaction avec l'informatique au sol. Sa version toulousaine (Airbus) a son pendant (Boeing) à Seattle (États-Unis) et à Melbourne (Australie). Dans ce démonstrateur se surajoutent et s'intègrent des travaux R&D d'origines diverses. Ses responsables l'affirment avec force : « C'est un moyen d'essai technico-opérationnel ». Signifiant que les technologies doivent être mises en regard avec leur apport effectif. AirLab sait rendre compte de scénarios complexes et représentatifs, servir à l'évaluation de nouveaux outils. Un tel environnement, reconfigurable à volonté, s'appuie sur l'interopérabilité des modèles. Concept également au coeur du projet Gaia d'Aerospace Valley (pôle de compétitivité toulousain de l'aéronautique) porté par Airbus, la DSNA, l'Enac et Steria. Le but de cette interopérabilité est le travail collaboratif entre acteurs de la gestion du trafic et équipementiers du cockpit.

AirLab sert à la simulation d'une foule de scénarios élaborés dans le cadre de Sesar ou NextGen. Citons la descente continue au sol (et non plus par paliers), des procédures sophistiquées de négociation entre le sol et l'avion, l'échange de trajectoires 4D (trois dimensions + temps), un horizon artificiel rendant compte du relief du sol (Synthetic Vision System)... Ou encore les premières implémentations du système ADS-B 5 (Automatic Dependent Surveillance - Broadcast) qui procurent au pilote une vision précise et temps réel, en images de synthèse, de l'occupation des pistes et de la position des autres avions.

Parmi les nouvelles fonctions dans le cockpit, la vision 3D du paysage (à la façon de Google Earth) et l'usage du système de localisation satellitaire GPS ou Galileo en phase d'atterrissage par faible visibilité. Cette nouvelle aide à la navigation va faire disparaître à terme les systèmes d'approche aux instruments type ILS. Parmi les pays les plus avancés dans le guidage satellitaire : les États-Unis, l'Australie et le Canada. Imités en Europe par la France et l'Allemagne.

Parallèlement, le cockpit accroît sa vision. Ainsi, des radars à bord peuvent détecter les cumulonimbus, "signatures" de perturbations. Ce que, parmi les tout premiers, réalise Rockwell Collins, fournisseur du Multiscan Hazard Detection System sur le B747-8 (sur le marché en 2009). Aujourd'hui encore indétectables, les turbulences par temps clair seront perçues demain grâce à l'analyse du comportement d'un rayon laser. Ce à quoi s'emploie Thales : un dispositif qu'il a testé en 2006 à bord de son avion-laboratoire.

Dans le cadre d'un avion largement communicant, les appareils pourront s'échanger la carte de ces zones de turbulences, s'appuyer aussi sur l'imagerie satellite.

Beaucoup de grandes innovations sont d'abord étrennées sur des appareils militaires. Par exemple, la vision augmentée-synthétique comme sur l'EVS (Enhanced Vision System), un système de vision tête haute. Mais là, ce sont de petits avions d'affaires qui en bénéficient les premiers, témoin l'accord entre l'équipementier Rockwell Collins et Boeing Business Jet, pour ses appareils de la base BBJ (certification courant 2008). L'HGS (Head-Up Guidance System) plaque sur la vision réelle d'autres informations, extraites d'une base de données ou provenant d'une caméra infrarouge.

De même, l'aviation d'affaires s'inspire de quelques innovations développées pour les vols commerciaux. Ainsi le système EASY (Enhanced Avionics Systems) de Dassault Aviation et Honeywell, basé sur quatre larges écrans, est désormais commun à tous les avions Falcon.

L'avionique modulaire intégrée (IMA), que promeuvent Boeing et Airbus, devra être apte à implémenter et faire évoluer à façon de nouvelles fonctionnalités, sans devoir retester l'ensemble du cockpit. Complexité, interaction et évolutivité de ces fonctions imposent aux équipementiers de repenser leur informatique. De la structurer en couches logicielles qui empilent un système d'exploitation, un middleware, des couches applicatives... Classique sur un bureau. Tout nouveau dans un cockpit ! Thales a sauté ce pas. De même que Boeing ayant redéveloppé son avionique autour du Common Core System (l'équivalent d'un système d'exploitation) de Smiths Aerospace. L'aviation militaire était pionnière avec l'architecture CAAS (U.S. Army's Common Avionics Architecture System) qui promeut un système ouvert, basé sur des composants logiciels : plusieurs intervenants collaborent plus aisément à une fonction commune.

L'avionique peut même s'inspirer du logiciel libre, type Linux. Cette approche est au coeur du projet Topcased (Toolkit in Open-Source for Critical Applications & System Development) qu'orchestre Airbus et qui fait trait d'union avec d'autres industries du transport, comme l'automobile - témoin la participation de Siemens VDO. Topcased s'appuie sur la spécification par modèles, UML, qui fait l'unanimité.

3. Vers l'avion "plus" ou "tout" électrique

L'aviation s'électronise... et s'électrifie. Jusqu'à consommer 1 MW ou plus sur de gros porteurs ! La plate-forme POA (voir plus loin) prévoit une puissance à bord de 1,6 MW. L'essor des actionneurs électriques explique ce récent phénomène.

La famille A320 (lancement en 1988) est le premier avion aux commandes de vol entièrement automatisées, avec son célèbre joystick aujourd'hui généralisé, même sur des avions d'affaires. Les actionneurs sont, toutefois, demeurés électro-hydrauliques, augmentant le poids de l'appareil. Tout au plus parvient-on à réduire ce défaut par des tuyaux plus fins et des pressions plus importantes (au-delà de 300 bars).

L'Airbus A380 a marqué le coup d'envoi de l'avion "plus" électrique. D'abord, en faisant disparaître toute commande mécanique de secours et, surtout, en otant deux circuits hydrauliques sur trois.

Au "Fly-by-Wire" succède le Power-by-Wire (PbW). Le B787 Dreamliner apporte une rupture radicale. Il est doté du freinage tout électrique de Messier-Bugatti. La filiale du groupe Safran, concurrente de la firme Goodrich, va en effet fournir les dix roues du 787, dont huit équipées de freins, ainsi que la commande codéveloppée avec sa maison mère. L'avantage tient à la simplification de l'équipement et de sa maintenance. Les acteurs de cette technologie comptent équiper le concurrent du 787, l'A350 XWB (vers 2013).

Les recherches européennes sur l'avion électrique sont coordonnées dans le programme européen POA (Power Optimized Aircraft) démarré dès 2002 et qui vient de s'achever. 42 entreprises se sont jointes à Liebherr Aerospace pour réaliser un banc d'essai sur le site d'Hispano-Suiza (Colombes, Hauts-de-Seine), qui peut simuler un vol complet. L'objectif n'est pas de faire de l'électrique à tout prix, mais du "plus" électrique en conservant, par exemple, des actionneurs électro-hydrauliques. L'avion doit être considéré comme un tout, afin de limiter les puissances crête et d'obtenir un gain global en carburant. Celui-ci pourrait atteindre 5 %.

Le programme européen MOET (More Open Electrical Technologies), lancé l'an dernier, étend ce type de travaux à 61 entreprises. Il sera, cette fois, coordonné par Airbus et s'intéressera à tous les aspects de la distribution électrique.

Enfin, le programme DRESS (Distributed and Redondant Electrical Nose gear Steering System), piloté par Messier-Bugatti depuis 2006, vise à commander électriquement l'orientation des roues. On retrouve ici les atouts des vérins électriques et, également, l'intégration aux futurs systèmes de navigation aéroportuaires (semi-automatiques) qui optimiseront la gestion des pistes et des portes d'embarquement.

L'intrusion massive des courants forts dans les avions de ligne va impacter la structure des réacteurs qui devront alors intégrer des alternateurs puissants.

Les actionneurs électriques serviront peut-être un tout autre but : déformer continûment la surface de la voilure afin de l'adapter de façon optimale aux conditions de vol. Des chercheurs de l'Institut national polytechnique de Toulouse (INPT) prévoient de réaliser cette adaptation aérodynamique grâce à des vérins électroactifs en alliages à mémoire de forme.

4. L'explosion du multimédia en cabine

Fini le temps où tous, en cabine, somnolaient devant le même mélo ! Les systèmes de divertissement à bord (IFE, In-Flight Entertainment) sont devenus la panacée des compagnies pour s'attirer une clientèle friande de jeux, de vidéos à la demande, de télévision par satellite, de téléphonie, d'Internet, d'informatique à bord... Les petits écrans LCD rétractables 6 pouces font place aujourd'hui à de confortables 23 pouces logés dans le dossier ou le plafond. Même sur les vols low cost. Ou les vols régionaux, comme dans les ATR-72 affrétés par Kingfisher Airlines (Inde), Et ça marche ! La compagnie américaine Jetblue, pionnière de la télévision en direct, a vu sa clientèle accuser des pics de 25 % lors de grands événements sportifs. Cette compagnie a essuyé, il est vrai, le revers de cet engouement : en 2005, les passagers d'un vol pour Los Angeles ont assisté en temps réel sur Direct TV à l'atterrissage acrobatique de leur propre appareil, suite au blocage du train d'atterrissage...

Ces systèmes sont aussi pour partie la cause d'un "accident", économico-industriel celui-là, le retard de livraison des Airbus A380, en raison de l'extrême complexité des câblages à bord répondant aux demandes particulières des compagnies. Airbus a aujourd'hui pris en compte la dimension industrielle de cette informatique "peu noble" en réduisant le champ de ses fournisseurs aux deux leaders mondiaux, Thales et Panasonic Avionics. Ces derniers se retrouvent pareillement chargés de l'équipement en cabine du B787. Thales (système TopSeries, 70 % du marché B787) ayant mis en place une équipe californienne de 400 personnes dédiées au développement IFE... C'est pour le moins paradoxal : l'IFE est en passe de devenir l'équipement le plus cher d'un avion ! Et c'est le premier que définissent les compagnies. L'IFE fait usage d'une informatique complexe, qui s'appuie sur un réseau Ethernet large bande, de miniconcentrateurs tous les x sièges, d'un serveur très complexe... Il faut en effet diffuser à chaque place un film/jeu à la demande sur une centaine disponible, gérer des dizaines de langues, tenir compte des mises en pause...

Pour éliminer le fouillis de câbles, fibres optiques et limiter le poids, la solution serait de faire usage d'un réseau sans fil. Une option requise pour le B787, mais qui se heurte encore aux étapes de qualification.

Car il faut être sûr que cette informatique en cabine n'interfère d'aucune façon avec l'informatique de vol. Encore que. Bien des informations sur le vol, et autres consignes du personnel navigant gagneraient à se projeter sur cette interface. Il existe donc des passerelles entre les deux mondes. Partant, un risque potentiel d'intrusion. À cette fin, Thales teste son IFE dans Theresis (Thales European Research Centre for e-gov and Secure Information Systems). Celui-là même qui sert à valider la sécurité de sites Internet, comme ceux de la Direction générale des impôts, contre les hackers.

L'avion se fait multiplexe cinéma, salle de jeux vidéo... Avionneurs et compagnies vont aussi jouer le rôle d'opérateurs télécoms. Le standard Satcom permet de "roamer" (appeler et recevoir des appels ou Internet, où qu'on soit, la facturation étant redirigée) à partir du téléphone GSM de chaque passager, via le satellite. Ce standard, plébiscité par Rockwell Collins, Thales, Honeywell... sera disponible en cabine en fin d'année. Comme sur les A318 de l'italien OnAir.

Problème : l'intégration d'une électronique grand public dans un appareil destiné à voler plusieurs décennies pose de délicats problèmes d'obsolescence. De plus, le poids embarqué - jusqu'à 2,5 tonnes sur l'A380 ! - alourdit la facture en carburant.

Enfin, l'IFE a obligé ses acteurs à mettre en place une logistique de support sans faille : un agent dans chaque aéroport, des hubs d'approvisionnement en pièces détachées, des bancs de diagnostic automatiques... Le ressenti d'une panne (pourtant bénigne !) sur la clientèle étant paroxystique... Un comble pour une informatique qui « ne sert à rien ».

La simulation numérique, comme sur notre plate-forme expérimentale de cockpit AirLab, nous permet de tester une nouvelle technologie, d'en quantifier l'impact, dans un contexte opérationnel."

"Le périmètre de simulation va bien au-delà du cockpit. Il s'étend à une flotte d'appareils, aux infrastructures au sol, etc. C'est particulièrement vrai des fonctions globales comme la sécurité ou la fluidité du trafic aérien. " "La simulation est aussi un puissant outil pour dimensionner les charges électriques dans toutes les phases de vol. Ce, afin d'optimiser le poids et le volume des systèmes embarqués.

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