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Un cockpit tout numérique

PHILIPPE PÉLAPRAT redaction@industrie-technologies.com

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Partie visible de l'avionique informatisée, les écrans LCD qui ornent les cockpits affichent l'ensemble des données liées au vol et au fonctionnement de l'avion commercial moderne. Ces informations, relayées sous forme vidéographique, offrent une lisibilité parfaite. Pilote et copilote voient par ailleurs leur tâche allégée par de nombreux automatismes.

Fini les compteurs à aiguille, voyants et autres interrupteurs qui tapissaient la planche de bord des Caravelle et autres Boeing 707. Le cockpit ressemble aujourd'hui à une régie vidéo, avec « toutes les indications fusionnées et représentées sur seulement quelques écrans disposés devant les pilotes », énonce Jacques Rosay, chef pilote d'essai chez Airbus. Si le symbole utilisé est défini par les organismes réglementaires, la disposition des panneaux à cristaux liquides est décidée par l'avionneur, en accord avec la communauté des pilotes et les compagnies clientes. De fait, les six écrans LCD rangés en « T » du cockpit de l'Airbus A350, rappellent la configuration des modèles antérieurs, depuis l'A320. Cette filiation facilite la formation des pilotes sur toute la gamme. Une idée reprise depuis par les ingénieurs de Boeing.

Gérer le vol

Devant chaque pilote, l'écran principal intègre dans une même image les principales informations, dont l'attitude, l'altitude et les vitesses relatives. Fournies par une série de capteurs extérieurs (anémomètre, altimètre, variomètre, etc.), ces mesures apparaissent sous forme graphique, soit seuls sur l'écran soit en surimpression sur une image. Les symboles peuvent ainsi figurer sur une carte en relief de la région survolée, générée par une base de données. Visuellement mieux informés, les pilotes ont par ailleurs l'assurance d'une supervision permanente par le système de gestion de vol. Ce dernier déclenchera des alertes clignotantes et vocales si l'aéronef transgresse les lois de pilotage préétablies. La météo peut malgré tout affecter la fiabilité de certains instruments, comme les sondes Pitot mises en cause dans l'accident de l'Airbus A330 Rio-Paris d'Air-France. Elles donnent la vitesse de l'air grâce à une mesure différentielle de pression entre un tube ouvert dans l'axe d'avancement de l'avion et un autre, perpendiculaire. Pour les remplacer, « les ingénieurs travaillent sur l'anémomètre laser à effet doppler. Il mesure la vitesse de déplacement des particules dans l'air, commente Jacques Rosay. Mais il y a encore du travail. Ce n'est pour l'instant pas très efficace à l'altitude où volent les avions grandes lignes, du fait du manque de particules ».

Garder le cap

À côté de l'afficheur principal, les pilotes disposent d'un écran de navigation et du système de gestion de vol (dit FMS pour Flight Management System) qui les aident à tracer leur route. Le FMS est un calculateur couplé aux centrales inertielles et aux récepteurs GPS. Il reçoit, avant le départ, les instructions du plan de vol dont il va ensuite afficher graphiquement la progression. Il est aussi en relation avec le pilote automatique, utilisé durant la majeure partie du parcours. « Les systèmes les plus évolués prennent en charge l'avion, de la passerelle d'embarquement à celle du débarquement », résume Gil Michelin, directeur de l'avionique civile chez Thales. Comme pour les indicateurs de vol, les données de navigation (cap, vitesse au sol, identification des radiobalises, etc.) figurent seules à l'écran ou se superposent à une image météo ou une carte numérique. L'enrichissement de la situation de l'avion par image de synthèse et la vision dite augmentée (par caméra infrarouge, par projection tête haute), inspirés des dispositifs militaires, trouvent de plus en plus leur place dans les cockpits civils. Les pilotes ont une certaine latitude dans leur choix et disposent de claviers et de boules de commande (trackball) pour modifier l'affichage, notamment sur l'écran multifonction situé sur la console centrale, entre leurs sièges.

Les redondances de ces outils informatiques apportent au cockpit un haut niveau d'autocontrôle de l'enveloppe de vol qui définit les limites que l'avion ne peut pas dépasser. D'autres dispositifs veillent sur la zone dans laquelle il évolue. Le système anticollision détecte la balise d'un avion arrivant en face et suggère vocalement une manoeuvre d'évitement contraire à celle de l'autre aéronef. Un autre avertit du risque de collision avec le relief en comparant relevés d'altitude GPS et base de données géographique. Le FMS d'un A350 pourra même calculer immédiatement une route alternative et une vitesse de descente en cas d'arrêt d'un des moteurs.

Maintenir un contact permanent

Autonomes pour gérer leur voyage, les pilotes doivent cependant être en contact permanent avec le contrôle aérien et les avions volant dans le même secteur. Ils utilisent pour cela plusieurs modes radio : VHF, UHF (terrestre) et bande L (satellite). Dernièrement, la messagerie écrite a fait son apparition, via l'écran et le clavier intégré au milieu de la planche de bord. « La radio est gérée par les pilotes depuis longtemps, indique Jacques Rosay. Elle se cale automatiquement sur le mode le plus approprié, en fonction de la position géographique de l'avion. La messagerie écrite est devenue primordiale car elle évite les incompréhensions. » Les transmissions de données jouent aussi un rôle important. Elles envoient automatiquement à la maintenance au sol des rapports sur le comportement de l'avion et de ses composants actifs. Demain, ce seront des informations sur son parcours et sa position à destination du contrôle aérien qu'elles relaieront en temps réel. Pour assurer simultanément ces deux missions Astrium Services (EADS) et le canadien Star Navigation Systems travaillent sur un nouveau système satellitaire qui contribuera à la mutualisation des données dans une même zone aérienne, comme le prévoit le programme européen Sesar (Single European Sky ATM Research). « Les antennes satellite servent à la fois aux communications de l'équipage et aux services destinés aux passagers, explique Gil Michelin, chez Thales. Ces deux types de besoin vont croissant et de nouvelles bandes de fréquences devront bientôt être utilisées. Cela implique de multiplier les moyens d'émission/réception ou de disposer d'équipements à large bande de fréquences. » À ce propos, le remplacement des antennes mobiles sous radome par des réseaux de dipôles noyés dans la « peau » en composite des avions est à l'étude.

Surveiller l'avion via un écran spécifique

Le cockpit numérique a également facilité le contact entre les pilotes et les actionneurs de l'appareil. Les moteurs, les équipements de production d'énergie ainsi que tous les systèmes et servitudes de l'avion sont surveillés via un écran spécifique sur lequel s'affichent des diagrammes dynamiques et des indicateurs chiffrés. « Les circuits informatiques de commandes sont physiquement dissociés de ceux utilisés pour le contrôle », précise Olivier Charrier, ingénieur chez Wind River Systems, éditeur américain de logiciels embarqués et mobiles. Au-delà du monitoring depuis le poste de pilotage, beaucoup d'équipements s'autorégulent. Les moteurs sont scrutés en permanence par leurs propres calculateurs Fadec (Full Authority Digital Engine Control) qui supervisent en temps réel les paramètres techniques (température, pression d'huile et de kérosène, alternateur, etc.) et adaptent la propulsion aux conditions du vol. Ce fonctionnement, largement automatisé, relaye et encadre, les ordres des pilotes envoyés par les manettes situées entre les sièges.

Adapter l'architecture du réseau

L'automatisation de l'avion dont le cockpit numérique est le visage n'a pu se faire sans la mise en place d'un réseau informatique tentaculaire. Quand les pilotes commandent une action sur les parties mobiles de la voilure ou tout autre composant actif, ce sont désormais des actionneurs intelligents à commandes électriques qui l'exécutent. Des commandes qui restent sous la supervision de calculateurs vérifiant que les ordres ne contreviennent pas aux limitations imposées par le constructeur, ainsi qu'au plan et conditions de vol du moment. Le tout dépend d'un puissant maillage informatique et d'une avionique modulaire intégrée (IMA) : des ordinateurs temps réel (20 sur l'A350, 46 sur l'A380) gèrent simultanément plusieurs applications grâce à une architecture comprenant différents niveaux de sécurité indépendants (architecture dite MILS pour Multiple Independant Levels of Security). « Les écrans du cockpit affichent graphiquement des données provenant de calculateurs organisés en réseau, installés dans le cockpit ou intégrés aux organes de commandes », résume Olivier Charrier.

Alléger la documentation

Ainsi débarrassés des tâches fastidieuses pour se concentrer sur l'essentiel, les pilotes ne s'encombrent plus non plus de lourdes sacoches pleines de documentation sur l'engin qu'ils ont à diriger. Place à l'Electronic Flight Bag (EFB), équipement standard chez Boeing comme chez Airbus. Il dispose toujours d'écrans propres mais est aussi compatible avec des ordinateurs standards. L'EFB regroupe les informations techniques de l'avion, des instructions de la compagnie exploitante et des documents sur les chartes de navigation produits par des éditeurs spécialisés, comme Jeppesen.

« Cette littérature, souvent mise à jour, est créée sur des logiciels grand public, commente Jacques Rosay. Elle est isolée de l'informatique embarquée dont elle reçoit tout de même des informations. » L'Airbus A350 reprend le système d'information à bord de l'A380, intégré au cockpit. Il dispose en plus de stations d'accueil pour les ordinateurs portables. Aux États-Unis, la Federal Aviation Administration a même autorisé l'iPad d'Apple comme support d'EFB dans l'aviation d'affaires et de tourisme.

Le cockpit numérique va de plus en plus loin. Les industriels du secteur l'imaginent déjà demain, présentant des interactions plus poussées entre pilotes et écrans. Des interfaces tactiles ou gestuelles, de l'affichage 3D, de la reconnaissance vocale et biométrique devraient y faire leur entrée.

Dans le cadre du programme européen Odicis (One Display for a Cockpit Interactive solution), Thales imagine une surface unique sur laquelle seront projetées de multiples fenêtres vidéo, en plus de l'affichage tête haute. Son ergonomie s'inspirera de l'électronique grand public, des biosenseurs et de l'intelligence artificielle. Des systèmes décisionnels prédictifs, qui analysent les situations et proposent des scénarios d'action, ou de concertation en réseau, avec le contrôle aérien, sont également dans les tuyaux.

À la Nasa, le programme Integrated Intelligent Flight Deck mobilise industriels et universitaires sur différentes thématiques : des systèmes infographiques enrichis, au process d'automation, de la hiérarchisation des flux de données à l'avionique intelligente capables d'analyser les risques. Potentiellement, le cockpit à pilote unique est déjà réalisable. L'avion-drone n'est plus une utopie affirmait le futurologue Robin Mannings, dans une étude prospective d'Airbus. Il précisait toutefois que cela concernait plutôt le fret aérien « si l'on veut garder la confiance des passagers ».

Dans ses Falcon, pilotage très assisté

Fruit de l'expérience militaire, sur Mirage et Rafale, le cockpit numérique Easy de Dassault s'est montré précurseur. Il équipe tous les jets d'affaires de la gamme Falcon depuis 2003. « L'ergonomie de l'interface homme-machine est recentrée autour des tâches essentielles de pilotage, du travail en équipe et de la sécurité », résume Vadim Feldzer, porte-parole de la division Falcon. La planche de bord comprend quatre écrans multifonctions, disposés en « T ». Les informations de vol s'affichent sous les yeux de chaque pilote et les données stratégiques (plan de vol, suivi des systèmes) sont reportées sur la console centrale. Parmi les dernières fonctions ajoutées, toujours inspirées de l'expérience militaire, figurent la vision synthétique 3D de l'environnement extérieur « comme en plein jour », et la projection d'images infrarouges frontales dans le collimateur tête haute. La modularité d'Easy autorise la mise à jour de tous les avions équipés - 450 à ce jour -, comme par exemple la réception des données GPS Egnos dans le système de navigation.

RENFORCER LA SÉCURITÉ D'UN FACTEUR 10

Sesar (Single European Sky Air traffic management Research) est le volet technologique du programme Ciel unique européen. Il s'agit d'uniformiser la gestion du trafic aérien au niveau communautaire, dans l'air comme au sol. L'augmentation de la capacité de transit, l'amélioration de l'efficacité globale, et l'accroissement du niveau de sécurité d'un facteur dix sont en jeu. Le tout alors que le trafic devrait doubler dans les vingt ans à venir. La diminution de l'impact de l'activité aérienne sur l'environnement est également au menu. NextGen (Next Generation Air Transportation System) est l'équivalent américain de Sesar.

« L'interaction s'accroît entre cockpit et tour de contrôle »

PHILIPPE PRIOUZEAU RESPONSABLE DE PROJET SESAR POUR THALES AVIONICS

« Le cockpit numérique donne aux pilotes les informations pour contrôler l'avion, et les moyens de communiquer avec le contrôle aérien. L'interaction entre cockpit et tour de contrôle concerne notamment le système de gestion du vol. Il optimise la trajectoire en fonction des contraintes de route, de maîtrise énergétique et des horaires de décollage et d'atterrissage souhaités. Dans le cadre du programme Sesar, Thales développe de nouvelles fonctionnalités, tant côté sol que côté bord : la transmission des données de trajectoire 4D (positions dans l'espace et dans le temps) des avions au contrôle aérien pour mutualiser les situations et optimiser les flux de trafic. Une vision globale qui permettra des trajectoires plus directes, entraînant gains de temps, économies de carburant et améliorations du niveau de sécurité. »

GIL MICHELIN, Thales

«LES ANTENNES SATELLITE SERVENT À LA COMMUNICATION DE L'ÉQUIPAGE COMME AUX PASSAGERS»

Asservissement numérique

L'actionneur électromécanique développé par Sagem et Airbus a joué le rôle de commande principal d'aileron pour un vol d'essai sur l'A320, en janvier dernier. Ce type de moteur, asservi numériquement, animera demain les ailes des avions. Il remplacera les actuels actionneurs, dont la motorisation électrique entraîne des vérins hydrauliques.

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