By akademiotoelektronik, 14/06/2022

Instrument de bord (aéronautique) - Définition et Explications

Introduction

Les instruments de bord servent à présenter au pilote toutes les informations qui lui sont utiles au maintien en vol de son avion, à sa navigation, à ses communications avec les infrastructures de la gestion du trafic aérien et lui permettent d'interagir avec son avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...).

Ils sont regroupés sur le tableau de bord (Le tableau de bord est l'élément qui indique au conducteur d'un véhicule (automobile, bateau),...) aussi près que possible du pilote. Les quatre instruments de base sont toujours disposés de la même façon (en configuration de T basique) : l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) artificiel au centre, l'anémomètre (Anémomètre - terme du XVIIIe siècle, composé du préfixe anémo-...) à sa gauche, l'altimètre (Un altimètre est un appareil permettant de mesurer l'altitude.) à sa droite, le gyro directionnel ou plateau de route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...) en dessous. Cette disposition permet d'optimiser le circuit visuel au cours du vol. La disposition des autres instruments est relativement standard mais varie d'un avion à l'autre. Avec la généralisation (La généralisation est un procédé qui consiste à abstraire un ensemble de...) des écrans rassemblant toutes les informations du T de base sur une seule surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de visualisation, les instruments conventionnels ne sont conservés sur les planches de bord équipées d'écrans qu'à titre d'instruments de secours pour pallier une éventuelle défaillance des systèmes électroniques.

Ils peuvent être présentés sous forme classique (voir la première image ci-dessous) ou leurs informations intégrées dans un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent...) (voir poste de pilotage de l'A319). Les photos correspondent à des avions différents dans des situations de vol différentes ; les indications des instruments ne correspondent donc pas.

Les 4 instruments de base en T complétés par, en bas à gauche l'indicateur de virage, en bas à droite le variomètreLe poste de pilotage de l'Airbus (Airbus est un constructeur aéronautique européen et également un acteur majeur dans...) A319

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. On pourrait les classer selon leur mode de fonctionnement ou bien leur fonction (informations de vitesse (On distingue :), d'attitude par rapport au milieu environnant, de navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) ou même simplement par ordre alphabétique). La liste ci-dessous ne suit actuellement aucune de ces logiques.

Compas magnétique

Il utilise le champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...) comme référence.

Il est constitué d'une lunette de lecture sur un boitier étanche rempli d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) 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 (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) rectiligne, horizontale et à vitesse constante. Il est néanmoins utile pour régler ou recaler le conservateur de cap (voir les articles compas et boussole).

De plus, il est influencé par les champs magnétiques engendrés par les équipements électriques de l'avion. Aussi, il est accompagné d'une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) de calibration, établie dans des conditions standard de mise sous tension (La tension est une force d'extension.) des équipements proches.

Enfin, comme pour tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) compas magnétique, il faut tenir compte de la déclinaison du pôle magnétique (Un pôle magnétique est un point de "convergence" des lignes de champ magnétique présentes...) et des influences locales.

Instruments aérodynamiques (ou anémobarométriques)

Ils utilisent les propriétés liées à la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) environnant. Une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) (appelée tube de Pitot) disposée sur l'avant du fuselage (Le fuselage désigne l'enveloppe d'un avion qui reçoit généralement la charge...) ou de la voilure permet de capter la pression totale à un endroit où la pression créée par l'écoulement de l'air autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de l'avion (vent relatif) et la pression atmosphérique (La pression atmosphérique est la pression de l'air en un point quelconque d'une atmosphère.) régnante s'additionnent. Des prises d'air disposées sur le côté du fuselage de l'aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère...) permettent de mesurer la pression atmosphérique pure (pression statique) à un endroit où le déplacement (En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) 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 (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...), proportionnelle à la vitesse de l'avion par rapport à l'air. Le système installé sur les aéronefs est désigné par le terme anémobarométrique (voir plus bas anémomètre).

Altimètre

Un altimètre est un simple baromètre (Le baromètre est un instrument de mesure, utilisé en physique et en...) (exactement le même qui sert aux météorologistes pour lire une pression atmosphérique) qui est étalonné pour indiquer directement une information d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...) exprimée en pieds ou en mètres.

Les scientifiques ont mis au point (Graphie) une échelle, qui met en relation une pression statique directement avec une information d'altimétrie.

On considère en atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) standard que 1 hPa (hectopascal) correspond à 27 ft (pieds). Pour mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...), la référence de l'atmosphère standard (ou atmosphère type OACI) a été réalisée au niveau de la mer (Le niveau de la mer est la hauteur moyenne de la surface de la mer, par rapport à un niveau de...) (étang de Berre) à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de 15 °C, 0 % d'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...) et une pression atmosphérique de 1 013,25 hPa.

La pression atmosphérique change constamment ; il faut donc recaler l'altimètre pour avoir une information correcte.

Différents calages altimétriques : (voir langage (aéronautique), Code Q)

Ce calage est très utilisé pour les avions de ligne, ainsi que pour la délimitation de zones aériennes fixes, telles les TMA, CTR, et autres zones d'approches ou d'interdictions de survol.

Anémomètre (badin)

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 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 (Le STAMPE SV-4 est un biplan conçu pour l'entraînement qui fut plus tard utilisé pour la voltige...). 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 (Le tube de Pitot et l'antenne de Prandtl sont des systèmes similaires de mesure de vitesse des...). C'est un manomètre (Un manomètre est un instrument servant à mesurer une pression.) étalonné en fonction de la loi de Bernoulli (En mathématiques, la distribution de Bernoulli ou loi de Bernoulli, du nom du...) 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 (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) en kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) par heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...). L'anémomètre donne la vitesse indiquée (Vi) ou vitesse lue. Cette vitesse correspond à la vitesse propre (Vp) 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de l'air, donc en montant, la vitesse propre est supérieure à la vitesse indiquée (une approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) peut être faite en ajoutant 1 % par tranche de 600 pieds au-dessus de la surface 1 013 hPa).

Les arcs de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) indiquent les zones de vitesses maximales :

Voir les vitesses aéronautiques.

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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...), où l'instrument est appelé à énergie totale (ou variomètre compensé). Il indique la variation de la somme de l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) (due à la vitesse), et de l'énergie potentielle (due à l'altitude). Il est utilisé pour la pratique du vol à voile (Le vol à voile est une activité de loisirs et de compétition au cours de laquelle...), où il est intéressant de connaître le gain d'énergie du planeur (Un planeur est un aérodyne qui est, par définition, dépourvu de moteur. Il existe...) dû à la vitesse verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'air, et ce même lors d'une ressource. En effet en vol à voile, l'absence de moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) 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 (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état...), il indique une valeur positive bien que la vitesse verticale soit nulle. Il existe enfin des variomètres dits « netto » qui déduisent la vitesse verticale de la masse d'air, en fonction des variations de l'énergie totale et des caractéristiques du planeur.

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 (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un...). Les gyroscopes classiques sont entrainés par une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) 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).

Gyro compas / gyro directionnel

Il s'agit d'un gyroscope (Un gyroscope (du grec « qui regarde la rotation ») est un appareil qui exploite le...) 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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) (en anglais : flux valve) qui permet de le recaler automatiquement en fonction du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) terrestre. Il est aussi appelé plateau de route.

Horizon artificiel

Il s'agit d'un gyroscope à deux 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 un degré de liberté (La notion de degré de liberté recouvre plusieurs notions en sciences et ingénierie :) 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 (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). En effet, quand le dérapage est nul et le vol symétrique, la gravité relative (gravité équivalente créée par le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) et la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) centrifuge) est selon l'axe vertical de l'avion. Si la gravité relative forme un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) avec la verticale du planeur, c'est qu'il existe un dérapage. En vol à voile, l'indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit...) 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 (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) du dérapage ou de la glissade.

Centrale à inertie (Une centrale à inertie ou centrale inertielle est un appareil de navigation de précision...)

La centrale à inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) (en anglais Inertial Navigation System, INS) est composée de deux gyroscopes à trois degrés de liberté et d'un trièdre d'accéléromètres. Après une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) 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 (En philosophie, l'abstraction désigne à la fois une opération qui consiste a isoler par la...) des mouvements dus aux courants aériens. La dérive de position est de l'ordre du mile 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 (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) parcourant un triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points...) équilatéral. La source de lumière (rayon laser) est appliquée au milieu de la base du triangle, ou 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 (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...), on observe alors une interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...) au sommet du triangle. Un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) photoélectrique peut compter et déterminer le sens de défilement des raies de cette interférence, dont la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) 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 (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...). En ajoutant les accéléromètres et le traitement de leurs signaux, une centrale à inertie a été reconstituée.

Instruments électromagnétiques