Pneumatique et conditionnement d’air sur B737-800

C’est, en fait, deux circuits que nous allons étudier cette fois-ci : le circuit pneumatique et le circuit de conditionnement d’air qui est le principal utilisateur de l’énergie pneumatique même s’il n’est pas le seul…

Et par conditionnement d’air, il faut entendre climatisation de la cabine mais aussi régulation de la pression pour que la vie y soit possible…

CIRCUIT PNEUMATIQUE

La génération pneumatique fournit deux formes d’énergie utilisées par les différents systèmes de l’avion :

  • De l’air comprimé qui pourra être utilisé sous forme d’énergie mécanique
  • De l’air chaud qui sera utilisé comme source d’énergie calorifique

Principe de fonctionnement

Voici le schéma de principe de la partie gauche du circuit pneumatique d’un Boeing B737-800.

Circuit pneumatique

Comme on l’a déjà vu en étudiant le réacteur, la source principale d’énergie pneumatique se trouve sur le compresseur du réacteur, au niveau du 5ème étage du compresseur HP, avec un second prélèvement au niveau du 9ème et dernier étage qui s’ouvrira seulement à bas régime moteur. L’air ainsi prélevé est envoyé au circuit pneumatique de l’avion par l’intermédiaire d’une BLEED VALVE qui régule sa pression et sa température.

 

En cas de panne de ces prélèvements réacteur ou lorsque les moteurs sont à l’arrêt pendant l’escale, un compresseur entraîné par l’APU peut fournir de l’air comprimé. ATTENTION ! En vol, son utilisation est limitée à 10 000ft si l’énergie électrique est fournie également par l’APU, à 17 000ft si on n’utilise que l’air comprimé.

De plus, au sol, il est possible d’alimenter le circuit pneumatique de l’avion par un générateur d’air comprimé extérieur (EXTERNAL AIR CONNECTION).

 

Au niveau des systèmes utilisateurs, on va trouver :

  • Le conditionnement d’air et la pressurisation cabine qui utilisent à la fois l’air comprimé et l’air chaud
  • Le démarrage des réacteurs qui utilise l’air comprimé
  • Le dégivrage moteurs et ailes qui utilisent l’air chaud
  • La pressurisation des réservoirs de liquide hydraulique et d’eau potable qui utilisent l’air comprimé

A noter que le prélèvement d’air chaud pour le dégivrage des entrées d’air moteur, noté COWL TAI (thermal anti-ice) sur le schéma, est situé avant la BLEED VALVE et, de ce fait, ne fait pas partie des utilisateurs du circuit pneumatique de l’avion.

 

Commandes et contrôles

Le panneau de contrôle du circuit pneumatique est inclus dans celui du conditionnement d’air, et se trouve bien sûr au panneau supérieur avant, sur la partie droite.

Panneau pneumatique

On y trouve :

  • L’interrupteur de commande des BLEED VALVE moteurs et APU qui régulent le prélèvement d’air en pression et température. Ces vannes sont commandées électriquement et mues pneumatiquement, c’est-à-dire qu’elles ne s’ouvrent que si la pression d’air est suffisante en amont et servent aussi de clapet anti-retour.
  • Le voyant BLEED TRIP OFF s’allume si une surpression ou une surtempérature est détectée en amont de la vanne, ce qui provoque sa fermeture.
  • Le poussoir TRIP RESET permet de réarmer la BLEED VALVE
  • Avec l’ISOLATION VALVE sur AUTO, celle-ci est normalement fermée. Elle s’ouvre si une BLEED VALVE ou un PACK est sur OFF.
  • Le manomètre à deux aiguilles indique la pression du circuit de chaque côté de l’ISOLATION VALVE. (1psi = 0.07 bar)
  • Le voyant DUAL BLEED allumé indique qu’une ENG BLEED et l’APU BLEED sont ouvertes : c’est autorisé au sol avec les réacteurs au ralenti seulement.

 

Le circuit pneumatique pouvant transporter de l’air comprimé à haute température, une fuite présenterait un risque non négligeable d’incendie. C’est pourquoi, il est surveillé en permanence par un système qui va détecter une éventuelle surchauffe au voisinage des gaines d’air comprimé.

Détection fuite pneumatique

Ce schéma indique quelles sont les zones surveillées, dans lesquelles la détection d’une surchauffe va entraîner l’allumage du voyant WING-BODY OVERHEAT. (KEEL BEAM =  caisson central)

 

 

CLIMATISATION DE LA CABINE

Principe de fonctionnement

La climatisation de la cabine est indispensable étant donné les températures extrêmes qui peuvent être rencontrées aux altitudes de croisière habituelles.

Circuit climatisation

L’air climatisé qui est distribué dans la cabine provient du circuit pneumatique de l’avion au travers d’une PACK VALVE qui commande et régule le débit d’air à climatiser.

Le PACK est un climatiseur mécanique entraîné par la pression pneumatique. Il comprend une ACM (Air Cycle Machine), deux échangeurs thermiques installés dans une gaine où circule l’air extérieur, et un système de régulation double.

Un seul pack sur HIGH est capable d’assurer la climatisation et la pressurisation de l’avion dans tout son domaine de vol.

L’APU peut alimenter 2 PACKS au sol, un seul en vol.

En vol, avec un moteur arrêté, on ne peut utiliser qu’un seul PACK.

 

L’Air Cycle Machine produit de l’air froid auquel il faudra ajouter de l’air chaud grâce à la PACK TEMP CONT VALVE qui régule la température de sortie.

Voici le schéma de principe d’une ACM.

Air Cycle Machine

L’air comprimé issu de la PACK VALVE est tout d’abord refroidi dans un premier échangeur thermique (radiateur). Il est ensuite amené à une pression plus élevée dans l’étage compresseur de l’ACM. Sa température va donc augmenter également… Il repasse au travers d’un second échangeur pour le rafraîchir à nouveau, avant de subir une détente brutale dans l’étage turbine de l’ACM, ce qui va provoquer une baisse importante de sa température.

C’est aussi la turbine, entraînée par la pression pneumatique, qui fait tourner le compresseur et ventilateur de l’ACM. Ce dernier est surtout là pour forcer la circulation de l’air dans les échangeurs, ce qui génère beaucoup de bruit lorsque l’avion est au sol.

La PACK VALVE régule le débit d’air comprimé et donc la température de sortie qui résulte de la vitesse de rotation de l’ensemble. La température finale de sortie du pack est ajustée par rajout d’air chaud.

 

Voici comment se présentent les entrées et sorties des gaines qui alimente en air extérieur les deux échangeurs thermiques.

Entrées d'air des PACKS

 

Cette autre vue de l’entrée d’air montre la porte qui module le débit d’air dans la gaine. Elle est toujours ouverte au sol, mais en vol, pour limiter la traînée, son ouverture sera ajustée par le contrôleur de PACK.

Entrée RAM AIR

Le déflecteur plus en avant a pour but d’éviter d’ingérer la neige lorsque l’avion est au sol. Il est escamoté en vol.

 

Distribution de l’air conditionné

Le Pack gauche alimente le cockpit en direct, et le Mix Manifold. Le Pack droit alimente uniquement le Mix Manifold.

Distribution air conditionné

La température de sortie des Packs est régulée pour satisfaire la plus grande demande de froid des trois zones de l’avion. Pour satisfaire la demande de température des autres zones, on rajoute de l’air chaud issu du circuit pneumatique via la TRIM AIR REGULATING AND SHUTOFF VALVE. Chaque zone dispose ensuite d’une TRIM AIR VALVE pour régler sa propre température de gaine.

En mode AUTO, pour limiter la consommation de carburant, le débit d’air dans les Packs est limité au strict nécessaire pour assurer la pressurisation. Pour améliorer la ventilation en cabine, l’avion est équipé de deux RECIRCULATING FANS qui réinjectent, dans le MIX MANIFOLD, de l’air aspiré dans la cabine après filtrage.

Il est également possible, au sol, de brancher un groupe de conditionnement d’air directement sur le MIX MANIFOLD.

Commandes et contrôles

Les commandes et contrôles comprennent les éléments suivants :

Commandes distribution

  • Le voyant PACK s’allume lors d’un Pack trip pour sur-vitesse ou sur-température du Pack ou en cas de panne des régulateurs
  • Avec le PACK Switch sur AUTO :
    • avec les 2 packs : bas débit
    • avec un seul pack : haut débit
  • Le poussoir TRIP RESET sert aussi à réarmer les Packs et les ZONE TEMP
  • Avec les RECIRC FAN sur AUTO, les ventilateurs fonctionnent sauf si un ou les deux packs sont sur HIGH
  • RAM AIR FULL OPEN indique que le volet d’entrée d’air correspondant est plein ouvert
  • Sélecteur de température de zone :
    • AUTO : permet de régler la zone de 18 à 30°
    • OFF : ferme la TRIM AIR VALVE de la zone
  • Le voyant ZONE TEMP s’allume en cas de surchauffe dans le conduit de la zone
  • Le TRIM AIR SWICTH permet le rajout d’air chaud pour régler la température de chaque zone
  • Le sélecteur de température permet de sélectionner la source de température indiquée au thermomètre

 

Equipment cooling

Le cockpit et la soute électronique (Electronic and Equipment Bay) contiennent de nombreux équipements qui chauffent et nécessitent une ventilation plus importante. Le système Equipment Cooling est fait dans ce but.

Equipment Cooling

Il est composé d’une partie alimentation qui puise de l’air en cabine passagers et l’envoie au cockpit grâce à deux ventilateurs actifs chacun leur tour.

De la même façon, un deuxième  circuit extrait l’air du cockpit et de la soute électronique, grâce à deux ventilateurs également, et l’envoie soit à l’extérieur lorsque l’avion est au sol, soit dans la soute avant dès que la pressurisation de la cabine est positive.

En cas de panne de l’un des ventilateurs, un switch permet de sélectionner l’autre sur la partie concernée.

 

PRESSURISATION

Principe de fonctionnement

Pour pouvoir voler à haute altitude, l’avion doit être équipé d’un système de pressurisation qui va rétablir, à l’intérieur de la cabine, une pression « atmosphérique » compatible avec la vie humaine.

Il s’agit, bien sûr, d’un circuit vital car :

  • Pression cabine trop faible = danger pour la vie des occupants
  • Pression trop forte = danger pour l’avion

Cette pressurisation est réalisée grâce à l’apport d’air sous pression des packs, le réglage de la pression régnant dans la cabine étant réalisé en contrôlant le débit d’air s’échappant de la zone pressurisée de la cabine par l’OUTFLOW VALVE.

Pressurisation

L’OUTFLOW VALVE peut être commandée par deux régulateurs en mode automatique, et par un système manuel en secours. Les trois systèmes sont alimentés en courant continu DC par des sources différentes, le mode manuel par la Bus Batterie ce qui assure un fonctionnement dans tous les cas.

Deux vannes tarées à 9.1 psi (PRESSURE RELIEF) protègent la cabine contre une différence de pression excessive entre l’intérieur et l’extérieur (∆p ou pression différentielle).

Une autre vanne (NEGATIVE PRESSURE RELIEF) protège contre une pression différentielle inverse (pression extérieure supérieure à la pression intérieure).

Au sol et moteurs au ralenti, l’OUTFLOW VALVE est toujours ouverte. Elle commence à se fermer dès que la poussée est appliquée au décollage.

L’information d’altitude avion est donnée par les ADIRU et les réglages de QNH gauches et droits.

Voici à quoi ressemblent l’OUTFLOW VALVE du B737 ainsi que les deux vannes de pression différentielle excessive.

Outflow Valve

Voici maintenant un schéma qui détaille le programme normal de gestion de la pressurisation par les régulateurs automatiques.

Programme Pressurisation

Plutôt que de parler de la pression régnant à l’intérieur de la cabine, on parle plus couramment de l’altitude cabine qui est celle qui correspond à la pression de la cabine. Et comme le montre ce schéma, on va pouvoir comparer l’altitude de l’avion lui-même et l’altitude cabine, et donc parler de montée ou de descente cabine suivant que la pression diminue ou augmente en cabine.

A l’établissement de la poussée de décollage par les moteurs, l’OUTFLOW VALVE commence à se fermer. Une légère surpression cabine s’installe (0.1psi ou -200ft cabine) pour adoucir le début de montée.

Le programme va ensuite faire monter la cabine, avec un vario modéré, 500ft/mn environ, en s’arrêtant lors d’éventuels paliers intermédiaires comme le montre le trait en pointillé du schéma. Le but est d’atteindre l’altitude cabine correspondant à peu près lorsque l’altitude de croisière sélectée est atteinte.

Suivant le niveau de croisière affiché, la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur, que l’on appelle la ∆p, sera plus ou moins élevée :

  • 7.45 psi si FL < 280
  • 7.80 psi si 280 < FL < 370
  • 8.35 psi si FL > 370

L’altitude cabine maximum sera de 8000ft pour le FL410 qui est le niveau de vol maximum autorisé pour cet avion.

Si on monte au dessus du niveau de croisière prévu initialement, la ∆p prévue sera maintenue et l’altitude cabine va augmenter.

La descente cabine commence lorsque que la ∆p diminue de 0,25 psi, c’est à dire quand l’avion a perdu environ 1500ft.

A l’atterrissage comme au décollage, une légère surpression est maintenue jusqu’à la réduction complète des moteurs.

 

Commandes et contrôles

Le panneau de contrôle est en deux parties.

Panneau pressu 1

La partie gauche comporte un manomètre double : l’échelle extérieure, graduée en psi, indique, avec la grande aiguille, la pression différentielle ∆p, c.a.d. la différence entre la pression intérieure et la pression extérieure. Un arc d’alerte jaune commence à 8.35 psi et se termine par un trait rouge à 9.1 psi.

L’échelle intérieure indique la pression cabine graduée, comme un altimètre, en altitude cabine exprimée en milliers de pieds.

Un klaxon discontinu retentira dans le cockpit si l’altitude cabine dépasse 10 000 ft. Le poussoir ALT HORN CUTOUT permet de l’arrêter, signifiant ainsi que l’équipage a pris l’alarme en compte.

En dessous, un variomètre mesure la « vitesse verticale cabine», donc le taux et le sens de variation de l’altitude cabine.

Panneau pressu 2

La partie droite comporte, dans la partie AUTO, deux boutons qui permettent de régler le niveau de vol de croisière et l’altitude du terrain de destination.

Dans la partie marquée MANUAL, on trouve un indicateur de position de l’OUTFLOW VALVE et un inverseur qui permet d’ouvrir ou de fermer cette vanne manuellement lorsque l’on est en mode MAN.

Dessous se trouve le sélecteur de mode AUTO/ALTN/MAN qui permet de choisir le régulateur à utiliser.

Dans le bas se trouve un petit tableau de correspondance entre FL de croisière et altitude cabine. C’est lui qui nous permettra de gérer la pressurisation en mode manuel, en suivant la check-list secours idoine, évidemment !

Le fonctionnement de la pressurisation est, bien sûr, étroitement surveillé. Quatre voyants sont visibles sur ce panneau :

  • AUTO FAIL : indique que la régulation en mode automatique est défaillante
  • OFF SCHED DESCENT : indique que l’avion entame une descente avant d’avoir atteint le FL de croisière programmé
  • ALTN vert : confirme que le sélecteur a été placé sur la position ALTN connectant ainsi le deuxième régulateur automatique
  • MAN vert : confirme que le sélecteur a été placé sur MAN pour permettre l’utilisation de la commande manuelle de l’OUTFLOW VALVE

 

UTILISATION NORMALE

Pour synthétiser tout ce que l’on vient de voir, je vous propose une petite vidéo composée de plusieurs séquences prises au cours d’un vol simulé, sur le B737-800 PMDG, reliant Milan Linate à Paris Charles de Gaulle, et qui permet de visualiser notamment les interactions entre le circuit pneumatique, le conditionnement d’air et la pressurisation.

UTILISATION ANORMALE

Voici la liste des procédures et check-lists secours contenues dans le QRH, et concernant le circuit pneumatique, le conditionnement d’air et la pressurisation.

QRH Air Systems

 

On voit, au-dessus du pointillé, qu’il y a trois procédures d’urgence à effectuer de mémoire. Les deux premières concernent l’incident majeur que constitue la perte de la pressurisation de l’avion, la troisième, les problèmes de feux et fumée en cabine qui sont donc traités dans un autre chapitre.

Dessous figure la liste des checklists de secours qui concernent les mêmes circuits.

Essayons d’en traiter quelques exemples…

WING-BODY OVERHEAT

Comme on l’a vu plus haut, l’allumage de ce voyant indique l’existence d’une fuite sur le circuit pneumatique. La checklist de secours va permettre de neutraliser la moitié du circuit pneumatique, du côté où se situe la fuite.

Wing Body Overheat

Le catalogue de pannes proposées par PMDG pour ce circuit n’est pas très étoffé. De plus, certaines de ces pannes ne fonctionnent pas… et c’est le cas pour celle-ci. La petite vidéo suivante propose donc une simulation de cette panne au cours d’un nouveau vol reliant Milan à Paris !

BLEED TRIP OFF

L’allumage de ce voyant indique que la vanne de prélèvement pneumatique du réacteur concerné s’est fermée car la température ou la pression de l’air sont trop élevés. La checklist secours va permettre de tenter une réouverture de la vanne au cas où l’anomalie n’était que passagère.

Ces anomalies étant souvent liées à un régime moteur élevé, décollage ou montée, il est peut-être préférable de différer, si c’est possible, l’application de cette checklist à un moment du vol où les conditions seront plus favorables…

Bleed Trip Off

La vidéo ci-dessous présente le traitement ce cette panne au cours du même vol que précédemment, alors que le circuit pneumatique a déjà été neutralisé dans sa partie droite suite à la panne vue au paragraphe précédent.

Dépressurisation rapide et descente d’urgence

Les cas de dépressurisation de la cabine d’un avion de ligne ayant entraîné une descente d’urgence sont extrêmement rares dans l’histoire de l’aviation commerciale. Et pourtant, les équipages y sont particulièrement bien entraînés puisque cet exercice fait systématiquement partie des séances de maintien des compétences effectuées, chaque année, au simulateur, par tous les pilotes de ligne.

Il faut dire que cela fait partie des événements qui laisseraient un souvenir indélébile à quiconque aurait l’occasion de le vivre avec, peut-être même, des séquelles physiques, au niveau des oreilles notamment…

Pour que cela puisse se produire, il faut que la zone pressurisée de la cabine subisse un dommage majeur provoquant une fuite d’air cabine très importante. Les quelques cas connus étaient dus, par exemple, à l’éclatement d’un hublot ou l’arrachement d’une porte de soute…

Une alarme visuelle et sonore est prévue sur tous les avions pour prévenir l’équipage quand l’altitude cabine dépasse 10000 ft mais, le plus souvent, des effets évidents vont accompagner la dépressurisation tels que douleur au niveau des tympans, grand bruit, refroidissement brutal de l’air ambiant avec, éventuellement, un brouillard de condensation qui envahit la cabine.

Pour l’équipage, la première urgence est de mettre le masque à oxygène disponible à côté de chaque siège du cockpit, et d’établir la communication avec le ou les autres membres présents dans le poste de pilotage.

Ensuite, l’équipage devra effectuer sans délai une première procédure d’urgence, donc de mémoire, pour voir s’il est possible de contrôler la pressurisation. Elle est intitulée « CABIN ALTITUDE WARNING or Rapid Depressurization »

Cabin Altitude

S’il s’avère qu’il n’est pas possible de rétablir le contrôle de l’altitude cabine, l’item 5 demande de confirmer deux actions qui, sur les avions modernes, ont déjà été effectuées automatiquement. En effet, l’allumage des consignes passagers est automatique lors d’une alarme CABIN ALTITUDE, de même, l’activation du circuit oxygène des passagers s’effectue automatiquement quand l’altitude cabine dépasse 14000 ft.

Puis il faut passer à une deuxième procédure d’urgence, à effectuer elle aussi de mémoire, la procédure « EMERGENCY DESCENT ».

Emergency Descent

Le premier item, et donc la première urgence, est de prévenir le personnel de cabine, d’une part, pour qu’il puisse s’équiper d’un masque à oxygène, et d’autre part, le contrôle aérien car le risque de collision pendant la descente n’est pas négligeable…

Les items suivants décrivent sommairement le moyen d’effectuer la descente. Le plus souvent, les constructeurs conseillent l’usage du pilote automatique qui lui, n’est pas sensible au stress très important que doit générer cette situation…!

L’item 7  est accompagné d’une mise en garde importante. En effet, comme on l’a dit plus haut, ce genre d’événement ne peut être du qu’à un dommage majeur sur le fuselage de l’avion, et une augmentation de la vitesse vers MMO/VMO risquerait d’aggraver le dommage… Dans le doute, il est préférable de garder la vitesse acquise à la mise en descente, ce qui, par contre, augmentera sensiblement le temps que l’on mettra pour atteindre un niveau « respirable ».

S’agissant justement du niveau de rétablissement, il est précisé que l’on doit descendre à l’altitude de sécurité de l’endroit où l’on se trouve ou 10000 ft si c’est supérieur puisque c’est à partir de cette altitude que l’on n’a plus besoin de l’oxygène. En région montagneuse, il faudra rechercher l’information sur les cartes, le plan de vol, ou demander au contrôle. La fonction TERRAIN de l’EGPWS qui équipe les avions modernes trouvera, dans ce cas, toute son utilité.

Lorsque l’on approchera de 10000 ft, il faudra effectuer la checklist associée à la procédure EMERGENCY DESCENTE.

Descente d'urgence

Celle-ci consiste simplement à rappeler qu’il faut normaliser la configuration de l’avion, sans oublier de rentrer les aérofreins (c’est arrivé !). A partir de 10000 ft, il n’est plus nécessaire d’utiliser les masques à oxygène.

Et bien sûr, le dernier item rappelle qu’il va falloir prendre une décision sur la poursuite du vol en fonction des nouveaux éléments…

Voyons ce que cela peut donner sous la forme d’une vidéo qui est, en fait, la continuation du vol Milan/Paris commencé avec les deux précédentes.

Circuit oxygène

Pour terminer, un petit mot sur le circuit oxygène qui équipe le B737-800.

Oxygène

En fait, comme sur tous les avions de ligne, il y a deux systèmes totalement indépendants.

Le circuit destiné à protéger l’équipage de conduite des effets de l’hypoxie (manque d’oxygène) et des émanations toxiques comporte une bouteille d’oxygène comprimé, qui peut délivrer de l’oxygène, pur ou dilué, sous pression ou à la demande, à tous les masques disposés dans le cockpit.

La réglementation stipule que la bouteille doit permettre de couvrir les besoins en oxygène de tout l’équipage technique tant que l’altitude cabine restera supérieure à 10 000ft, et pas moins que deux heures.

De plus, les masques doivent pouvoir être mis en place en moins de 5 secondes d’une seule main, et comporter un micro incorporé. On voit sur la droite de l’image en haut, le masque déployé et prêt à l’emploi, et en bas, le boîtier dans lequel il est stocké.

Pour les passagers, le B737-800 est équipé de boîtiers placés au dessus des sièges qui contiennent un générateur chimique et un nombre variable de masques en fonction de leur emplacement dans l’avion. Chaque générateur a une autonomie de 12 minutes. Pour descendre du FL 410, niveau de vol maxi autorisé pour le B737-800, à 10000 ft, ça fait 31000 / 12 = 2600 ft/mn de vario moyen. La capacité des générateurs d’oxygènes n’est vraiment pas excédentaire !

L’ouverture des boîtiers est automatique lorsque l’altitude cabine dépasse 14000 ft.

Le nombre de masques est supérieur au nombre de sièges en cabine passager, permettant, notamment, d’équiper les bébés qui sont sur les genoux de leurs parents. L’équipage de cabine pourra également y avoir recours.

Pour la protection contre les émanations, l’équipage de cabine dispose, en plus, de cagoules de protection comportant une réserve d’oxygène de 15 minutes.


CONCLUSION

Voilà ce qui termine cette petite étude des circuits pneumatique et de conditionnement d’air, et du système de pressurisation du B737-800.

Espérons que ces quelques informations vous permettrons d’aborder vos prochains vols simulés avec une meilleur compréhension du déroulement des opérations…

Bons vols !

About the author: mike victor

Breveté pilote de planeur en 1968, à l’âge de 17 ans, c’est 2 ans plus tard que débute son parcours professionnel en devenant Élève Pilote de Ligne de l’ENAC. Douglas DC8 et DC10, Airbus A310, c’est surtout aux commandes du mythique B747 qu’il va sillonner la planète. Et c’est comme Commandant de Bord B747-400 qu’il met fin à sa carrière en 2011 avec près de 18000 heures de vol au compteur. Il a (re)découvert la simulation de loisir avec FSX. Et c’est avec grand plaisir qu’il fait partager son expérience du vol réel aux nombreux passionnés rencontrés en réel ou sur Internet.