Performances au décollage du B737-800

Pour transporter des passagers ou du fret en toute sécurité, il faut être sûr qu’à tout moment du vol l’équipage pourra faire face à toute forme de défaillance de la machine. Cela commence, bien sûr, par savoir déterminer à quelle masse maximum on pourra décoller, et la tâche est loin d’être simple ! Essayons d’aborder ce problème complexe le plus simplement possible…

La réglementation du Transport Aérien stipule que les performances des avions doivent être calculées en tenant compte de la panne du moteur critique en tout point du vol, depuis le décollage jusqu’à l’atterrissage, remise des gaz incluse.

Par moteur critique, il faut entendre le moteur dont la panne aurait les conséquences les plus défavorables dans la configuration où se trouve l’avion dans la phase considérée. Pour un biréacteur comme le B737, il n’y a pas de moteur plus critique que l’autre, mais ce n’est pas le cas pour un quadriréacteur, par exemple, ou la panne d’un moteur extérieur sera plus pénalisante que celle d’un moteur intérieur !

Perfos B737-800

Ces calculs sont effectués à partir de mesures faites aux essais par le constructeur. Elles constituent les PERFORMANCES CERTIFIEES de l’avion pour toutes les phases de vol. On les trouve, pour certaines, dans le FCOM, mais le plus souvent maintenant, elles sont intégrées dans des logiciels de calcul mis à la disposition des exploitants et de leurs équipages.

Dans le travail quotidien des équipages, cela revient à déterminer, pour chaque phase de vol, quelle est la masse maximum possible en fonction des conditions du jour, c’est-à-dire la configuration de l’avion, l’infrastructure des aéroports, le relief à proximité des aéroports et sur la route prévue, les conditions météorologiques prévues, etc…

Pour le décollage, il faudra déterminer la masse maxi possible, qui sera la plus faible de :

  • Masse maxi Structure
  • Masse maxi Piste
  • Masse maxi Montée initiale
  • Masse maxi Obstacle dans la trouée d’envol
  • Masse maxi Vitesse limite des pneus
  • Masse maxi Energie des freins

De plus, la masse au décollage devra tenir compte également des éventuelles limitations qu’il serait nécessaire de respecter pour garantir le survol des obstacles en route. De la même façon, il est interdit de décoller à une masse qui, diminuée du délestage de l’étape, conduirait à atterrir à une masse supérieure à la limitation atterrissage. Mais c’est un autre sujet que nous étudierons dans un autre article.

LIMITATIONS STRUCTURALES

Les limitations structurales sont définies par le constructeur de l’avion en fonction des calculs de résistance des matériaux qui ont été élaborés lors de la conception de l’avion. Elles peuvent être « customisées » suivant les demandes des exploitants, en modifiant certains éléments de la structure. Il n’est donc pas rare de trouver, dans une même flotte, des avions qui ont des limitations structurales différentes suivant leur origine ou l’utilisation qui en est faite…

Limitations

Voici le tableau des différentes limitations structurales du B737-800 telles qu’elles sont indiquées dans le FCOM livré avec le B737 NGX de PMDG. Pour le décollage, il s’agit du Maximum Takeoff Weight MTOW, égal à 70,5 tonnes. A noter que les anglo-saxons parlent encore de poids alors qu’il s’agit bien d’une masse.

Le logiciel TOPCAT indique, pour certains des matricules de B738 utilisés, une masse maxi au décollage MTOW de 79010 kg voire même de 79016 kg… ?

A l’inverse, les compagnies peuvent décider de réduire les masses maxi structures qu’elles utiliseront, pour pouvoir changer de catégorie de minima ou payer moins de redevances aéroportuaires, ces dernières étant notamment calculées sur la masse maxi au décollage…

Il est donc important de prendre connaissance, avant chaque vol, de la masse MTOW qui s’applique à l’avion utilisé. On parle aussi de masse maxi au lâcher des freins. Il est, bien sûr, interdit de décoller à une masse supérieure à cette valeur.

LIMITATION PISTE

Abordons maintenant une question nettement plus compliquée : comment  choisir la bonne configuration de l’avion pour pouvoir décoller à la masse la plus élevée possible sur une piste donnée, et surtout, comment déterminer cette masse maximum ?

Et il faudra, bien sûr, que ce calcul tienne compte de l’éventualité de la panne du fameux moteur critique au cours du décollage ! Or, s’il est bien évident que si la panne intervient très tôt après le lâcher des freins il est préférable de l’interrompre, il va falloir déterminer jusqu’à quelle limite on pourra le faire sans sortir en bout de piste. De la même façon, si on renonce à interrompre le décollage, il faudra être sûr de pouvoir le poursuivre en toute sécurité… C’est tout le problème posé par la limitation piste.

Vitesses minimales de contrôle VMCG et VMCA

Tout d’abord, il faut définir deux vitesses indispensables pour envisager la panne d’un moteur.

La VMCG, vitesse minimale de contrôle au sol (G comme GROUND), est la vitesse minimale qu’il faut avoir pour pouvoir contrôler la trajectoire de l’avion lorsqu’il est au sol, en utilisant uniquement les gouvernes primaires et avec le moteur critique arrêté et le ou les autres moteurs à la poussée maxi décollage. Elle est directement liée à l’efficacité de la gouverne de direction et au niveau de poussée utilisée.

Si on veut poursuivre le décollage, il faut que la vitesse soit au moins égale à VMCG pour pouvoir maintenir l’avion sur l’axe de la piste tant que celui-ci est au sol !

VMCG

Voici deux tableaux extraits du FCOM, qui donnent la valeur de VMCG pour différentes températures et altitudes. La variation est directement liée à la dégradation de la poussée quand on s’élève ou quand la température augmente.

Le tableau du haut donne les valeurs pour la poussée maximum de 26000 livres tandis que celui du bas concerne une poussée réduite à 22000 livres.

La VMCA, vitesse minimale de contrôle en vol (A comme AIR), est la vitesse minimale nécessaire pour contrôler la trajectoire de l’avion avec le moteur critique arrêté, lorsqu’il est en vol , avec la poussée décollage sur le ou les autres moteurs, train rentré et volets décollage, dans les conditions suivantes :

  • Vol rectiligne avec dérapage nul ou avec une inclinaison maximum de 5°
  • Effort maximum de 800 Newtons sur le palonnier.

Je n’ai pas trouvé de tableau donnant la valeur de VMCA pour le B737. Il est vrai que cette vitesse n’est pas directement nécessaire aux équipages…

Vitesse de décision V1

On l’a vu plus haut, il faut déterminer un point limite jusqu’où on pourra, en cas de panne du moteur critique, arrêter le décollage et stopper l’avion sans dépasser le bout de la piste, et à partir duquel il sera possible de poursuivre le décollage en toute sécurité.

La réglementation impose au constructeur de définir un moyen simple pour identifier ce point : c’est la vitesse de décision V1. Si la panne moteur intervient avant V1, on arrête le décollage, mais à partir de V1, on doit continuer.

Pour être tout à fait précis, lorsque que l’on décolle à la masse maxi limitée par la piste, si on décide d’interrompre le décollage, il faut que les freins soient appliqués au plus tard à V1 sinon on risque de dépasser le bout de piste.

Et si l’on décide de poursuivre le décollage avec un moteur en panne, il faut pouvoir contrôler l’avion : la vitesse V1 ne peut donc être inférieure à VMCG.

Vitesses de Rotation VR et de Sécurité au décollage V2

Ces deux vitesses sont intimement liées puisque VR est la vitesse de rotation (action sur la commande de profondeur) qui va permettre d’atteindre la vitesse V2 au plus tard en passant une hauteur de 35 ft au-dessus de la piste (11 mètres).

Bien qu’elle puisse varier d’un avion à l’autre et en fonction de la masse, la cadence moyenne de rotation se situe aux alentours de 3°/sec, ce qui fait environ 5 secondes pour prendre une assiette de 15°, valeur initiale au décollage sur B737.

Si la panne moteur intervient pendant la rotation, on doit pouvoir contrôler la trajectoire d’envol. C’est pour cette raison que VR doit réglementairement être supérieure ou égale à 1,05 VMCA.

VR V2

La vitesse V2 est celle qui permet de poursuivre le décollage en toute sécurité avec un moteur en panne. Elle sera maintenue constante au minimum jusqu’à 400 ft/sol.

La V2 minimum est réglementairement supérieure ou égale à 1,10 VMCA et à 1,2 VS, VS étant la vitesse de décrochage avec les volets décollage.

Distances associées au décollage

On l’a vu, les performances certifiées utilisées pour déterminer les limitations sont issues des mesures faites, au cours des essais, par le constructeur de l’avion. La réglementation définit très précisément comment ces mesures doivent être faites et comment exploiter leurs résultats pour calculer les performances au décollage.

DRD

La Distance de Roulement au Décollage DRD est mesurée depuis le lâcher des freins jusqu’à un point situé à mi distance entre le point de décollage effectif et le passage des 35 ft. La valeur retenue est la plus grande entre la DRD avec panne du moteur critique et la DRD sans panne multipliée par 1,15.

DD

La Distance de Décollage DD est mesurée depuis le lâcher des freins jusqu’au passage des 35 ft. La valeur retenue est la plus grande entre la DD avec panne du moteur critique et la DD sans panne multipliée par 1,15.

DAA

La Distance d’Accélération Arrêt DAA est la somme des distances suivantes :

  • La distance allant du lâcher des freins jusqu’à V1 en accélération sur N moteurs
  • La distance nécessaire pour freiner l’avion jusqu’à l’arrêt complet en utilisant les freins au maximum possible et les spoilers. L’utilisation des reverses ne peut être prise en compte que lorsque la piste est mouillée ou recouverte de neige ou de glace
  • Suivant la date de certification de l’avion, il peut être prévu une distance supplémentaire pour tenir compte des conditions en exploitation courante qui sont différentes des conditions des vols d’essais.

Comme présenté sur le schéma, pour les avions récemment certifiés conformément aux normes européennes des JAR, la distance supplémentaire correspond à la distance parcourue en 2 secondes avec le moteur critique arrêté.

De plus, les normes JAR définissent, pour les trois distances, une vitesse à laquelle intervient réellement la panne du moteur critique VEF (Engine Fail), inférieure à V1. Cela permet à l’équipage de détecter la panne, et au Commandant de Bord de prendre la décision d’arrêter ou de poursuivre le décollage. Dans le cas de l’arrêt du décollage, ce délai permet à l’équipage d’actionner le premier moyen de freinage à V1, vitesse qui devient ainsi clairement une vitesse d’action, ce qui n’était pas toujours le cas dans les réglementations plus anciennes.

Longueur de piste disponible

La longueur de la piste disponible pour le décollage se décline suivant plusieurs dénominations.

Tout d’abord, la longueur de la piste elle-même, en général en béton ou recouverte d’asphalte même si le B737 est utilisable, dans certaines versions, sur des pistes sommairement aménagées en latérite ou en graviers… Sa longueur est codifiée TORA pour Take Off Runway Available.

Pour le calcul de la limitation piste, la DRD ne doit pas dépasser la TORA.

Après le bout de piste, sur certains aérodromes, on trouve une zone dégagée faisant partie du l’emprise du terrain que l’on appelle « prolongement dégagé » ou « clearway ». Ce prolongement, dépourvu de tout obstacle autre que des feux de balisage, ne peut dépasser la moitié de la longueur de piste disponible TORA/2. L’ensemble TORA + PD est codifié TODA pour Take Off Distance Available.

Pour le calcul de la limitation piste, la DD ne doit pas dépasser la TODA.

De la même façon, sur quelques rares terrains, on peut trouver, en bout de piste, un prolongement occasionnellement roulable qui peut supporter le poids de l’avion sans dommage pour la structure (souvent un ancien morceau de piste désaffecté). On le nomme POR ou PA (prolongement d’arrêt) ou Stopway. L’ensemble TORA + PA est alors codifié ASDA pour Acceleration Stop Distance Available.

Pour le calcul de la limitation piste, la DAA ne doit pas dépasser l’ASDA.

Voici le plan du terrain d’Istres le Tubé, dans les Bouches du Rhône.

Istres

Ce terrain, à la fois base militaire et centre d’essais en vol, dispose d’une piste de 3750 mètres auxquels s’ajoute, au QFU 33, un PA/PD de 1208 mètres très utile pour les essais de performances au décollage justement… Dans l’autre sens, sur le QFU 15 donc, on ne dispose que de 114 mètres en plus de la longueur de piste.

Si la piste ne dispose ni de POR ni de PD, ou si on décide de ne pas en tenir compte pour simplifier les calculs et la présentation des performances, on dit alors que l’on est en piste classique ou en performances équilibrées. Dans ce cas, il n’est plus nécessaire de vérifier DRD < TORA puisque ce sera toujours le cas avec DD < TORA.

Pour la suite de cet article et pour plus de clarté, nous allons toujours nous placer dans ce cas simplificateur…

Choix de V1

Intuitivement, on imagine facilement que plus la vitesse de décision V1 sera grande, plus la DAA sera importante. Sur une piste de longueur donnée, pour pouvoir conserver DAA = TORA, plus V1 sera élevée et plus la masse maximum correspondante sera faible.

A l’inverse, pour la distance de décollage avec panne du moteur critique à V1, plus la valeur de cette dernière sera grande et proche de VR, plus la distance à parcourir avec un moteur en moins pour atteindre VR sera faible, et donc plus la distance globale pour atteindre les 35 ft (DD N-1) sera faible.

Pour une longueur de piste donnée, pour conserver DD N-1 = TORA, plus V1 sera élevée et plus la masse maxi possible le sera également, jusqu’à atteindre la valeur, indépendante de V1, du décollage sans panne.

 Choix de V1

C’est ce qui est schématisé ci-dessus. On y voit clairement qu’il existe une valeur de V1, correspondant à l’intersection des deux courbes de masse maxi DAA et DD N-1, où on obtiendra la masse maxi limitative la plus élevée possible. C’est la V1 dite classique ou équilibrée, et c’est la masse maxi possible lorsque les performances au décollage sont limitées par la longueur de piste.

Performances certifiées Limitation Piste

C’est cette masse maxi qui figure dans le FCOMv1 que l’on trouve dans la documentation accompagnant l’addon B737 NGX de PMDG.  C’est au chapitre PERFORMANCE DISPATCH, sous le titre TAKEOFF FIELD & CLIMB LIMIT. Petit inconvénient : dans ces tableaux, les longueurs de piste sont exprimées en pieds et les masses en livres… On peut trouver sur Internet d’autres FCOM utilisant des unités plus communes pour nous comme présenté ci-dessous.

Tableau Limitation piste

Voici un des nombreux tableaux qui doivent être fourni par le constructeur, car il faut donner les valeurs de masse maxi pour toutes les longueurs de pistes, bien sûr, mais aussi pour tous les braquages de volets autorisés.

Le B737-800, avion polyvalent s’il en est, peut décoller avec pas moins de six braquages de volets différents, 1, 2, 5, 10, 15 ou 25 ! Concernant la limitation piste, on imagine facilement qu’un braquage de volets important augmente la portance de l’aile. Cela va donc permettre de décoller avec une vitesse plus faible ce qui va diminuer les distances DAA et DD et donc permettre des masses limitatives plus élevées. Mais cela va augmenter également la traînée de l’aile, dégradant ainsi la pente de montée après décollage : il faudra donc trouver le bon compromis. Ce sujet sera débattu dans le chapitre suivant…

Le constructeur doit également fournir un moyen pour tenir compte de la pente moyenne de la piste, montante ou descendante, de l’état de la piste, sèche, mouillée ou couverte de neige ou de glace, de la température, de l’altitude, de la pression atmosphérique et du vent… !

Concernant l’altitude et la pression atmosphérique, pour éviter une multiplication à l’infini des tableaux ou graphiques, on utilise l’altitude pression du terrain, c’est-à-dire l’altitude du terrain ramenée à la pression standard de 1013 hPa. En d’autres termes, c’est l’altitude que l’on lirait au sol en calant l’altimètre à 1013 hPa.

Pour le vent, celui-ci ayant la fâcheuse tendance à varier tout le temps en direction et en force, un calcul conservatoire sera fait en ne prenant en compte que 50 % de la composante dans l’axe du vent de face, qui a un effet favorable. Par contre, pour le vent arrière, on prendra en compte 150 % de sa composante axiale, augmentant ainsi l’effet défavorable.

Certaines de ces corrections seront prises en compte en modifiant la longueur de la piste disponible, donnant ainsi une longueur de piste équivalente. Pour d’autres, il y aura des tableaux différents pour différentes valeurs ou conditions…

La tendance actuelle, pour les FCOM Boeing, est plutôt au « tout en tableaux », très précis mais pas forcément très pratique car ils nécessitent de nombreuses interpolations… Sur Internet, on trouve encore des versions plus anciennes où les performances étaient présentées sous forme de graphiques.

Graphique Limitation piste

(Pour une lecture plus aisée, on peut agrandir certaines vues en cliquant dessus)

Plus imagé et intégrant toutes les corrections sur le graphique lui-même, on voit très bien, dans le bas, la prise en compte de la pente de la piste et du vent. Sur la gauche, ce sont la température et l’altitude pression qui donnent une deuxième entrée rejoignant la première sur le réseau de courbes central, et donnant enfin la masse maxi condition piste sur l’échelle à droite du graphique.

Ce mode de représentation présentait un problème indéniable de précision du résultat, et nécessitait, pour bien faire, l’usage d’un crayon et d’une règle…

Tous ces moyens « papier » sont aujourd’hui remplacés, en utilisation courante, par des outils informatiques disponibles dans les lieux dédiés à la préparation des vols ou sur des ordinateurs portables, auxquels les simmers n’ont bien sûr pas accès. Nous en reparlerons plus loin.

Plage de V1

Dans certains cas, on peut avoir la possibilité de choisir V1 dans une fourchette de valeurs que l’on appelle habituellement « plage de V1 ».

Plage de V1

Ce sera notamment le cas lorsque la masse maxi est déterminée par la Distance de Décollage avec tous les moteur en fonctionnement, qui est indépendante de la V1.

Ce sera aussi le cas lorsque la masse limitative sera la masse maxi structurale, et à chaque fois, et c’est très fréquent, que la masse réelle du jour sera inférieure à la masse maxi limitée par la piste…

Dans ce cas, chaque exploitant est libre de fixer une règle pour choisir V1 dans la plage : ou bien on utilise quand même la V1 équilibrée mais, plus souvent, on choisit une V1 au premier tiers de la plage, évitant ainsi de s’approcher trop près de la limite de DAA.

LIMITATION DE PENTE EN MONTÉE INITIALE N-1

La réglementation de certification des avions impose au constructeur de démontrer que son avion respecte certaines pentes de montée minimales au cours de la montée initiale avec le moteur critique arrêté. Il faudra donc que les Performances Certifiées indiquent comment déterminer les masses maximales permettant de respecter ces différentes pentes.

Pentes requises

La montée initiale sur N-1 moteurs, commence au passage des 35 ft, et se décompose en plusieurs segments.

Montée initiale

Le premier segment, qui se termine une fois que le train est rentré, est très court et très rarement limitatif. Pour un biréacteur, la pente doit être positive ou nulle.

C’est le second segment qui, la plupart du temps, est le plus limitatif. Il se termine à 400 ft/sol. La pente de montée doit être au moins de 2,4% pour un avion comme le B737-800.

Ensuite débute une phase de transition où l’avion est accéléré en palier pour rentrer les volets et reprendre la montée en maintenant la vitesse optimale de montée en configuration « lisse », c’est à dire train et volets rentrés.

Si au bout des cinq minutes réglementaires, au cours desquelles on peut conserver la poussée décollage maximum, on n’a pas atteint 1500 ft/sol, on aura alors à effectuer un segment final. Celui-ci se fait à la poussée maxi continue et on doit avoir une pente minimale de 1,2% pour un biréacteur.

Le segment final n’intervient que très rarement, essentiellement sur des avions sous motorisés.

Choix du braquage des volets

On l’a  vu dans le chapitre précédent, un braquage de volets plus important va augmenter la portance et donc diminuer la vitesse de décollage. Pour une même piste, la masse maxi sera alors plus élevée.

Par contre, l’augmentation de portance va s’accompagner d’une augmentation de traînée qui va dégrader la pente de montée, et notamment en second segment. Il va donc falloir choisir le bon compromis.

Braquage des volets

Comme on le voit sur ce schéma, pour une piste donnée et avec les conditions atmosphériques du jour, il existe un braquage optimum qui donnera la masse maximum la plus élevée. Gros travail en perspective pour déterminer ce braquage pour le B737-800, parmi les six braquages possibles, en utilisant les différents tableaux ou graphiques du FCOM ! Heureusement, les logiciels utilisés de nos jours permettent de faire ce choix très facilement…

Performances certifiées Limitation montée initiale

Comme pour la limitation piste, on trouve suivant les FCOM des tableaux ou des graphiques.

Tableau Limitation Climb

Dans le format « Tableaux », la limitation Climb Limit Occupe la dernière ligne des tableaux Field &Climb Limit.

La représentation graphique d’un FCOM plus ancien donne une version plus imagée et plus globale.

Graphique Limitation Climb

L’altitude pression et la température permettent de déterminer la masse maxi limitée par les pentes de montée initiale, essentiellement le second segment. Des corrections peuvent être apportées en fonction du niveau de prélèvement pneumatique prévu pendant le décollage (conditionnement d’air ou antigivrage).

On voit aussi clairement que pour une altitude pression donnée, le niveau de la mer par exemple, jusqu’à 30°, la masse maxi diminue légèrement quand la température augmente. Au-delà de 30°, la diminution de la masse maxi s’accentue très franchement.

Cela est du à une caractéristique des réacteurs que l’on appelle la température de cassure. Jusqu’à cette température, le réacteur délivre sa poussée maxi nominale, 26000 livres pour le CFM56 du B737-800. La légère baisse de la masse maxi est due à l’augmentation de vitesse propre TAS liée à l’augmentation de la température.

Au-delà de la température de cassure, la valeur de la poussée décollage est réduite pour conserver une marge par rapport à l’EGT maxi du réacteur, ce qui produit une diminution plus prononcée de la masse maxi.

On voit également sur ce graphique que la température de cassure diminue avec l’altitude.

Le phénomène est également présent pour la limitation piste mais il est moins prononcé…

En pratique, à basse température, c’est le plus souvent la limitation piste qui donne la plus faible masse maxi. Pour des températures au-delà de la température de cassure, la limitation de montée initiale intervient plus souvent.

LIMITATION OBSTACLE DANS LA TROUÉE D’ENVOL

La masse maxi au décollage peut aussi être limitée par la présence d’obstacles dans la trouée d’envol. Dans ce cas, la trajectoire nette d’envol sur N-1 moteurs devra survoler les obstacles avec une marge minimale de 35 ft (11 m).

Trajectoire d’envol nette

La trajectoire nette se déduit de la trajectoire brute, déterminée aux essais et vue au chapitre précédent, en appliquant une pénalisation à la pente brute. Pour les biréacteurs comme le B737-800, la pénalisation est 0,8%.

Trajectoire nette

Pour le segment de transition (3ème segment sur ce schéma) au cours duquel on rentre les volets, la pénalisation en pente est transformée en diminution du taux d’accélération qui se traduit par un allongement du segment.

La hauteur d’accélération ZAC à laquelle s’effectue le segment de transition sera choisie par l’exploitant en fonction de la trajectoire suivie et de la hauteur des obstacles. Elle ne peut être inférieure à 400 ft, mais ne doit pas dépasser la hauteur qui ferait que les volets ne seraient pas complètement rentrés au bout des 5 minutes réglementaires d’application de la poussée décollage.

Trouée d’envol

Les obstacles à prendre en compte sont ceux qui se trouvent dans la trouée d’envol, espace réglementairement défini qui commence au bout de la piste, sur une largeur de 90 mètres de chaque côté de l’axe de piste.

Trouée d'envol

La trouée d’envol s’élargit ensuite au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la piste, comme indiqué sur ce schéma. La largeur maximum sera fonction des conditions de vol, à vue VMC ou aux instruments IMC, et d’un éventuel changement de cap. Par exemple, pour un vol en IMC avec une trajectoire de panne rectiligne, la largeur maxi sera de 1200 m à partir de 4080 m du bout de la piste.

Voici un extrait de la fiche AOC de l’aéroport de Montpellier Méditerranée représentant la trouée d’envol de la piste 30R.

Trouée d'envol LFMT

C’est avec ce genre de données que l’exploitant devra déterminer la trajectoire à suivre en cas de panne moteur au décollage ainsi que la hauteur à laquelle devra se faire l’accélération pour rentrer les volets.

Attention : sur ce document, les distances des obstacles sont comptées à partir du début de la piste, la longueur de la piste est donc incluse… ! Et les obstacles sont cotés en altitude.

Masse maxi Obstacle dans la trouée d’envol

Il faudra ensuite déterminer la masse maxi permettant de survoler chaque obstacle avec les marges prévues. Boeing précise dans le texte d’accompagnement que les tableaux ou diagrammes fournis dans les FCOM ne permettent qu’une évaluation sommaire de la limitation, et qu’ils sont mis à la disposition des équipages au cas où il ne serait pas possible d’obtenir les valeurs issues de l’étude complète que les exploitants sont tenus de faire.

Pour le B737-800, voici les tableaux qui permettent d’évaluer cette masse maxi, pour un braquage des volets à 5.

Limitation obstacle

Il est bien évident que, comme pour les performances en montée initiale, un braquage faible donnera une meilleure performance, et il faudra également trouver le bon compromis avec la limitation piste.

Comme pour les performances en montée initiale, la masse maxi obstacle sera d’autant plus faible que la poussée sera réduite par une température forte, au dessus de la température de cassure, et/ou par une altitude pression élevée.

Les deux dernières limitations que nous allons étudier sont un peu plus anecdotiques dans la mesure où elles ne peuvent intervenir que dans des cas de très forte température sur des terrains très élevés.

LIMITATION VITESSE MAXI DES PNEUMATIQUES

Les pneumatiques des avions sont certifiés pour pouvoir être utilisés jusqu’à une vitesse maximale déterminées par le fabriquant. Pour le B737-800, hors option particulière, cette limitation est de 225 MPH, soit environ 195 kt de vitesse sol au moment du décollage effectif, à ne pas confondre avec les vitesses indiquées que sont V1 et VR…

Limitation pneumatiques

C’est, bien sûr, pour les braquages de volet les plus faibles que l’on pourra être concerné par une telle limitation. Voici le diagramme pour les volets 1, il existe également pour les volets 5.

LIMITATION ENERGIE DES FREINS

Les freins sont étudiés et certifiés pour absorber une quantité définie d’énergie qu’il ne faut pas dépasser sous peine de détériorer les freins et de perdre toute efficacité du freinage. C’est, bien sûr, dans le cas d’un arrêt du décollage à V1 que l’on risque de dépasser cette limite.

Les constructeurs choisissent de dimensionner le système de freinage pour que l’avion puisse être utilisé sans problème dans la plupart des cas. Ce n’est donc que dans des situations très particulières combinant faible braquage de volets, forte température, altitude élevée et vent arrière que l’on devra limiter la masse pour que V1 ne dépasse pas la vitesse VMBE (Maxi Brake Energy).

Limitation VMBE

L’entrée se fait en haut et à gauche du diagramme. Si la combinaison masse au lâcher des freins/altitude pression se situe dans la zone grisée, il n’est pas nécessaire d’aller plus loin, on n’est pas concerné par la limitation VMBE.

Si ce n’est pas le cas, le graphique permet de trouver la valeur de la VMBE dans les conditions du jour. Si celle-ci est inférieure à V1, il va falloir la réduire en diminuant la masse ou en changeant de braquage de volets, ce qui risque de faire la même chose…

POUSSÉE RÉDUITE

En exploitation, il est assez rare de décoller à la masse maximum limitée par les performances de l’avion. Dans le but de soulager les moteurs, il est possible de les utiliser à des régimes ménageant de plus grandes marges par rapport aux limites, tout en réduisant la consommation et le bruit. Pour cela, il existe des procédures qui permettent d’effectuer le décollage en utilisant une poussée réduite. Pour autant, il faut être sûr que les performances seront assurées avec les mêmes contraintes que lorsqu’on utilise toute la poussée.

Deux méthodes coexistent sur de nombreux types d’avions, et notamment sur le B737-800.

Niveaux certifiés de poussée réduite

Boeing certifie la plupart de ces avions à différents niveaux de poussées. Le B737-800 peut donc être utilisé avec une poussée nominale de 26000 livres, ou avec des poussées réduites à 24000 livres ou 22000 livres, mais cela implique d’être en mesure de calculer les performances pour ces différents niveaux de poussée et donc de disposer de la documentation afférente.

Poussée 22 K

Si c’est sous forme papier, il faudra donc disposer de l’ensemble des tableaux ou graphiques vus précédemment pour les trois niveaux de poussée : on imagine facilement la masse de papier que cela va représenter, et surtout le risque d’erreur que cela va introduire… C’est pourquoi, cette solution n’avait pas été retenue par Air France et bien d’autres compagnies, d’autant plus qu’elle ne permet pas d’ajuster la réduction de poussée au plus près des conditions du jour.

De nos jours, les calculs de performances étant réalisés sur des ordinateurs portables grâce à des logiciels fournis par les constructeurs, il est possible d’utiliser cette méthode plus facilement…

C’est grâce au FMS que le réglage du niveau de poussée réduite sera calculé et affiché sur le tableau de bord, et qu’il sera pris en compte par le système automanette ATS lors de la mise en poussée, au décollage.

Poussée réduite FMS

Sur cette photo, le niveau TO – 2 a été sélectionné sur la page N1 LIMIT du FMS. Cela va permettre d’utiliser les moteurs avec une poussée maximum de 22000 livres, ce qui est rappelé sur cette page.

De la même façon, le système propose deux niveaux de poussée réduite en montée : CLB-1 réduira le N1 de montée de 3%, ce qui correspond à une réduction de la poussé de 10% environ, alors que la sélection CLB-2 réduira la N1 de 6% pour une réduction de la poussée de 20% environ, et ce de façon tout à fait indépendante du choix qui est fait au niveau de la poussée décollage.

Méthode de la température fictive

L’autre méthode, plus couramment utilisée, consiste à utiliser la poussée maximum correspondant à la température qui donnerait, comme limitation, la masse réelle du jour.

Pour déterminer cette « température fictive » ou « présumée » ou « assumed temp» ou « Flex(ible) Takeoff », tout ceci étant rigoureusement la même chose, on va refaire à l’envers les calculs vus au chapitre précédent.

Température fictive

Prenons par exemple la limitation piste présenté sur ce graphique établi pour la pleine poussée, les volets 1 et piste sèche. Le tracé exemple, en pointillés noirs, montre que pour un décollage sur une piste de 2880 m avec une pente montante de 1%, un vent de face de 20 kt, une température de 32°C et une altitude pression de 4000 ft, la masse maxi limitée par la piste est de 69 tonnes.

Si nous prévoyons de décoller à une masse de 61 tonnes, on refait un tracé, en rouge, en partant de 61 t. Les conditions longueur de piste, pente et vent sont inchangées, on va donc rejoindre le même pointillé montant depuis le bas du graphique. Il faut suivre ensuite une ligne du réseau central jusqu’à la ligne de référence. De ce point, on rejoint la courbe d’altitude pression 4000 ft et on redescend sur l’échelle des températures pour trouver 50°C.

Tout cela signifie que si la température du jour était de 50°C, la limitation piste serait de 61 tonnes. Ce sera donc notre température fictive. En affichant le N1 correspondant à la poussée maximum à cette température de 50°C, on est sûr que l’on respectera DD = TORA et DAA = TORA.

C’est encore grâce au FMS que l’on réglera le niveau de poussée réduite en insérant, en page N1 LIMIT, la valeur de la température présumée à la première ligne, en haut à gauche. Celle-ci viendra s’afficher comme température sélectée SEL, ici +50. La valeur du N1 correspondant sera calculée et affichée en haut à droite, et l’indication D-TO +50c  (Derated TakeOff) apparaîtra en haut du DU supérieur.

Poussée réduite FMS 2

On pourrait se demander s’il est bien raisonnable de se placer volontairement aux limites, tout ça pour faire des économies, alors qu’en décollant à pleine poussée on aurait eu de meilleures marges de sécurité ? En fait, on va malgré tout conserver des marges, essentiellement parce qu’avec une température réelle plus faible que la fictive, la vitesse propre TAS sera plus faible et donc les distances réellement parcourues le seront également.

Ces marges, difficiles à évaluer, sont néanmoins bien réelles. Par ailleurs, le niveau de poussée réduite peut être limité par des consignes de chaque compagnie ou par la décision du Commandant de Bord qui reste seul juge des conditions de son décollage.

Cette méthode ne présente d’intérêt, bien sûr, que si la température fictive trouvée est supérieure à la température de cassure.

Et il faudra, bien entendu, effectuer la même recherche pour la limitation pente de montée initiale et la limitation obstacle, et retenir la température fictive la plus faible des trois ! Gros boulot en perspective… et gros risque d’erreur ! C’est pourquoi, avant l’arrivée massive des ordinateurs portables, les compagnies éditaient des tableaux combinant toutes les limitations, pour chaque terrain, chaque QFU et même chaque bretelle habituellement utilisée sur les terrains les plus fréquentés.

Tableau limitations intégrées

Voici, par exemple, le tableau de limitation de la piste 27 de Paris Charles de Gaulle (à l’époque, 1992, il n’y en avait qu’une), pour le B747-400. On voit que, pour un QNH de 1013 hPa et une température de 24°C, la limitation intégrée est de 400 tonnes avec un code 0, c’est-à-dire « calcul » car le système ne calculait pas de valeurs supérieures à 400 tonnes.

Si la masse prévue pour le décollage est de 343 tonnes, on trouve une température fictive de 53°C correspondant à une masse maxi de 345,1 t. Le code de limitation est alors 2, ce qui signifie que cette masse est une limitation « second segment ».

Sous la masse maxi et son code de limitation, on trouve les vitesses associées, les deux premières représentant la plage de V1, suivies de VR et V2.

Il fallait, bien sûr, un service au sol spécialement dédié au calcul et à l’édition de tous ces documents… Pas vraiment à la portée du petit exploitant indépendant, et encore moins au simmer amateur !

De nos jours, comme déjà évoqué, les compagnies utilisent des moyens informatiques portables ou accessibles par ACARS, utilisant un logiciel de calcul souvent proposé par le constructeur de l’avion. Ce n’est, bien sûr, pas plus accessible au simmer, mais certains logiciels reproduisent assez fidèlement le modèle utilisé en compagnie : c’est le cas de TOPCAT.

LE LOGICIEL TOPCAT

Le logiciel TOPCAT, pour Takeoff and landing Performance Calculation Tool, est en fait un ensemble d’outils qui permettent d’établir le Devis de Masse et Centrage à partir du chargement de l’avion, de calculer les performances au décollage et également les performances à l’atterrissage. Dans cet article, nous ne parlerons que du volet performances au décollage.

TOPCAT Acceuil

L’écran d’accueil, qui correspond à l’onglet « Aircraft » de la barre d’outils, donne la liste des avions enregistrés : si on sélectionne le PH-HZM par exemple, avion anciennement exploité par la compagnie low cost Transavia filiale de KLM, on découvre, dans la partie basse, toutes les caractéristiques de cet avion.

Parmi les caractéristiques, on voit que cet avion est certifié pour une masse maxi structure MTOW de 79 tonnes, et que pour les décollages à poussée réduite, seule la méthode de la température fictive (Flex Temp T/O) est retenue.

Toutes ces données sont modifiables grâce au bouton Edit. On peut également créer son propre avion (bouton Add), à condition, bien sûr, d’en connaître les caractéristiques, et que le logiciel connaisse les performances de ce type d’avion.

TOPCAT Avions

On voit ici la palette des types d’avions possibles pour la version en ma possession, la 2.73. Le moins que l’on puisse dire c’est que les Airbus ne sont pas très représentés ! Pour avoir le B777-200, il faut posséder la version 2.74 qui n‘est, à ma connaissance, qu’en version Beta…

Passons maintenant à l’onglet Take-Off, qui donne accès au calcul de performance au décollage. Pour nos exemples, nous allons travailler sur le terrain de Marseille Provence qui a le mérite d’être très pédagogique puisqu’il comporte une piste longue et une plus courte, et des obstacles dans la trouée d’envol des QFU 13.

Notons au passage que tous les terrains présents dans la base de données ne sont pas forcément complètement documentés, particulièrement en ce qui concerne les obstacles dans la trouée d’envol. Avant de lancer un calcul, il vaut mieux vérifier les données et éventuellement les modifier en utilisant l’onglet « Editor » de la barre d’outils.

Voici l’écran qui s’affiche lorsque l’on clique sur Take-Off. Si le terrain n’est pas encore sélectionné, une fenêtre permet de le faire très facilement.

Take Off 1

J’ai donc inséré LFML avec la piste 31R, piste préférentielle à Marseille.

Cet écran permet de choisir les conditions pour lesquelles sera fait le calcul. Pour la météo, on peut choisir le vent la température et le QNH, mais on peut également importer les conditions en temps réel en sélectionnant un serveur grâce au bouton Weather Source.

Dans le cadre configuration, on choisit la masse au décollage prévue : celle calculée à l’onglet Weight & Balance, ou la masse maxi structure ou celle que l’on insère manuellement. Pour les volets, on peut choisir un braquage particulier entre 1 et 25 ou bien laisser le logiciel déterminer le meilleur braquage.

Et on peut également modifier les prélèvements qui ont un impact sur les performances.

Dans le cadre Airport & Runway, on va sélectionner la piste et éventuellement même une bretelle de cette piste. Il faudra alors vérifier les caractéristiques qui s’affichent aux différentes rubriques.

A la rubrique Obstacles, le chiffre 0 indique qu’il n’y a pas d’obstacle significatif dans la trouée d’envol de cette piste : normal, la piste 13R débouche sur l’étang de Berre…

Le cadre Engine Out présente la trajectoire prévue par l’exploitant en cas de panne moteur au décollage.

Juste en dessous, le logiciel permet d’insérer une réduction temporaire de la longueur de piste, par le début ou par la fin, et de tenir compte d’une éventuelle tolérance technique affectant les performances.

On est vraiment très proche des logiciels professionnels !!!

Il ne reste plus qu’à lancer le calcul en cliquant sur Compute.

Take Off 2

Pour ce premier calcul, j’ai sélectionné la masse maxi pour chercher la limitation en conditions standard, sans vent. Pour cette longue piste de 3500 m, sans obstacle, le résultat fait apparaître une masse maxi performances de 84,654 tonnes, avec le plus faible braquage de volets, bien au-dessus donc de la masse maxi structure de 79 t. Si on décolle à 79 tonnes à pleine poussée, on aura alors une petite plage de V1 de 160 à 162 kt.

Et si on choisit d’utiliser une poussée réduite, la température fictive maximum sera de 37°C. A l’initiative du Commandant de Bord ou suivant une consigne compagnie, on peut choisir une température fictive plus faible, ménageant ainsi une marge supplémentaire.

Si on clique sur le bouton « Runway Table », on génère un tableau imprimable tout à fait similaire à ce que les exploitants fabriquaient avant et que l’on a vu un eu plus haut.

Runway table

Et si l’on clique sur « Results », on obtient un « Carton de Décollage » imprimable qui synthétise le calcul de performance, que l’on pourra afficher sur le tableau de bord et utiliser pour finaliser les réglages du FMS, exactement comme dans un cockpit réel… !

Carton de décollage

Voyons maintenant ce que ça donne pour la piste 31L, nettement plus courte puisqu’elle ne mesure que 2370 m.

LFML

Sur le plan de terrain du SIA, on voit que, pour cette piste, la TODA est de 2670 m signifiant ainsi que la piste dispose d’un prolongement dégagé de 300 m.

Mais, dans la database de TOPCAT, les caractéristiques de cette piste 31L font état d’un clearway de 34 m ce qui porte la TODA à 2404 m ???

Take off 31L

Difficile à expliquer mais sans impact notoire puisque si l’on supprime ce clearway, les calculs donnent rigoureusement les mêmes résultats…

Cette fois-ci, le calcul pour la masse maxi de 79 tonnes indique que la masse limitative, pour les volets 5 cette fois, est de 79375 kg, donc très légèrement supérieure. Et dans le cadre réservé à la poussée réduite, juste au-dessous, il est indiqué que ce n’est pas autorisé. En effet, avec 365 kg de marge, il ne serait pas possible de trouver une température fictive au moins égale à 30°C, la température de cassure.

Take off 31L 2

Si maintenant on refait le calcul avec une masse plus faible de 72408 kg, dans la fenêtre consacrée à la poussée réduite, on voit que la température fictive maximum est de 43°C, en limitation piste (FIELD), et que la V1 unique sera de 149 kt. Suivent VR et V2, et il est indiqué une marge de 1m, sachant que j’ai fait exprès de prendre pour masse réelle la même valeur que la masse maxi pour 43°C.

Mais on l’a vu plus haut, étant donné que la température réelle n’est que de 15°C, la vitesse propre correspondant à V1 sera également plus faible ce qui réduira les distances de décollage. Donc la marge réelle sera significativement plus grande que le 1m annoncé…

D’une façon générale et comme on vient de le voir, il est préférable de prendre cette « margin » avec beaucoup précautions…

Intéressons-nous maintenant au QFU inverse. Le décollage va se faire face aux collines de L’Estaque.

Trouée d'envol LFML 13R

On voit que la piste 13R présente une pente montante non négligeable, et que sa trouée d’envol comporte pas mal d’obstacles qui vont très certainement avoir un impact important sur la masse maxi à laquelle il sera possible de décoller.

Take Off 13R

On voit, dans l’écran TOPCAT pour la piste 13R de Marseille, que 4 obstacles, de A à D, parmi les 26 indiqués dans la vue précédente, ont été pris en compte. On peut espérer que ce sont les plus significatifs… mais il est toujours possible de rajouter les autres grâce à la fonction Editor.

Take Off 13R 2

Lorsque l’on demande à TOPCAT si le décollage à la masse maxi structure de 79 tonnes est possible, en conditions standard et vent calme, la réponse est, sans grande surprise, négative. La masse maxi limitée par l’obstacle A est de 67940 kg avec les volets 1.

Take Off 13R 3

Et si on fait un calcul pour des conditions plus estivales, 35°C, et une masse de 62 tonnes, moyenne pour un vol moyen-courrier, on voit qu’avec une masse limite obstacle de 64989 kg, on peut encore décoller en poussée réduite avec une température fictive de 40°C qui permettra de diminuer le N1 de presque 1% : ce sont les premiers % qui comptent le plus pour soulager les moteurs !


CONCLUSION

Si vous lisez cette conclusion, c’est que vous avez lu l’article jusqu’au bout. Bravo !!!

Le sujet n’est pas simple, il était donc difficile de le présenter de façon plus succincte sans le caricaturer. Espérons que la synthèse présentée ici ne sera pas trop difficile à digérer…!

Pour d’autres précisions, la rubrique « commentaires » est à votre disposition.

Bons vols.

À propos de l'auteur: 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.