Instruments de bord

Avant de se lancer dans l’étude d’avion lourd, volant haut et vite tel que le B737, il n’est pas inutile de faire le point sur un certain nombre de notions qu’il va falloir bien maîtriser pour pouvoir utiliser correctement une machine complexe, et notamment s’interroger sur les informations réellement fournies par les instruments de bord et bien les exploiter.

Et comme pour tout dispositif, on l’utilise toujours beaucoup mieux quand on a compris comment il fonctionne… C’est l’objectif de cet article.

Voici le tableau de bord bien connu d’un avion de tourisme, le Cessna C182.

Tableau de bord

Les instruments principaux qui permettent de gérer la trajectoire de notre avion respectent une disposition que l’on retrouvera sur à peu près tous les avions civils : l’horizon artificiel au milieu, l’altimètre à droite, l’indicateur de vitesse à gauche, et le cap en dessous.

Cette disposition est dite en T.

Nous allons passer en revue ces quatre instruments principaux et voir comment interpréter correctement leurs indications.

L’HORIZON ARTIFICIEL

Parlons tout d’abord de l’horizon artificiel. Il est évident que pour piloter un avion il faut avoir une idée précise de sa position par rapport à la terre : on appelle ça l’attitude qui se décompose en deux paramètres, l’assiette et l’inclinaison.

Lorsqu’on a la chance d’évoluer par beau temps hors des nuages, on peut facilement déterminer l’attitude de notre avion en observant par exemple la position du capot moteur sur l’horizon. C’est ce que l’on fait en vol à vue.

Lorsque la visibilité est mauvaise ou nulle, vous le savez déjà, c’est l’horizon artificiel qui va remplacer la vue extérieure.

Horizon

C’est la stabilité du gyroscope qui est utilisée pour fournir une indication d’horizon. Deux échelles permettent de lire précisément la valeur de l’assiette et de l’inclinaison latérale.

Horizon éclaté

Pour les avions équipés d’INS ou d’IRS, le gyroscope est avantageusement remplacé pas des informations de verticale issues de ces systèmes et mise en forme dans un ADI, Attitude Display Indicator. La représentation est toujours la même, celle de l’horizon artificiel classique.

ADI

  

Pour les avions équipés d’écrans, le PFD, Primary Flight Indicator  présente toujours cette même image en son centre.

PFD B747

Le PFD regroupe à lui seul les quatre instruments étudiés dans cet article et respecte également la disposition en T : au centre l’horizon artificiel, à droite l’indication d’altitude, à gauche l’indicateur de vitesse et en dessous, l’indication de cap.

Il présente, en plus, un grand nombre d’informations, qui peuvent varier en fonction de la phase de vol.

Pour les jets qui évoluent à grande vitesse et haute altitude, la précision de la tenue d’assiette notamment va prendre une très grande importance : en effet, la modification de l’assiette d’un seul petit degré va avoir des conséquences très différentes suivant la vitesse propre de l’avion (TAS).

Il faut se rappeler d’abord que si on multiplie une vitesse en nœuds par une pente en %, on obtient une vitesse verticale en pieds par minute !!!

Vz en ft/mn = TAS en kt x Pente en %

C’est bizarre, hasard des conversions d’unités, mais c’est bien pratique, on s’en servira souvent…

Donc :

  • A vitesse constante, toute variation d’assiette modifie d’autant la pente du vol.
  • 1% = 0,6° de pente ou bien 1° = 1,67%
  • à 100 kt, une variation de 1° d’assiette donnera donc Vz = 100 x 1,67 = 167 ft/mn
  • à 450 kt, Vz = 450 x 1,67 = 750 ft/mn environ

Et 450 kt, c’est précisément la valeur habituelle de la vitesse propre TAS du B737 en croisière.

Le pilotage va donc requérir une plus grande précision et on sera obligé d’utiliser systématiquement les indications de l’instrument même par beau temps.

L’ALTIMÈTRE

Principe de fonctionnement

Passons maintenant à l’altimètre : on l’a vu, sur le tableau de bord, il se trouve toujours à droite de l’horizon.

Comme son nom l’indique, on pourrait penser que l’altimètre mesure l’altitude de l’avion : et bien pas du tout !

En effet, on ne sait pas mesurer facilement l’altitude d’un avion ; on va donc utiliser un artifice.

En fait, l’altimètre est un baromètre qui mesure donc, comme celui qui se trouve peut-être dans votre salon, la pression atmosphérique.

Altimètre

Il contient une ou plusieurs capsules anéroïdes dans laquelle on a fait le vide, et l’instrument va mesurer l’épaisseur de la capsule qui sera proportionnelle à la pression atmosphérique qui vient écraser la capsule.

Mais plutôt que d’afficher sur le cadran la valeur de la pression mesurée, on va présenter l’altitude à laquelle correspond cette pression dans la table de l’atmosphère standard.

 

Voici cette atmosphère standard (International Standard Atmosphere ISA) qui sert donc de modèle pour graduer les altimètres.

Atmosphère standard

On y trouve la correspondance entre la pression atmosphérique et l’altitude en mètres ou en pieds, ainsi que la température standard correspondante.

Par exemple, si le baromètre qui se trouve dans l’altimètre mesure une pression atmosphérique de 300 hPa, l’aiguille de l’instrument indiquera alors une altitude de 9164 m ou de 30 065 ft.

Le tableau de droite présente la pression atmosphérique standard correspondant à quelques niveaux de vol.

Calage

Bien sûr, l’atmosphère réelle n’est jamais conforme à ce modèle, en particulier au niveau de la mer où la pression n’est que rarement de 1013,25 hpa.

Altimètre calage

Il faudra donc pouvoir ajuster l’échelle des altitudes pour que certaines valeurs de pression correspondent à certaines altitudes de l’atmosphère réelle : c’est ce qu’on appelle caler l’altimètre, et on le fait en réglant, à l’aide du bouton, une certaine valeur de pression atmosphérique dans la petite fenêtre de réglage.

 

Quels sont donc les différents calages que nous seront amenés à utiliser ?

 

Voici quelques définitions de valeurs qui pourront être affichées par un altimètre en fonction de la façon dont on l’aura calé :

  • La hauteur est la distance verticale entre un aéronef et la surface qu’il survole (terre ou eau) ou la piste en service : pour lire une hauteur au-dessus du terrain, l’altimètre doit être calé au QFEAu sol, l’altimètre indiquera 0.
  • L’altitude est la distance verticale d’un aéronef au dessus du niveau moyen des mers : pour lire une altitude, l’altimètre doit être calé au QNHAu sol, l’altimètre indiquera l’altitude du terrain.
  • Le niveau de vol est une altitude exprimée en centaines de pieds au-dessus de la surface isobare 1013.25 hPa ou 29.92 inHg : pour lire un niveau de vol, l’altimètre doit être calé au calage standard. Ce calage ne sera jamais utilisé au sol.

 

Dans les basses couches de l’atmosphère, 1 hPa correspond à environ 28 ft. Mais dès que l’on s’élève en altitude, cette valeur augmente…

Différentes unités de pression atmosphérique peuvent être utilisées pour le calage de l’altimètre : les deux plus courantes sont les hectopascals hPa (ex millibars mb) et les pouces de mercure InHg. Il faut savoir passer de l’un à l’autre !

1 hPa = 0,03 InHg, et on corrige par rapport à la référence standard  1013.25 hPa = 29.92 InHg

Exemple : QNH = 1020 hPa    7 hPa x 0,03 = 0,21 + 29.92 = 30.13 InHg

 

Voici résumé sur un schéma les différentes notions que l’on vient de voir.

Calage altimétrique

On part de la droite avec le QFE qui est mesuré sur le terrain, puis en en déduit le QNH et enfin le niveau de vol.

 

Pour être tout à fait précis, il ne faut  pas oublier que l’altitude et la hauteur ainsi mesurées ne tiennent pas compte de la température qui, elle aussi, va jouer sur la densité de l’air. Les valeurs trouvées ne sont donc pas des valeurs exactes réelles. Il existe des formules permettant d’en tenir compte mais, pour la clarté du propos, on s’en tiendra à deux idées simples :

  • Quand il fait froid (plus froid que la température standard), l’altitude réelle est plus faible que celle indiquée par l’altimètre, diminuant ainsi les marges.
  • Les marges de survol tiennent comptes de ces variations dans une plage de températures courantes.

 

Concernant la valeur de 28 ft/hPa, rappelons que c’est une valeur moyenne valable pour les terrains « pas trop haut » !!!

Ecart QFE-QNH

En fait, on trouve couramment sur les fiches de terrain la différence entre QNH et QFE : 30 hPa pour les 814 ft de Lyon (ce qui fait 27 ft/hPa) et 397 hPa pour les 13112 ft de La Paz, en Bolivie, certainement le plus haut terrain exploité, avec dérogation, par des avions de ligne (33 ft/hPa).

 

Il faut maintenant déterminer quand on devra utiliser un calage plutôt que l’autre.

Éliminons d’entrée de jeu le QFE qui n’est pratiquement plus utilisé (sauf en Russie sous l’altitude de transition)… d’autant plus que, bien souvent, pour les terrains à haute altitude, il est matériellement impossible de le régler sur bien des altimètres.

 

La connaissance précise de l’altitude doit répondre à deux impératifs de sécurité :

  1. Eviter les collisions avec le relief et connaître sa position verticale par rapport à la piste
  2. Eviter les collisions avec les autres avions.

Pour l’impératif numéro 1, c’est naturellement le QNH qui s’impose. Mais la valeur du QNH est variable d’un terrain à l’autre et d’une heure à l’autre. Elle ne pourra répondre au deuxième impératif que lorsque les avions se trouveront à proximité d’un même aérodrome et utiliseront tous la même valeur de QNH.

Pour l’impératif numéro 2, il est primordial que tous les avions qui sont susceptibles de se croiser, par exemple, aient leur altimètre calé à la même valeur. Hors des phases de décollage et d’atterrissage, on utilisera le calage standard de 1013,25 hPa, et on lira alors un niveau de vol sur l’altimètre.

 

Reste à savoir maintenant quand on devra changer de calage au cours d’un vol.

Transition

Deux altitudes particulières sont définies pour chaque terrain :

  • Altitude de transition TA : altitude maximum pour laquelle l’altimètre est calé au QNH du terrain de décollage ou d’atterrissage
  • Niveau de transition TL ou TRL : en France, comme dans beaucoup de pays européens, c’est le premier niveau de vol IFR utilisable au dessus de l’altitude de transition, l’intervalle entre les deux, appelé couche de transition, devant être d’au moins 1000 ft et au plus de 1999 ft.

Transition

En pratique, lors du décollage, l’altimètre sera calé au QNH et y restera au plus tard jusqu’à l’altitude de transition et passera ensuite au calage standard.

Pour la descente et l’atterrissage, l’altimètre restera calé en standard au plus tard jusqu’au niveau de transition et sera réglé au QNH ensuite.

 

L’altitude transition est indiquée sur les fiches de terrain.

Comment est calculé le niveau de transition TL ? Normalement, c’est le rôle du contrôle aérien local, et il est indiqué dans l’ATIS de l’aérodrome ou communiqué au premier contact avec le contrôle.

Cependant, il sera intéressant de savoir le calculer pour pouvoir l’insérer dans le FMS, en préparant l’arrivée. Il faut donc savoir comment il se calcule.

Il suffit simplement de savoir, en fonction du QNH, à quel niveau de vol correspond la TA , de rajouter 1000 ft et de choisir le premier niveau IFR au dessus.

Par exemple, pour le terrain de Montpellier LFMT :

La couche de transition ne devant pas être inférieure à 1000 ft ni dépasser 1999 ft, pour des valeurs extrêmes du QNH vers le bas ou vers le haut, on pourra même incrémenter d’un niveau supplémentaire :

Si QNH = 975 hPa, le FL correspondant à TA = 5000 + 38 x 28 = 6064 ft.  Le premier niveau IFR au dessus de 6064 + 1000 = 7064 sera TL = 080.

Si le QNH = 1051 hPa, le FL correspondant à TA = 5000 – 38 x 28 = 3936 ft. Le premier niveau IFR au dessus de 3936 + 1000 = 4936 sera TL = 050.

 

Exceptions à la règle: un certain nombre de pays, dont le Canada, les USA ou le Japon, ont choisi de définir un TA et parfois même un TL fixes pour tout le pays et pour tous les QNH.

Exceptions

Cette solution peut paraître plus simple au premier abord mais de nouveaux problèmes surviennent :

Le premier vient du fait qu’il n’y a aucune règle commune, chacun fait à sa façon même pour des états très proches comme le Canada et les USA, notamment pour la valeur de la TA et le calcul du niveau de transition. De plus, TA et TL ne sont pas indiqués dans les ATIS comme chez nous…

Le deuxième problème est lié au deuxième impératif de sécurité vu tout à l’heure : dans un même espace, pour éviter les collisions entre avions, il faudrait que tous les altimètres soient au même calage.

Dans le cas de la transition unique et élevée pour tout le pays, un certain nombre de vols seront effectués entièrement en restant au QNH, qu’il faudra ajuster régulièrement à la valeur locale de la région survolée.

De plus, en montée ou en descente, on pourra croiser d’autres avions au départ et à destination de différents terrains pour lesquels le QNH pourra être différent.

Les contrôleurs des espaces situés sous la TA devront donc à chaque fois préciser, avec l’altitude autorisée, le QNH qu’il faudra insérer : lourdeur et risque d’erreur…

 

Voici un exemple de ce pourraient être les échanges radio lors de la descente du vol AF006 vers New York JFK :

  • Boston Center, AF006 request descent
  • AF006, descend and maintain one seven thousand Kennedy altimeter 3006

Un peu plus tard on pourra entendre par exemple :

  • Delta 271, descend and maintain one four thousand, Newark altimeter 3008

Et encore un peu plus tard :

  • American 734 descend and maintain one zero thousand, Logan altimeter 2995

On va donc entendre différentes valeurs de QNH (« altimeter setting » raccourci à « altimeter » dans la phraséologie américaine), il ne faudra pas louper la sienne… ! Le risque d’erreur est beaucoup plus important.

 

Erreur de calage

Et puisque l’on a commencé à parler d’erreur, voyons un exemple qui est relativement courant encore, même si les avions modernes sont équipés pour la détecter.

 

On effectue une approche vers un terrain ou le QNH est de 980 hPa, valeur très basse il est vrai mais pas exceptionnelle même en France, et particulièrement dans les pays tropicaux au voisinage d’une tempête tropicale ou d’un cyclone.

Erreur de calage

Une fois stabilisé à 4000 ft QNH (partie gauche du schéma), on peut calculer facilement que si on calait notre altimètre à 1013, la valeur indiquée passerait à 4924 ft.

 

Imaginez que vous ayez oublié de passer au QNH et que vous êtes stabilisés à 4000 ft au calage standard, près pour la descente finale (partie droite du schéma).

En réalité, on se trouve alors à 3076 ft QNH !

 

Voilà ce que ça donne pour une arrivée VORDME 14 à l’île Maurice.

VORDME 14 PLS

Au lieu de survoler l’obstacle le plus élevé, l’antenne située à 2576 ft tout près de BIGARA, avec une marge substantielle de plus de 1400 ft, on va passer à tout juste 500 ft au-dessus !

Comme il n’y a pas de G/S, on va commencer la descente normalement à BIGARA, sur les plans prévus, et on va donc suivre une trajectoire parallèle qui, si l’erreur n’est pas détectée, risque de nous amener à toucher le sol avant d’avoir atteint les minima de 860 ft… !!!

Et ne comptez pas sur les contrôles effectués aux différentes valeurs de DME : ils seront bons puisque c’est l’information donnée par l’altimètre qui est fausse !

 

La présence d’un G/S aurait permis de détecter l’erreur car le glide serait apparu avec retard, sensiblement après le passage de BIGARA, et même un peu après CUREPIPE… !

ILS 14 PLS

L’importance du calage altimétrique est ainsi démontrée : sa vérification est faite, grâce aux check-lits, après chaque changement de calage.

L’INDICATEUR DE VITESSE

Parlons maintenant de l’indicateur de vitesse que l’on appelle aussi l’anémomètre. On le trouvera toujours à gauche de l’horizon artificiel.

Vitesse indiquée IAS

On pourrait penser que, comme pour une voiture, cet instrument mesure directement la vitesse de l’avion par rapport à la terre : c’est la même chose pour l’altimètre, on ne sait pas le faire facilement, et de plus, ce n’est pas forcément ce qui serait le plus utile pour piloter notre avion en toute sécurité.

Et comme pour l’altitude, nous allons utiliser un artifice imaginé en 1911 par un inventeur français, Raoul Badin, d’où le surnom couramment utilisé pour désigner l’indicateur de vitesse, le « badin ».

 

Lorsque l’on met la main à la fenêtre d’une voiture qui roule à vivre allure, on sent une pression importante qui s’exerce et tend à faire reculer la main : c’est ce qu’on appelle la pression totale qui est proportionnelle à la vitesse.

Badin

Pour mesurer la vitesse de l’avion, le badin est équipé d’une capsule anéroïde à l’intérieur de laquelle on envoie la pression totale. La pression statique régnant à l’intérieur de l’instrument, l’épaisseur de la capsule va permettre de mesurer la différence entre la pression totale et la pression statique qui est proportionnelle à la vitesse.

C’est le tube pitot, du nom d’un autre ingénieur français, Henri Pitot, qui sert à recueillir la pression totale, et éventuellement la pression statique.

 

Les unités couramment utilisées sont le km/h pour certains avions légers, mais surtout le nœud, comme dans la marine, noté kt comme knot en anglais. Le nœud correspond à un mile marin par heure, soit 1,852 km/h.

Anémomètre

 

L’instrument est gradué en fonction des valeurs de pression et de température de l’atmosphère standard au niveau de la mer. La vitesse ainsi indiquée, Indicated Air Speed IAS, ne sera pas la vitesse réelle de l’avion par rapport au sol, l’erreur étant d’autant plus importante que l’altitude et l’écart par rapport avec la température standard (delta ISA) seront importants.

L’IAS reste malgré tout un excellent indicateur du fonctionnement de l’aile : en effet, les variations de densité de l’air dues aux variations de la pression atmosphérique ou de la température vont avoir les mêmes effets sur le fonctionnement aérodynamique de l’aile que sur celui du badin.

C’est ainsi que vous pourrez constater que la vitesse de montée calculée par le FMS reste la même tout au long de la montée, et de même pour la descente. De la même façon, la vitesse de référence pour l’atterrissage VREF sera, pour la même masse, la même à Nice, au niveau de la mer, qu’à Bogota, à près de 9000 ft !

 

Cette vitesse indiquée, IAS, sera donc une vitesse de pilotage, ce qui lui vaut d’apparaître en bonne place sur le tableau de bord ou sur le PFD des avions modernes.

Nombre de Mach

A haute altitude et grande vitesse, la sensibilité du badin devient très faible. On aura alors recours à un pilotage au nombre de Mach, du nom du physicien autrichien Ernst Mach qui fit notamment des travaux sur les ondes de choc.

Le nombre de Mach est tout simplement le rapport entre la vitesse réelle de l’avion et la vitesse du son. C’est donc un pourcentage de la vitesse du son qui, elle-même, ne dépend que de la température.

M 0.78 = 78% de la vitesse du son.

Mais le nombre de Mach est aussi une fonction du rapport (Pt – Ps) / Ps et peut donc être mesuré grâce au tube pitot comme indiqué dans ce schéma qui représente le principe de fonctionnement du Machmètre.

Machmètre

 

Reste à savoir quand il faudra passer du pilotage en IAS à celui en Mach. Cette transition interviendra lorsque l’IAS de montée deviendra égale au Mach de montée, qui est en général égal à celui de croisière. C’est ce que l’on appelle la transition SPEED/MACH. Elle intervient aux alentours du niveau 300, variant selon la masse et le Cost Index. Voici ce que ça donne pour le B738 en montée :

 

Transition en montée 2

La vitesse cible, en haut à gauche en couleur magenta, passe de 298 kt en croisant 29300 ft à M.79 au dessus.

La même chose intervient, bien sûr dans l’autre sens lors de la descente aux alentours du FL320 cette fois.

Transition en descente

 

Pour donner un ordre d’idée, en croisière à niveau élevé, un point de Mach, c’est à dire dix millièmes de Mach, correspondent à environ 3 kt d’IAS. Il sera donc plus précis de maintenir une vitesse de croisière à un millième de Mach près.

Vitesse propre TAS

Mais cette vitesse anémométrique IAS n’est pas utilisable pour la navigation. En effet, pour savoir, comme en voiture, combien de miles nautiques on va parcourir en une heure, il va falloir d’abord calculer la True Air Speed TAS ou vitesse propre de l’avion : c’est la vitesse réelle de l’avion par rapport à l’air.

Si l’air est immobile, c’est-à-dire s’il n’y a pas de vent, ce sera aussi la vitesse par rapport au sol, la Ground Speed GS. Et ce sera cette dernière qu’il faudra déterminer si on veut faire une navigation précise…

 

On peut évaluer la TAS à partir de l’IAS, lorsque vitesse et altitude ne sont pas trop élevées, à l’aide de la correction suivante : 1% par 600 ft et 1% pour 5° d’écart avec la T° standard.

Pour le sens de la correction il faut se souvenir de : Plus haut ou plus chaud = Plus vite.

On voit que l’écart entre IAS et TAS va vite se creuser dès que l’on va monter en altitude : à 6000 ft, il y aura déjà 10% !  Alors à 35000 ft…

Voici un petit diagramme théorique qui montre comment  évolue le TAS au cours de la montée ou de la descente.

TAS

Dans la première phase de la montée, l’IAS est maintenue constante. La TAS va augmenter en fonction de l’altitude, cette évolution pouvant, bien sûr, être modulée par l’écart de température delta ISA.

En passant l’altitude de transition SPEED/MACH, la montée se poursuit à Mach constant. Si on est toujours sous la tropopause, la température continue à décroître et donc la vitesse du son et la TAS qui lui est liée vont diminuer.

A la tropopause, la température arrête de diminuer et la TAS va donc rester à peu près constante.

Le phénomène est rigoureuse le même mais inversé lors d’une descente.

On voit donc que la TAS sera maximum lors de la transition SPEED/MACH.

 

On peut calculer la TAS à partir du nombre de Mach : on calcule d’abord la vitesse du son en fonction de la température absolue (en °K) en ajoutant 273° à la température en degrés Celcius, et on la multiplie ensuite par le nombre de Mach.

Vitesse du son en kt : C = 39 x √(273 + T°C)     –>  TAS = C x Mach

 

Voici un exemple pratique de calcul de TAS à partir du nombre de Mach.

Calul TAS

Nous sommes en croisière à 39000 ft, le nombre de Mach est 0.788. Sur la page PROGRESS 2 du FMS, on lit que la température extérieure, Static Air Temperature SAT est de -53°C.

Avec une IAS de 244 kt, on voit qu’en croisière, la TAS est presque deux fois plus grande ! L’IAS n’est donc plus du tout représentative de la vitesse réelle de l’avion…

Vitesse sol GS

Une fois déterminée la TAS, si on connait le vent, on pourra calculer la Ground Speed GS ou vitesse sol, mais plus généralement maintenant, ce sont les systèmes de navigation INS, IRS ou GPS qui vont s’en charger. C’est seulement à partir de cette vitesse sol que l’on pourra faire une navigation précise.

Sur le ND, à côté de la TAS, on lit la GS et dessous, le vent. Le calcul est fait par le FMS… Pour le faire à la main, c’est une autre histoire !

 

Le triangle des vitesses donne une solution graphique à ce problème :

Triangle des vitesses

  • La ligne de foi de l’avion définit le cap suivi, la vitesse à ce cap est la vitesse propre TAS
  • Le vent va dévier la trajectoire d’une valeur angulaire appelée dérive et modifier la vitesse pour donner la vitesse sol GS
  • Le cap modifié par la dérive est la route suivie réellement par rapport à la terre.

En fait, il faut faire la somme vectorielle de la vitesse propre TAS et du vent Vw pour obtenir la vitesse sol GS. Pas simple du tout à faire en vol, d’autant plus que l’on ne connait pas le vent réel instantané !

 

Dans la pratique, avec les moyens modernes que sont les INS, IRS ou GPS, on est capable de mesurer la vitesse sol GS et la route suivie. Connaissant par ailleurs le cap de l’avion et pouvant calculer la TAS, on est alors capable d’en déduire la direction et la force du vent, tout ceci étant réalisé par les calculateurs.

Si on n’est pas équipé de tels instruments, on ne peut faire que de l’estime à partir des prévisions météo et des mesures de temps de parcours faites en vol… La précision est alors tout à fait relative.

 

Voici une approche à Mexico City ; le terrain est à 7300 ft d’altitude.

Mexico

On voit que pour une IAS de 141 kt, la TAS est de 160 kt soit 15% de plus : ce n’est pas négligeable !

L’altitude actuelle, 8000 ft, y contribue pour 8000 / 600 = 13%, et la température pour les 2 % restants.

Le vent est très faible, 7 kt dans l’axe. La GS, 155 kt, est  inférieure à la TAS de 5 kt seulement, ce qui est certainement dû aux arrondis.

En utilisant la formule vue plus haut, on peut calculer la vitesse verticale en finale sur le plan du G/S de 3° ou 5% :

GS = 155 donc Vz = 155 x 5 = 775 ft/mn

Au niveau de la mer, ce même calcul aurait donné, pour le même vent de 5kt dans l’axe :

GS = 141 – 5 = 136  et donc Vz = 136 x 5 = 680 ft/mn

On voit que l’effet de l’altitude augmente la vitesse verticale de 100 ft/mn (toujours nos 15%), ce qui n’est pas négligeable non plus quand on approche avec de telles vitesses verticales !

 

Le variomètre

Sur le PFD, à droite de l’indication d’altitude, on trouve l’affichage de la vitesse verticale. Cette position n’est pas toujours respectée même si elle est toujours proche de l’altimètre. Arrêtons-nous un instant sur l’instrument qui est chargé de la mesurer : le variomètre.

Variomètre

De par son mode de fonctionnement, le variomètre ne fait pas partie des instruments primaires de pilotage. En effet, sa capsule anéroïde est alimentée par la pression atmosphérique au travers d’un frein qui retarde l’arrivée de l’air et provoque donc une différence de pression momentanée entre l’intérieur et l’extérieur de la capsule.

La valeur s’affiche donc avec un certain retard, c’est en fait un constat à postériori, pas assez réactif pour être un moyen de pilotage.

En pratique, pour entamer une descente à un certain taux par exemple, on effectue une variation d’assiette contrôlée sur l’horizon et ensuite on constate le résultat quand le variomètre stabilise son indication. Et on procédera ensuite de la même façon pour corriger si nécessaire.

Les variomètres modernes disposent d’un correcteur dit « à énergie totale » grâce à un accéléromètre qui améliore la réactivité, mais ce n’est toujours pas parfait et pas très précis.

 

L’INDICATEUR DE CAP

Qu’est-ce que le cap ?

Parlons maintenant du quatrième instrument essentiel au contrôle de l’avion : celui qui permet d’orienter la trajectoire dans le plan horizontal, l’indicateur de cap.

Comme on l’a vu, celui-ci se trouve toujours en dessous de l’horizon artificiel.

Cap

Pour orienter la trajectoire de l’avion, comme dans la marine, on utilise le cap, c’est-à-dire l’angle que forme l’axe de l’avion avec la direction du Pôle Nord. Cet angle est compté, dans le sens horaire à partir du pôle nord, de 0° à 359°.

 

Pour bien s’orienter en vol, il est très utile d’avoir en mémoire la rose des caps, et particulièrement les valeurs qui correspondent à chacun des quatre points cardinaux : 090° pour l’Est, 180° pour le Sud, 270° pour l’Ouest et 360° (ou 000°) pour le Nord.

Rose des caps

Ainsi, si comme indiqué sur l’instrument on vole au cap 038°, ça veut dire que l’on se dirige vers le Nord Est.

 

Comme pour l’assiette, plus la vitesse sera élevée et plus le besoin de précision sera grand.

En effet, pour un seul petit degré d’erreur sur le cap suivi, au bout de 60 Nm, l’erreur sur la trajectoire sera de 1 Nm. Et lorsque que l’on voit l’instrument de la vue précédent, il est difficile de penser que l’on pourra maintenir un cap constant à moins d’un degré près ! Et on ne parle même pas de la précision de la mesure sur la carte ou des effets du vent !!!

Erreur de cap

On calcule facilement que si notre vitesse propre est de 120 kt, cette distance de 60 Nm sera parcourue en 30 minutes. L’erreur est acceptable d’autant plus que les avions qui volent à cette vitesse sont utilisés, le plus souvent, pour faire de la navigation à vue, et que l’on peut donc détecter l’erreur rapidement grâce à des repères au sol.

Pour les avions de ligne qui sont faits pour voler sans visibilité et à grande vitesse, avec une vitesse propre de 480 kt, les mêmes 60 Nm seront franchis en 7 à 8 minutes !

On mesure bien la nécessité d’une grande précision dans la détermination et la tenue du cap à suivre.

 

Lorsque que le cap est mesuré à partir de la direction réelle du Pôle Nord que l’on appelle Nord Vrai, le cap est alors appelé Cap Vrai.

Mais là aussi, la mesure de ce cap vrai directement à bord de l’avion nécessite des INS ou IRS, matériels sophistiqués et coûteux qui ne sont pas présent à bord de tous les avions.

Le compas magnétique

Dans la plupart des avions légers ou anciens, on utilise encore, comme dans la marine, le bon vieux compas magnétique qui détecte, grâce à un aimant, le champ magnétique terrestre pour indiquer un Cap Magnétique.

Compas magnétique

 

Le problème est que ce cap magnétique n’est pas tout à fait égal au cap vrai.

Deux erreurs viennent dégrader la lecture : la première, que l’on appelle la déviation, est due aux masses ferreuses ou aux champs magnétiques présents lorsque tous les équipements de l’avion sont en fonctionnement.

La valeur de cette déviation est, en générale assez faible. Elle est indiquée sur un petit carton, à proximité de l’instrument.

 

La seconde erreur vient du fait que le champ magnétique terrestre n’est pas exactement aligné sur l’axe de la terre. En fait, la mesure s’effectue par rapport à une position proche du Pôle Nord que l’on appelle Pôle Nord Magnétique, ce qui induit une erreur variable suivant la position géographique où l’on se trouve.

Déclinaison magnétique

Cette erreur est appelée Déclinaison magnétique Dm, magnetic variation en anglais. Elle est notée Est ou West suivant la position du pôle magnétique par rapport au pôle nord réel. Sur ce schéma, la Dm est West.

Cette erreur est aussi variable dans le temps car la position de ce pôle magnétique varie légèrement d’une année sur l’autre.

 

Heureusement pour nous, en France en ce moment, la déclinaison magnétique est très faible et donc presque négligeable.

Déclinaison France

Comme on le voit ici, avec 3° W à Brest et 2° E à Bastia (en 2010), la valeur moyenne pour la France est proche de 0°.

Mais ce n’est pas le cas partout dans le monde, et la déclinaison magnétique peut atteindre des valeurs très importantes dans certaines région du globe.

St Pierre

Sur des territoires français un peu plus exotiques comme Saint Pierre et Miquelon par exemple, tout près de Terre Neuve, la déclinaison atteint, cette fois, une valeur que l’on ne peut plus négliger : 20° W !

Et si on remonte un peu plus au nord, sur la côte Est du Canada, on voit  qu’à Iqaluit CYFB, anciennement appelé Frobisher Bay, elle atteint 34° W !

Iqaluit

 

Cela peut avoir une incidence particulière à laquelle il faut être attentif.

Par exemple, voici un METAR de CYFB Iqaluit : METAR CYFB 311300Z 07025G32KT 30SM DRSN VCSH FEW020 BKN110 M12/M16 A2971

On peut le décrypter ainsi : CYFB le 31 à 1300Z, vent du 070° pour 25 kt, rafales à 32 kt, visibilité 30 Statute Miles, chasse-neige basse (drifting snow), averses à proximité, nuages rares à 2000 ft, nuages parsemés à 11000 ft, température -12°C, point de rosée -16°C, QNH 29.71 InHg.

On vient de le voir, l’orientation de la piste est au 350°/170°. Le vent est donc pratiquement plein travers.

CYFB vent 1

En piste 35, ça fait donc un angle au vent de 80°, et donc un vent de travers de 25 kt et une composante de vent de face de 4 kt, ce qui est tout à fait compatible avec les limitations du B737-800 (10 kt AR et 33kt travers avec winglets).

 

Mais, les messages météo type METAR ou TAF indiquent toujours la direction du vent par rapport au NORD VRAI alors que l’orientation des piste est indiquée par rapport au NORD MAGNÉTIQUE !

CYFB vent 2

En tenant compte de la déclinaison magnétique de 34°W, l’angle au vent pour la piste 35 devient alors de 114°, et la composante de vent dans l’axe passe à 11kt AR, donc supérieure à la limitation de 10 kt, tandis que la composante de vent de travers est réduite à 22 kt.

Il faudra donc utiliser impérativement la piste 17.

 

Seules les tours de contrôle indiquent le vent en référence magnétique !

De la même façon, et sauf indication contraire, c’est toujours la référence magnétique qui est utilisée sur les cartes ou par le contrôle aérien lorsqu’il ordonne de suivre un cap.

Carte

Petite exception quand même : sur certaines cartes, on peut trouver, pour une même route, plusieurs valeurs avec des références de nord différentes. Ici, sur la route qui joint Stornoway en Ecosse à Keflavik en Islande, on voit deux valeurs indiquées : 321M pour Rm = 321°, 313T pour Rv = 313°.

On peut donc en déduire que la Dm à Stornoway est de 321 – 313 = 8°W.

 

Mais le compas magnétique présente plusieurs gros inconvénients : ses indications sont instables (turbulence) et sont inutilisables en virage à cause de l’inclinaison latérale. Il a donc fallu trouver un autre système.

Le conservateur de cap

Comme pour l’horizon artificiel, c’est au gyroscope qu’il va être fait appel. Il a la propriété bien intéressante de garder une direction fixe par rapport à l’espace absolu.

Gyro directionnel

Le gyro directionnel ou conservateur de cap est ainsi constitué d’un gyroscope dont l’axe de la toupie est maintenu horizontal.  On va donc obtenir une indication très stable et parfaitement utilisable en virage.

Comme l’horizon artificiel, la toupie peut être entraînée par une turbine pneumatique (vacuum) ou par un moteur électrique.

Conservateur de cap

La lecture se fait sur une échelle de cap fixée directement sur le cadre vertical, ou bien un système d’asservissement  entraîne une rose des caps sur la face avant de l’instrument.

 

Le premier problème d’un tel instrument c’est qu’il ne comporte pas de moyen pour détecter la direction du Nord : il faudra donc caler le gyro directionnel avant toute utilisation.

Ensuite, le gyroscope n’étant pas parfait, le calage initial va se dégrader et donc introduire des erreurs sur la valeur affichée. C’est ce qu’on appelle la précession du gyroscope.

La première cause de précession est mécanique : les frottements divers dans le mécanisme dégradent la fixité du gyroscope.

Ensuite, la terre tournant sur elle-même, si l’axe du gyroscope reste braqué vers une étoile par exemple (espace absolu), il va donc tourner de la même façon que les étoiles semblent tourner dans le ciel : c’est la précession astronomique. Sa valeur dépend de la latitude à laquelle on se trouve, et vaut 15° x sin L. Elles est donc nulle à l’équateur mais maximale aux pôles. Elle fait tourner le Nord du gyro à droite dans l’hémisphère nord et à gauche au sud, et cela même si l’avion reste immobile !

Et si en plus on veut qu’il indique un cap vrai (ou un cap magnétique à déclinaison constante), il faudrait aussi corriger la convergence des méridiens quand on se déplace sur la terre : c’est ce qu’on appelle la précession carte !

Il faudra donc recaler le conservateur de cap très régulièrement, sur le cap du compas magnétique par exemple, ce qui implique donc de disposer des deux instruments pour pouvoir naviguer.

 

Le compas gyromagnétique

On découvre ainsi que les qualités du gyro directionnel correspondent pratiquement aux défauts du compas magnétique et inversement. Il a donc été imaginé, tout naturellement, de combiner les deux pour concevoir le compas gyromagnétique.

Compas gyromagnétique

Dans ce cas, le cap du gyroscope est automatiquement synchronisé avec le cap magnétique. Il n’y a plus besoin de recaler le gyro.

Le capteur magnétique est une vanne de flux, installée le plus souvent en bout d’aile pour l’éloigner des masses ferreuses et des champs magnétiques, qui délivre une information de cap magnétique sous forme électrique et qui va synchroniser le cap gyroscopique au travers d’un coupler compass. C’est le mode SLAVED.

Voici comment ça peut se présenter sur le tableau de bord, ici celui d’un Baron B58.

Baron B58

L’instrument indicateur de cap s’appelle un HSI, Horizontal Situation Indicator : on peut y lire le cap magnétique de l’avion et, en même temps, l’écart par rapport à un radial VOR.

Deux boutons permettent de régler, pour celui de gauche, la course du radial VOR qui va être affiché sur la rose des caps par la flèche jaune (le harpon), et pour celui de droite, un index qui permet d’afficher le cap que l’on veut suivre (pinnule orange). Il n’y a plus de bouton de recalage du gyro puisqu’il est asservi au cap magnétique.

Ici, sur la gauche du tableau de bord, on trouve un RMI, Radio Magnetic Indicator, qui comporte également une indication de cap magnétique issue d’un compas gyromagnétique. De plus, cet instrument permet de visualiser, avec des flèches, les relèvements de différentes balises VOR ou NDB.

Avions équipés d’INS

Sur les avions équipés de systèmes inertiels INS, comme pour l’horizon artificiel, le gyroscope est avantageusement remplacé par des informations de cap issues de ces systèmes.

B747-100

Pour les avions relativement anciens comme le B747-100 présenté ici, les informations de cap magnétiques issues des deux vannes de flux situées en bout d’aile servent à recaler l’information de cap gyroscopique issue de L’INS.

Mais on peut également afficher au HSI, comme c’est le cas ici (index TRUE), un Cap Vrai directement issu de l’INS, le RMI situé juste à gauche restant asservi au Cap Magnétique.

Sur les avions actuels

Sur les avions de ligne actuels, les vannes de flux ont été supprimées, il n’y a plus qu’un seul compas magnétique, le compas de secours !

Les indications de cap magnétiques délivrées aux différents écrans ou instruments sont élaborées à partir du cap vrai mesuré par les IRS auquel on rajoute la déclinaison magnétique enregistrée en base de données.

De plus, la présentation peut varier d’un avion à l’autre, suivant les choix faits par l’exploitant.

B737 en HDG

Ainsi sur cette vue, la rose des caps du Navigation Display ND (écran de droite) indique, en chiffres dans le cadre blanc, le cap magnétique, comme précisé de part et d’autre de la valeur par HDG et MAG.

Le harpon blanc indique toujours la route TRACK, le triangle blanc le cap HDG, et la pinnule magenta le cap sélecté au MCP.

Avec ces éléments, on peut en déduire que l’avion vole au cap magnétique 175 et qu’il suit une route magnétique 168, ce qui fait donc une dérive de 7° Gauche.

 

B737 en TRK

Sur cette autre vue du même avion mais paramétré différemment, on voit que c’est la route magnétique, TRK et MAG, qui est indiquée en valeur chiffrée en haut du ND.

Cette fois, l’avion suit donc une route magnétique 168, et un cap magnétique 166, ce qui fait une dérive de 2° Droite.

Dans les deux cas, avec l’indication du vent et des TAS et GS, on peut reconstituer le fameux triangle des vitesses.

 

Sur d’autres avions, les longs courriers essentiellement, on peut aussi afficher directement les caps vrais en positionnant l’interrupteur adéquat sur HDG TRUE.

B747 en TRUE

Dans ce cas par exemple, pour le B747 PMDG, sur la rose des caps du ND, on va lire TRK et TRU, et donc ici une route vraie 293.


CONCLUSION

C’est ainsi que se termine cette petite étude des principaux instruments de bord qui permettent de gérer la trajectoire des avions.

Espérons qu’elle vous permettra de mieux interpréter les indications, pas toujours évidentes, données par ces différents instruments.

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.