Essai en vol

Les essais en vol sont une branche de l'ingénierie aéronautique qui développe des équipements spécialisés nécessaires pour tester le comportement et les systèmes des avions ou tester la phase atmosphérique des lanceurs et des engins spatiaux réutilisables . Les systèmes d'instrumentation sont développés à l'aide de transducteurs et de systèmes d'acquisition de données propriétaires. Les données sont échantillonnées pendant le vol d'un avion ou les essais atmosphériques des lanceurs et des engins spatiaux réutilisables . Ces données sont validées pour leur exactitude et analysées pour modifier davantage la conception du véhicule pendant le développement ou pour valider la conception du véhicule.

La phase d'essai en vol accomplit deux tâches principales : 1) trouver et résoudre les problèmes de conception , puis 2) vérifier et documenter les capacités du véhicule une fois la conception du véhicule terminée, ou fournir une spécification finale pour la certification gouvernementale ou l'acceptation par le client. La phase d'essai en vol peut aller du test d'un seul nouveau système pour un véhicule existant au développement complet et à la certification d'un nouvel avion, d'un lanceur ou d'un engin spatial réutilisable. Par conséquent, la durée d'un programme d'essai en vol particulier peut varier de quelques semaines à plusieurs années.

Il existe généralement deux catégories de programmes d'essais en vol : commerciaux et militaires. Les essais en vol commerciaux sont effectués pour certifier que l'avion répond à toutes les exigences de sécurité et de performance applicables de l'organisme de certification gouvernemental. Aux États-Unis, il s'agit de la Federal Aviation Administration ( FAA ) ; au Canada, de Transports Canada (TC) ; au Royaume-Uni , de la Civil Aviation Authority ; et dans l'Union européenne , de l' Agence européenne de la sécurité aérienne (AESA). Étant donné que le développement des avions commerciaux est normalement financé par le constructeur de l'avion et/ou des investisseurs privés, l'organisme de certification n'a aucun intérêt dans le succès commercial de l'avion. Ces organismes civils se préoccupent de la sécurité de l'avion et de la précision du manuel de vol du pilote concernant les performances de l'avion. Le marché déterminera l'adéquation de l'avion aux opérateurs. Normalement, l'organisme de certification civil n'intervient pas dans les essais en vol tant que le constructeur n'a pas détecté et résolu les problèmes de développement et n'est pas prêt à demander la certification.

Les programmes militaires diffèrent des programmes commerciaux en ce sens que le gouvernement conclut un contrat avec le constructeur d'avions pour concevoir et construire un avion répondant à des capacités de mission spécifiques. Ces exigences de performance sont documentées au constructeur dans la spécification de l'avion et les détails du programme d'essais en vol (parmi de nombreuses autres exigences du programme) sont précisés dans l'énoncé des travaux. Dans ce cas, le gouvernement est le client et a un intérêt direct dans la capacité de l'avion à effectuer la mission. Étant donné que le gouvernement finance le programme, il est davantage impliqué dans la conception et les essais de l'avion dès le début. Souvent, les pilotes d'essai et les ingénieurs militaires sont intégrés à l'équipe d'essais en vol du constructeur, même avant le premier vol. La phase finale des essais en vol d'un avion militaire est le test opérationnel (OT). Le OT est mené par une équipe d'essai exclusivement gouvernementale avec pour mandat de certifier que l'avion est adapté et efficace pour mener à bien la mission prévue.

Les essais en vol des avions militaires sont souvent effectués dans des installations d'essais en vol militaires. La marine américaine teste des avions à la base aéronavale de Patuxent River et l' armée de l'air américaine à la base aérienne d'Edwards . L' école de pilotes d'essai de l'armée de l'air américaine et l' école de pilotes d'essai de la marine américaine sont les programmes conçus pour former le personnel d'essai militaire. Au Royaume-Uni, la plupart des essais en vol militaires sont effectués par trois organisations, la RAF , BAE Systems et QinetiQ . Pour les mises à niveau mineures, les essais peuvent être effectués par l'une de ces trois organisations de manière isolée, mais les programmes majeurs sont normalement menés par une équipe d'essais conjointe (JTT), les trois organisations travaillant ensemble sous l'égide d'une équipe de projet intégrée (IPT) airspace.

Tous les lanceurs , ainsi que quelques engins spatiaux réutilisables, doivent nécessairement être conçus pour supporter les charges de vol aérodynamiques tout en se déplaçant dans l'atmosphère.

De nombreux lanceurs sont testés en vol, avec une collecte et une analyse de données plus poussées sur les premiers lancements orbitaux d'une conception particulière de lanceur. Les programmes de test de vaisseaux spatiaux réutilisables ou de propulseurs réutilisables sont beaucoup plus complexes et suivent généralement le paradigme d'expansion de l'enveloppe complète des tests d'avions traditionnels. Les programmes de test antérieurs et actuels comprennent les premiers tests de largage de la navette spatiale , du X-24B , du SpaceShipTwo , du Dream Chaser , des prototypes Falcon 9 , OK-GLI et des prototypes de SpaceX Starship .

Les essais en vol, généralement considérés comme des vols non générateurs de revenus, bien que SpaceX ait également effectué des essais en vol approfondis sur la phase post-mission d'un vol de rappel de rappel lors de lancements commerciaux, peuvent être soumis au risque statistiquement plus élevé d'accidents ou d'incidents graves de ces derniers. Cela est principalement dû aux inconnues liées aux caractéristiques de maniabilité d'un nouvel avion ou d'un nouveau lanceur et à l'absence de procédures d'exploitation établies, et peut être exacerbé si la formation du pilote d'essai ou l'expérience de l'équipage de conduite font défaut Pour cette raison, les essais en vol sont soigneusement planifiés en trois phases : préparation ; exécution ; et analyse et rapport.

Pour les avions commerciaux et militaires, ainsi que pour les lanceurs, la préparation des essais en vol commence bien avant que le véhicule d'essai ne soit prêt à voler. Il faut d'abord définir ce qui doit être testé, à partir duquel les ingénieurs d'essais en vol préparent le plan d'essai, qui consiste essentiellement en certaines manœuvres à effectuer (ou systèmes à exercer). Chaque essai est appelé point d'essai. Un programme complet d'essais en vol de certification/qualification pour un nouvel avion nécessitera des essais pour de nombreux systèmes d'avion et régimes de vol ; chacun est généralement documenté dans un plan d'essai distinct. Au total, un programme d'essais en vol de certification comprendra environ 10 000 points d'essai.

Le document utilisé pour préparer un seul vol d'essai pour un avion est connu sous le nom de fiche de test. Il consistera en une description des points de test à effectuer. L'ingénieur d'essai en vol essaiera de faire voler des points de test similaires de tous les plans de test sur les mêmes vols, lorsque cela est possible. Cela permet d'acquérir les données requises en un nombre minimum d'heures de vol. Le logiciel utilisé pour contrôler le processus d'essai en vol est connu sous le nom de logiciel de gestion des essais en vol et aide l'ingénieur d'essai en vol à planifier les points de test à effectuer ainsi qu'à générer la documentation requise.

Une fois les données requises pour les essais en vol établies, l'avion ou le lanceur est équipé d'un système d'acquisition de données (DAS) ou d'une unité d'acquisition de données (DAU) et de capteurs pour enregistrer ces données à des fins d'analyse. Les paramètres d'instrumentation typiques enregistrés lors d'un essai en vol pour un gros avion sont les suivants :

• Pression et température atmosphériques (statiques) ;
• Pression et température dynamiques (« totales ») , mesurées à différentes positions autour du fuselage ;
• Charges structurelles dans les ailes et le fuselage, y compris les niveaux de vibration ;
• Attitude de l'avion, angle d'attaque et angle de dérapage ;
• Accélérations dans les six degrés de liberté , mesurées avec des accéléromètres à différentes positions de l'avion ;
• Niveaux de bruit (intérieur et extérieur) ;
• Température intérieure (dans la cabine et les compartiments de chargement) ;
• Déviation des commandes de l'avion (manche/joug, pédale de direction et position de la manette des gaz) ;
• Paramètres de performance du moteur (pression et température à différents stades, poussée, taux de combustion de carburant).

Des instruments d'étalonnage spécifiques, dont le comportement a été déterminé à partir de tests antérieurs, pourront être embarqués à bord pour compléter les sondes embarquées de l'avion.

Pendant le vol, ces paramètres sont ensuite utilisés pour calculer les paramètres de performance pertinents de l'avion, tels que la vitesse, l'altitude, le poids et la position du centre de gravité.

Lors de certaines phases d'essais en vol, notamment au début du développement d'un nouvel avion, de nombreux paramètres sont transmis au sol pendant le vol et surveillés par les ingénieurs d'essais en vol et de support aux essais, ou stockés pour une analyse ultérieure des données. Cela permet de surveiller la sécurité et d'analyser les données acquises en temps réel et en simulation complète.

Une fois l'avion ou le lanceur entièrement assemblé et instrumenté, de nombreuses heures d'essais au sol sont réalisées. Cela permet d'explorer de nombreux aspects : le fonctionnement de base de l'avion, les commandes de vol , les performances du moteur, l'évaluation de la stabilité des systèmes dynamiques et donne un premier aperçu des charges structurelles. Le véhicule peut alors procéder à son vol inaugural , une étape majeure dans tout programme de développement d'avion ou de lanceur.

Un programme d’essais en vol comporte plusieurs aspects, parmi lesquels :

• Qualités de maniabilité , qui évaluent la contrôlabilité de l'avion et sa réponse aux actions du pilote sur toute la plage de vol ;
• Les tests de performance évaluent les avions par rapport à leurs capacités projetées, telles que la vitesse, l'autonomie, la puissance disponible, la traînée, les caractéristiques du flux d'air, etc.
• Stabilité aéroélastique/flottante, évalue la réponse dynamique des commandes et de la structure de l'avion aux charges aérodynamiques (c'est-à-dire induites par l'air) ;
• Les tests avioniques/systèmes vérifient que tous les systèmes électroniques (navigation, communications, radars, capteurs, etc.) fonctionnent comme prévu ;
• Les charges structurelles mesurent les contraintes sur la cellule, les composants dynamiques et les commandes pour vérifier l'intégrité structurelle dans tous les régimes de vol.

Les tests spécifiques aux avions militaires comprennent :

• Livraison d'armes, qui examine la capacité du pilote à acquérir la cible à l'aide des systèmes embarqués et à livrer avec précision les munitions sur la cible ;
• Une évaluation de la séparation des munitions lorsqu’elles quittent l’avion pour s’assurer qu’il n’y a pas de problèmes de sécurité ;
• ravitaillement en vol ;
• Mesure de signature radar/infrarouge ;
• Opérations sur porte-avions .

Les situations d'urgence sont évaluées dans le cadre normal de tout programme d'essais en vol. En voici quelques exemples : panne moteur au cours des différentes phases du vol (décollage, croisière, atterrissage), pannes de systèmes et dégradation des commandes. L'enveloppe opérationnelle globale (poids bruts autorisés, centres de gravité, altitude, vitesses maximales/minimales, manœuvres, etc.) est établie et vérifiée pendant les essais en vol. Les aéronefs sont toujours jugés sûrs au-delà des limites autorisées pour les opérations normales dans le manuel de vol.

L'objectif premier d'un programme d'essais en vol étant de recueillir des données techniques précises, souvent sur une conception qui n'est pas entièrement éprouvée, le pilotage d'un avion d'essais en vol nécessite un niveau élevé de formation et de compétence. De ce fait, ces programmes sont généralement exécutés par un pilote d'essai spécialement formé , les données sont recueillies par un ingénieur d'essais en vol et souvent affichées visuellement au pilote d'essai et/ou à l'ingénieur d'essais en vol à l'aide d'instruments d'essais en vol .

Il comprend l'analyse d'un vol pour la certification. Il analyse la partie interne et externe du vol en vérifiant toutes ses parties minutieuses. Le rapport comprend le résultat des données analysées.

Introduction Aircraft Performance a diverses missions telles que le décollage , la montée , la croisière , l'accélération , la décélération , la descente , l'atterrissage et d'autres manœuvres de base du chasseur , etc.

Après les essais en vol, l'avion doit être certifié conformément à leurs réglementations telles que le FAR de la FAA , les spécifications de certification (CS) de l'EASA et la conformité et les exigences du personnel aérien de l'Inde .

1. Évaluation et documentation des performances de vol

• Le traitement des données de vol comprend le filtrage, la correction des biais et la résolution le long de la trajectoire de vol ( trajectoire ).
• Analyse des segments de mission à partir des données d'essais en vol.
• Estimation de la poussée à l'aide du Performance Cycle Deck (PCD).
• Calcul de la poussée en vol à l'aide du In-Flight Thrust Deck (IFTD).
• Documentation des performances de vol avec des procédures standard.
• Validation et mise à jour du modèle de performance de l'avion.

2. Réduction des performances de vol aux conditions standard

• Estimation du modèle de performance des aéronefs dans des conditions atmosphériques standard internationales (ISA).
• Les conditions non standard (testées) sont étudiées en incorporant individuellement la masse standard, l'altitude, la vitesse et le réglage de l'accélérateur .
• Les effets individuels sont ajoutés aux conditions testées (non standard) pour obtenir les performances dans les conditions d'atmosphère standard internationales pour la certification .
• Pour le décollage et l'atterrissage , l'effet du vent est également pris en compte.

3. Préparation et validation des graphiques de performance pour le manuel des données d'exploitation (ODM)

Les graphiques de performances permettent à un pilote de prédire les performances de décollage, de montée, de croisière et d'atterrissage d'un avion. Ces graphiques, fournis par le fabricant, sont inclus dans le manuel de vol de l'avion (AFM) et le manuel d'utilisation de l'avion (POH). Les informations fournies par le fabricant sur ces graphiques ont été recueillies à partir de vols d'essai effectués sur un nouvel avion, dans des conditions de fonctionnement normales, avec des compétences de pilotage moyennes et avec l'avion et le moteur en bon état de fonctionnement. Les ingénieurs enregistrent les données de vol et créent des graphiques de performances basés sur le comportement de l'avion pendant les vols d'essai. En utilisant ces graphiques de performances, un pilote peut déterminer la longueur de piste nécessaire pour décoller et atterrir, la quantité de carburant à utiliser pendant le vol et le temps nécessaire pour arriver à destination. Les données des graphiques ne seront pas exactes si l'avion n'est pas en bon état de fonctionnement ou s'il fonctionne dans des conditions défavorables. Tenez toujours compte de la nécessité de compenser les chiffres de performances si l'avion n'est pas en bon état de fonctionnement ou si les compétences de pilotage sont inférieures à la moyenne. Chaque avion fonctionne différemment et, par conséquent, ses chiffres de performances sont différents. Calculez les performances de l'avion avant chaque vol, car chaque vol est différent.

Chaque carte est basée sur certaines conditions et contient des notes sur la façon d'adapter les informations aux conditions de vol. Il est important de lire chaque carte et de comprendre comment l'utiliser. Lisez les instructions fournies par le fabricant. Pour une explication sur la façon d'utiliser les cartes, reportez-vous à l'exemple fourni par le fabricant pour cette carte spécifique.

Les informations fournies par les fabricants ne sont pas normalisées. Les informations peuvent être présentées sous forme de tableau, et d'autres sous forme de graphique. Parfois, les graphiques combinés incorporent deux ou plusieurs graphiques dans un seul graphique pour compenser les multiples conditions de vol. Les graphiques combinés permettent au pilote de prédire les performances de l'avion en fonction des variations d'altitude-densité, de poids et de vent sur un seul graphique. En raison de la grande quantité d'informations pouvant être extraites de ce type de graphique, il est important d'être très précis dans la lecture du graphique. Une petite erreur au début peut entraîner une erreur importante à la fin.

Le reste de cette section couvre les informations sur les performances des avions en général et décrit les informations contenues dans les graphiques et la manière d'extraire ces informations par des méthodes de lecture directe et d'interpolation. Chaque graphique contient une multitude d'informations qui doivent être utilisées lors de la planification d'un vol. Des exemples de formats de tableau, de graphique et de graphique combiné pour tous les aspects du vol seront abordés.

Interpolation Les informations des cartes ne sont pas toutes faciles à extraire. Certaines cartes nécessitent une interpolation pour trouver les informations relatives à des conditions de vol spécifiques. L'interpolation des informations signifie qu'en prenant les informations connues, un pilote peut calculer des informations intermédiaires. Cependant, les pilotes arrondissent parfois les valeurs des cartes à un chiffre plus conservateur. L'utilisation de valeurs reflétant des conditions légèrement plus défavorables fournit une estimation raisonnable des informations sur les performances et offre une légère marge de sécurité. L'illustration suivante est un exemple d'interpolation d'informations à partir d'une carte de distances de décollage :

• Estimation de modèles pour une large gamme de conditions atmosphériques, de paramètres de vol et de moteur.
• Préparation et validation de graphiques et de tableaux à partir d'estimation de modèles pour prédire les performances de l'avion.
• Cela permettra au pilote d’opérer efficacement et en toute sécurité et de faire des comparaisons de performances.

La composition de l'équipe d'essais en vol varie en fonction de l'organisation et de la complexité du programme d'essais en vol. Cependant, certains acteurs clés font généralement partie de toutes les organisations d'essais en vol. Le chef d'une équipe d'essais en vol est généralement un ingénieur d'essais en vol (ETP) ou éventuellement un pilote d'essai expérimental . D'autres ETP ou pilotes peuvent également être impliqués. Les autres membres de l'équipe seraient l'ingénieur d'instrumentation d'essais en vol, les techniciens des systèmes d'instrumentation, le service de maintenance des aéronefs (mécaniciens, techniciens électriciens, techniciens avioniques, etc.), les inspecteurs de l'assurance qualité/produit, le personnel du centre informatique/de données au sol, ainsi que le soutien logistique et administratif. Des ingénieurs de diverses autres disciplines prendraient en charge les tests de leurs systèmes particuliers et analyseraient les données acquises pour leur domaine de spécialité.

Étant donné que de nombreux programmes de développement d'avions sont sponsorisés par les services militaires gouvernementaux, des pilotes et ingénieurs civils employés par l'armée ou le gouvernement sont souvent intégrés à l'équipe d'essais en vol. Les représentants du gouvernement assurent la supervision du programme et examinent et approuvent les données. Les pilotes d'essai du gouvernement peuvent également participer aux vols d'essai réels, peut-être même au premier vol .