Brevet FR2907541A1 — publié le 20080425

Procédé de gestion automatique de la vitesse d'un aéronef en air turbulent et dispositif pour sa mise en oeuvre L'invention concerne l'aide à la navigation d'un aéronef et plus particulièrement, la gestion de sa vitesse lorsqu'une turbulence est rencontrée. La sécurité des vols est la première priorité des compagnies aériennes, suivie du confort et du coût d'exploitation en vol. Des incidents peuvent survenir lorsque des turbulences sont observées en vol. Les conséquences vont du simple inconfort jusqu'à la perte de contrôle de l'appareil. Les turbulences peuvent avoir diverses origines : des turbulences de sillage, des turbulences convectives, des turbulences de ciel clair (ou selon l'expression anglo-saxonne Clear Air Turbulences CAT) ou des cisaillements de vents, connus sous le vocable anglo-saxon windshear. Les turbulences de sillage, connues sous le vocable anglo-saxon wake vortices, sont redoutées lorsqu'un avion plus léger que son prédécesseur se rapproche trop de celui-ci et que le vent ne dissipe pas rapidement ces rouleaux de vent. Cela arrive particulièrement au décollage et à l'atterrissage en raison de la piste qui renforce les effets dangereux. Les turbulences convectives sont liées aux cisaillements entre les mouvements descendants et ascendants dans les masses nuageuses cumuliformes traversées telles que les cumulonimbus et les cumulus en tour (appelé communément tower-cumulus). Elles sont localisées (dans et sous les nuages) et parfois difficilement prévisibles. Cependant, on peut arriver à les anticiper selon le contexte météorologique et on applique alors par anticipation la vitesse adaptée. Les turbulences de ciel clair sont dues à l'énergie du flux moyen de vent à haute altitude ou à la transition entre deux masses d'air de vitesse différentes comme à l'abord des jet-streams. Les jet-streams sont des courants de vent de faible épaisseur et de largeur moyenne, quelques dizaines de kilomètres, ondulant à grande vitesse autour de la terre en haute altitude. En général rencontrées en croisière, les turbulences de ciel clair sont les plus dangereuses car on ne les détecte pas. Il arrive parfois que des 2907541 2 personnes non attachées tels que des PNC (Personnel Navigant Commercial) soient grièvement blessés. Les cisaillements de vent ou windshear sont liés à des variations brutales ou à des inversions de vent rencontrées aux approches de certains 5 aéroports dans certaines conditions météo ou bien à des variations rapides rencontrées aux abords ou dans les traversées de jet-streams. Ce type de turbulence induit des gradients de vent qui peuvent tout simplement faire décrocher l'avion. De façon générale, les turbulences rendent inconfortable le vol. Il 10 est nécessaire de réduire la vitesse de l'avion à une vitesse dite de turbulence afin, d'une part, d'atténuer les vibrations de l'avion que n'apprécient pas les passagers et, d'autre part, d'éviter une fragilisation ou parfois une rupture de structure. En outre, les turbulences peuvent aussi rendre inconfortable le pilotage (taper sur un clavier n'est pas aisé) et 15 conduire à désengager un système de pilotage automatique qui n'apporte dès lors plus son aide. De manière générale, la vitesse d'un aéronef est anticipée et gérée par un système désigné par la terminologie anglo-saxonne Flight Management System que l'on appellera FMS par la suite. En particulier, 20 lorsque le FMS est en mode speed auto selon la terminologie anglo-saxonne, la vitesse est gérée par le FMS qui est alors capable de calculer des prédictions notamment sur le temps de vol jusqu'à l'arrivée et la consommation de carburant. A contrario, lorsque le FMS est en mode speed selected selon la terminologie anglo-saxonne, la vitesse est 25 imposée par le pilote. En mode speed auto , pour réguler la vitesse, le FMS adresse une consigne de vitesse au pilote automatique. Une fonctionnalité du pilote automatique, appelée auto-poussée, permet alors d'ajuster la poussée des moteurs pour respecter la consigne de vitesse demandée par le FMS. Cependant, ce système n'est pas adapté en air 30 turbulent. Les nombreuses rafales de vent conduisent l'auto-poussée à effectuer en permanence des ajustements de poussée pour respecter la consigne de vitesse. Ce phénomène a pour effet d'augmenter la consommation de carburant et d'user prématurément les pièces des moteurs. 2907541 3 Une solution consiste donc pour le pilote à désactiver le pilote automatique. Le pilote a alors à sa charge la définition de la poussée nécessaire pour respecter la vitesse de turbulence. La poussée est déterminée par une table fournie par le constructeur de l'aéronef. Cette 5 solution ne donne pas entière satisfaction car cette manoeuvre est entièrement manuelle et elle accroît la charge de travail du pilote. De plus, lorsque le FMS n'est plus en speed auto , ses prédictions ne sont plus aussi précises et cela handicape fortement la précision du vol surtout lorsqu'il est soumis à une contrainte de temps à l'arrivée. o En effet, en mode speed selected , les prédictions sont basées sur la vitesse maintenue jusqu'au prochain point de passage présentant une contrainte de vitesse, où le pilote est susceptible de revenir en mode auto. Au-delà de ce point, elles sont basées sur la vitesse ECON (pour économique). La vitesse ECON est une vitesse optimale tenant compte à la 15 fois de l'optimum économique défini par la politique commerciale de la compagnie, et la ou les contraintes de vitesse ou de temps qui peuvent impacter les résultats. II s'agit d'un compromis entre le coût de la durée du vol et le coût de la consommation de carburant. En phase de croisière les points de passages présentant des contraintes de vitesse sont très espacés, 20 typiquement plusieurs dizaines de milles nautiques (dont le symbole usuel est Nm). Cependant les turbulences sont souvent très localisées et la distance effective de vol avec la vitesse de turbulence sera alors très inférieure à la distance estimée par le calcul de la prédiction. Ce phénomène affecte grandement la précision des prédictions. 25 L'invention vise à pallier les problèmes cités précédemment en proposant un procédé permettant de calculer une vitesse de turbulence optimale et qui simplifie et automatise la gestion de la vitesse lorsqu'une turbulence est rencontrée. Le procédé selon l'invention permet ainsi de 30 réduire la charge de travail du pilote et de garder les automatismes du FMS ainsi que les prédictions associées durant la turbulence. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent comprenant notamment la détermination de la vitesse courante Vc, d'une vitesse de turbulence optimale 2907541 4 Vt, d'une valeur de poussée courante P, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : l'acquisition des données relatives à une turbulence, la détermination d'une vitesse de turbulence optimale, la mesure d'un écart A entre la vitesse courante Vc et la vitesse de turbulence Vt, la comparaison entre l'écart A et une valeur d'écart maximum Amax, l'itération k fois des trois étapes précédentes, pour déterminer si l'écart A est supérieur à l'écart maximum Amax pour la kième fois consécutive, et le réajustement de la poussée courante P de façon à ramener l'écart A à une valeur inférieure à celle de l'écart maximum Amax et à faire converger la vitesse courante Vc vers la vitesse de turbulence Vt. Avantageusement, l'étape de réajustement de la poussée courante se fait par pas progressif. 20 Avantageusement, les données relatives à une turbulence comprennent l'altitude et l'intensité de la turbulence. Avantageusement, la vitesse de turbulence optimale est calculée en fonction de l'altitude et de la masse de l'aéronef. Avantageusement, la vitesse de turbulence optimale est égale à une valeur fournie par le constructeur. Avantageusement, la vitesse de turbulence optimale est 30 déterminée manuellement par le pilote de manière à se substituer temporairement à la valeur calculée. Avantageusement, le procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon l'invention comprend la détermination 5 10 15 25 2907541 5 automatique de la vitesse de turbulence optimale après arrêt de la détermination manuelle par le pilote, de ladite vitesse. Avantageusement, le procédé de gestion automatique du vol d'un 5 aéronef en air turbulent selon l'invention comporte en outre une étape de prédiction de paramètres tels que la consommation de carburant et la durée de vol, à partir de la vitesse courante convergente vers la vitesse de turbulence, ladite vitesse de turbulence étant suppposée maintenue automatiquement à des fins de prédictions pendant une durée estimée de o turbulence. Avantageusement, si les conditions de turbulence ne sont pas terminées après cette durée écoulée, et si le pilote n'a pas dégagé le mode turbulence, les prédictions supposent que la vitesse de turbulence est 15 prolongée pendant une nouvelle durée et ainsi de suite sans que cela ne puisse excéder la fin de la phase de croisière, c'est à dire jusqu'au début de la phase de descente. L'invention a aussi pour objet un dispositif d'aide à la navigation 20 en air turbulent disposant d'une interface homme-machine comprenant un moyen d'affichage et des boutons de commande disposés de part et d'autre dudit moyen d'affichage et caractérisé en ce que ladite interface homme-machine comporte des moyens dédiés à l'activation du mode turbulence. 25 Avantageusement, le dispositif d'aide à la navigation en air turbulent selon l'invention comporte en outre des moyens pour afficher un message signalant l'activation ou la désactivation du mode turbulence. Avantageusement, l'interface homme-machine comporte en outre 3o des moyens dédiés à la désactivation du mode turbulence. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée et à l'aide des figures parmi lesquelles : 2907541 La figure 1 représente une architecture d'un FMS selon l'art connu. La figure 2 représente un exemple d'affichage de l'indication de la vitesse courante de l'aéronef respectant une plage de vitesses de 5 turbulence, utilisé dans l'invention. La figure 3 représente un exemple d'affichage de l'indication de la vitesse courante de l'aéronef ne respectant pas une plage de vitesses de turbulence, utilisé dans l'invention. La figure 4 représente un premier exemple d'affichage de 10 l'interface homme-machine du FMS lorsque le procédé selon l'invention est activé. La figure 5 représente un second exemple d'affichage de l'interface homme-machine du FMS lorsque le procédé selon l'invention est activé. 15 De manière générale, une architecture de FMS, illustrée en figure 20 1, comprend un ensemble de fonctions et un ensemble de base de données telles que la surveillance du contexte 108, le guidage 106, les prédictions 104 notamment sur le temps de vol et la consommation de carburant, le plan de vol 101 consitué d'une suite de points et de segments les reliant, le calcul de la trajectoire 102 établi à partir des éléments du plan de vol et des 25 consignes de suivi du plan de vol et la localisation 107. L'ensemble des bases de données comprend notamment une base de données de navigation 103 et une base de données de performances 105 contenant diverses caractéristiques et limites de l'aéronef. Le FMS est interfacé avec un pilote automatique 109, des 30 capteurs 110 pour la localisation, une liaison radio (numérique ou analogique) 111 avec d'autres avions ou avec le contrôle aérien leur permettant d'échanger des informations notamment sur leur position (longitude, latitude, altitude) et sur leur vitesse ou encore directement relatives aux turbulences, ainsi qu'un radar météo 112. Le FMS peut être 2907541 7 contrôlé par une interface homme-machine 113 comprenant notamment des écrans et des claviers. Un exemple de réalisation du procédé selon l'invention dans l'architecture présentée permet de maintenir la relation entre les fonctions de 5 pilote automatique 109 et de guidage 106 du FMS en cas de turbulence. Ce qui n'est pas le cas actuellement. Le procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon l'invention comprenant notamment la détermination de la 10 vitesse courante Vc, d'une vitesse de turbulence optimale Vt, d'une valeur de poussée courante P comporte en outre les étapes suivantes : l'acquisition des données relatives à une turbulence, ces données peuvent être récupérées par la liaison radio 111 mentionnée précédemment. 15 la détermination d'une vitesse de turbulence optimale, qui peut être déterminée de plusieurs façons. Elle peut être calculée en fonction de l'altitude et de la masse de l'aéronef à partir d'une base de données de performance. Elle peut être égale à une valeur par défaut fournie par le 20 constructeur. Enfin, elle peut être déterminée manuellement par le pilote. la mesure d'un écart A entre la vitesse courante Vc et la vitesse de turbulence Vt, la comparaison entre l'écart A et une valeur d'écart maximum 25 Amax, on tolère un écart maximum Amax entre la vitesse courante Vc et la vitesse de turbulence Vt. Si l'écart A n'est pas significatif, c'est à dire si A REVENDICATIONS 1. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent comprenant notamment la détermination de la vitesse courante (Vs), d'une vitesse de turbulence optimale (Vt), d'une valeur de poussée courante (P), caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes : l'acquisition des données relatives à une turbulence, la détermination d'une vitesse de turbulence optimale, la mesure d'un écart (A) entre la vitesse courante (Vc) et la vitesse de turbulence (Vt), la comparaison entre l'écart (A) et une valeur d'écart maximum (Amax), l'itération k fois des trois étapes précédentes, pour déterminer si l'écart (A) -est supérieur à l'écart maximum (Amax) pour la k1ème fois consécutive, et le réajustement de la poussée courante (P) de façon à ramener l'écart (A) à une valeur inférieure à celle de l'écart maximum (Amax) et à faire converger la vitesse courante (Vc) vers la vitesse de turbulence (Vt). 2. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air 20 turbulent selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de réajustement de la poussée courante se fait par pas progressif. 3. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les données 25 relatives à une turbulence comprennent l'altitude et l'intensité de la turbulence. 4. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse 30 de turbulence optimale est calculée en fonction de l'altitude et de la masse de l'aéronef. 10 15 2907541 5. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse de turbulence optimale est égale à une valeur fournie par le constructeur. 5 6. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse de turbulence optimale est déterminée manuellement par le pilote de manière à se substituer temporairement à la valeur calculée. 7. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend la détermination automatique de la vitesse de turbulence optimale après arrêt de la détermination manuelle par le pilote, de ladite vitesse. 15 8. Procédé de gestion automatique du vol d'un aéronef en air turbulent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de prédiction de paramètres tels que la consommation de carburant et la durée de vol, à partir de la vitesse courante convergente vers la vitesse de turbulence, ladite vitesse de turbulence étant 20 supposée maintenue automatiquement à des fins de prédictions pendant une durée estimée de turbulence. 9. Dispositif d'aide à la navigation en air turbulent mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 8, disposant d'une 25 interface homme-machine comprenant un moyen d'affichage (401) et des boutons de commande disposés de part et d'autre dudit moyen d'affichage (401) caractérisé en ce ladite interface homme-machine comporte des moyens dédiés à l'activation du mode turbulence. 30 10. Dispositif d'aide à la navigation en air turbulent selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour afficher un message signalant l'activation du mode turbulence. 11. Dispositif d'aide à la navigation en air turbulent selon les 35 revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'interface homme- machine 2907541 15 comporte en outre des moyens dédiés à la désactivation du mode turbulence.