Brevet FR2980610A1 — publié le 20130329

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de prédiction de la consommation de carburant sur un aéronef, pour un vol le long d'un plan de vol prédéterminé. On sait qu'un aéronef tel qu'un avion de transport comporte, généralement, des moyens qui sont intégrés de façon usuelle dans un système de gestion de vol, de type FMS (« Flight Management System » en anglais), et qui sont destinés à réaliser une prédiction de la consommation de carburant de l'aéronef pour tout le vol envisagé, le long d'un plan de vol donné. Pour ce faire, ces moyens utilisent des données de performance de l'aéronef, couplées avec les algorithmes de guidage qui interviendront durant le vol. Pour chaque type de manoeuvre en vol, il existe différentes manières de guider l'aéronef, pour lesquelles sont utilisées des méthodes différentes de calcul de la consommation de carburant. D'une manière générale, le guidage est décomposé en deux grands axes, à savoir latéral et vertical. Le guidage vertical nécessite trois composantes interdépendantes : la poussée des moteurs, la vitesse et la trajectoire verticale (seules deux d'entre elles peuvent être fixées en même temps, la troisième étant une résultante des deux autres). Les moyens précités, et notamment ledit système de gestion de vol, réalisent la prédiction de consommation de carburant, en se basant sur les ordres de guidage prédits tout au long du vol. La composante verticale du plan de vol de descente comprend une trajectoire verticale (ou profil vertical) et un profil de vitesse. Ce plan de vol vertical est construit de manière à satisfaire, entre autres, des contraintes de circulation aérienne en termes d'altitude et de vitesse, ainsi que des contraintes que l'équipage peut ajouter. En descente, entre deux contraintes d'altitude, le système de gestion de vol définit une trajectoire déterministe rectiligne, appelée « segment géométrique ». La trajectoire verticale devient donc un ordre de guidage pour ce type de segment. Le profil de vitesse sur ces segments est, en outre, construit de manière à faire voler l'aéronef à vitesse constante dans la mesure du possible (respect des contraintes). La prédiction de consommation de carburant qui en résulte fait l'hypothèse d'un guidage en trajectoire et vitesse, et calcule donc une poussée résultante. Cependant, il existe certaines situations pour lesquelles le système de gestion de vol considère qu'un segment n'est physiquement pas volable par l'aéronef en raison de ses capacités de descente. Dans de telles situations, pour la prédiction de consommation de carburant, le système fait l'hypothèse que l'équipage devra ajouter de la traînée sur l'aéronef (par exemple via les aérofreins). La traînée supplémentaire utilisée par le système est une composante ajoutée à la traînée naturelle de l'aéronef. Cette traînée supplémentaire permet à l'aéronef de voler suivant la pente imposée par les contraintes, mais augmente significativement la consommation de carburant. Cependant, pour le calcul de la consommation de carburant le long de ce type de segment, le système ne pouvant pas prédire le comportement du pilote dans cette situation, il fait l'hypothèse la plus conservatrice : la composante de traînée est ajoutée en totalité et pour tout le segment. Cette hypothèse peut s'avérer trop conservatrice et prédire une consommation trop importante par rapport à la réalité, obligeant ainsi l'équipage à embarquer plus de carburant que nécessaire en pratique. Une telle méthode usuelle de prédiction du carburant est donc préjudiciable à l'opérateur de l'aéronef. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un procédé de prédiction de la consommation de carburant sur un aéronef, pour un vol le long d'un plan de vol prédéterminé, procédé qui réalise une prédiction de la consommation de carburant, dont la précision (relativement à la consommation réelle) est accrue pour au moins une phase de descente du plan de vol. A cet effet, selon l'invention, ledit procédé est remarquable en ce que, pour au moins une phase de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol, comprenant au moins un segment (segment géométrique ou sous-segment) précisé ci-dessous : a) on vérifie si l'aéronef nécessite une traînée supplémentaire pour pouvoir voler suivant ce segment en respectant des contraintes prédéterminées en fonction de ses performances ; et b) si une traînée supplémentaire est nécessaire pour ce segment : b1) on détermine une poussée des moteurs qui est nécessaire pour respecter lesdites contraintes prédéterminées, en considérant que lesdits moteurs sont réglés à une poussée minimale sur ce segment ; et b2) à partir de la poussée déterminée à l'étape b1), on calcule la consommation de carburant pour ce segment. Avantageusement, lorsque la phase de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol comprend une pluralité de segments successifs, on met en oeuvre lesdites étapes a) et b) de façon répétitive pour chacun desdits segments successifs. Ainsi, grâce à l'invention, en considérant que les moteurs de l'aéronef sont réglés à une poussée minimale sur tout segment de phase de descente nécessitant une traînée supplémentaire, on améliore la précision de la prédiction de manière à obtenir une prédiction qui indique une quantité de carburant qui est proche de la quantité de carburant qui sera effectivement consommée. Ceci évite d'embarquer une quantité trop importante de carburant et permet de remédier aux inconvénients correspondants, notamment en termes de masse. Chaque segment de type rectiligne, considéré dans la présente invention et précisé ci-dessous, peut être caractérisé par une pente. Les performances de l'aéronef permettent ou non de voler le long de ce segment de droite avec les conditions de vitesse considérées. Si la pente est trop forte pour que l'aéronef tienne les conditions de vitesse (il accélère ou ne décélère pas assez le long de la pente), alors on considère ce segment comme nécessitant une traînée supplémentaire, générée généralement par des aérofreins. Le procédé conforme à la présente invention permet donc d'affiner la prédiction pour des phases de descente du plan de vol, et plus précisément pour des segments des phases de descente qui nécessitent une traînée supplémentaire. Pour les autres parties du plan de vol, la prédiction est réalisée de façon usuelle. Aussi, selon l'invention, on ajoute la consommation de carburant déterminée à l'étape b2) (pour les phases considérées), à la consommation de carburant calculée (de façon usuelle) pour le reste du plan de vol de manière à obtenir la consommation totale de carburant pour tout le vol. De préférence, on réalise la prédiction de la consommation de carburant avant le vol pour déterminer la quantité de carburant à embarquer. En outre, avantageusement, on peut également réaliser ladite prédiction (de la consommation de carburant), de façon ponctuelle ou de façon répétitive, au cours d'un vol de l'aéronef. Par ailleurs, de façon avantageuse, à l'étape b1), on détermine, comme poussée des moteurs, la poussée maximale des poussées suivantes : - une poussée des moteurs au régime de ralenti ; et - une poussée théorique d'équilibre pour voler le long du segment avec des conditions de vitesse prédéterminées. On assure ainsi que la poussée utilisée pour la prédiction de consommation de carburant n'est jamais supérieure à la poussée de ralenti lorsque des dispositifs de génération de traînée supplémentaire (aérofreins) sont nécessaires. L'équipage ajoute donc uniquement le niveau d'aérofreins requis pour permettre à l'aéronef de tenir la pente, tout en restant à un régime de ralenti. De préférence, on détermine la traînée supplémentaire, que l'on utilise à l'étape b1), à l'aide d'un modèle complet d'aérofreins permettant ainsi de considérer la traînée exacte requise pour voler un segment en maintenant la poussée des moteurs au minimum requis. Par ailleurs, de façon avantageuse, à l'étape b2), pour calculer la consommation de carburant, on convertit la poussée déterminée à l'étape bl) en un flux de carburant et on intègre ce flux de carburant de manière à obtenir la consommation correspondante. Dans le cadre de la présente invention, un segment pris en compte dans la mise en oeuvre précitée peut être un segment géométrique usuel qui est défini entre deux contraintes d'altitude. Toutefois, dans un mode de réalisation préféré, les segments, pour lesquels on met en oeuvre les étapes a) et b), sont des sous-segments d'un tel segment géométrique. Pour ce faire, on découpe un segment géométrique usuel (qui est donc défini entre deux contraintes d'altitude) en une suite de sous-segments successifs. De préférence, on forme cette suite de sous-segments, en mettant en oeuvre l'un des découpages suivants : - un découpage en altitude ; - un découpage en distance horizontale ; - un découpage en fonction de performances de l'aéronef. La présente invention concerne également un dispositif de prédiction de la consommation de carburant sur un aéronef, pour un vol le long d'un plan de vol prédéterminé. Selon l'invention, ledit dispositif est remarquable en ce qu'il comprend des moyens destinés à au moins une phase de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol comprenant au moins un segment, ces moyens comportant au moins : - des moyens pour vérifier si l'aéronef nécessite une traînée supplémentaire pour pouvoir voler suivant ce segment en respectant des contraintes prédéterminées en fonction de ses performances ; - des moyens pour déterminer une poussée des moteurs qui est nécessaire pour respecter lesdites contraintes prédéterminées sur un segment, en considérant que lesdits moteurs sont réglés à une poussée minimale, si une traînée supplémentaire est nécessaire pour ce segment ; et - des moyens pour calculer la consommation de carburant pour ce segment, à partir de la poussée ainsi déterminée. Le dispositif conforme à l'invention réalise donc une prédiction précise de la consommation en carburant d'un aéronef pour des manoeuvres de descente selon un plan de vol donné. La présente invention concerne, en outre, un aéronef, en particulier un avion de transport, qui comporte un dispositif tel que celui précité. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est le schéma synoptique d'un dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est un graphique illustrant le découpage d'un segment géométrique en une pluralité de sous-segments. Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté schématiquement sur la figure 1 est destiné à réaliser une prédiction de la consommation de carburant sur un aéronef (non représenté), en particulier un avion de transport, pour un vol le long d'un plan de vol donné, d'un point initial à un point final. Pour ce faire, ledit dispositif 1 qui est embarqué sur l'aéronef comprend : - un ensemble 2 de sources d'informations, qui fournissent des informations relatives à l'aéronef et à son vol, et notamment des informations relatives au plan de vol à suivre. Cet ensemble peut comporter des moyens d'entrée permettant à un membre d'équipage d'entrer des données dans le dispositif 1 et/ou des moyens embarqués qui fournissent automatiquement des données mesurées ou calculées sur l'aéronef ; - une unité de traitement 3 qui est reliée par l'intermédiaire d'une liaison 4 audit ensemble 2 et qui est formée de manière à prédire la consommation de carburant de l'aéronef ; et - des moyens de présentation d'informations 5, en particulier des moyens d'affichage, qui sont reliés par l'intermédiaire d'une liaison 6 à ladite unité de traitement 3 et qui sont formés de manière à présenter à un membre d'équipage la quantité de carburant prédite par l'unité de traitement 3. Selon l'invention, ladite unité de traitement 3 qui est, par exemple, intégrée dans un système de gestion de vol de type FMS ("Flight Management System" en anglais), embarqué sur l'aéronef, comporte des moyens destinés notamment à des phases de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol comprenant au moins un segment rectiligne (précisé ci- dessous). Plus précisément, ladite unité de traitement 3 automatique, comporte au moins : - des moyens 8 pour vérifier si l'aéronef nécessite une traînée supplémentaire pour pouvoir voler suivant un segment considéré d'une phase de descente en respectant des contraintes prédéterminées en fonction de ses performances ; - des moyens 9 qui sont reliés par l'intermédiaire d'une liaison 10 auxdits moyens 8 et qui sont formés de manière à déterminer une poussée des moteurs qui est nécessaire pour respecter lesdites contraintes prédéterminées sur un segment, en considérant que lesdits moteurs sont réglés à une poussée minimale, si les moyens 8 considèrent qu'une traînée supplémentaire est nécessaire pour ce segment ; et - des moyens 11 qui sont reliés par l'intermédiaire d'une liaison 12 auxdits moyens 9 et qui sont formés de manière à calculer la consommation de carburant pour ce segment, à partir de la poussée déterminée par lesdits moyens 9, cette valeur calculée par les moyens 11 étant ensuite transmise aux moyens 5 pour sa présentation à l'équipage. Lorsque la phase de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol comprend une pluralité de segments successifs, comme précisé ci-dessous, lesdits moyens 8, 9 et 11 mettent en oeuvre les opérations précitées, de façon successive, individuellement pour chacun desdits segments successifs. Ainsi, en prenant comme hypothèse que les moteurs de l'aéronef sont réglés à une poussée minimale sur tout segment de phase de descente nécessitant une traînée supplémentaire, le dispositif 1 améliore la précision de la prédiction de manière à obtenir une prédiction qui définit une quantité de carburant qui est proche de la quantité de carburant qui sera effectivement consommée. Ceci permet notamment d'éviter d'embarquer une quantité trop importante de carburant. Comme en opération, les segments qui nécessitent de la traînée supplémentaire sont toujours volés avec une poussée minimale, le calcul de poussée utilisé pour la prédiction de consommation de carburant peut donc faire l'hypothèse que les moteurs seront positionnés pour délivrer une poussée minimale. Le dispositif 1 met donc en oeuvre une nouvelle méthode de calcul de la poussée à utiliser pour prédire la consommation de carburant. Pendant la phase de descente, pour tenir la pente imposée, l'unité de traitement 3 détermine de façon usuelle (à l'aide des moyens 8) : - les segments qui ne sont pas volables par l'aéronef en raison de ses capacités de descente et pour lesquels des aérofreins sont nécessaires pour générer une traînée supplémentaire ; et - les segments qui ne nécessitent pas de traînée supplémentaire. Dans ce cas, seule la poussée des moteurs nécessaire pour suivre la pente est calculée. La traînée supplémentaire utilisée par le dispositif 1 est une composante qui est ajoutée à la traînée naturelle de l'aéronef. Cette traînée supplémentaire permet à l'aéronef de voler suivant la pente imposée par les contraintes, mais augmente la consommation de carburant. Une fois cette caractérisation des différents segments du profil de descente effectuée, la consommation de carburant correspondante est calculée de manière itérative. Comme indiqué ci-dessus, le dispositif 1 conforme à la présente invention permet ainsi d'affiner la prédiction pour des phases de descente du plan de vol, notamment lors d'un atterrissage ou lors du vol d'un premier niveau de vol à un second niveau de vol plus bas, et plus précisément pour des segments des phases de descente qui nécessitent une traînée supplémentaire. Pour les autres parties du plan de vol, l'unité de traitement 3 réalise la prédiction de façon habituelle à l'aide de moyens usuels intégrés. Aussi, selon l'invention, l'unité de traitement 3 ajoute la consommation de carburant déterminée de la manière précitée pour la ou les phases de descente, à la consommation de carburant calculée (de façon usuelle) pour le reste du plan de vol de manière à obtenir alors la consommation totale de carburant pour tout le vol, qui peut être présentée à l'équipage à l'aide des moyens 5. Le dispositif 1 peut réaliser la prédiction de la consommation de carburant (entre l'aéroport de départ et l'aéroport de destination le long du plan de vol prévu), avant un vol, notamment pour connaître la quantité de carburant à embarquer pour le vol. Ledit dispositif 1 peut également réaliser ladite prédiction (de la consommation de carburant) de façon ponctuelle ou de façon répétitive au cours d'un vol de l'aéronef (entre la position courante de l'aéronef et une position aval, notamment celle de l'aéroport de destination). Dans un mode de réalisation préféré, pour calculer la consommation de carburant, lesdits moyens 11 comportent : - un élément (non représenté) qui convertit, de façon usuelle, la poussée reçue des moyens 9 en un flux de carburant ; et - un élément (non représenté) qui intègre, de façon usuelle, ce flux de carburant de manière à obtenir la consommation correspondante. Le calcul de la consommation de carburant est donc un calcul intégré basé sur le calcul de la poussée réellement appliquée pour le guidage de l'aéronef le long du profil vertical (trajectoire et vitesse). Par ailleurs, lesdits moyens 9 calculent, pour chaque pas de calcul de la trajectoire, une poussée moteur Pc spécifique au segment considéré, à l'aide de l'expression suivante : Pc = maximum (Pr ; Peq) dans laquelle : - Pr est la poussée des moteurs au régime de ralenti normal pour le point de trajectoire ; et - Peq est la poussée théorique d'équilibre au point de trajectoire pour voler le long du segment considéré avec les conditions de vitesse considérées. Cette poussée théorique peut être inférieure ou supérieure à la poussée de ralenti (selon que de la traînée supplémentaire soit requise ou non). On assure ainsi que la poussée utilisée par les moyens 11 pour le calcul de la consommation de carburant n'est jamais supérieure à la poussée de ralenti, lorsque des dispositifs générateurs de traînée supplémentaire (aérofreins) sont nécessaires On ajoute donc uniquement le niveau d'aérofreins requis pour permettre à l'aéronef de tenir la pente, tout en restant à un régime de ralenti. La traînée supplémentaire utilisée peut correspondre à des positions prédéterminées d'aérofreins. Toutefois, dans un mode de réalisation préféré, les moyens 8 déterminent la traînée supplémentaire, utilisée par les moyens 9, à l'aide d'un modèle complet d'aérofreins, ce qui permet de prendre en compte la traînée exacte requise pour voler un segment en maintenant la poussée des moteurs au minimum requis. Dans le cadre de la présente invention, un segment (du profil vertical de descente) pris en compte dans la mise en oeuvre des traitements précités peut être un segment géométrique SG usuel, verticalement rectiligne, qui est défini entre deux contraintes d'altitude P1 et P2. Toutefois, dans un mode de réalisation préféré, les segments, pour lesquels on met en oeuvre lesdits traitements, sont des sous-segments S1 à S6 successifs d'un tel segment géométrique SG, se joignant à des points Pa, Pb, Pc, Pd, et Pe, comme représenté sur la figure 2. Sur cette figure 2, les segments sont définis dans un plan vertical, mis en évidence de façon générale par une altitude A et une distance horizontale D. Dans cet exemple le découpage est réalisé en six sous-segments, un autre nombre étant bien entendu possible. Dans ce mode de réalisation préféré, le calcul de la consommation de carburant est mis en oeuvre de façon indépendante pour chacun de ces sous-segments S1 à S6. De préférence, on forme cette suite de sous-segments S1 à S6, en réalisant l'un des découpages suivants sur le segment géométrique SG : - un découpage en altitude, chaque sous-segment ayant par exemple la même hauteur ; - un découpage en distance horizontale, chaque sous-segment ayant par exemple la même distance horizontale; ou - un découpage en fonction de performances de l'aéronef à chaque pas de calcul de la trajectoire (besoin ou non de traînée supplémentaire). On sait que la capacité de descente d'un aéronef dépend (non exclusivement) de la vitesse, de l'altitude et du vent. Ainsi, une portion (ou sous-segment S1 à S6) d'un même segment SG peut être volé alors qu'une autre portion ne peut pas l'être (car elle est située dans une plage d'altitude/vitesse/vent différente). Le mode de réalisation préféré précité (découpage en sous-segment) permet de tenir compte de cette situation, afin d'augmenter davantage encore la précision de la prédiction. REVENDICATIONS1. Procédé de prédiction de la consommation de carburant sur un aéronef, pour un vol le long d'un plan de vol prédéterminé, procédé selon lequel, pour au moins une phase de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol, comprenant au moins un segment (S1 à S6) : a) on vérifie si l'aéronef nécessite une traînée supplémentaire pour pouvoir voler suivant ce segment (S1 à S6) en respectant des contraintes prédéterminées en fonction de ses performances ; et b) si une traînée supplémentaire est nécessaire pour ce segment (S1 à S6) : b1) on détermine une poussée des moteurs qui est nécessaire pour respecter lesdites contraintes prédéterminées, en considérant que lesdits moteurs sont réglés à une poussée minimale sur ce segment (S1 à S6) ; et b2) à partir de la poussée déterminée à l'étape b1), on calcule la consommation de carburant pour ce segment (S1 à S6). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la phase de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol comprend une pluralité de segments (S1 à S6) successifs, on met en oeuvre lesdites étapes a) et b) pour chacun desdits segments (S1 à S6) successifs. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on ajoute la consommation de carburant déterminée à l'étape b2), à une consommation de carburant calculée pour le reste du plan de vol de manière à obtenir la consommation totale pour tout le vol. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise la prédiction de la consommation de carburant de façon répétitive au cours d'un vol de l'aéronef. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape b1), on détermine une poussée des moteurs qui correspond à la poussée maximale des poussées suivantes :- une poussée des moteurs au régime de ralenti ; et - une poussée théorique d'équilibre pour voler le long du segment avec des conditions de vitesse prédéterminées. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape b2), pour calculer la consommation de carburant, on convertit la poussée déterminée à l'étape b1) en un flux de carburant et on intègre ce flux de carburant de manière à obtenir la consommation correspondante. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on détermine la traînée supplémentaire, que l'on utilise à l'étape b1), à l'aide d'un modèle d'aérofreins. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour la phase de descente, on découpe un segment géométrique (SG) qui est défini entre deux contraintes d'altitude en une suite de sous-segments (S1 à S6) qui représentent lesdits segments, pour lesquels on met en oeuvre les étapes a) et b). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on détermine ladite suite de sous-segments (S1 à S6), à l'aide de l'un des découpages suivants : - un découpage en altitude ; - un découpage en distance horizontale ; - un découpage en fonction de performances de l'aéronef. 10. Dispositif de prédiction de la consommation de carburant sur un aéronef, pour un vol le long d'un plan de vol prédéterminé, ledit dispositif (1) comprenant des moyens (3) destinés à au moins une phase de descente de l'aéronef le long dudit plan de vol, comprenant au moins un segment, lesdits moyens (3) comportant au moins : - des moyens (8) pour vérifier si l'aéronef nécessite une traînée supplémentaire pour pouvoir voler suivant ce segment en respectant des contraintes prédéterminées en fonction de ses performances ;- des moyens (9) pour déterminer une poussée des moteurs qui est nécessaire pour respecter lesdites contraintes prédéterminées sur un segment, en considérant que lesdits moteurs sont réglés à une poussée minimale, si une traînée supplémentaire est nécessaire pour ce segment ; et - des moyens (11) pour calculer la consommation de carburant pour ce segment, à partir de la poussée ainsi déterminée. 11. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) tel que celui spécifié sous la revendication 10.10