Chapitre 12 — Solutions—Constructeurs de cellules et moteurs

Introduction

Toutes les pièces d’un aéronef orientées vers l’avant—en particulier les moteurs—sont vulnérables aux dommages en cas de collision entre l’aéronef et la faune, comme nous l’avons vu au chapitre 7. Les normes de certification actuelles concernant les cellules et les moteurs d’aéronef en service ont été décrites au chapitre 5. Ce chapitre traite des progrès réalisés par les constructeurs et les organismes de réglementation pour assurer la résistance aux impacts d’oiseaux des cellules et des moteurs—améliorer la capacité des aéronefs à supporter les heurts d’oiseaux et de mammifères.

La recherche et les progrès actuels portent sur trois domaines :

  • normes de certification,
  • modification de la conception et des matériaux des composants,
  • essais au choc.
Normes de certification

Les normes de navigabilité concernant les cellules et les moteurs font l’objet d’examens périodiques. Parfois, de nouvelles données contenues dans les rapports d’accidents et les systèmes de rapport de sécurité indiquent que les normes en vigueur doivent être améliorées afin de mieux tenir compte du contexte d’exploitation. Dans ce cas, les organismes de réglementation s’engagent à réviser les normes. Mais il est important de noter que les nouvelles normes ne s’appliquent pas aux cellules et moteurs certifiés en vertu des anciennes règles.

Les nouvelles normes de certification visent à améliorer la sécurité sans entraîner des pénalités économiques indues susceptibles de découler de la mise en oeuvre de nouveaux règlements. Le processus de réglementation prend du temps, nécessite des recherches et une collaboration très importantes. Les changements de règles proposés sont présentés à l’industrie afin d’obtenir ses observations, qui sont ensuite évaluées et intégrées dans les normes nouvelles ou révisées. Il arrive que ce processus prenne plusieurs années.

Harmonisation internationale des exigences en matière de navigabilité

Comme nous l’avons vu au chapitre 5, deux organismes certifient les cellules et les moteurs :

  • la Federal Aviation Administration (FAA)
  • la European Joint Aviation Authority (JAA).

En général, les aéronefs sont certifiés selon les normes de la FAA et de la JAA, bien que le fait de respecter les différences entre ces normes peut entraîner une hausse des coûts pour les constructeurs et une prolongation du processus de certification.

Depuis quelques années, la FAA et la JAA se sont entendus pour que les règlements internationaux en matière de navigabilité soient conformes tant sur le fond que sur la forme, de manière à abaisser les coûts de la certification et améliorer la sécurité aérienne en général.

On trouve un exemple de cette harmonisation dans les modifications du 8 août 1996 aux normes de navigabilité de la FAA concernant les giravions de catégorie normale (FAR 27) et de transport (FAR 29)—modifications qui ont permis d’améliorer les normes visant la performance, les systèmes, la propulsion et les cellules des hélicoptères. Ces changements ont été également les premiers à incorporer des exigences concernant la protection contre les impacts d’oiseaux. Les modifications proposées ont été examinées par un certain nombre de groupes, notamment :

  • les principaux constructeurs de giravions,
  • Aerospace Industries Association of America, Inc.,
  • L’Association européenne des constructeurs de matériel aérospatial,
  • Helicopter Association International,
  • European Joint Aviation Authorities (JAA),
  • Transports Canada,
  • L’autorité de l’aviation civile du Royaume-Uni.

La JAA a non seulement accepté le projet de règle de la FAA, mais également les efforts visant l’harmonisation des normes de certification et des règlements aux États-Unis et dans les communautés européennes. Pour atteindre pleinement les objectifs d’harmonisation, la JAA a préparé et publié un règlement identique devant coïncider avec la règle définitive pour les parties 27 et 29 des FAR. Il s’agit de poursuivre le processus d’harmonisation des autres règlements au cours des prochaines années.

Des exigences plus rigoureuses concernant la navigabilité face au péril aviaire

Un des moyens efficaces de réduire la gravité des impacts de la faune est d’imposer des exigences plus rigoureuses quant à la résistance au choc des cellules et des moteurs.

 

Vitesse de l'aéronef (noeuds)

Espèces d'oiseaux et poids (livres) 100 150 200 250 280 300 350 400 450
Étourneau 0 187 (3 onces) 995 2 238 3 978 6 216 7 798 8 951 12 184 15 913 20 140
Goéland à bec cerclé 1.5 2 775 6 244 11 100 17 343 21 756 24 974 33 993 44 399 56 193
Canard 4.0 6 078 13 676 24 314 37 990 47 655 54 706 74 461 97 255 123 088
Oie du Canada 15.0 9 118 20 515 36 471 56 985 71 482 82 059 111 691 145 883 184 633

Tableau 12.1 Force d'impact d'oiseau approximative (livres)

Modifications des exigences relatives à la navigabilité des cellules

Aucune proposition n’a été publiée afin d’améliorer les exigences relatives à la résistance au choc. Pourtant, une analyse récente des données sur la population des oiseaux et les incidents de collision indique une nette augmentation du nombre des impacts d’oiseaux appartenant à des espèces de grande envergue—des espèces qui, de par leur taille et leur poids, ne sont pas visées par les exigences de certification actuelles pour les pare-brise et les cellules. Dans de nombreux cas, les impacts avec ces oiseaux ont entraîné des pénétrations de pare-brise, des blessures graves de pilotes et des dégâts importants et coûteux de cellules.

Les données sur la population aviaire montrent que la population de la bernache du Canada en Amérique du Nord a augmenté de deux millions en 1990 à plus de six millions à la fin de 1999; environ 40 pourcent des bernaches du Canada en Amérique du Nord restent dans les régions urbaines toute l’année. De nombreuses bernaches pèsent bien au-delà de 15 livres et certains spécimens peuvent dépasser 18 livres—des chiffres à prendre au sérieux étant donné que les normes actuelles concernant la résistance au choc des pare-brise concernent des impacts par des oiseaux de quatre livres à une vitesse de calcul en croisière (Vc).

Le tableau 12.1 montre des forces d’impact approximatives par poids d’oiseau et vitesse d’impact. On constate que l’impact d’un oiseau de quatre livres avec un pare-brise à 300 kts donne une force d’impact allant jusqu’à 55 000 livres. Par contre, l’impact d’une bernache de 15 livres avec un pare-brise à 300 kts donne une force d’impact allant jusqu’à 82 000 livres—une force qui dépasse ce qui est prévu dans les normes de certification des pare-brise de 200 à 300 pourcent (voir les annexes 12.1 et 5.1).

pare-brise endommagé d'un B737
Le pare-brise de ce B737 a été endommagé à la suite d’un impact
d’oiseau à 10 000 pieds ASL.

Bien que les données fournissent des preuves convaincantes, invitant à des normes de certification plus rigoureuses concernant les impacts d’oiseaux avec les cellules, les coûts que pourrait représenter l’actualisation des normes de résistance aux impacts d’oiseaux de la flotte des aéronefs existante seraient énormes.

Modifications des exigences de navigabilité

Le 14 septembre 2000, la FAA a publié des normes révisées sur l’ingestion d’oiseaux par les réacteurs (FAR 33), en réponse aux données qui définissent la menace réelle que représentent les oiseaux pour un réacteur en service. Ces normes tiennent compte également du désir d’harmoniser les critères de la FAA sur l’ingestion d’oiseaux avec ceux rédigés par la JAA—des normes qui reconnaissent à la fois la capacité des nouveaux turbomoteurs à grosse entrée d’air à absorber un nombre croissant d’oiseaux et les poids véritables des oiseaux absorbés.

Les essais d’absorption d’oiseaux pour les moteurs certifiés avant le 14 septembre 2000 sont fondés sur des impacts de gros oiseaux pesant 4 livres et de volées d’oiseaux moyens pesant 1,5 livres. Au cours du processus d’élaboration des règlements, l’industrie a accepté que les multiples impacts avec ces oiseaux fassent également partie du processus de certification des nouveaux moteurs. C’est ainsi que l’exigence concernant les grands oiseaux a été mise à jour afin d’incorporer des poids de 4 à 8 livres, en fonction de

  Norme de certification originale Norme de certification révisée (Sep, 2000)
Type de moteur Adm. d'air Quantité et poids des gros oiseaux Quantité et poids des oiseaux moyens Quantité et poids des gros oiseaux Quantité et poids des oiseaux moyens
JT8D 2 290 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 1 @ 2,53 livres plus 3 @ 1,54 livres
RB211 4 300 - 5 808 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 1 @ 2,53 livres plus 6 @ 1,54 livres
JT9D 6 940 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 3 @ 2,53 livres
PW2037/2043 4 902 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 1 @ 2,53 livres plus 6 @ 1,54 livres
CF6 6 973 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 3 @ 2,53 livres
CFM56 2 922 - 4 072 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 1 @ 2,53 livres plus 6 @ 1,54 livres
V2500 3 217 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 1 @ 2,53 livres plus 4 @ 1 54 livres
PW4000 6 940 - 7 854 1 @ 4,0 livres 4 @ 1,5 livres 1 @ 6,05 livres 4 @ 2,53 livres

Tableau 12.2 Exigences originales et révisées de la FAR 33 concernant le poids et la quantité desoiseaux pour la certification moteurs indiqués au chapitre 5, Tableau 5.1 (1)(2)(3)

(1) Les RR Trent 553/768/875/8104, PW4084/4098 et GE90 ont été volontairement certifiés à la norme réviséeet ne sont pas indiqués.

(2) L'exigence de certification originale pour l'ingestion des petits oiseaux pour tous les moteurs énumérés étaitde 16 oiseaux @ 0,187 livres.

(3) L'exigence de certification révisée pour l'ingestion des petits oiseaux pour tous les moteurs énumérés estde 16 oiseaux @ 0,187 livres.

l’information obtenue sur les moyennes de poids des oiseaux figurant dans l’étude de 1990 de la FAA sur les gros moteurs à taux de dilution élevé.

Dans cette étude, la FAA a également examiné les données sur les populations d’oiseaux et constaté que le goéland argenté de 2,5 livres représentait un danger d’impact de volée d’oiseaux dans la plupart des aéroports côtiers de l’hémisphère nord. Pour confirmer ce soupçon, on a procédé à une évaluation des poids d’oiseaux absorbés par les réacteurs.

À la suite de cette étude, une nouvelle norme de certification, mettant à jour les exigences relatives à la conception et aux essais pour toutes les tailles de réacteurs et renforçant les exigences concernant les essais d’absorption d’oiseaux pour les gros turboréacteurs à double flux et haut de dilution élevé, a été élaborée. La norme révisée vise les impacts de gros oiseaux seuls ainsi que de volées d’oiseaux et fixe un certain nombre de paramètres pour l’évaluation de la navigabilité des moteurs. La FAR 33 du 14 septembre 2000 révisant les normes de certification des moteurs en ce qui concerne l’ingestion d’oiseaux figure au tableau 12-2.

Au tableau 12.2, on compare les anciennes et les nouvelles normes de certification des moteurs en ce qui concerne les exigences de poids des oiseaux pour les moteurs énumérés au chapitre 5, tableau 5.1. Les gros turbomoteurs à double flux (la série RR Trent, les P&W 4084/4098 et le GE90) ne figurent pas dans ce tableau; ces moteurs ont fait l’objet d’essais volontaires de la part des constructeurs afin de respecter les nouvelles normes de certification.

Des données plus récentes de l’industrie soulèvent des questions au sujet des hypothèses qui ont été utilisées pour élaborer les nouvelles normes de certification. Les deux grands sujets de préoccupation sont les suivants :

  • l’hypothèse que l’ingestion des gros oiseaux ne touche qu’un moteur. Les donnéessur les impacts ont montré l’augmentation inhabituelle du nombre des impacts avec de gros oiseaux touchant plus d’un moteur.
  • l’hypothèse d’une vitesse maximale d’impact de 200 kts avec de gros oiseaux. Laplupart des aéronefs ont été conçus et certifiés pour voler à des vitesses inférieuresà 250 kts dans l’espace aérien occupé par les gros oiseaux; une augmentation de 50-ktde la vitesse d’impact pourrait causer des dommages beaucoup plus graves.
Changements de conception et de matériaux pour les composants des cellules et des moteurs

Les progrès réalisés dans la conception et la fabrication assistées par ordinateur (CAO/FAO) ont donné lieu à un certain nombre d’amélioration dans la conception des cellules et des moteurs. De nouveaux matériaux—composites en fibres de carbone— offrent une résistance supérieure et une réduction de la masse.

Progrès dans la conception des cellules et les matériaux

L’efficacité motive la conception des nouvelles cellules, en utilisant des matériaux plus légers, plus résistants afin d’améliorer la consommation de carburant spécifique et les plages de vitesse—plutôt que d’améliorer la résistance aux impacts d’oiseaux.

Des améliorations importantes ont été réalisées dans la protection des composants critiques comme la tuyauterie à carburant, les câbles de commande de vol, les lignes hydrauliques et le câblage électrique—de manière à ce que les impacts de la faune n’aient pas d’effets sur leur fonctionnement. Le déplacement de ces composants dans les ailes et les fuselages a permis de réduire la possibilité de dommages importants conduisant à des pannes multiples des systèmes et d’améliorer la survivabilité générale des aéronefs.

La création de systèmes de commandes de vol électriques a représenté une étape positive dans la réduction des dommages causés aux aéronefs par les impacts d’oiseaux. Cette façon de concevoir les systèmes de commande de vol—motivée par une diminution considérable du poids des aéronefs—transmet l’information de commande du poste de pilotage par ordinateur. Les ordinateurs traitent l’éventail des paramètres de commande et envoient le signal à l’actionneur des commandes de vol approprié. Avant l’adoption des systèmes de commandes électriques, les bielles et les câbles de commande reliaient directement le poste de pilotage à la gouverne particulière (avec ou sans un type quelconque de servo-commande).

verrières sans cadre à moulure par injection
L’USAF met au point des verrières sans cadre à moulure par injection qui sont très résistantes aux impacts d’oiseaux.

Les nouveaux systèmes de commandes électriques réduisent la vulnérabilité des commandes de vol en éliminant les éléments compliqués qui passent par les ailes, le fuselage et la queue. Les systèmes de commandes électriques sont également conçus de manière à incorporer des couches multiples de redondance, construits pour permettre le mouvement indépendant de chaque gouverne au moyen d’un ordinateur de secours et de systèmes hydrauliques. On compense les dommages causés au système de commande en augmentant les mouvements de commande sur les surfaces non touchées par les défaillances.

Un des inconvénients des systèmes de commandes électriques est qu’ils ne fournissent pas de rétroaction physique directe des gouvernes—les pilotes ne peuvent pas sentir le flottement de commande à la suite des dommages. Les systèmes de commandes électriques comportent des indicateurs électroniques de position de commande, mais ces instruments ne sont pas suffisamment fidèles pour détecter un flottement aérodynamique— un indicateur important du degré des dommages causés aux gouvernes. S’il atteint une ampleur ou une fréquence suffisante, le flottement aérodynamique peut finir par conduire à une panne structurelle et une perte des commandes.

La force de résistance des transparences d’aéronefs a bénéficié de la recherche et développement réalisés sur les nouveaux matériaux et les systèmes de chauffage qui contribuent à maintenir la flexibilité des pare-brise. D’autres recherches sont réalisées sur des aéronefs militaires à l’aide de matériaux composites afin de renforcer l’encadrement du pare-brise. De plus, le Programme sur la transparence de nouvelle génération de l’USAF met au point des transparences sans montures à moulure à injection pour les avions de chasse. Plus légers que les modèles existants, ces transparences comportent moins de pièces, réduisent les temps de commutation et sont beaucoup plus résistantes aux impacts d’oiseaux. Les progrès issus de cette recherche militaire aboutiront à des améliorations dans la construction des pare-brise d’aéronefs civils.

Progrès dans la conception et les matériaux des moteurs

Les progrès réalisés dans la technologie des moteurs sont considérables, les turboréacteurs à taux de dilution élevé devenant le réacteur privilégié sur presque tous les nouveaux gros aéronefs commerciaux. La puissance de ces moteurs permet de propulser de gros aéronefs comme les Boeing B777 et les Airbus A330 avec seulement deux moteurs. Les avantages sont notamment une plus grande efficacité énergétique et une réduction des coûts de maintenance par rapport aux trois ou quatre moteurs utilisés normalement dans la génération précédente des aéronefs comme les DC8, B707, L1011 et DC10.

La nouvelle génération des moteurs d’aéronefs a été conçue de manière à respecter les dernières normes de certification sur la navigabilité des moteurs. La technologie de conception assistée par ordinateur et les matériaux de pointe permettent de construire des soufflantes, des compresseurs et des aubes de turbine plus larges et plus longues et d’améliorer l’efficacité thermodynamique. L’intégrité structurelle renforcée de ces composants a également permis d’améliorer leur résistance aux dommages causés par les impacts d’oiseaux.

Les nouveaux moteurs d’aéronefs utilisent également la régulation automatique à pleine autorité redondante (FADEC) afin d’optimiser le rendement des moteurs. La FADEC permet de mieux surveiller les moteurs et d’avoir des systèmes d’alarme qui adaptent les paramètres des moteurs afin de maintenir la puissance nécessaire même lorsque le moteur a subi des dommages. Les systèmes FADEC choisissent automatiquement le voyant allumage moteur en cas d’extinction du réacteur.

Essais d’impacts d’oiseaux

Au moyen d’essais d’impacts d’oiseaux, de nouveaux moteurs et cellules font l’objet d’impacts d’oiseaux simulés et réels.

Les pare-brise et les cellules sont testés à l’aide de canons à air comprimé, qui euthanasient directement les oiseaux contre les composants des cellules à des vitesses nominales. Les composants sont reliés aux instruments qui mesurent les forces d’impact et la distorsion. Des films à grande vitesse permettent un visionnement au ralenti qui illustre la progression des dommages et la trajectoire des oiseaux après l’impact. La figure 12.1 montre des installations typiques d’essais d’impacts d’oiseaux pour les parebrise.

Installation d'essai des pare-brise et composantes de cellules
Photo : Tony Bosik
Figure 12.1 Installation d’essai des pare-brise et composantes de cellules

Les essais moteurs commencent par les aubes de soufflante soumises aux essais de charge de choc afin de vérifier l’intégrité structurelle. Les oiseaux euthanasiés sont ensuite envoyés dans les moteurs en marche au moyen d’armes à air comprimé multitube. Les moteurs sont soigneusement surveillés pendant l’impact et pendant une période fixe suivant l’impact, en enregistrant les paramètres moteurs comme les pressions, les températures, les forces accélérométriques et les valeurs de contrainte. Les essais d’impact sont également filmés à grande vitesse afin d’observer les trajectoires des oiseaux et la déformation des pales de moteur. La figure 12.2 montre un exemple d’équipement d’essai d’impact d’oiseaux.

Récemment, les constructeurs de cellules et de moteurs ont étudié la possibilité d’utiliser la simulation informatique pour la modélisation des impacts d’oiseaux. Cette technique se révélera extrêmement utile au stade de la recherche et développement, en éliminant des essais réels coûteux qui entraînent parfois la destruction de moteurs et de pare-brise prototypes. Les constructeurs étudient également la possibilité d’utiliser des modèles d’oiseaux pour les essais d’impact—des outils qui offrent non seulement une densité et une forme constantes et des résultats plus exacts, mais également tiennent compte des préoccupations soulevées par les groupes de défense des animaux.

Installation d'essai des impacts d'oiseaux pour les réacteurs
Photo : Rolls-Royce plc
Figure 12.2 Installation d’essai des impacts d’oiseaux pour les réacteurs

Conclusion

Les constructeurs aériens cherchent continuellement à améliorer la qualité des produits. Afin de réduire les dommages éventuels causés par les impacts avec la faune, il y a lieu de tenir compte des principes suivants :

  • Les constructeurs de cellules et moteurs doivent continuer d’évaluer les données afinque les normes de certification tiennent compte des risques réels des impacts d’oiseaux.
  • Les constructeurs doivent appliquer la technologie de conception et les nouveaux matériaux aux moteurs et cellules afin d’améliorer la résistance aux impactsd’oiseaux. Toutefois, lorsqu’on utilise de nouveaux matériaux pour réduire le poids, par exemple—comme les hélices composites sur les aéronefs à turbopropulseurs de transport modernes—l’industrie doit veiller à tester suffisamment les propriétés de défaillance.
  • Les constructeurs doivent continuellement évaluer et modifier leurs méthodes d’essais afin qu’elles rendent compte de cas réels.
  • L’industrie devrait se rappeler que même si de nouvelles normes de certification ont été récemment adoptées—et que des normes encore plus nouvelles sont en préparation—les moteurs certifiés conformément aux anciennes règles restent les plus nombreux dans la flotte de transport des aéronefs à réaction et continueront de l’être pendant encore une autre génération. La menace accrue des impacts d’oiseaux a conduit à l’adoption de normes renforcées pour la conception et la construction des futurs moteurs. Ce maillon défaillant dans la chaîne de sécurité souligne l’importance des efforts déployés par les aéroports dans la gestion des oiseaux.
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