Fonctionnement des systèmes hydrauliques d’un avion

L’hydraulique fait partie des fonctions vitales dans un avion. Nous allons voir par la suite un aperçu des différents systèmes. Le but n’est pas d’étudier en profondeur le sujet, car il faudrait une trentaine de pages, mais voir globalement le fonctionnement de l’hydraulique à bord d’un avion moderne.

De nombreux systèmes sont contrôlés par hydrauliques, principalement :

• La sortie et la rentrée des trains d’atterrissage
• Le contrôle des roues avant pour diriger l’avion au sol
• Les gouvernes (direction / profondeur / ailerons)
• Les freins
• Les inverseurs de poussée

C’est une liste non exhaustive, mais concrètement, sont concernés tous les systèmes qui nécessitent des forces pour être actionnés.

Pourquoi de l’hydraulique ?

L’utilisation de systèmes hydrauliques permet de réduire l’effort des pilotes sur les commandes. Sur les vieux et petits avions, les gouvernes sont directement reliées au manche par des câbles. L’hydraulique permet alors bien plus de finesse dans le pilotage et requiert moins d’efforts à appliquer sur les commandes. Dans la majorité des avions, la pression nominale des fluides hydrauliques est en général de 3000 psi (207 bars). En comparaison, les pneus d’une voiture ont une pression d’environ 2.5 bars… Imaginez les forces en jeu !

Pour cet article, nous allons nous baser sur l’un des plus beaux avions du monde. Il s’agit du Bombardier Global Express, un jet d’affaires à long rayon d’action. Attention : ne prenez pas le cas de cet avion pour une généralité.. Chaque appareil ayant son propre fonctionnement, les systèmes hydrauliques d’un autre aéronef ne fonctionneront pas exactement de la même façon.

Sur cet avion, on retrouve 3 systèmes hydrauliques indépendants :

• Système 1 : Contient deux « sous-circuits » : 1A + 1B
• Système 2 : Contient deux « sous-circuits » : 2A + 2B
• Système 3 : Contient trois « sous-circuits » : 3A + 3B + la RAT (petite éolienne de secours qui se déploie sous l’avion en cas d’urgence)

Si vous avez bien analysé l’image ci-dessus, vous avez probablement compris que les 3 systèmes sont indépendants, et que circuit 1A = moteur 1, et  circuit 2A= moteur 2. Attention, les pompes des circuits 1B et 2B ne sont pas directement liés aux moteurs 1 et 2, mais à des pompes électriques alimentées par des générateurs. Le système n°3 est en revanche constitué uniquement de pompes alimentées électriquement.

Quelles différences entre tous ces circuits A et B ?

Les circuits A sont les circuits primaires, utilisés durant toutes les phases du vol, tandis que les circuits B sont utilisés en support lors des phases de décollage et d’atterrissage, mais servent aussi de secours en cas de panne des sur les principaux.

Les circuits 1A et 2A sont alimentés par des pompes hydrauliques dont elles tirent leur énergie des moteurs. On les appelle les EDP (Engine-Driven Pumps).
Les circuits 1B, 3B, 3A, 3B sont alimentés par des pompes hydrauliques, propulsés par une alimentation électrique. On les appelle les ACMP (AC-Motors Pumps).
Le dernier circuit ne porte pas la même dénomination et correspond à la RAT sur le système 3.

Chaque circuit sa fonction

Les circuits ne contrôlent pas tous les mêmes éléments. Par exemple, ceux du système 1 contrôleront principalement ce qui touche aux surfaces de gauche (ailerons gauches, inverseurs de poussée gauche, aérofreins gauche), et idem pour le système 2 qui sera principalement dédié aux éléments de droite. Ils ne se cantonnent toutefois pas uniquement à cela. Par exemple, les 3 systèmes permettent le contrôle de la gouverne de direction, tandis que seuls les n°2 et n°3 gèrent le train d’atterrissage.

Bien entendu, cela dépendra de chaque avion, et il faut se référer à la documentation de celui-ci pour connaître avec précision la fonction de chaque système. Et si vous avez bien suivi, vous devriez comprendre ce schéma suivant avec ce que nous avons vu précédemment :

Plus les systèmes sont importants, plus ils ont de redondance. On voit bien ici que les « sous-circuits » de chaque systèmes se rejoignent en un. Une fuite sur un système rendrait donc inutiles toutes les pompes reliées à ce système.

Et pour voir si vous avez bien suivi, je vous propose trois questions pratiques en vous aidant du schéma ci-dessus :

Question 1 : En cas de panne de la pompe 1A en croisière, quelles pompes prendront le relais pour alimenter l’aileron gauche AILERON LH ?

Réponse : Notre aileron gauche (AILERON LH) peut possiblement être alimenté par le système 1 (pompes 1A et 1B) mais aussi le système 3 (3A, 3B, RAT). En cas de défaillance de la pompe 1A en plein vol, il y a donc les pompes 1B (secours de la 1A), et 3A (alimentée en permanence) qui peuvent prendre le relais dans l’immédiat. La 3B est une secours du 3A, donc il n’y a pas de raison à ce qu’elle soit activée dans la foulée. Quant à la RAT, elle ne s’utilise qu’en cas de perte électrique totale (perte des deux moteurs et APU éteint). Son utilisation est très rare.

Question 2 : La pompe du circuit 3A tombe en panne. Quels circuits pourront alimenter les aérofreins GRND SP LH INBD et GRND SP RH INBD ?

Réponse : Les spoilers ne sont alimentés que par le système 3. Si l’on perd la pompe 3A, il nous reste alors le système 3B (normalement en position auto) pour prendre le relais et alimenter ces éléments. La RAT, n’a pas à être utilisée dans ce cas-là non plus. La pompe 3B est par ailleurs activé automatiquement lors du décollage, la phase s’approche et la phase de décollage (nous verrons ça plus en détail après).

Question 3 : Pour les gens un peu plus expérimentés, en cas de fuite sur le système 3, quelles conséquences ?

Réponse 3 : Le système 3 contrôle bien plus de systèmes sans redondance, mais ils sont aussi moins vitaux. Une perte totale du système 3 impacte tous les systèmes uniquement reliés en rouge sur le dessin. On perd par exemple tout ce qui touche aux trains d’atterrissage. Si cela se produit alors que le train est rentré, il faudra le sortir manuellement à l’aide d’une poignée située dans le cockpit. On perd également les aérofreins côté intérieur GRND SP LH INBD et GRND SP RH INBD, et une partie des freins BRAKE LH INBD et BRAKE RH INBD. Cela résulte en une perte d’efficacité au freinage une fois posé. Mais si la piste est suffisamment longue, l’avion n’aura pas de problème pour s’arrêter grâce à d’autres systèmes (spoilers externes, freins côté extérieur, inverseurs de poussée).

On voit aussi que la roulette du train avant NLG STEERING n’est contrôlée que par le système 3. En cas de fuite sur le système hydraulique n°3, l’avion serait alors incapable de dégager la piste après s’être posé, et il faudrait le tracter. Il ne pourrait pas non plus serrer son frein de parc.

Le panneau de contrôle hydraulique

Sur le panneau supérieur (overhead panel), on y trouve deux parties permettant le contrôle des circuits hydrauliques.

Le panneau du haut contrôle les valves 1A et 2A. Dans leur position par défaut, elles sont ouvertes (bouton éteint). On peut fermer manuellement ces valves en appuyant sur les boutons, dans ce cas, le voyant CLOSED s’illuminera. Ces valves n’ont pas à être fermées, sauf en cas de force majeur du type feu moteur.

Sur le panneau inférieur, on peut gérer les autres circuits.  On y retrouve le 3A qui ne peut être qu’en position ON ou OFF. Etant donné qu’il fait partie des circuits primaires, sa position doit toujours être sur ON en conditions normales.

Pour les 1B, 3B et 2B, il y a trois positions possibles. On peut les allumer manuellement, les éteindre, ou les mettre en position auto. Comme déjà dit précédemment, ces circuits B servent de soutien au décollage / approche / atterrissage, et en secours en cas de besoin. C’est pour cette raison que ces 3 circuits doivent être par défaut en position AUTO.

En mode AUTO, les circuits s’alimentent touts seuls si l’une de ces 3 conditions est réunie :

• Les volets hypersustentateurs sont sortis (position autre que 0°)
• Les aérofreins sont déployés (position autre que nulle)
• La pression de la pompe primaire descend en dessous de 1800 psi en vol. Si la pression descend sous cette valeur au sol, il faut en revanche allumer manuellement la pompe.

En cas de panne d’un moteur

Nous avons vu que les pompes principales  1A et 2A tirent la force hydraulique directement des moteurs. Mais les moteurs sont aussi ceux qui fournissent de l’électricité à l’avion quand ils sont démarrés, donc comment alimenter les pompes B de secours si on perd un moteur ?

Le Global Express dispose, en plus de l’APU et de la RAT, de 4 générateurs électriques (GEN), soit deux par moteur, et 4 bus principaux d’alimentation électrique en courant alternatif (AC).

Pour vulgariser, on va dire que les générateurs sont la source d’énergie, et les bus électriques sont des multiprises sur lesquels viennent s’alimenter différents systèmes électriques de l’avion.

Dans sa configuration normale, chaque GEN alimente un bus. Mais en cas de panne d’un GEN, l’avion gère automatiquement le relais et vient alimenter le bus concerné à l’aide d’un autre GEN. Prenons le cas simple d’une panne du GEN 1, celui qui alimente par défaut le BUS 1. Dans ce cas, l’avion viendra automatiquement alimenter le BUS 1 à l’aide du GEN 4

En cas de panne de 2/4 GEN, tous les bus seront encore alimentés, et en cas de panne de 3/4 GEN, seuls 2/4 BUS seront alimentés :

Dans le cas de 3/4 générateurs en panne, on a donc perdu la moitié des bus électriques. Même si ce cas est extrêmement rare, la situation n’est pas dramatique pour autant puisqu’il suffit de mettre en route l’APU pour remettre en fonctionnement les BUS 2 et 3… TADAM !

Et donc ? Sans nous aventurer plus loin dans l’alimentation électrique, tout ça c’est pour vous montrer que même en cas de perte d’un moteur en vol (donc perte de 2 GEN + circuit hydraulique primaire), la pompe hydraulique de secours alimentée en électricité trouvera toujours du courant quelque part, en plus de la redondance des autres systèmes s’il y a.

Le Fly-By-Wire (FBW)

Vous avez peut-être déjà entendu ce terme, qui fait référence aux commandes de vol électriques des avions modernes. Le Concorde fût le premier avion de ligne équipé FBW (partiel), et l’Airbus A320 le premier avion de ligne équipé entièrement de commandes de vol électriques.

Qu’est-ce que cela veut dire ?

Cela signifie que quand le pilote utilise ses commandes, son action mécanique n’est plus transmise directement aux surfaces mobiles par circuit hydraulique. En Fly-By-Wire, quand le pilote joue avec son manche, les données de ses mouvements sont transmises à des calculateurs. Ces calculateurs viennent ensuite actionner électriquement les servomoteurs des vannes contrôlant le déplacement des surfaces mobiles. Le premier avantage est un gain de place et de poids en retirant des tuyauteries hydrauliques dans l’avion. Ensuite, les calculateurs adaptent les actions du pilote à l’avion selon les conditions du vol. On évite ainsi que l’avion sorte de son domaine de vol en cas de mauvaises actions sur le manche.

Attention aux confusions : Les gouvernes ne sont pas déplacées par des moteurs électriques. Seuls les servomoteurs des vannes sont commandés électriquement. Les mouvements des gouvernes sont donc toujours produits grâce à la puissance des fluides hydrauliques.

Les commandes de vol électriques se démocratisent aujourd’hui dans les avions de ligne. Tous les constructeurs n’optent toutefois pas pour du 100% électrique. Dans certains avions, cohabitent les commandes électriques (principales) avec une redondance hydraulique ou par câble.

L’histoire du vol United Airlines 232

Ce vol, opéré en DC-10, s’est écrasé le 19 juillet 1989 à Sioux City, aux États-Unis. En cause, l’implosion du moteur n°2 suite à une fissure, entraînant la perforation des 3 circuits hydrauliques de l’avion. Sans aucun circuit hydraulique, l’avion est devenu totalement incontrôlable. Impossible d’actionner la  moindre gouverne à l’aide des commandes, ni de déployer les volets et becs d’attaque, et encore moins de freiner au sol.

La solution qu’ont trouvé les pilotes, c’est de jouer indépendamment avec la puissance de chaque moteur pour stabiliser l’avion, le faire tourner de descendre.

Alors que les 3 hommes tentent de maîtriser la situation après la panne, un 4 ème homme débarque dans le cockpit. Il s’agit d’un instructeur sur DC-10 qui voyageait en cabine,  et a naturellement proposé son aide à l’équipage. C’est lui qui s’occupera du contrôle de l’avion à l’aide des manettes des gaz, permettant aux 3 autres de se focaliser sur d’autres tâches.

1h après le début de l’incident, l’avion s’écrasera en touchant le bord de la piste. 112 des 285 personnes à bord sont décédées. Si cette fin reste tragique, ça n’en reste pas moins un miracle, et il probable que sans l’aide de cet instructeur pour tenir les gaz, la catastrophe aurait été encore plus terrible.

Le 22 novembre 2003, à Bagdad, en Irak, c’est un Airbus A300 de la compagnie DHL qui subit à son tour la perte de 3 circuits hydrauliques. Là, la situation est un peu différente puisqu’il ne s’agit pas d’une défaillance mais d’un tir de missile qui est venu toucher l’appareil après le décollage. Les pilotes ont réussi à contrôler leur appareil uniquement en jouant sur la puissance de chaque moteur. Le plus miraculeux reste que l’équipage a pu poser l’avion sans aucun dommage, malgré une sortie de piste.

Suite au crash de 1989, la NASA, poussée par la FAA (L’agence fédérale de l’aviation civile aux états-unis / équivalent de la DGAC en France) développe un logiciel permettant à l’ordinateur de bord de contrôler l’avion uniquement avec les moteurs, en cas de perte totale des 3 circuits hydrauliques.

Ce logiciel portait le nom PCA (Propulsion Controlled Aircraft). Bien que les essais en réel avaient été très concluants, le projet a été abandonné et n’a jamais été intégré aux avions de ligne. La fiabilité des systèmes déjà existants était  jugée suffisante.

Comme vous l’avez vu, la redondance est très présente en cas de perte d’un ou plusieurs systèmes hydrauliques et/ou électriques. Mis à part les deux cas assez exceptionnels cités précédemment, il n’y a pas d’autres accidents notables liés à la perte de toutes les hydrauliques.

J’espère que cette initiation n’aura pas été trop complexe, et vous aura permis de mieux comprendre la place de l’hydraulique à bord d’un avion.