FR2978587A1 - Procede et dispositif de gestion optimisee de l'energie d'un aeronef - Google Patents

Abstract

- Le dispositif (1) comporte des moyens (5) pour déterminer, de façon itérative, en fonction d'un état énergétique prédit, conformément à une stratégie de gestion, des ordres de commande optimisés de moyens (S1, S2, S3, S4, S5, S6) de contrôle en énergie de l'aéronef, qui permettent à l'aéronef d'atteindre un point donné d'une trajectoire dans un état opérationnel donné.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de gestion optimisée de l'énergie d'un aéronef, en particulier d'un avion et notamment d'un avion de transport, lors d'un vol de ce dernier le long d'une trajectoire, afin de rejoindre un point donné de ladite trajectoire dans un état opérationnel donné. Bien que non exclusivement, la présente invention s'applique plus particulièrement à une phase d'approche en vue d'un atterrissage sur une piste d'atterrissage d'un aéroport ou sur toute autre piste connue, dans le but d'atteindre un point prédéterminé avant l'atterrissage final dans un état opérationnel donné. La présente invention concerne donc le guidage d'un avion vers un objectif (point donné) situé dans l'espace, ainsi que le contrôle des différents moyens de gestion de l'énergie afin d'atteindre l'état opérationnel donné.

Dans le cadre de la présente invention, l'état opérationnel se caractérise par un ensemble de contraintes sur les paramètres de l'avion ainsi définies : - un point donné de l'espace aérien dans lequel évolue l'avion. Le point de rendez-vous est défini de façon usuelle par trois coordonnées (longitude, latitude, altitude). A titre d'exemple, mais non exclusivement, le point donné de l'espace aérien peut être déterminé relativement à une piste d'atterrissage d'un aéroport ; - une vitesse de l'aéronef de consigne et stabilisée au point donné de l'espace. A titre d'exemple, mais non exclusivement, la vitesse peut être déterminée par la vitesse de référence utilisée en phase d'approche avant l'atterrissage ; - un état de consigne stabilisé pour les différents moyens de contrôle en énergie de l'avion. On peut mentionner, à titre d'exemple, mais non exclusivement : - une poussée établie des moteurs ; et - une configuration aérodynamique de l'aéronef. Cette configuration est définie, entre autres, mais non exclusivement, par la position des becs et volets, ainsi que par la position du train d'atterrissage. Dans le cadre de la présente invention, la notion d'énergie se définit, de façon usuelle, comme l'énergie totale mécanique de l'avion déterminée par la somme d'une énergie potentielle directement proportionnelle à l'altitude l'avion et d'une énergie cinétique proportionnelle au carré de la vitesse de l'avion. Plus précisément, l'invention a pour objet de gérer automatiquement un ensemble de moyens de contrôle de l'énergie avec comme objectif d'assurer un rendez-vous en énergie de l'avion à un point donné, tout en satisfaisant des contraintes particulières définies par l'état opérationnel. On sait que le pilote dispose de différents moyens de correction ou de contrôle pour satisfaire le rendez-vous.

Pour satisfaire le rendez-vous en un point donné de l'espace par le suivi d'une trajectoire, il peut s'agir de moyens conventionnels pour guider l'avion suivant ladite trajectoire donnée, tels que des surfaces de contrôle (ailerons, gouverne de profondeur, dérive). Pour satisfaire le rendez-vous en énergie au point donné de l'espace, ledit rendez-vous en énergie étant définie par la combinaison des paramètres d'altitude et de vitesse, il peut s'agir de différents moyens : - des moyens dits conventionnels à court terme, qui affectent la variation d'énergie de l'avion, tels que les moteurs et les aérofreins ; - des moyens autorisés par la configuration aérodynamique de l'avion, tels que les becs, les volets et le train d'atterrissage. Ceux-ci impactent la finesse de l'avion et par conséquent sa capacité à conserver plus ou moins son énergie à poussée nulle ; et - des moyens opérationnels, à savoir la modification du plan de vol vertical, qui se base davantage sur la notion de distribution de l'énergie entre énergie cinétique et énergie potentielle, la modification du plan de vol latéral, qui permet d'ajuster la trace au sol et ainsi d'adapter la situation en énergie de l'avion avec la consigne et enfin la modification de la vitesse consigne asservie par l'automanette. On notera qu'à chaque instant, la variation d'énergie de l'avion est donnée par la différence entre la poussée des moteurs et la traînée globale de l'avion, traînée qui est issue de la combinaison des effets des aérofreins, des becs et volets, et du train.

On connaît trois manières différentes pour guider un avion d'un point donné de l'espace, avec une certaine altitude initiale et une certaine vitesse initiale, vers un autre point de l'espace avec une autre altitude (finale) et une autre vitesse (finale), et ce suivant chacun des axes à savoir : - un pilotage manuel ; - un pilotage automatique, en mode sélecté ; et - un pilotage automatique, en mode managé. On précise à présent les différentes manières usuelles précitées de piloter l'avion.

Lors d'un pilotage manuel, le pilote contrôle l'avion sur ses trois axes par l'intermédiaire du manche (pilotage le long d'une trajectoire voulue par le pilote, dont une altitude qui définit la distribution de l'énergie entre énergie cinétique et énergie potentielle) et des différentes manettes pour le contrôle de la poussée moteur, le contrôle de dispositifs de traînée (aérofreins), le contrôle de la position de consigne des becs et volets (tous ces moyens affectant la variation globale d'énergie de l'avion). Le pilote peut suivre l'évolution de l'avion dans l'espace, ainsi que d'autres paramètres tels que la vitesse, la vitesse verticale, l'assiette,..., grâce aux différents affichages situés dans le cockpit. La stratégie de pilotage manuelle utilisée pour guider l'avion vers un point dans l'espace est celle imposée par le pilote. Si le pilote a les capacités de guider l'avion vers l'objectif, rien ne garantit l'optimalité du pilotage. En effet, le pilote doit gérer au mieux le niveau d'énergie de l'avion par l'utilisation de la manette des moteurs ou de la manette aérofreins, tout en assurant la distribution de l'énergie par l'utilisation du manche commandant l'avion sur les trois axes. Dans le cas d'une approche, le pilote doit également commander la sortie des becs et des volets de façon manuelle à l'aide d'un levier prévu à cet effet. La sortie des becs et des volets ayant un impact direct sur la performance de l'avion, le pilote doit alors planifier la sortie en fonction de la trajectoire volée et de la consigne en vitesse visée. Dans le cas préférentiel précité, si la finesse de l'avion est trop dégradée, le pilote augmentera le niveau de poussée de façon manuelle pour assurer le maintien de la trajectoire et du profil en vitesse. Dans le cas contraire (lorsque la finesse de l'avion n'est pas assez dégradée), le pilote peut utiliser les aérofreins de façon manuelle. Toutefois, l'utilisation des moteurs et des aérofreins n'est pas forcément optimisée et dépend du savoir-faire du pilote.

Par ailleurs, afin de simplifier et aider le pilote dans le pilotage à cours terme de l'avion, il dispose d'un mode dit « sélecté » qui active une fonction dite « pilote automatique » pouvant piloter la trajectoire de l'avion de manière automatique et/ou qui active une fonction dite « auto-poussée » pouvant piloter la vitesse de l'avion ou un niveau de poussée moteur de manière automatique. Le pilote automatique asservit la trajectoire et la vitesse de l'avion sur des consignes définies par le pilote. Pour ce faire, le pilote dispose de différents modes de pilotage dédiés au pilote automatique permettant, entre autres, des maintiens de pente, des changements d'altitudes, des maintiens de vitesses verticales, des maintiens de vitesses sur une trajectoire,... La commande des becs et volets, du train d'atterrissage, et des aérofreins servant plus particulièrement lors de la phase d'approche, demeure manuelle, et est sous la responsabilité du pilote.

Malgré le caractère partiellement automatique de ce mode, la stratégie à appliquer pour assurer un rendez-vous dans l'espace est toujours imposée par le pilote, notamment au travers des consignes envoyées au pilote automatique. La stratégie de guidage (relative au pilotage automatique en mode sélecté) dépend toujours du pilote et n'est pas forcément optimale. Par ailleurs, le pilote dispose également d'un mode dit « managé ». Ce mode peut également activer le « pilote automatique » et/ou l'auto-poussée afin de piloter la trajectoire et la vitesse de manière automatique, à la différence près que les consignes de pilotage sont calculées par le système de gestion de vol à partir du plan de vol défini par le pilote. Cette trajectoire est définie par un système de gestion de vol, de type FMS (« Flight Management System » en anglais), qui utilise entre autres des modèles de performance de l'avion. Il est possible, dans certains cas, que la trajectoire à voler nécessite l'utilisation des aérofreins. Dans ces cas, seul le pilote a l'autorité pour sortir les aérofreins (de manière manuelle). Pour les cas d'approche, la commande des becs et volets et du train d'atterrissage demeure toujours manuelle, et sous la responsabilité du pilote.

Avec ce pilotage automatique en mode managé, on obtient une approche plus optimisée de la gestion du vol, grâce au système FMS qui calcule des trajectoires volables, qui garantissent le rendez-vous de l'avion.

On notera qu'en dépit d'un niveau d'automatisation grandissant, certains moyens ne demeurent utilisables que de manière manuelle, à savoir les aérofreins, les becs, les volets et le train d'atterrissage. Sur les avions actuels, la commande des configurations becs et volets est réalisée de manière manuelle par le biais d'un levier spécifique positionné dans le cockpit. Les changements de configurations becs et volets se décident par comparaison entre la vitesse de l'avion et des vitesses caractéristiques exprimées en vitesse calibrée CAS. Ces vitesses opérationnelles sont les suivantes : - une vitesse minimale opérationnelle en configuration lisse (dite « green dot speed »). Le passage en configuration 1 se fait généralement à cette vitesse. Cette vitesse offre notamment la meilleure finesse en configuration lisse. Elle dépend de l'altitude et de la masse de l'avion ; - une vitesse recommandée (dite « S-speed ») pour commander la configuration 2. Cette vitesse dépend de la vitesse minimale de contrôle VMCL (vitesse minimale de contrôle), de la vitesse VS1g (vitesse minimale pour maintenir un vol rectiligne uniforme) en configuration 1 et de la vitesse VFE (vitesse maximale d'extension de la configuration) en configuration 2 ; - une vitesse recommandée (dite « F2-speed ») pour commander la configuration 3. Cette vitesse dépend de la vitesse minimale de contrôle VMCL, de la vitesse VS1 g en configuration 2 et de la vitesse VFE en configuration 3 ; et - une vitesse recommandée (dite «F3-speed ») pour commander la configuration dite « full ». Cette vitesse dépend de la vitesse minimale de contrôle VMCL, de la vitesse VS1g en configuration 3 et de la vitesse VFE en configuration dite « full ». De manière opérationnelle, la sortie du train d'atterrissage est commandée dès que la configuration 2 est étendue. Néanmoins, de manière générale, le train d'atterrissage peut être utilisé en dessous d'une vitesse maximale de sortie du train d'atterrissage. Aussi, afin d'informer le pilote de l'état d'énergie courant de l'avion et de l'aider dans la gestion de l'énergie en approche, on connaît par le document US-2008/0140272 une solution permettant d'anticiper des situations de sur-énergie. L'objectif de cette solution est d'afficher deux cercles de prédiction en énergie sur une interface ND (« Navigation Display » en anglais) du cockpit pour informer le pilote de son état en énergie prédit au niveau du seuil de piste. Les deux prédictions calculées considèrent l'hypothèse d'une descente standard (trajectoire standard avec palier de décélération standard, sortie des configurations aérodynamiques et du train d'atterrissage selon la procédure standard) et d'une descente limite (sortie des configurations aérodynamiques anticipée, sortie des trains anticipée, aérofreins étendus au maximum).Grâce à la représentation de ces cercles, le pilote peut anticiper l'état de sous- énergie ou de sur-énergie en utilisant respectivement les moteurs ou les aérofreins et ainsi ramener l'avion vers un état d'énergie acceptable. Cette solution présente l'intérêt d'informer le pilote de son état d'énergie, toutefois la correction à appliquer reste à la charge du pilote. De plus, les cercles d'énergie sont basés sur deux trajectoires types (trajectoires extrêmes) et ne fournissent pas d'indication précise pour d'autres types de trajectoire intermédiaire. Par conséquent, plusieurs problèmes sont à résoudre : - informer le pilote de son état d'énergie tout au long de sa trajectoire jusqu'à un objectif final. La solution telle que proposée par le document US-2008/0140272 est d'une grande utilité lors de la phase de descente jusqu'au point de décélération, mais elle ne présuppose que deux façons forfaitaires de piloter l'avion et n'assure pas elle-même la réalisation du pilotage de l'avion ; - aider le pilote dans sa prise de décision. Lors de situations non nominales (cas de vent, sur-énergie, sous-énergie), le pilote doit utiliser son savoir-faire pour adapter le pilotage de l'avion dans un environnement extérieur changeant et par rapport à la finesse courante de l'avion. Le pilote doit faire appel à son expérience pour estimer l'effet de l'utilisation des différents moyens sur l'état futur d'énergie. Cette estimation reste toutefois imprécise et non optimale ; et - diminuer la charge de travail du pilote. En effet, en dépit des divers niveaux d'automatisation, plusieurs moyens demeurent contrôlés de façon manuelle.

La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un procédé de gestion optimisée de l'énergie d'un aéronef, notamment d'un avion, lors d'un vol le long d'une trajectoire, afin de rejoindre un point donné de ladite trajectoire dans un état opérationnel donné, notamment lors d'une phase d'approche en vue d'un atterrissage. A cet effet, selon l'invention, ledit procédé est remarquable en ce que, au cours du vol de l'avion le long de ladite trajectoire jusqu'audit point donné, on réalise, de façon automatique et répétitive, la suite d'étapes successives suivante : a) on détermine les valeurs courantes de paramètres de l'avion ; b) on calcule l'état énergétique prédit de l'avion audit point, en fonction de ces valeurs courantes et de modèles prédéterminés, et de façon itérative, en fonction de l'état énergétique prédit, on détermine, conformément à une stratégie de gestion, des ordres de commande optimisés de moyens de contrôle en énergie de l'avion, lesdits ordres de commande optimisés étant instantanés (à appliquer immédiatement par les moyens adéquats) ou futurs (application de l'ordre par les moyens adéquats à un instant ultérieur) et tels qu'ils permettent à l'avion d'atteindre ledit point donné dans ledit état physique opérationnel donné ; et c) on applique, de manière automatisée, les ordres de commande instantanés optimisés ainsi déterminés auxdits moyens de contrôle en énergie de l'avion. De plus, avantageusement, on renvoie les informations à l'équipage concernant les ordres instantanés et futurs prévus par l'invention. Ainsi, grâce à l'invention, par le traitement itératif précité tenant compte d'un état énergétique prédit de l'avion au point à rejoindre, on est en mesure de déterminer automatiquement des ordres de commande optimisés qui permettent à l'avion d'atteindre ledit point en se trouvant dans ledit état opérationnel donné. De plus, comme ce traitement, précisé ci-dessous, est itératif, on adapte tout au long du vol les commandes des moyens de contrôle en énergie à la situation courante de l'avion.

Selon l'invention, les ordres de commande sont optimisés conformément à une stratégie de gestion. Avantageusement, la stratégie de gestion utilisée à l'étape b) correspond à une stratégie sélectionnée manuellement ou automatiquement, à savoir choisie manuellement par un pilote de l'avion ou déterminée automatiquement par le système de gestion du vol en tenant compte de consignes de haut niveau formulées par la compagnie aérienne. En l'absence de sélection, une stratégie par défaut pourra être utilisée. Dans un mode de réalisation préféré, on peut utiliser, à l'étape b), au moins l'une des stratégies de gestion suivantes : - une stratégie de réduction de bruit ; - une stratégie de réduction de la consommation de fuel ; - une stratégie de gestion du confort des passagers ; - une stratégie d'efficacité maximale; - une stratégie de gestion de la distance à destination ; et - au moins une stratégie mixte combinant au moins deux des stratégies précédentes. Par ailleurs, selon l'invention, on prévoit une pluralité de modes différents, dont chacun comprend des moyens particuliers associés de contrôle en énergie de l'avion. De façon avantageuse, on prend en compte au moins certains des modes suivants : - un mode de commande des becs et volets (définissant la configuration aérodynamique de l'avion) et du train d'atterrissage ; - un mode de commande des aérofreins ; - un mode de commande des moteurs ; - un mode de commande de moyens modifiant la trajectoire verticale planifiée de l'avion ; - un mode de commande de moyens modifiant la trajectoire latérale planifiée de l'avion ; et - un mode de commande de moyens modifiant la vitesse de consigne asservie par l'auto-poussée. Avantageusement, en fonction de la stratégie de gestion utilisée à l'étape b), on peut, dans une application préférentielle de l'invention, déterminer un ordre de priorité desdits modes permettant une sélection automatique du mode à utiliser lors de la mise en oeuvre de l'invention. Il est possible, en outre, dans une application secondaire, en plus de l'ordre de priorité desdits modes d'appliquer simultanément plusieurs modes. En outre, de façon avantageuse, on prévoit, pour chaque mode, un module de prédiction et un module d'optimisation des ordres de commande à appliquer aux moyens de contrôle en énergie associés audit mode, et on met en oeuvre lesdits modules à l'étape b) pour déterminer lesdits ordres de commande optimisés. Par ailleurs, avantageusement : - les modèles précités comprennent au moins certains des éléments suivants : un modèle du vent, des modèles de performance de l'avion, une indication de la dynamique des actionneurs associés à des moyens de contrôle en énergie, et une indication de contraintes opérationnelles ; et - à l'étape c), on présente à un pilote des informations relatives à la commande des moyens de contrôle en énergie, précisées ci-dessous. En outre, avantageusement, en cas de panne de moyens de contrôle en énergie, on réalise une reconfiguration sur des moyens de contrôle en énergie, non défaillants, comme précisé ci-dessous. La présente invention présente ainsi de nombreux avantages. Entre autres, elle permet : - d'assurer le contrôle cohérent de certains moyens de contrôle en énergie (tout ou partie) de manière automatique ; - d'informer le pilote en temps réel sur les états énergétiques de l'avion au travers de paramètres opérationnels idoines (indication de vitesse, d'altitude, ...), instantanés et futurs. L'état futur est celui prédit au point donné de l'état opérationnel de rendez-vous ; - d'informer le pilote, en temps réel, des commandes appliquées à l'instant présent ou à des instants futurs et de leurs effets sur la trajectoire et le bilan énergétique de l'avion ; et - d'alléger globalement la charge de pilotage du pilote. La présente invention concerne également un dispositif de gestion optimisée de l'énergie d'un avion, en particulier d'un avion de transport, lors d'un vol le long d'une trajectoire prédéterminée afin de rejoindre un point donné de ladite trajectoire dans un état opérationnel donné, notamment lors d'une phase d'approche en vue d'un atterrissage sur une piste d'atterrissage d'un aéroport. Selon l'invention, ledit dispositif est remarquable en ce qu'il comporte : - des moyens pour déterminer automatiquement les valeurs courantes de paramètres de l'avion, au cours du vol de l'avion le long de ladite trajectoire jusqu'audit point donné ; - des moyens pour calculer automatiquement l'état énergétique prédit de l'avion audit point, en fonction de ces valeurs courantes et de modèles prédéterminés, et pour déterminer automatiquement, de façon itérative, en fonction de l'état énergétique prédit, conformément à une stratégie de gestion, des ordres de commande optimisés de moyens de contrôle en énergie de l'avion, lesdits ordres de commande optimisés étant tels qu'ils permettent à l'avion d'atteindre ledit point donné dans ledit état opérationnel donné ; et - des moyens de contrôle en énergie de l'avion, auxquels on applique automatiquement les ordres de commande optimisés ainsi déterminés. Dans un mode de réalisation particulier, ledit dispositif qui est destiné au contrôle du vol et à la gestion opérationnelle du vol, comporte de plus : - des moyens d'affichage pour présenter à un ou des pilotes de l'avion, sur un écran de visualisation du poste de pilotage, des informations relatives à la commande des moyens de contrôle en énergie, précisées ci-dessous ; et/ou - des moyens d'interface permettant à un opérateur d'entrer des données dans ledit dispositif, et notamment la stratégie de gestion choisie. La présente invention concerne également un aéronef, en particulier un avion et notamment un avion de transport, qui est pourvu d'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 montrant un exemple de profil en énergie d'un avion entre deux points, un point initial et un point final. La figure 3 montre schématiquement des moyens de traitement associés à un mode particulier et comprenant un module de prédiction et un module de correction (ou d'optimisation). Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté schématiquement sur la figure 1 est destiné à mettre en oeuvre une gestion optimisée de l'énergie d'un avion (non représenté), en particulier d'un avion de transport, lors d'un vol le long d'une trajectoire, afin de rejoindre un point donné Pf de ladite trajectoire dans un état opérationnel donné, notamment lors d'une phase d'approche en vue d'un atterrissage sur une piste d'atterrissage d'un aéroport ou sur toute autre piste connue. Sur la figure 2, on a représenté un exemple de profil d'énergie spécifique E pour un avion entre un point Pi donné de l'espace (à une position xi), avec une certaine hauteur initiale hi et une certaine vitesse initiale Vi (définissant une énergie spécifique Ei), vers un autre point Pf (à une position xf) de l'espace avec une autre altitude finale hf et une autre vitesse finale Vf (définissant une énergie spécifique Ef). De façon usuelle, les énergies spécifiques Ei et Ef sont définies par l'expression suivante (en utilisant les valeurs correspondantes de hauteur hi, hf et de vitesse Vi, Vf au lieu de h et V) : E = (V2/2g) + h Selon l'invention, ledit dispositif 1 comporte : - un ensemble 2 de sources d'informations usuelles précisées ci-dessous, qui permet de déterminer les valeurs courantes de paramètres de vol de l'avion ; - au moins une base de données 3 qui comprend des modèles précisés ci- dessous; - des moyens d'interface 4, en particulier un clavier associé à un écran ou tout autre moyen usuel, qui permettent à un pilote d'entrer des données dans le dispositif 1, et notamment une stratégie de gestion ; - une unité de traitement d'informations 5 qui est reliée par l'intermédiaire de liaisons 6 à 8, respectivement, auxdits moyens 2 à 4 et qui est formée de manière : - à calculer l'état énergétique prédit de l'avion au point à atteindre, en fonction de ces valeurs courantes et de ces modèles ; et - à déterminer, de façon itérative, en fonction de l'état énergétique prédit, conformément à une stratégie de gestion, des ordres de commande optimisés pour le contrôle en énergie de l'avion, lesdits ordres de commande optimisés étant tels qu'ils permettent à l'avion d'atteindre ledit point donné dans ledit état opérationnel donné ; et - des systèmes usuels S1 à S6 de contrôle en énergie de l'avion, auxquels on applique automatiquement les ordres de commande optimisés déterminés par l'unité de traitement d'informations 5 et susceptibles d'êtres transmis via des liaisons L1 à L6. Selon l'invention, on prévoit une pluralité de systèmes S1 à S6 différents (correspondant respectivement à des modes de commande M1 à M6 précisés ci-après), dont chacun comprend des moyens particuliers associés de contrôle en énergie de l'avion. Plus précisément, chaque système S1, S2, S3, S4, S5 et S6 comprend : - une unité de traitement usuelle U l, U2, U3, U4, U5 et U6 ; et - un ou plusieurs actionneurs usuels Al, A2, A3, A4, A5 et A6, qui sont commandés par l'unité de traitement U 1, U2, U3, U4, U5 et U6, via des liaisons 11 à 16, pour actionner des éléments associés (moteurs, becs, volets, train d'atterrissage,...) destinés au contrôle en énergie de l'avion.

De préférence, le dispositif 1 prend en compte les modes suivants : - un mode M1 de commande des becs et des volets (qui définissent la configuration aérodynamique de l'avion), ainsi que du train d'atterrissage, permettant l'optimisation de ces éléments avec pour objectif de moduler le profil en énergie, et de satisfaire de préférence une approche stabilisée ; - un mode M2 de commande des aérofreins, ayant pour objectif d'augmenter les capacités de l'avion à résorber de l'énergie ; - un mode M3 de commande de la poussée des moteurs, ayant pour objectif d'aider l'avion à converger vers un niveau d'énergie cible ; - un mode M4 de commande de moyens modifiant la trajectoire verticale de l'avion, ayant pour objectif de moduler le profil en énergie, et de satisfaire de préférence une approche stabilisée ; et - un mode M5 de commande de moyens modifiant la trajectoire latérale de l'avion, ayant également pour objectif de moduler le profil en énergie, et de satisfaire de préférence une approche stabilisée ; et - un mode M6 de commande de moyens modifiant la vitesse de consigne asservie par l'auto-poussée, ayant également pour objectif de moduler le taux de variation d'énergie. Le mode M6 tire bénéfice du fait que la vitesse volée par l'avion affecte la finesse dudit avion, et donc au global sa variation d'énergie. Le fonctionnement des modes M1 à M6 est détaillé par la suite. Dans le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 1, l'unité 5 et les unités U1 à U6 font partie d'un même calculateur 10 de l'avion, en particulier un calculateur usuel. 16 L'unité 5 comprend : ; - un module de gestion de modes 1 1 - un module de prédiction 12 ; et - des modules de correction Cl à C6 de type itératif, qui sont associés respectivement auxdits modes M1 à M6, et qui sont reliés par une liaison 13 audit module de gestion de modes 11 et par des liaisons 14 et 15 audit module de prédiction 12. Ledit dispositif 1 comporte également des moyens d'affichage 17 qui sont reliés par l'intermédiaire d'une liaison 18 à l'unité 5 et qui sont formés de manière à présenter à un pilote de l'avion, sur un écran de visualisation 19 du poste de pilotage, des informations relatives à la mise en oeuvre de l'invention, et notamment : - des informations relatives à la commande des systèmes S1 à S6 de contrôle en énergie, telles que, par exemple, le moment de sortie du train d'atterrissage ou des aérofreins ou le moment de modification de la configuration aérodynamique ou des moteurs ou les trajectoires verticales et latérales planifiées ; et - la stratégie de gestion de vol utilisée, ou tout autre information utile au pilote.

Dans le cadre de la présente invention, ledit ensemble 2 de sources d'informations peut, par exemple, comporter : un calculateur de données air, de type ADC ("Air Data Computer" en anglais) ; au moins un système de référence inertielle, de type IRS ("Inertial Reference System" en anglais) ; et un système de gestion de vol, de type FMS ("Flight Managment System" en anglais). Dans un mode de réalisation particulier, ledit ensemble 2 de sources d'informations fournit à l'unité 5 au moins certaines des valeurs courantes suivantes (dont la liste suivante comprend entre parenthèses le nom de la source d'informations correspondante) : vitesse d'approche (FMS) ; configuration d'atterrissage (FMS) ; modèle de vent (FMS) ; plan de vol (FMS - "Navigation Data Base", à savoir base de données de navigation) ; altitude de décélération (FMS - Navigation Data Base) ; altitude du terrain (FMS - Navigation Data Base) ; - position du train d'atterrissage (FG pour "Flight Guidance", à savoir calculateur de guidage de vol) ; configuration des becs et des volets (FG) ; latitude et longitude de l'avion (IRS) ; altitude de l'avion (ADC) ; vitesse air vraie ou TAS ["True Airspeed" en anglais] (ADC) ; vitesse corrigée ou CAS ["Calibrated Airspeed"] (ADC) ; vitesse caractéristique (FMS - "Performance Data Base" pour base de données de performance) ; et information sur d'éventuels moyens de contrôle en énergie défaillants, comme par exemple mais non exclusivement : information sur le ou les moteurs en panne (tout ou partie), information sur une panne partielle ou complète sur le système des becs et volets, information de la panne d'un ou plusieurs systèmes de traînée (aérofreins). Par ailleurs, la base de données 3 peut comprendre au moins certains des éléments usuels suivants, qui sont utilisés par l'unité 5 : un modèle du vent, des modèles de performance de l'avion, une indication de la dynamique d'actionneurs (associés à des systèmes S1 à S6 de contrôle en énergie), et une indication de contraintes opérationnelles.

Ainsi, par le traitement itératif précité (tenant compte d'un état énergétique prédit de l'avion au point à rejoindre), le dispositif 1 conforme à l'invention est en mesure de déterminer automatiquement des ordres de commande optimisés qui permettent à l'avion d'atteindre ledit point en se trouvant dans ledit état opérationnel donné, c'est-à-dire en respectant toutes les contraintes imposées (concernant l'état énergétique, la configuration aérodynamique, la position du train d'atterrissage,...). De plus, comme ce traitement est itératif, ledit dispositif 1 adapte tout au long du vol les commandes du ou des systèmes S1 à S6 de contrôle en énergie utilisés, à la situation courante de l'avion. Ledit dispositif 1 est ainsi capable, tout d'abord, d'informer de l'état d'énergie de l'avion en temps réel tout au long de la trajectoire d'approche planifiée. Et suite à cette prédiction, il est capable de commander un ensemble de systèmes S1 à S6 de contrôle en énergie suivant une stratégie de gestion (dite de « haut niveau ») avec pour objectif d'assurer un rendez-vous en énergie de l'avion. Bien que non exclusivement, la présente invention s'applique plus particulièrement à une phase d'approche en vue d'un atterrissage sur une piste d'atterrissage d'un aéroport ou tout autre piste connue, dans le but d'atteindre un point prédéterminé avant l'atterrissage final. Dans ce cas préférentiel, l'objectif est de maintenir une certaine trajectoire, puis de stabiliser l'avion en approche et ceci à un certain point dans l'espace devant le seuil de la piste d'atterrissage. Selon l'invention, les ordres commande sont donc optimisés conformément à une stratégie de gestion, qui correspond à une stratégie sélectionnée par un pilote (à l'aide des moyens 4), ou bien une stratégie déterminée par le système de gestion du vol en tenant compte de consignes de haut niveau formulées par la compagnie aérienne. En l'absence de sélection, une stratégie par défaut pourra être utilisée.

Dans un mode de réalisation préféré, on peut utiliser au moins certaines des stratégies de gestion suivantes : - une stratégie de réduction de bruit ; - une stratégie de réduction de la consommation de fuel ; - une stratégie de gestion du confort des passagers ; - une stratégie d'efficacité maximale ; - une stratégie de gestion de la distance à destination ; et - au moins une stratégie mixte combinant au moins deux des stratégies précédentes.

Le module de gestion de modes 1 1 qui est un système basé sur un commutateur intelligent, sélectionne le mode ou les modes à activer en fonction de la stratégie imposée. A cet effet, ledit module 11 détermine, pour chaque stratégie de gestion, un ordre de priorité des modes envisageables, permettant une sélection automatique du mode à utiliser lors de la mise en oeuvre de l'invention. Ainsi, à titre d'exemple : - pour une stratégie de réduction du bruit, on cherche à ne pas solliciter les actionneurs faisant du bruit, à savoir les moteurs et les aérofreins. Ainsi, dans le cas où une stratégie similaire est sélectionnée, le module de gestion de modes 11 peut rendre moins prioritaire les modes M2 et M3.

Ainsi l'ordre de priorité des modes sera : M6, M1, M4, M5, M2 et M3 ; - pour une stratégie de réduction de la consommation de fuel, on cherche à ne pas solliciter les actionneurs consommant du fuel. Ainsi, dans le cas où une stratégie similaire est sélectionnée, le module de gestion de modes 11 peut rendre moins prioritaire le mode M3. Ainsi l'ordre de priorité des modes sera : M6, M1, M2, M4, M5 et M3 ; - pour une stratégie de gestion du confort des passagers, on cherche à éviter de dégrader le confort en cabine. Ainsi, dans le cas où une stratégie similaire est sélectionnée, le module de gestion de modes 11 peut rendre moins prioritaire le mode M2, étant donné que les aérofreins créent des vibrations lorsqu'ils sont déployés. Ainsi l'ordre de priorité des modes sera : M6, M1, M3, M4, M5 et M2 ; - pour une stratégie d'efficacité maximale, on cherche à donner la priorité aux actionneurs présentant les meilleures efficacités pour contrôler l'énergie sur un horizon de temps court terme. Ainsi, dans le cas où une stratégie similaire est sélectionnée, le module de gestion de modes 11 peut rendre prioritaire faisant appel aux moteurs et aux aérofreins à savoir les modes M2 et M3. Ainsi l'ordre de priorité des modes sera : M2, M3, M1, M6, M4 et M5. A titre d'exemple, cette stratégie peut être employée en cas de descente d'urgence. Le module de gestion de modes 11 donne alors la priorité à l'utilisation des aérofreins, puis à l'optimisation de la configuration aérodynamique de descente et de la vitesse consigne de descente; - pour une stratégie de gestion de la distance à destination, on cherche à adapter la perte d'énergie de l'avion en fonction de l'objectif. A titre d'exemple mais non exclusivement, cette stratégie est employée dans le cas d'une panne complète des moteurs. L'ensemble 2 de sources d'informations envoie au dispositif 1 l'information concernant l'aéroport idéal de déroutement, définissant ainsi comme objectif un état opérationnel dont le point de rendez-vous donné se situe sur la piste de l'aéroport de déroutement. Le module de gestion de modes 11 rendra donc prioritaire en premier lieu les modes M6, M4 et M5 (adaptation avantageuse de la vitesse de descente consigne, des trajectoires verticale et latérale), avant de faire appel aux modes M1 et M2 en fin de descente.

Le mode M3 dans ce cas est interdit ; et - pour une stratégie mixte, il est envisageable de combiner certains des modes précédents. A titre d'exemple, en cas de sur-énergie détectée, il est possible de sortir les aérofreins et de modifier légèrement le profil vertical. Cette solution (stratégie mixte) peut être étendue à d'autres combinaisons, telles que, par exemple : - aérofreins et trajectoire verticale ; - moteurs et trajectoire verticale ; - becs, volets, train et aérofreins ; - becs, volets, train et moteurs ; - vitesse de consigne et aérofreins, - becs, volets, train et trajectoire verticale,... Par ailleurs, en cas de panne d'un système S1, S2, S3, S4, S5, S6 de contrôle en énergie, le dispositif 1 peut réaliser une reconfiguration sur des systèmes de contrôle en énergie, non défaillants. Ainsi, à titre d'illustration : - lors d'une panne du système S1 de commande des becs et des volets, le dispositif 1 peut utiliser les aérofreins et la modification de trajectoires, en cas de sur-énergie. En outre, il peut utiliser les moteurs et la modification de trajectoires, en cas de sous-énergie ; - lors d'une panne du système S2 de commande des aérofreins, le dispositif 1 peut utiliser la commande des becs, des volets et du train d'atterrissage, ainsi que la modification de trajectoires, en cas de sur- énergie ; et - lors d'une panne des moteurs, le dispositif 1 peut utiliser la commande des becs, des volets et du train d'atterrissage, ainsi que la modification de trajectoires, en cas de sous-énergie. Le dispositif 1 comprend, pour chaque mode Mn (n étant un entier de 1 à 5), comme représenté de façon générale sur la figure 3, un module de prédiction 12 et un module d'optimisation (ou de correction) Cn, coopérants, le module d'optimisation Cn transmettant les ordres de commande optimisés via une liaison Ln. Pour ce faire, le module de prédiction 12 (ou le module d'optimisation Cn) reçoit via une liaison Fn un ensemble d'informations (nécessaires pour les traitements correspondants), et notamment les valeurs courantes des paramètres (générées par les moyens 2). On peut prévoir un module de prédiction pour chaque mode M1 à Mn, ou un module de prédiction 12 commun aux différents modes comme représenté sur la figure 1. On précise ci-après les différents modes susceptibles d'être pris en compte dans la présente invention. Concernant le mode M1, partant d'une trajectoire verticale et d'une trajectoire latérale planifiées (reçues via une liaison F1), d'une position des aérofreins donnée et d'une poussée moteur donnée, le dispositif 1 est capable dans un premier temps de prédire la situation en énergie de l'avion, et ce grâce au module de prédiction 12. En parallèle, le module d'optimisation Cl correspondant est capable d'optimiser de manière itérative la séquence de commande des becs, des volets et du train d'atterrissage, afin de moduler le profil global en énergie, en particulier pour rétablir l'avion sur une approche stabilisée. Pour ce mode M1, on réalise, de préférence, la suite d'opérations suivante : a1) on calcule un profil en énergie prédit à l'aide du module de prédiction 12; a2) pour ce profil en énergie prédit, on calcule une erreur en énergie (correspondant à la différence entre l'énergie prédite et une énergie de consigne) ; a3) si l'erreur en énergie n'est pas stabilisée (dans le sens qu'elle ne converge pas), on réalise de façon itérative les opérations suivantes : - on calcule l'efficacité des ordres de commande sur l'objectif à atteindre ; - on calcule des corrections à appliquer aux ordres de commande ; et - on met à jour les ordres de commande ; - puis, on revient à l'étape al) ; et a4) si l'erreur en énergie est stabilisée (dans le sens qu'elle converge) et minimisée, on obtient lesdits ordres de commande optimisés recherchés (qui correspondent aux ordres de commande pour lesquels on obtient cette stabilisation et cette minimisation de l'erreur d'énergie). De plus : - ledit module de prédiction 12 prédit l'énergie audit point donné, en faisant des calculs progressifs, pour une pluralité de segments successifs le long de la trajectoire jusqu'audit point donné, chaque segment correspondant à une phase à configuration aérodynamique constante ou à une phase de transition de configurations aérodynamiques, des paramètres prédits à la fin d'un segment quelconque étant utilisés comme paramètres initiaux pour le segment qui suit directement ; et - ledit module d'optimisation Cl calcule, notamment, des corrections à appliquer aux ordres de commande pour pouvoir annuler l'erreur en énergie. Concernant le mode M2, partant d'une trajectoire verticale et d'une trajectoire latérale planifiées, et partant d'une séquence donnée de commande des becs, des volets et du train d'atterrissage, et d'une poussée moteur donnée, le dispositif 1 est capable dans un premier temps de prédire la situation en énergie de l'avion, et ce grâce au module de prédiction 12. En parallèle, le module d'optimisation C2 correspondant est capable de calculer le temps nécessaire d'extension et de commander l'extension des aérofreins afin de résorber de l'énergie, en particulier pour rétablir l'avion sur une approche stabilisée. En outre, concernant le mode M3, partant d'une trajectoire verticale et d'une trajectoire latérale planifiées, et partant d'une séquence donnée de commandes des becs, des volets et du train d'atterrissage, et d'une position d'aérofreins donnée, le dispositif 1 est capable dans un premier temps de prédire la situation en énergie de l'avion, et ce grâce au module de prédiction 12. En parallèle, le module d'optimisation C3 correspondant est capable de calculer le temps nécessaire d'utilisation de l'auto-manette et de commander ladite auto-manette, afin de maintenir la vitesse CAS courante de l'avion et, ainsi, éviter une décélération de l'avion, en particulier pour rétablir l'avion sur une approche stabilisée. Par ailleurs, concernant le mode M4, partant d'une trajectoire latérale planifiée, et d'une séquence de commande donnée des becs, des volets et du train d'atterrissage, et d'une position d'aérofreins donnée et d'une poussée moteur donnée, le dispositif 1 est capable dans un premier temps de prédire la situation en énergie de l'avion, et ce grâce au module de prédiction 12. En parallèle, le module d'optimisation C4 correspondant est capable d'optimiser la trajectoire verticale ou de commander une optimisation de la trajectoire verticale (par un système tiers) permettant de moduler le profil en énergie de l'avion, en particulier pour rétablir l'avion sur une approche stabilisée. Pour ce mode M4, on réalise, de préférence, la suite d'opérations suivante : A/ on prédit, par calcul, l'altitude de stabilisation pour laquelle l'avion va atteindre une vitesse d'approche, en fonction de valeurs courantes déterminées, de la trajectoire verticale théorique et de modèles prédéterminés ; B/ on compare l'altitude de stabilisation prédite à l'altitude de stabilisation de consigne ; et C/ lorsque la différence entre l'altitude de stabilisation prédite et l'altitude de stabilisation de consigne est, en valeur absolue, supérieure à un seuil d'altitude prédéfini, on établit une trajectoire verticale optimisée en fonction de l'altitude courante de l'avion. Cette trajectoire verticale optimisée est comprise entre deux trajectoires verticales extrêmes, à savoir une trajectoire verticale minimale et une trajectoire verticale maximale. Tant que la différence entre l'altitude de stabilisation prédite et l'altitude de stabilisation de consigne reste, en valeur absolue, supérieure audit seuil d'altitude, on itère les étapes AI, BI et CI, la trajectoire verticale théorique étant remplacée, lors de l'étape AI, par la trajectoire optimisée établie lors de l'itération précédente. En outre, concernant le mode M5, partant d'une trajectoire verticale planifiée, et d'une séquence de commande donnée des becs, des volets et du train d'atterrissage donnée, et d'une position d'aérofreins donnée et d'une poussée moteur donnée, le dispositif 1 est capable dans un premier temps de prédire la situation en énergie de l'avion, et ce grâce au module de prédiction 12. En parallèle, le module d'optimisation C5 correspondant est capable de commander une optimisation de la trajectoire latérale permettant de moduler le profil en énergie de l'avion, en particulier pour rétablir l'avion sur une approche stabilisée. Par ailleurs, concernant le mode M6, partant d'une séquence de commande donnée des becs, des volets et du train d'atterrissage et de positions données des aérofreins et des moteurs, le dispositif 1 est capable dans un premier temps de déterminer la variation d'énergie adéquate afin d'atteindre le rendez-vous en énergie donné par l'état opérationnel visé, et ce grâce au module de prédiction 12. En parallèle, le module d'optimisation C6 est capable de commander une vitesse de consigne, vitesse asservie par l'auto-poussée, qui implique que la finesse de l'avion résultant contribue au final à avoir une variation d'énergie adéquate, variation d'énergie calculée par le module de prédiction 12. Le dispositif 1 conforme à la présente invention présente ainsi de nombreux avantages. Entre autres, il permet : - d'assurer le contrôle cohérent de certains moyens de contrôle en énergie (tout ou partie) de manière automatique ; - d'informer le pilote, en temps réel, sur les états énergétiques de l'avion au travers de paramètres opérationnels idoines (indication de vitesse, d'altitude, etc.), instantanés et futurs. L'état futur est celui prédit au point donné de l'état opérationnel de rendez vous ; - d'informer le pilote, en temps réel, des commandes appliquées à l'instant courant ou à des instants futurs et de leurs effets sur la trajectoire et le bilan énergétique de l'avion ; - d'alléger globalement la charge de pilotage du pilote ; et - de satisfaire un rendez-vous de l'avion à un état opérationnel donné et à un point de l'espace donné, pour (dans un cas particulier) assurer un rendez-vous stabilisé de l'avion en approche

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion optimisée de l'énergie d'un aéronef, lors d'un vol le long d'une trajectoire prédéterminée, afin de rejoindre un point donné de ladite trajectoire dans un état opérationnel donné, caractérisé en ce que, au cours du vol de l'aéronef le long de ladite trajectoire jusqu'audit point donné, on réalise, de façon automatique et répétitive, la suite d'étapes successives suivante : a) on détermine les valeurs courantes de paramètres de l'aéronef ; b) on calcule l'état énergétique prédit de l'aéronef audit point, en fonction de ces valeurs courantes et de modèles prédéterminés, et de façon itérative, en fonction de l'état énergétique prédit, on détermine, conformément à une stratégie de gestion, des ordres de commande optimisés de moyens (Si, S2, S3, S4, S5, S6) de contrôle en énergie de l'aéronef, lesdits ordres de commande optimisés étant tels qu'ils permettent à l'aéronef d'atteindre ledit point donné dans ledit état opérationnel donné ; et c) on applique les ordres de commande optimisés ainsi déterminés auxdits moyens (Si, S2, S3, S4, S5, S6) de contrôle en énergie de l'aéronef.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la stratégie de gestion utilisée à l'étape b) correspond à une stratégie sélectionnée, et en l'absence de sélection, à une stratégie par défaut.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'à l'étape b), on peut utiliser au moins l'une des stratégies de gestion suivantes : - une stratégie de réduction de bruit ; - une stratégie de réduction de la consommation de fuel ; - une stratégie de gestion du confort des passagers ; - une stratégie d'efficacité maximale ; - une stratégie de gestion de la distance à destinaton ; et - au moins une stratégie mixte combinant au moins deux des stratégies précédentes.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape c), on présente à un pilote de l'aéronef, sur un écran de visualisation (19), des informations relatives à la commande des moyens de contrôle en énergie.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on prévoit une pluralité de modes différents, dont chacun est associé à des moyens particuliers de contrôle en énergie de l'aéronef.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, en fonction de la stratégie de gestion utilisée à l'étape b), on détermine un ordre de priorité desdits modes permettant de sélectionner le mode utilisé.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'on prend en compte au moins certains des modes suivants : - un mode de commande des becs et volets et du train d'atterrissage ; - un mode de commande des aérofreins ; - un mode de commande des moteurs ; - un mode de commande de moyens modifiant la trajectoire verticale de l'aéronef ; - un mode de commande de moyens modifiant la trajectoire latérale de l'aéronef ; et - un mode de commande de moyens modifiant la vitesse de consigne asservie par l'auto-pousssée.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'on prévoit, pour chaque mode, un module de prédiction (12) et un module (Cn) d'optimisation des ordres de commande à appliquer aux moyens de contrôle en énergie associés audit mode, et on met en oeuvre lesdits modules (12, Cn) à l'étape b) pour déterminer lesdits ordres de commande optimisés.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits modèles comprennent au moins certains des éléments suivants : un modèle du vent, au moins un modèle de performance de l'aéronef, une indication de la dynamique d'actionneurs associés à des moyens de contrôle en énergie, et une indication de contraintes opérationnelles.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en cas de panne de moyens de contrôle en énergie, on réalise une reconfiguration sur des moyens de contrôle en énergie, non défaillants.
11. 11. Dispositif de gestion optimisée de l'énergie d'un aéronef, lors d'un vol le long d'une trajectoire, afin de rejoindre un point donné de ladite trajectoire dans un état opérationnel donné, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens (2) pour déterminer les valeurs courantes de paramètres de l'aéronef, au cours du vol de l'aéronef le long de ladite trajectoire jusqu'audit point donné ; - des moyens (5) pour calculer l'état énergétique prédit de l'aéronef audit point, en fonction de ces valeurs courantes et de modèles prédéterminés, et pour déterminer, de façon itérative, en fonction de l'état énergétique prédit, conformément à une stratégie de gestion, des ordres de commande optimisés de moyens de contrôle en énergie de l'aéronef, lesdits ordres de commande optimisés étant tels qu'ils permettent à l'aéronef d'atteindre ledit point donné dans ledit état opérationnel donné ; et - des moyens (Si, S2, S3, S4, S5, S6) de contrôle en énergie de l'aéronef, auxquels on applique les ordres de commande optimisés ainsi déterminés.
12. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des moyens d'affichage (17) pour présenter à un pilote de l'aéronef, sur un écran de visualisation (19), des informations relatives à la commande des moyens de contrôle en énergie. 1 3 . Dispositif selon l'une des revendications 1 1 et 12, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des moyens d'interface (4) permettant à un opérateur d'entrer des données dans ledit dispositif (1). 14. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (1) tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 1 à13.