La profession de pilote d’essais : Largage de charges et missiles (partie 2)

Toutes les charges largables en vol doivent par définition s’écarter de façon sûre de l’avion porteur au moment du largage.

Or, en fonction des conditions de vol et de sa configuration aérodynamique (avec d’autres charges extérieures) il y a autour de l’avion porteur, du fait de la vitesse et donc du déplacement de la masse d’air, un champ aérodynamique aux alentours immédiats de la structure souvent très perturbé.

Tirs de missiles et Largage de charges en Vol

Le premier effet est qu’une charge larguée peut, en quittant l’avion porteur, avoir une trajectoire telle qu’elle peut venir frapper soit la structure, soit les autres charges externes présentes. Ce n’est pas une hypothèse d’école, beaucoup d’avions d’armes se sont écrasés à la suite de tels phénomènes.

C’est donc une phase potentiellement dangereuse qu’il convient de baliser pas à pas sur l’avion final. Par exemple sous Mirage F1, le champ aérodynamique sous le fuselage est extrêmement perturbé à grand vitesse, phénomène aggravé par la sortie des aérofreins. Des ailettes de missiles accrochés en ventral ont été détruites en vol uniquement par les vibrations induites des filets d’air… on imagine les risques associés au tir de ces missiles dépourvus de ses gouvernes.

Nous ne parlerons même pas des bombes guidées toujours utilisées en opérations qui, au début de leur mise au point, à peine larguées, remontaient sous le fuselage du Mirage F1 du fait d’un centre de gravité mal positionné; la mise au point fut longue et coûteuse.

Pour ne pas risquer la perte d’un avion et de son équipage, Il convient donc, et nous le comprenons bien, de baliser pas à pas tout le « domaine de largage ou de tir » d’une charge donnée, dans toutes les configurations demandées.

Allumage du moteur du missile (Martel ) début de la séparation d’avec l’avion

Pour ces essais, la précision du pilote d’essais dans le respect des paramètres de vol demandés pour valider des conditions de largage ou de tir est tout simplement vitale. Si aujourd’hui, les moyens de calcul et les simulations sophistiquées permettent d’anticiper à peu près ce que devrait être le comportement de la charge au moment du largage,  il n’en reste pas moins que pour valider un modèle il convient de lui donner les bonnes informations. Au début on a que la soufflerie et le calcul, ensuite on peut recaler le modèle avec les résultats d’essais en vol.

Parfois les conditions demandées sont telles que plusieurs passes de répétition sont nécessaires. Je me souviens d’un vol en M2000 où le point demandé pour tirer des missiles « Magic » était de réunir les paramètres de vol suivants : 250 Kts de vitesse , 4G de facteur de charge et 19 degrés d’incidence; comme chacun de ces paramètres interagit sur les autres on peut en comprendre la difficulté.

Différents systèmes sont utilisés pour « larguer » une charge. Pour les missiles propulsés nous avons le tir sur rail. C’est-à-dire que la mise à feu du moteur de séparation se fait alors que le missile est sur son rail d’arrimage et de lancement : lors du tir, le missile est guidé sur quelques centimètres; c’est le cas des missiles tels que Magic, super 530, AS30 etc..)

Il y a également le « drop and lit » – « Largué et allumé » – favori des américains. C’est-à-dire que les missiles sont largués, puis, une fois à distance de l’avion tireur, arrive la séquence de mise à feu du moteur (En France, c’est le cas de missiles air/mer AM39). Des éjecteurs à air ou à charge pyrotechnique sont aussi présents (exemple du pylône tri-bombe du Rafale). Bref, il y a une panoplie complète de tout ce qui peut se faire en la matière.

Des caméras à très grande cadence sont installées dans l’avion porteur afin d’analyser finement la trajectoire initiale de la charge, tant qu’elle se trouve dans le champ aérodynamique perturbé autour de l’avion.
Intégrer et mettre au point ces caméras sur l’avion porteur présente un  gros chantier long et coûteux. Une autre option consiste à intégrer ces caméras dans un réservoir largable modifié qui peut être monté indifféremment sur n’importe quel avion porteur compatible.
Si ces caméras sont intégrées dans des réservoirs largables modifiés, il faut être bien conscient que l’on ne valide que la configuration réelle où les mêmes réservoirs de pétrole sont présents car sans ces réservoirs le champ aérodynamique local est différent.

Un avion accompagnateur est souvent utilisé comme avion de « sécurité ». Lorsqu’il est difficile de prévoir la trajectoire de la charge et qu’un incident se produit lors du largage ou du tir, le pilote accompagnateur peut venir inspecter l’avion tireur et aider le pilote de l’avion endommagé à prendre les bonnes décisions car les dégâts occasionnés sont rarement visibles par le pilote de l’avion tireur.

Missile quelques dixièmes de seconde après le tir de la maquette

Dans la mise au point d’une arme propulsée, il arrive d’avoir une explosion du moteur juste après sa mise à feu ou que ce dernier prenne une trajectoire aberrante et dangereuse pour l’avion tireur.. .

Une explosion propulseur s’est produite littéralement sous mon nez en tirant un prototype de missiles S530, à partir d’un avion Vautour N. Mon ami expérimentateur Roland Subhi qui procédait à partir de la place arrière à la mise en œuvre du  système d’enregistrement s’en souvient encore trente ans après…

Pour ne pas rendre ces essais de largage et séparation trop onéreux, on utilise des « bûches » qui sont des charges identiques en forme, masse, centrage et moments d’inertie car les charges réelles seraient beaucoup trop coûteuses.

L’ouverture d’un domaine de vol pour le tir des armes et le largage des charges est un processus long et délicat dans la mise au point d’un système d’armes d’un avion de combat car il est fondamental pour la survie de la machine et de l’ équipage. Comme pour les vols de développement de l’avion de base, l’utilisation de la salle d’écoute (ou “de conduite d’essais”), utilisant les données transmises par télémesure et dialoguant en temps réel avec le pilote ainsi qu’avec les organismes de guidage et de contrôle de la circulation aérienne, contribue de façon majeure à la sécurité et à la conduite de l’essai.

Dans certains cas il peut y avoir une interaction entre les gaz brûlés du moteur de propulsion de missiles et le moteur de l’avion tireur.
En effet le sillage d’un moteur de missiles est composé de gaz chauds et pauvres en oxygène qui peuvent provoquer une « asphyxie »  du moteur de l’avion tireur, voire in fine son extinction; des phénomènes semblables peuvent apparaître également lors de tir au canon.

Ce dysfonctionnement se traite le plus souvent par la réalisation d’un dispositif qui réduira le besoin en oxygène du moteur au moment du tir, c’est ce que l’on appelle un appauvrisseur de tir.
La mise au point et la validation de ce dispositif prendra du temps et demandera des vols avec un pilotage extrêmement précis.

La mise au point du système d’armes final

Maintenant que les capteurs, les sous-systèmes et le domaine de largage sont au point et balisés, il faut désormais valider le système d’armes sur l’avion choisi.

En premier lieu, des bancs d’intégration au sol servent à mettre au point les protocoles d’échange d’information entre les composants du système (capteurs et calculateurs associés). Le pilote d’essais commence à se familiariser au sol, grâce à ces bancs, avec le fonctionnement global du système. Son rôle à ce moment est surtout de commencer à vérifier que l’interface homme machine est bien défini.

Avec le stress du vol en opération, l’environnement hostile, la vitesse à laquelle les différentes phases du vol se déroulent, cet interface doit être parfaitement compréhensible  et évident a l’emploi: le pilote n’a pas le droit à l’erreur car en opération  une seule passe est possible. C’est là que le pilote d’essais doit apporter toute l’expérience opérationnelle qu’il a pu acquérir dans sa vie précédente de pilote de combat. Qui n’a pas pesté car il n’a pu, du premier coup, mettre en œuvre les chaînes de son poste de télévision ou les fonctions de son ordinateur du fait d’une mauvaise interprétation ou de la piètre qualité des informations qu’on lui présente: il est tout simplement inimaginable qu’un pilote opérationnel soit confronté à ce cas de figure.

Essais au sol avant vol..Tir de roquettes a partir d’un mirage F1

Après la prise en main et la compréhension du système au sol, le pilote part en vol et se retrouve dans les conditions réelles de l’emploi. A lui d’imaginer le stress de l’opération réelle, de se mettre dans la peau d’un pilote de combat « standard » et alors seulement il peut juger de la qualité et de la pertinence des informations présentées pour demander  les modifications nécessaires en vue de présenter à l’équipage uniquement les  informations vraiment utiles.

A lui également de placer l’avion dans des conditions de combat réelles pour voir si les informations présentées restent exploitables. Il doit savoir prendre des avis complémentaires tout en restant « cohérent ». Il va enfin suivre une phase de validation du système où des vérifications du bon fonctionnement de l’ensemble se feront par des tirs et mises en fonctionnement réels de tous les équipements.

La technologie des composants évoluant très vite rend inévitablement la maturation de l’avion très longue: elle se fera donc par phases qui s’étalent au long des années pour cet avion de combat qui sera livré avec des configurations du système d’armes évolutives et l’on parlera de « standard logiciel » 1,2 ou 3 et plus qui définiront à chaque fois le périmètre des capacités de l’avion.

Bien sûr un avion au niveau de logiciel 1 pourra passer à l’occasion d’un chantier plus ou moins long au standard supérieur. Il peut arriver aussi que la mise en œuvre de certaines configurations ou capacités nouvelles remettent en cause des points que l’on croyait acquis, comme par exemple les qualités de vol, qui nécessiteront alors un complément de développement.

L’Interface Homme Machine (IHM) ou Man Machine Interface (MMI)

Un élément très important du système d’armes sont les commandes mises à la disposition du pilote qui en plus du pilotage de base de sa machine doit activer le système d’armes.

Depuis quelques années, le concept qui veut que le pilote ne lâche ni le manche ni la manette des gaz pour mettre en œuvre les phases délicates de son système d’armes est acquis (3M « Mains sur Manette et Manche »). Les anglo-saxons appellent cela le concept « Hotas » (Hands On Throttle And Stick). Les avions de combat modernes peuvent à la fois remplir la mission de police du ciel, celle d’attaque au sol ainsi que celle d’acquisition du renseignement qu’il soit optique ou électromagnétique.

Le lecteur peut aisément concevoir que la configuration de l’avion évolue en fonction du type de mission. On rajoute ou pas des réservoirs supplémentaires, on met en place des missiles air/air et des armes air/sol, un Pod d’acquisition et de suivi de cible au sol, un Pod de reconnaissance photo etc.

Vol pour essais de largage de réservoir supplémentaire celui en position ventrale avec les marquages de lignes noires la caméra sous le nez et le bidon droit logeant des caméras

Par contre il faut bien comprendre que toutes les missions que l’avion peut remplir au travers des différentes fonctions du système d’armes doivent être commandées par le pilote et que dans ce cas les boutons et commandes placées sur la poignée de pilotage et sur la manette de gaz ne peuvent être multipliés à l’infini et doivent ainsi être multiplexés.

Là le rôle du pilote d’essais est fondamental : il doit faire appel non seulement à toute son expérience mais il doit également se projeter dans le futur, ce qui n’est jamais facile. L’interface homme machine dans le monde du numérique où les écrans, commandes et contrôles sont multiplexés, est difficile à définir et à établir.

Je me rappelle d’une expérience très enrichissante de ce point de vue  dans la fin des années 80 ou je me suis rendu à Valence dans l’entreprise Crouzet afin d’y mettre au point les commandes du système d’armes de l’hélicoptère de combat Sud Africain Rooivalk. Nous sommes partis du moulage de la commande du cyclique de l’hélicoptère Super Puma, puis j’ai demandé un moulage inversé pour mettre en place le collectif (main gauche) et, avec  Trevor Ralston le pilote d’essais de cet hélicoptère, nous avons fait de la pâte à modeler pendant 3 jours à partir de formes de boutons et commandes  déjà existantes et avons défini toutes les commandes en demandant également le développement de nouveaux boutons de contrôle.

Quelques mois après nous sommes revenus pour une première évaluation des résultats de notre première visite et nous étions satisfaits à 80 %. Nous avons passé la majeure partie de notre temps restant  à définir les lois d’efforts pour chaque bouton c’est-à-dire définir les pressions à exercer sur chacun d’entre eux.

Ceci pour dire que l’expérience est fondamentale en matière d’interface homme machine. Une des clefs du succès de la mission est bien que le ou les pilotes puissent mettre en œuvre le système de façon aisée et sans commettre d’erreurs car ils n’ont que très peu de temps pour l’action et ne pourront pas la recommencer.

A l’époque où les systèmes étaient de type analogique, les avions de combat dont la mission était compliquée, volaient en équipage à deux: un pilote et un officier système. Cela se comprenait fort bien quand la fonction navigation à elle seule monopolisait beaucoup de ressources…

Les exemples sont multiples en France avec le Vautour pour la chasse et le bombardement puis le Mirage IV pour la mission nucléaire et ailleurs le Buccaneer, le Tornado, le F14 etc…

Avec le monde du numérique, le multiplexage a eu du mal à démarrer et au départ nous avons eu les Mirages 2000 biplaces pour le nucléaire et l’appui au sol. Un deuxième membre d’équipage dans un avion de combat c’est du carburant et des équipements en moins, ou tout simplement c’est un avion plus cher…

Missiles
Essais de déploiement d’une cible tractée a partir de l’avion étendard

Le Rafale n’a pas échappé à ce débat aussi bien pour la version navale embarquée (mais les contraintes du Porte-avions ont rapidement mis fin à la discussion) que dans l’Armée de l’Air qui a fini par commander une flotte mixte biplace/monoplace.

Si l’interface homme machine bien maîtrisé permet au Rafale aujourd’hui d’être le seul (?) avion réellement multi-missions et monoplace, il ne faut pas oublier qu’un avion de combat ne vole jamais (ou presque) tout seul: piloter et gérer son systèmes d’armes constitue déjà un ensemble de tâches plutôt dense dans certaines phases de vol quand tout est « nominal » et commander un dispositif (de 2, 4, 8, 12 avions ou plus) face à une situation complexe, prendre les bonnes décisions au bon moment reste un challenge bien lourd pour un cerveau isolé… et rapidement trop lourd quand la situation se dégrade (Pannes, menaces imprévues, changements d’objectifs, aggravation météo etc…).

La profession de pilote d’essais : le système d’armes (partie 1)

Sans rentrer trop dans le détail pour ne pas être rébarbatif, voici quelques éléments sur les problèmes rencontrés et les techniques employées pour la mise au point du système d’armes d’un avion de combat.

Afin de mieux comprendre, précisons d’emblée que le système d’armes c’est, pour simplifier, ce qui fait la différence entre un avion de transport supersonique monoplace et un avion destiné au combat.

Qu’est ce qu’un système d’Armes ?

Le système d’armes c’est une multitude d’équipements tels que des capteurs actifs : le radar, la désignation ou la télémétrie laser par exemple. Mais aussi des capteurs passifs : les caméras de télévision qui travaillent soit dans le spectre visible, soit le proche infra-rouge, ou encore dans l’infra-rouge plus lointain (FLIR « Forward Looking Infra-Red ») pour « voir » la nuit ce que permettent également les « tubes » amplificateurs de lumière (JVN « Jumelles de Vision Nocturne »).

système d’armes
Installation d’auto directeur de missile Magic2 pour des essais de mise au point en vol sur avion NF11 Météor no14 » au CEV de Cazaux

Plus récemment, les « Visuels » ou « désignateurs » du casque pilote sont venus se rajouter au système d’armes pour améliorer la rapidité et l’efficacité des actions pilote. Le système d’armes comprend aussi  les RWR, « Radar Warning Receiver «  qui informent l’équipage du type de radar qui les recherche  ou qui  « accroche » l’avion : Les brouilleurs électromagnétiques ou infra-rouge vont contrer une menace, il y a les Pods de reconnaissance optiques ou électromagnétiques et les réservoirs supplémentaires de carburant y compris le système de ravitaillement en vol.
Les armements sont la dernière « composante » de la chaîne constituant le système d’armes: les missiles, qu’ils soient air/air ou air/sol, les bombes balistiques ou guidées, les roquettes, les canons de bord.

Tous ces équipements, dont la liste est loin d’être exhaustive, doivent être mis au point de façon individuels avant d’être installés à bord de l’avion de combat. Il est facile de comprendre que cette mise au point prend du temps et se fait bien en amont de la phase de mise au point de l’avion d’armes qui les utilisera.

Essais des équipements

Cette mise au point se fait sur différents avions de servitude que l’on appelle communément des avions d’essais, bancs volants  ou « Flight Test Bed ».
Ces avions, choisis en général pour leur enveloppe de vol adaptée à l’équipement, sont modifiés pour devenir capables d’accueillir l’équipement en essais et l’installation de mise en œuvre et de mesures (ou « installation d’essais ») associée..

Si nécessaire, on peut choisir un avion capable en plus d’emporter un second membre d’équipage qualifié ingénieur ou expérimentateur d’essais en vol (autres spécialités du personnel navigant d’essais). Ce spécialiste sera alors en charge des mesures effectuées en vol tout en assistant le pilote dans la conduite de l’essai (rappel des points d’essais successifs à réaliser, validation du bon fonctionnement de l’équipement en essai pendant chaque passe de mesure, etc).

système d’armes
Avion Falcon 20 utilisé pour des essais radar

Pendant longtemps des avions tels que le NF11 Météor, qui date de la fin de la deuxième guerre mondiale, les Vautours B et N ou Camberras, ou encore les business jet tels que le Mystère 20 ont été conservés. Très pratiques pour la réalisation de ces adaptations, ils offraient la possibilité d’un équipage multiple ainsi qu’une bonne autonomie.

Pour chaque équipement une installation spécifique était conçue et intégrée; elle comprenait, autant que nécessaire, des modifications de structure pour implanter le matériel en essais. Mais aussi des moyens d’alimentation et de conditionnement, des interfaces de commande et de contrôle, sans oublier l’acquisition, la datation et l’enregistrement des mesures. Les chantiers, dédiés, étaient longs et coûteux. Chaque équipement est ainsi traité, ce qui fait que de nombreux vols d’essais sont effectués pour en faire la mise au point avant d’être plus tard monté sur l’avion d’armes.

Bien qu’il s’efforce de suivre un programme d’essais progressif et cohérent, le constructeur peut améliorer entre chaque vol son équipement et préciser l’évolution de ses besoins à partir des informations recueillies. La fréquence des vols n’est de ce fait pas régulière et la phase de mise au point peut durer longtemps.  Ces contraintes imposent un grand nombre d’avions d’essais pour un seul programme d’avion d’armes.

Les vols sont faits au profit du fabricant de l’équipement ou du sous-système en développement. Le centre d’essais en vol de Cazaux surnommé « centre des farces et attrapes » jouait à cette époque le rôle de « service essais en vol » des fabricants tels que Thomson, ESD, Matra , Rafaut , Alkan, Brandt, Lacroix, Samp etc.. pour leurs nombreux produits. Il a toujours été bien entendu que la réalisation des essais « constructeur « permettait au Centre d’Essais en Vol de se forger un avis sur le matériel (en particulier concernant la mise en œuvre et les performances), avis qui sera consolidé par les phases d’essais étatiques qui pourront être demandés par les services responsables du développement ou les États Majors.

Recherche de modes vibratoires potentiellement très dangereux sur un avion avec des charges sous les ailes.

Pour ces vols le rôle du pilote d’essais est très important car il doit être assez expérimenté pour s’adapter aux caractéristiques des différents avions ainsi modifiés et il devait également avec l’ingénieur d’essais savoir traduire les demandes des constructeurs afin de limiter les risques lors des vols.

Des vols tels que ceux de la mise au point de radio-sonde de missile dont le profil de vol était de raser la mer (Sea Skimmer, AM39 par exemple) ou de fusées de déclenchement de proximité conduisaient à des survols à grande vitesse très près du sol ou de la mer et donc potentiellement très dangereux.

Voler à une hauteur de 30’ ou moins (10 mètres) de la surface de la mer à une vitesse de  450 kts (nœuds) sur un Vautour ne peut s’improviser et il convient d’avoir au moins deux radio-sondes lisibles tout en gardant la tête haute (regarder dehors). La descente à cette hauteur ne peut se faire que graduellement et par une bonne visibilité ; ce cas illustre combien la discipline de l’équipage (ou de l’équipe) d’essais est gage de sécurité : dire pas à pas ce que l’on va faire, faire ce que l’on a dit, dans la mesure du possible se contrôler mutuellement, en respectant strictement le programme établi pour le vol .

Pour la mise au point des fusées de proximité des repères visuels installés sur le champ de tir de Calamar permettaient par alignement a vue de passer à moins de 5, 10 ou 15 mètres successivement au-dessus du dispositif installé sur un pylône de manière suffisamment fiable et répétitive. Nous sommes bien au pays des farces et attrapes…

Dans la mise au point de certains équipements, après la phase des essais au sol, la validation ne peut se faire que dans le milieu final, c’est-à-dire en vol avec des vibrations, du facteur de charge , la pression dynamique de l’air, la pluie, la grêle, l’air chaud et froid et une certaine dynamique dans l’évolution des paramètres. Il faut donc absolument voler dans des conditions représentatives de l’emploi final.

Je me souviens d’un vol où le constructeur demandait que l’on passe dans une averse de grêle afin de tester la résistance de la protection d’un auto-directeur. Un jour d’été l’orage idoine ayant été repéré je m’y suis précipité avec un Méteor et en suis ressorti avec un avion entièrement bosselé et sans les carénages en bois des deux  réacteurs qui, eux, n’avaient pas résisté comme l’auto-directeur… Le pire été évité par pur hasard ce jour là…

système d’armes
Le Fokker 100

Aujourd’hui, avec toute l’expérience accumulée, les progrès de la « Stimulation »  et de la simulation sont tels qu’à ce type de parc d’avions d’essais succèdent des avions à tout faire.

Le Centre d’essais en Vol français vient tout récemment d’acquérir un « Fokker 100 » entièrement équipé « eau, gaz, électricité » (l’avion fourni l’énergie, le refroidissement et les données « utiles comme la position, l’altitude, les vitesses, etc.), à charge pour les industriels concernés de fournir leur équipement avec son installation d’essais associée qui doit récupérer les « fournitures » avion.

Le but est d’avoir une plate-forme qui pourra accueillir sans modifications lourdes et facilement tous les équipements à mettre au point ainsi que tous les personnels utiles à cette tâche. Les derniers Mystère 20 bancs d’essais ont vécu…