Dans le domaine de l'aviation, la capacité de décoller des pistes courtes est une capacité essentielle pour un large éventail d'opérations aériennes, depuis les évacuations médicales d'urgence et les atterrissages d'assaut militaire jusqu'aux livraisons de marchandises aux pistes d'atterrissage de montagne et aux vols d'aviation générale vers les pistes rurales. La phase de décollage est le segment le plus sensible aux performances du vol, et les concepteurs d'aéronefs cherchent continuellement des moyens de réduire le roulis au sol nécessaire pour atteindre la vitesse de décollage.

Systèmes de freinage traditionnels et leurs limites

Les systèmes de freinage traditionnels des aéronefs ont fait appel à la pression hydraulique pour actionner les plaquettes de frein contre les rotors en acier ou composites. Dans un système hydraulique typique, le pilote applique la force aux pédales de frein, qui pressent le liquide de frein qui force les pistons à serrer les plaquettes sur les disques rotatifs.

Toutefois, en ce qui concerne les performances de décollage à court champ, les systèmes de freinage traditionnels présentent plusieurs limites inhérentes :

  • Fade de montage et de freinage de la chaleur: Le freinage lourd répété, surtout lors de scénarios à forte adhérence ou de courts rouleaux d'atterrissage, peut élever la température du rotor au-delà des limites de conception du matériau.
  • Poids et inertie:[ Les freins en acier classiques sont lourds. L'excès de poids dégrade directement l'accélération et augmente la vitesse minimale de décollage, allongeant le roulis au sol requis. Un avion plus lourd nécessite également plus d'énergie de freinage pour ralentir, ce qui exacerbe les problèmes thermiques.
  • Modulation Précision:[ Les systèmes hydrauliques dépendent des liaisons mécaniques et de la compressibilité des fluides. L'obtention d'un freinage précis et proportionnel, surtout près du seuil de blocage des roues, est difficile sans assistance électronique. La modulation inefficace peut entraîner un blocage prématuré des roues, une usure accrue des pneus et une accélération réduite pendant le roulement au décollage si les freins sont traînés par inadvertance.
  • Temps de réponse:[ Le décalage entre l'entrée de la pédale et le couple de freinage complet peut être important dans les systèmes hydrauliques, surtout dans les gros aéronefs. Pendant un arrêt de décollage, chaque milliseconde compte. De même, au décollage, le relâchement rapide des freins après la cale est essentiel pour maximiser l'accélération initiale.

Ces limitations ont entraîné le développement de technologies de freinage avancées qui non seulement améliorent les performances d'arrêt, mais aussi améliorent la capacité des aéronefs à accélérer en toute sécurité sur des pistes courtes.

Technologies innovantes de freinage

Freins carbone-carbon

Contrairement aux rotors d'acier, les rotors de carbone sont fabriqués à partir de préformes de fibre de carbone qui sont densifiées par infiltration chimique par vapeur ou par imprégnation de résine et ensuite traités thermiquement. Il en résulte un matériau qui peut résister à des températures supérieures à 1600 °C (2 900 °F) sans perdre de performance de friction. Les principaux avantages pour les opérations sur terrain court sont les suivants :

  • Capacité de chaleur élevée:[ Les freins au carbone absorbent plus d'énergie thermique avant d'atteindre des températures critiques, réduisant ainsi considérablement la décoloration des freins lors d'atterrissages consécutifs ou de scénarios à forte amorçage.
  • Poids inférieur:[ Un frein au carbone peut être 30 à 50% plus léger qu'un frein en acier équivalent, réduisant directement la masse au décollage et améliorant l'accélération.
  • Better Friction Stability:[ Le carbone maintient un coefficient de frottement élevé sur une large plage de température, ce qui permet aux pilotes de prévoir la réponse de freinage depuis le démarrage à froid jusqu'aux arrêts à chaud.

Des avions comme le Boeing 787, Airbus A350 et le F-22 Raptor ont adopté des freins au carbone et des améliorations sont disponibles pour de nombreuses cellules plus anciennes. Les économies de poids seules peuvent réduire la distance de décollage requise de plusieurs pour cent sur des pistes marginales. Pour une discussion technique plus approfondie, le document technique SAE sur l'usure des freins au carbone offre des perspectives techniques précieuses.

Systèmes de freinage à récupération

Inspiré par les véhicules hybrides et électriques, le freinage régénératif récupère l'énergie cinétique pendant la décélération et l'entrepose pour une utilisation ultérieure. Dans un contexte d'avion, l'énergie charge généralement des batteries ou des surcondensateurs qui peuvent alimenter des moteurs de taxi électriques ou faciliter l'accélération pendant le roulement au décollage.

L'impact sur les performances de décollage sur terrain court est double :

  • Amplifiement de l'accélération:[ Une partie de l'énergie de freinage récupérée de l'atterrissage peut être réalimentée en moteurs électriques conduisant les roues principales ou l'hélice, augmentant la poussée pendant le roulis de décollage. Cela réduit la distance nécessaire pour atteindre VR (vitesse de rotation).
  • L'usure réduite des freins et la charge thermique:[ En convertissant l'énergie cinétique en stockage électrique au lieu de chaleur, le freinage régénératif abaisse la charge thermique sur les freins à friction, en préservant l'autorité d'arrêt maximale pour toute interruption requise.

Pipistrel , Velis Electro et la NASA X-57 , Maxwell , ont exploré ces concepts. Le programme NASA X-57 fournit une excellente étude de cas sur la façon dont les systèmes régénératifs peuvent améliorer les performances de décollage des avions électriques.

Systèmes électroniques de commande des freins (Brake-by-Wire)

La commande électronique des freins remplace les principaux cylindres hydrauliques traditionnels par des capteurs, des unités de commande électronique (ECU) et des actionneurs électromécaniques. Les entrées de pédales de pilotage sont interprétées par l'ECU, qui commande un couple de freinage précis à chaque roue. Ce système permet des fonctionnalités antidérapantes, autobrassées et différentielles avancées qui sont beaucoup plus réactives que les alternatives hydrauliques.

Les avantages spécifiques pour le décollage sur de courtes distances comprennent :

  • Antiskid Optimisation:[ Les commandes électroniques modernes peuvent détecter le verrouillage des roues en millisecondes et moduler la pression de freinage de façon indépendante à chaque roue. Cela maximise la décélération sans déport des pneus, permettant des distances d'arrêt plus courtes. Au décollage, cela signifie que dans le cas d'un arrêt à grande vitesse, l'aéronef peut s'arrêter à une distance beaucoup plus courte, permettant l'utilisation de pistes plus courtes.
  • Précision de la libération de la commande:[ Pendant le décollage, le pilote doit complètement relâcher les freins avant d'appliquer la poussée de décollage.Les systèmes électroniques peuvent détecter la pression résiduelle des freins et la relâcher automatiquement si le pilote maintient la pression par inadvertance, source courante de perte d'accélération.
  • Intégration avec la gestion de vol:[ Le frein par fil peut être attaché à l'ordinateur de performance de l'aéronef, en sélectionnant automatiquement le profil de freinage optimal pour la longueur de piste, le poids et les conditions environnementales actuelles.

Les Boeing 777 et 787, ainsi que l'Airbus A380, utilisent des systèmes de freinage par fil. La circulaire FAA Advisory Circular on freinage par fil systems fournit des conseils réglementaires sur ces technologies.

Systèmes antidérapants et autobrassibles avancés

Même avec les freins hydrauliques, les systèmes antidérapants modernes et autofreins ont évolué bien au-delà des simples contrôleurs -max-on, min-off--de-l'année 1960. Les systèmes antidérapants numériques utilisent maintenant les données de vitesse de roue pour calculer le rapport de glissement et le maintenir au sommet optimal de la courbe de frottement de la piste de pneus.

Pour le décollage, les systèmes de freinage automatique peuvent être réglés en mode -décollage d'avortement, en appliquant automatiquement un freinage maximal lorsque l'avion détecte un rejet à grande vitesse. Ceci décharge le pilote et assure des performances cohérentes.

Impact sur les performances de décollage à courte distance

L'effet cumulatif de ces innovations est une amélioration mesurable de la capacité de l'avion à fonctionner à partir de pistes courtes.

Distance réduite de laminage au décollage

La distance de décollage est régie par l'accélération de l'avion au fil du temps. Toute réduction de poids ou amélioration de la précision de déblocage des freins réduit directement la distance pour atteindre la vitesse de rotation. Les freins carbone-carbone peuvent réduire le poids vide d'un jet régional de plusieurs centaines de livres, ce qui se traduit par un roulis au sol plus court. De plus, les systèmes régénératifs qui permettent un renforcement du couple pendant l'accélération raccourcissent encore la longueur de piste requise.

Amélioration du rendement en matière de décollage rejeté (RTO)

Les systèmes de freinage améliorés améliorent considérablement la capacité de freinage à grande vitesse. Les freins au carbone peuvent absorber toute l'énergie d'un système à grande vitesse sans s'effacer et les systèmes électroniques antidérapants maintiennent le profil de décélération cohérent même sur des surfaces à faible adhérence. Les exploitants peuvent ainsi certifier l'aéronef pour des longueurs de terrain plus courtes parce que la distance d'arrêt rapide est réduite. Pour les exploitants militaires, cette capacité est critique lors des atterrissages à courte distance ou lors de l'exploitation de pistes endommagées par la bombe.

Marges de sécurité améliorées

Les pilotes citent souvent --margin-- comme le facteur le plus important dans la prise de décision sur court-terme. Sachant que les freins peuvent arrêter l'aéronef dans un espace limité si une avortée est nécessaire permet aux pilotes de s'engager à décoller qu'ils pourraient autrement rejeter. Cet avantage psychologique est soutenu par des données quantitatives: les systèmes de freinage électronique fournissent une rétroaction sur l'état et la température des freins, alerter le pilote avant que les performances se dégradent.

Efficacité accrue des mesures d'exécution

Pour les opérateurs commerciaux dans de courts champs, comme les sauts d'îles dans les Caraïbes ou les opérations dans les vallées alpines, le délai de réponse réduit directement en vols à revenus par jour. Les freins au carbone refroidissent beaucoup plus vite que les freins en acier, éliminant les longs retards entre l'arrivée et le départ en raison des restrictions des freins à chaud.

Coûts de cycle de vie inférieurs

Les rotors carbone-carbone peuvent durer entre 2000 et 3 000 atterrissages, comparativement à 800 et 1 000 pour l'acier. Moins de changements réduisent les temps d'arrêt et les coûts de main-d'oeuvre des aéronefs. Les systèmes de récupération peuvent prolonger la durée de vie des batteries dans les aéronefs électriques et réduire la consommation d'énergie globale.

Intégration avec d'autres technologies aéronautiques

Les gains les plus importants en matière de performances de décollage sur terrain court se produisent lorsque les systèmes de freinage sont intégrés de manière synergique avec d'autres systèmes de vol.

Gestion de la poussée et de la poussée

Les systèmes modernes de vol par fil peuvent réduire la charge de travail du pilote au décollage en contrôlant automatiquement le pas et le roulis, tandis que le pilote se concentre sur la commande directionnelle et la gestion des gaz. Lorsque le frein par fil est relié aux ordinateurs de contrôle de vol, l'aéronef peut exécuter des avortons coordonnés ou même appliquer un freinage différentiel pour compenser la poussée asymétrique.

Taxi électrique et systèmes d'entraînement

Plusieurs fabricants développent des systèmes de taxis électriques qui utilisent des moteurs de roues pour déplacer l'avion au sol sans poussée moteur. Ces moteurs peuvent doubler en freins régénératifs. Au décollage, les mêmes moteurs peuvent fournir une accélération supplémentaire, permettant à l'avion d'atteindre plus rapidement la vitesse de décollage. Le projet de système de taxis verts électriques (EGTS) de Safran et Honeywell est un exemple de cette approche intégrée.

Avec les systèmes de freinage électroniques, l'avion peut signaler des performances précises d'arrêt au système de gestion de vol, qui calcule ensuite les performances dynamiques de décollage. Si les freins sont froids, le système peut permettre une masse de décollage plus élevée; s'ils sont chauds, il peut limiter la charge utile.

Les développements futurs dans l'horizon

Le rythme de l'innovation ne montre aucun signe de baisse. Plusieurs tendances émergentes promettent d'améliorer encore les performances de décollage sur le terrain à court terme grâce à la technologie de freinage :

Gestion thermique active du frein

Les chercheurs étudient des méthodes de refroidissement actives, comme le débit d'air forcé par les rotors de frein et l'utilisation de matériaux de changement de phase pour absorber la chaleur. La gestion thermique active pourrait permettre aux freins au carbone de maintenir des avortons répétés à haute énergie sans surchauffe, permettant ainsi des opérations à partir de pistes encore plus courtes avec des départs à haute fréquence.

Intégration des matériaux intelligents et des capteurs

Les plaquettes de frein et les rotors intégrés à des capteurs à fibre optique pourraient fournir des données en temps réel sur la température, l'usure et les frottements directement à l'équipage et aux systèmes d'entretien.

Braking électrique complet avec moteur en actionneur

L'évolution finale peut être l'élimination complète du fluide hydraulique, avec des moteurs électriques agissant directement sur les rotors de frein sans avoir besoin de circuits hydrauliques intermédiaires. Cela réduirait le poids, éliminerait les fuites de fluide et permettrait des temps de réponse plus rapides. L'industrie aérospatiale se dirige déjà vers des architectures plus électriques d'avions, et le freinage électrique complet est une prochaine étape naturelle.

Intégration avec eVTOL et Urban Air Mobility

Les avions électriques à décollage et à atterrissage verticaux (eVTOL), qui sont le fondement de la mobilité aérienne urbaine, nécessitent souvent des rouleaux au sol ou des capacités de vol stationnaire très courtes. Le freinage à récupération sera essentiel pour maximiser la portée de la batterie et permettre un virage rapide sur les sommets confinés.

Conclusion

Les systèmes de freinage innovants ont transformé les performances de décollage sur terrain court en un paramètre de conception de base pour de nombreux avions modernes. Les freins carbone-carbone, le freinage régénératif, la commande électronique et les technologies antidérapantes de pointe contribuent chacun à des distances de décollage plus courtes, à des décollages plus sûrs et à une plus grande flexibilité opérationnelle.

Alors que la recherche sur la gestion thermique active, les matériaux intelligents et l'actionnement électrique complet se poursuit, l'écart entre ce qui est possible et ce qui est pratique dans les champs courts continuera de se rétrécir.