Des trajectoires de décollage qui réduisent l’impact environnemental

Introduction

Le transport aérien, comme tout autre mode de transport, affecte notre environnement au quotidien et à différentes échelles. En brûlant de grandes quantités de kérosène, les moteurs d’avions produisent diverses substances qui sont directement relâchées dans l’atmosphère. Parmi ces substances, on retrouve principalement du dioxyde de carbone (CO2) bien connu pour sa contribution au réchauffement climatique, mais également des oxydes d’azote (NOx) qui détruisent la couche d’ozone [1].

Selon des statistiques de l’Association internationale du transport aérien (IATA), au cours de l’année 2018, l’industrie aéronautique a été responsable à elle seule d’environ 2 % des émissions de CO2 mondiales [2].

Cependant, l’impact environnemental du transport aérien ne se limite pas uniquement au rejet de polluants dans l’atmosphère. En effet, le bruit généré par les moteurs d’avion lors des procédures de décollage et de départ est aussi une autre source de pollution. Plusieurs experts s’accordent pour dire qu’une exposition prolongée au bruit des avions peut avoir des effets négatifs sur la santé des personnes vivantes à proximité des aéroports [3].

Bien que les avions de nouvelle génération soient 80 % plus économes en carburant et 75 % plus silencieux que leurs prédécesseurs, ces gains d’efficacité ne suffisent pas pour atténuer l’impact environnemental du transport aérien. En effet, étant donné la forte croissance du trafic aérien (+3.5 % par an), les émissions liées aux avions pourraient passer de 2 à 18 % d’ici 2037 [4]. L’impact acoustique, quant à lui, reste difficilement quantifiable.

Au LARCASE, différentes solutions sont étudiées par les chercheurs pour réduire les émissions des avions [5–10]. Parmi les solutions envisagées, l’optimisation des trajectoires de vol semble être très prometteuse [11-16]. De plus, étant donné que l’essentiel du bruit généré par un moteur d’avion est créé lors du décollage, optimiser les procédures de décollage pourrait aussi être un bon moyen pour réduire l’empreinte sonore des avions.

Procédures normales de décollage et de départ

Lors d’un départ, les avions doivent suivre un itinéraire bien défini appelé départ normalisé aux instruments (SID). Les SID sont spécifiques à chaque aéroport et à chaque piste de décollage et sont utilisées pour guider latéralement les avions vers une route de sortie bien précise. À cela, s’ajoute aussi un ensemble de procédures d’atténuation du bruit auxquelles les pilotes doivent se conformer pour limiter les nuisances sonores sur les zones résidentielles proches de l’aéroport.

La Figure 1 illustre deux types de procédures standards d’atténuation du bruit (NADP). Ces deux procédures ont été initialement élaborées par l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI), et sont de nos jours, utilisées dans la majorité des aéroports pour limiter les nuisances sonores des avions.

Figure 1 – Exemple de procédure de décollage et départ antibruit (NADP 1 & 2)

De façon générale, une procédure est composée de plusieurs phases, aussi appelées segments. Chaque segment permet en quelque sorte de décrire un ensemble de manœuvres que les pilotes doivent réaliser.

Le premier segment est appelé « segment d’accélération ». Ce segment est amorcé lorsque le pilote relâche les freins de l’avion et avance les manettes des gaz jusqu’à la position TO/GA pour mettre les moteurs à pleine puissance. Dans certains cas, les pilotes peuvent également utiliser une poussée plus petite que la poussée maximale. L’avantage d’utiliser une poussée réduite est que cela permet de prévenir l’usure des moteurs, mais aussi de réduire la consommation de carburant. Une fois la poussée établie, l’avion accélère le long de la piste.

Lorsque l’avion atteint la vitesse de rotation (VR), le pilote débute le « segment de rotation » au cours duquel il tire sur le manche pour faire pivoter l’avion autour de ses roues arrière. L’objectif de cette manœuvre est de lever le nez de l’avion pour créer une force aérodynamique de portance (force qui permet de maintenir l’avion en l’air). Lorsque la force de portance devient plus grande que le poids de l’avion, ce dernier décolle alors du sol. À cet instant, le pilote amorce le « segment de transition » durant lequel il ajuste l’assiette de l’avion pour capturer la vitesse de sécurité au décollage (V2).

Par la suite, le pilote peut alors commencer la montée initiale vers l’altitude de croisière en se conformant à l’une des deux procédures d’atténuation du bruit illustrées à la Figure 1 :

• La NADP 1 vise principalement à réduire le bruit autour et au-dessus de l’extrémité de la piste en forçant l’avion à s’éloigner le plus vite de l’aéroport en altitude.
• La NADP 2 vise principalement à atténuer le bruit dans les zones plus éloignées de l’extrémité de la piste en forçant l’avion à s’éloigner le plus vite de l’aéroport en distance.

Méthode de prédiction des trajectoires de décollage et de départ

Au LARCASE, différents algorithmes ont été développés pour prédire les trajectoires de vol des avions durant les procédures de décollage et de départ. La stratégie considérée pour atteindre cet objectif consistait à décomposer la trajectoire de l’avion en 5 segments types, et à résoudre les équations de mouvement de l’avion sur chacun de ces segments.

Les équations de mouvement de l’avion permettent de décrire l’influence des forces qui s’appliquent sur ce dernier ainsi que (voir Figure 2) les accélérations.

Figure 2 – Forces appliquées à un avion au moment du décollage

Ainsi, en partant d’une condition initiale, les algorithmes développés au LARCASE calculent les forces à partir de bases de données et d’équations mathématiques. Ces forces sont ensuite combinées pour déterminer les accélérations de l’avion. Connaissant les accélérations, il est alors possible de réaliser une intégration numérique pour estimer les vitesses et les positions de l’avion pour un court intervalle de temps. Ce processus est ainsi répété autant que nécessaire pour obtenir la trajectoire complète de l’avion sur un segment.

De cette façon, les chercheurs du LARCASE peuvent construire différentes procédures en connectant les segments les uns après les autres, un peu comme des « blocs à assembler ».

Une fois la procédure définie, les algorithmes calculent la trajectoire de vol, les performances et la consommation de carburant de l’avion, puis affichent les résultats sous forme de divers graphiques, tels que ceux présentés aux Figures 3 et 4.

Figure 3 – Exemple de trajectoire verticale (altitude vs distance) pour un décollage de l’aéroport d’Innsbruck en Autriche

Figure 4 – Exemple de trajectoire en 3-Dimensions générée sur Google Earth pour un décollage de l’aéroport d’Innsbruck en Autriche

Enfin, une reconstruction 3D de la trajectoire est également réalisée pour mieux analyser les résultats de la simulation (voir Figure 5). Cette reconstruction est réalisée à partir des résultats issus des algorithmes et à l’aide du logiciel FlightGear, qui est un simulateur de vol à code source ouvert.

Figure 5 – Exemple de visualisation 3D d’une trajectoire de décollage de l’aéroport d’Innsbruck en Autriche

Validation des algorithmes

Afin de valider l’ensemble des algorithmes développés au LARCASE, plusieurs essais de décollage ont été réalisés à l’aide d’un simulateur de vol pour la recherche de l’avion Cessna Citation X. Ce simulateur, présenté à la Figure 6, a été conçu et fabriqué par la compagnie CAE inc., et dispose d’une qualification de niveau D pour ses modèles de dynamique du vol et de propulsion. En parallèle, chaque test a été ensuite reproduit avec les algorithmes du LARCASE.

Figure 6 – Simulateur de vol pour la recherche

La Figure 7 illustre un exemple de résultats obtenus pour deux procédures de départ (NADP1 & 2). Sur cette figure, les courbes en bleu représentent les performances de l’avion Cessna Citation X mesurées à partir du simulateur de vol, tandis que les courbes en noire représentent les performances calculées par les algorithmes.

Figure 7 – Exemple de résultats de comparaison
pour deux décollages avec un profil de vent non nul

De façon générale, les résultats de comparaison ont montré que les algorithmes du LARCASE étaient capables de prédire la trajectoire de vol, les performances et la consommation de carburant de l’avion avec moins de 5 % d’erreur.

Ce projet a été mené au Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE) et financé par le Programme des réseaux de centres d’excellence dirigés par l’entreprise GARDN en collaboration avec CMC Electronique – Esterline, qui a pour mission d’encourager le développement de technologies aéronautiques vertes au Canada.

Si ce projet vous intéresse, ou tout autre projet du Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE), consultez le site Web et n’hésitez pas à prendre rendez-vous avec Mme Botez, professeure, pour discuter avec son équipe de recherche.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article suivant :

Ghazi, G.; Botez, Ruxandra; Maniette, Nicolas. 2020. « Cessna Citation X Takeoff and Departure Trajectories Prediction in Presence of Winds ». AIAA Journal of Aerospace Information Systems.