Les gyroscopes: de grands voyageurs
Historiquement, pour guider la navigation aérienne, on dépendait en partie de la science et de l’art : la navigation à l’estime. De bons calculs pré-vol et piloter en suivant rigoureusement le cap compas et appliquer les corrections en route avec le système oculaire v 1.0. Ce système fonctionne encore avec une efficacité très satisfaisante. Les affaires se gâchaient avec la météo alors que l’on n’avait pas le choix que de continuer. Pensez seulement aux grands vols de l’époque où l’on voulait établir la fiabilité du service aérien postal, de passagers ou encore compléter une mission militaire.
Des grands vols avec une canne blanche
Au début des années 20 (1900 !), les américains ont établi le Transcontinental Airway System. Ce “système” constituait en une énorme série de grosses flèches jaunes coulées dans le béton au sol ainsi que des phares rotatifs pour afficher les points de virages le long de “la” route transcontinentale.
Dans les années 30 des fonds publics ont été investis pour établir un système de radionavigation. La complexité de la navigation grand courrier n’était pas réglée en soi. Il fallait encore traverser des océans ou se faufiler en territoire ennemi avec précision et toujours à l’estime. Cette nécessité, demandait un travail incessant en vol de la part des navigateurs et des pilotes équipés d’une panoplie d’instruments : chronomètre, boussole, sextant et astro-compas. Un capharnaüm d’échelles, règles à calcul, almanachs, crayons (gommes à effacer et tailles-crayons), rapporteurs d’angle et compas couvraient les grandes cartes au poste du navigateur. Cette profession était à son ère d’apogée.
« Premières armes »
Il fallait se retrouver sans radionavigation. L’avant-garde passera inévitablement par la recherche militaire. Le V1 de la Luftwaffe, était assemblé avec l’un des premiers systèmes autonomes. Bien primitif, son opération n’était pas moins ingénieuse. On orientait la base de lancement vers le point désiré en fonction des conditions de vent. Le nez du V1 était doté d’une hélice jointe à une vis sans fin, elle même reliée à un compteur mécanique. Chaque tour d’hélice correspondait à une distance parcourue. La distance à couvrir était connue. Une fois les tours obtenus, le compteur mécanique faisait braquer la commande de profondeur à piquer. Le pilotage, partie intégrale de la navigation spatiale, était assuré par des gyroscopes stabilisateurs. La précision du système était de l’ordre de 12 pour 250 km. Plusieurs souriront devant ces chiffres mais à partir de ce moment la précision ne fera que s’accroître.
Sans tarder, les systèmes de navigation inertielle font leur apparition : l’INS (“Inertial Navigation System”). Il s’agissait d’une plate-forme mobile équipée de trois gyroscopes et trois accéléromètres alignés respectivement sur les trois axes. Le mouvement était calculé par des “ordinateurs” électromécaniques. L’information était affichée sur un compteur mécanique.
La précision obtenue à la fin des années 60 n’était pas moins étonnante. On arrivait à produire des systèmes commerciaux qui dérivaient de 2 milles nautiques (3 704 m) par heure de vol. Afin de visualiser la précision d’un gyroscope, pensez seulement que votre bon vieux gyro directionnel, « digi » pour les intimes, détecte sans prétention par inertie spatiale, la rotation du globe terrestre. C’est en partie pourquoi, il faut le rajuster de 3,75 degrés en vol ou sol aux 15 minutes.
Les contraintes à la précision des INS étaient:
- L’accélération de Coriolis (rotation de la terre)
- Les effets du mouvement vertical
- La planète étant une ellipse et non pas une sphère parfaite, ceci ajoutant de la complexité aux calculs
- Le verrouillage des cardans (les supports du gyro qui arrivent en bout de course). Ce verrouillage était un sérieux problème pour la voltige de combat aérien ou encore en manoeuvre orbitale.
Naviguer le monde
Ces systèmes étaient de véritables miracles de l’empaquetage mécanique mais à la fois encombrants et lourds (34 kg) pour un secteur qui a grand besoin de légèreté. Les recherches spatiales et militaires conjuguées ont permis aux chercheurs de mettre au point des INS sans plate-forme mobile. Les plateformes inertielles à composantes liées étaient devenues très allégées : on utilisait des gyroscopes sans cardans mobiles. L’ordinateur interne, numérique désormais, devenait fondamental au fonctionnement de tout INS. Les missions Apollo se servaient de ces systèmes, en primes dotés d’ordinateurs à circuits intégrés (les premiers!). Pendant une bonne période on opérait ces INS avec une interface avancée en LED et une banque de mémoire de 9 points de cheminement (“waypoints”)! Les aviateurs plus chanceux pouvaient opérer avec l’INS couplé à l’auto-pilote.
Virtuellement sans pièce mobile, c’est en 1982 que les premiers systèmes de gyros au laser (RLG) font leur apparition. Un IRS (système de référence inertiel) composé de RLG était moins lourd (7,7 kg) et moins volumineux (13 x 20 x 38 cm), exigeait seulement 50 watts des générateurs. La précision étant de l’ordre de 0,1 nm/hre (0,002 deg/hre), garantie du manufacturier. En fait, la dérive est presque nulle. Pour aligner (mettre en route) un IRS, 15 minutes sont requises au lieu de 40 pour les premiers INS. Un autre avantage des IRS est que les instruments traditionnels de navigation (horizon artificiel, DG et indicateur de virage) devenaient obsolètes puisque les services de leur gyroscope interne étaient dès lors effectués par les RLG. En plus, on ajoutait une nouvelle dimension à la navigation soit des pentes géométriques calculées en fonction des vents.
Le fonctionnement des RLG est basé sur deux faisceaux qui sont projetés simultanément en directions opposées à l’intérieur d’un prisme oscillant très légèrement. L’aéronef qui pivote autour de l’axe du prisme créera un retard à l’arrivée d’un des faisceaux. On ne parle plus d’inertie dans l’espace ou de précession! Le désavantage malgré la grande précision est son coût de production, rendant accessible la technologie seulement aux usagers de pointe: lignes aériennes, militaires et exécutifs.
Alors que les équipages d’A320 ou de B737 naviguaient aisément à l’IRS, les chercheurs avaient les doigts aux claviers à dessiner la nouvelle génération de gyroscopes. Plusieurs concepts ont pris formes.
Le gyroscope à vibration Coriolis : une structure vibrante a tendance à demeurer dans le même plan. Lorsque le plan d’oscillation est déplacé, un capteur transfère l’information à un ordinateur. Sans véritable pièce mobile, il était moins précis que les meilleurs gyroscopes d’INS. On le voyait idéal pour remplacer les horizons artificiels traditionnels. On a même travaillé sur un gyro à ballon de brandy!
Miniaturisation et précision en prime
La véritable percée de la décennie est sans contredit le capteur de taux de quartz. Un chef-d’oeuvre de la miniaturisation, il est pour l’instant la règle de l’art pour les applications non militaires. Très précis, peu dispendieux à fabriquer, le système est intégré sur une puce de silicone! Deux fourchettes sont reliées par la tige. On vaporise des électrodes d’aluminium sur les deux côtés des fourchettes alors déposées sur la puce. Ces électrodes alimentent et ressentent à la fois, le déplacement. Les fourchettes vibrent et ont tendance à rester fixe dans leur plan. Cette motion est contrée par une force électrostatique des électrodes. Il se crée une différence de capacité mesurable pour déterminer le mouvement angulaire. Le MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)ne pèse que 50 g et est de la toute délicate mensuration de 25mm de diamètre sur 26 mm de hauteur! Sa consommation électrique est de l’ordre de 4 W. On le retrouve déjà derrière les instruments d’urgence des transporteurs modernes et des systèmes AHRS installés pour l’aviation générale. Les AHRS s’auto-corrigent quant aux erreurs de dérive gyroscopique.
Nous sommes désormais à l’ère des unités de mesures inertielles fiables, compactes et abordables. L’assiette de vol intégrée est réalité. On équipe même des planeurs d’une plate-forme reliée à un ordinateur de poche offrant une interface EFIS! Les systèmes de vision synthétique seront bientôt disponibles à grande échelle.
GPS oui mais…
L’arrivée de la technologie GPS a certainement révolutionné le domaine de la navigation ultra précise. Peut-on imaginer un meilleur système garantissant une précision de moins que l’envergure de l’empennage à l’arrivée d’un vol de 11 300 km? Si céleste soit-il, le GPS de demeure pas moins qu’une forme de radionavigation sujette au brouillage criminel ou au “spoofing”. De plus, il est pratiquement incapable de déterminer l’assiette dans l’espace d’un aéronef. En fait, le GPS n’est pas la succession de l’IRS mais bien un complément nécessaire aux systèmes intégrés de navigation modernes. Il est définitivement nécessaire pour les vols dans un espace aérien toujours plus occupé. Cependant, la situation géopolitique mondiale laisse pressentir qu’on n’aura pas fini d’installer le gyroscope à bord des aéronefs civils.
Remerciements à Messieurs Paul Loughran, Roger Dykmann et Tom Ryno de Honeywell.