... Les essais en vol (1998)

Le point sur les essais en 1998

Sources :

Patrick CASTAGNOS
Responsable des essais en vol RAFALE
Dassault Aviation

Marc TOURTOULON
Responsable équipe intégrée des essais en vol RAFALE
Centre d’Essais en Vol

Essais en volEssais en vol (3.09 Mo) (source)

Les essais en vol du RAFALE ont été l’occasion de relever des défis difficiles, de mettre en œuvre de nouvelles techniques d’essais, d’adopter de nouveaux schémas d’organisation.
Alors que 5 années se sont écoulées depuis le 1er vol du RAFALE C01 et que les 4 prototypes totalisent plus de 2300 vols, il a paru opportun de se livrer à une comparaison entre les essais en vol tels que nous les avions prévus en 1990 et tels qu’ils se sent réellement déroulés jusqu’à aujourd’hui.
Les deux articles qui suivent effectuent cette analyse. Le premier s’intéresse plus spécialement aux aspects coûts, objectifs généraux du programme et état de la mise au point technique.
Le deuxième est plus axé sur les relations état-indusérie et sur l’optimisation des compétences
et des ressources ...

Le 19 mai 1991, Guy Mitaux-Maurouard décollait le RAFALE C01. Ce 1er vol du prototype RAFALE monoplace air fut suivi en décembre de la même année par celui du 1er prototype marine M01 puis, un peu plus tard, par les prototypes biplaces B01 et marine M02.
Depuis, les avions ont régulièrement volé ; 85% des essais nécessaires pour la mise au point du système dans le 1er standard sent effectués et l’intérêt marqué par certaines forces aériennes étrangères nous a permis d’aller bien au-delà des zone limites de notre aérienne d’essai et d’agrémenter les dépliants publicitaires de Gizhé, Singapour ou Koala Lumpur.
Aujourd’hui, même si le ralentissement voulu du programme pour des raisons budgétaires a sensiblement modifié les hypothèses de mise en série, notre impression est que les objectifs techniques, calendaires et financiers du programme ont jusqu’ici été tenus et qu’il n’existe pas de réelle distorsion entre le déroulement des essais en vol tels que nous les avions prévus et tels qu’ils se sont jusqu’à aujourd’hui réellement déroulés.
Au-delà d’un sentiment général. il est toutefois intéressant d’analyser aujourd’hui ces écarts ; ce qui suit en est une première tentative.

Planning général

Le planning officiel de début 1991 prévoyait la mise en vol des 2 premiers prototypes C01 et M01 dans l’année, le vol du B01 début 1993 et le vol du 2eme proto marine MO2 mi 1993. 2 campagnes d’essais sur base & terre mi et fin 1992 devaient permettre de poser le RAFALE sur le pont d’un Porte avions en avril 1993.

La mise au point de l’ensemble des systèmes avion dans la totalité du domaine de vol nous semblait devoir être acquise après 2 ans de vols, avant que ne nous mobilisent l’ouverture des domaines d’emport avec charges - considérés comme une formalité suite à l’expérience qu’on en a sur Mirage 2000 -, l’ouverture des domaines de séparation et la mise au point du système.
Du point de vue moteur, le bon de vol était espéré pour fin 95.

1992, Le Rafale M01 à Patuxent River ...

1993, premiers essais sur le porte avions Foch ...

Les objectifs de série étaient alors de produire des RAFALE à partir de fin 1996 dans un 1er standard principalement axé sur des missions air-air, Force est de noter que les premières années d’essais en vol furent très comparables à nos prévisions : malgré une mauvaise surprise sur les générations hydrauliques 350 bars lors des premiers points fixes - quelques minutes de fonctionnement ayant suffi a faire casser en fatigue les tuyauteries aval pompes HP, la situation fut assainie par une action commando et le C01 ne vola qu’avec 2 mois de retard sur le planning objectif. Le M01 vola a la date prévue tandis qu’en 1993 les 2 prototypes suivants volaient 4 mois plus tard que nous ne l’avions imaginé début 1991, Ces légers décalages s’expliquent par la correction de problèmes mis en évidence par les 2 premiers prototypes, quelques retards sur des nouvelles fournitures (sièges, nouveaux composants électroniques) ou par le déménagement de l’atelier de fabrication prototype initialement situé au sein du bureau d’études vers l’usine de production. Eu égard à l’importance du changement, cette mesure de rationalisation industrielle n’ayant, en fin de compte, que peu altéré les opérations de fabrication.

Les rendez vous marins furent ponctuellement respectés : une action volontariste, dont un des aiguillons fut de donner tort à ceux qui ne croyaient pas qu’un delta puisse être un excellent avion embarqué, permit d’apponter sur le porte-avions Foch le jour dit. Les rendez-vous suivants furent aussi ponctuels sauf quand la situation internationale appelait les Porte-avions & des activités plus opérationnelles et plus lointaines.
L’ouverture du domaine de vol jusqu’à 750 kt / M = 1.8 se fit sans difficulté et la mise au point des systèmes généraux à l’intérieur de ce vaste domaine ne posa pas de gros problème.
Remarquons toutefois que, si après 2 ans de vol, les systèmes généraux étaient mis au point à 95%, la finition prit beaucoup plus de temps. C’est le côté pervers du “tout numérique” ; la moindre modification de logique dans un système risquant soit de dégrader le niveau de sécurité du système considéré, soit d’avoir des effets secondaires sur d’autres systèmes, toute évolution nécessite de longs mois d’instruction et de délicates opérations de coordination entre les industriels.
Alors qu’il y a une dizaine d’année, nous attendions avec impatience que des calculateurs numériques embarqués nous permettent à loisir de jouer avec les logiques et d’optimiser les systèmes en un tournemain, nous pensons parfois aujourd’hui avec nostalgie à l’époque où un fer à souder et quelques résistances permettaient, dans la soirée, de modifier une loi de freinage sans craindre que cela n’influe sur la séquence de sortie du train.
La mise au point du système d’avionique et d’armements s’est initialement déroulée au rythme prévu puis s’est progressivement ralentie dans un contexte où les délais doivent s’effacer devant l’économie.

1994, le Rafale M02 sur le Foch ...

Tir MICA (1995 ?) sur le Rafale B01

(notez les caméras hautes vitesses au point 3 de voilure)...

Toutefois, on peut aujourd’hui considérer qu’une bonne partie du chemin est déjà parcourue, notamment dans la mise au point du 1er standard opérationnel. En particulier, des tirs Magic et Mica sur cibles ont permis de valider les conduites de tir tandis que des essais de suivi de terrain nous ont pleinement rassurés sur l’architecture du système et la précision de localisation de l’avion. Dans le contexte budgétaire et politique récédemment souligné, le début de la série a été repoussé de 2 ans soit 2ème semestre 98.

Volume des essais en vol
Dès le début du programme, quand il fut nécessaire de déterminer le nombre de prototypes
nécessaires et leur date de disponibilité pour assurer le développement, des discussions âpres s’engagèrent. Nombre d’éléments incitaient à prévoir large pour ne pas se laisser surprendre par la difficulté de la tâche :

  • Développement simultané d’un monoplace air, d’un biplace air et d’un monoplace embarqué sur Porte-avions,
  • Innovations nombreuses dans la définition de la cellule et des systèmes généraux,
  • Mise en œuvre de technologies de furtivité,
  • Nécessité de traiter très tôt les problèmes de vulnérabilité électromagnétique,
  • Système d’armes ambitieux dès le 1er standard.

A l’opposé, les contraintes budgétaires exigeaient que le nombre de mois d’essais en vol soit réduit au strict nécessaire.
Une attitude particulièrement volontariste permit de maintenir notre prévision à un volume comparable à ce que le Mirage 2000 avait nécessité lors de ses essais initiaux : environ 190 mois x avions de développement entre le 1 er vol du 1 er prototype et le 1
er vol de l’avion de série

Un gain de productivité particulier était attendu des essais de mise au point avion (cellule,
systèmes généraux, emports, séparations) dont le volume serait, par rapport au Mirage 2000, divisé par 2.

Aujourd’hui, ce pari est en passe d’être gagné : alors que plus des trois quarts de ce volume d’essai à été réalisé, notre prévision recalée montre que :

  • Le nombre total de mois d’essai sera sensiblement égal à la prévision de 1991,
  • Les essais de mise au point cellule auront été légèrement plus consommateurs de 
  • temps (les gains de productivité entre le Mirage 2000 et le RAFALE auront quand même été de 40% - pour 50% espéré -),
  • La mise au point moteur est restée à l’intérieur du quota alloué,
  • Le bon déroulement des essais spécifiques Marine a permis quelques gains,
  • De nouvelles méthodes mises en œuvre lors des essais de vulnérabilité et de discrétion ont permis des gains appréciables (40% du temps prévu a été économisé),
  • La mise au point du système d’avionique et d’armements sera réalisée dans le temps prévu

Deux unités permettent d’évaluer une activité d’essais en vol : le nombre de mois d’essais et le nombre de vols.

Si le nombre de mois d’activité - au sol ou en vol des avions de développement est une donnée essentielle car directement corrélée au cout, le nombre de vols n’est pas moins intéressant :
c’est un indicateur de la maturité de l’avion et de la fiabilité que l’on pourra espérer avec les avions de série. Début 1991 nous évaluions à 1500 vols, l’expérience, nécessaire à la maitrise des risques dont nous disposerions au moment de la sortie en série. Calculé à partir du nombre de mois d’essais prévu et des cadences de vol “classiques” suivant les types d’essais, ce volume de vols nous semblait un plancher sous lequel il ne fallait pas tomber.

1996, Rafale M01 à Lakehurst (USA) ...

 

Janvier 1998 sur le Foch ...

Aujourd’hui plus de 2300 vols ont été réalisés par les 4 prototypes, sans compter les 867 vols du démonstrateur RAFALE A. Même si certains vols réalisés à partir du porte-avions Foch (catapultage - vidange - appontage) ne constituent pas des records d’autonomie en l’air, nous pouvons mettre en avant une expérience solide et faire état d’une excellente fiabilité. En corollaire de l’activité totale, quelques chiffres peuvent être soulignés :

  • Pendant le mois d’octobre 1994, le M02 a fait 52 vols d’essais dont 2.5 depuis le porte avions
  • Durant la dernière campagne d’essais sur base à terre, en 6 semaines d’essais, le M01 a réalisé 57 catapultages et plus de 120 arrêts par brin dans 8 configurations d’emport différentes

  • Au cours des vols de convoyage vers les Salons aéronautiques de Dubaï et Singapour, des étapes de plus de 7 h ont été faites avec ravitaillement en vol

 

Composition de l’équipe d’essais


Rentrer dans le détail des métiers et de leur évolution ces dernières années nous emmènerait loin et serait d’un intérêt réduit tant l’organisation est liée à la culture de l’entreprise. Certaines tendances méritent toutefois d’être soulignées.
Bien qu’entrevoyant l’organisation dans la continuité des programmes précédents - une forte proportion de l’équipe d’essai en vol du RAFALE ayant précédemment travaillé aux essais en vol du Mirage 2000 ou du démonstrateur RAFALE A -, il fut décidé en 1990,

  • De mettre en commun les personnels travaillant sur les bancs d’intégration et ceux affectés à la mise en œuvre des systèmes sur avion ; 
  • D’augmenter, dans les équipes de mise en œuvre avion, la part des techniciens dits “systèmes” donc d’une culture plus électronique/automatique/informatique que mécanique ;
  • De renforcer le département des ingénieurs d’essais spécialistes - destines à suivre les problèmes de leur compétence sur les différents programmes - afin de traiter correctement les technologies les plus pointues. A cet égard, certains pensaient alors que s’éteignait l’ère de l’ingénieur d’essai généraliste, historiquement meneur des équipes d’essais, capable de s’occuper de tous les thèmes d’essais en vol ;
  • D’intégrer à l’équipe d’essai un contrôle budgétaire local. Il était clair, dès le début, que les aspects économiques seraient un point focal et qu’il faudrait veiller avec acuité à respecter les allocations budgétaires

2013, livraison du Rafale C137 ...

L'avènement du RBE2 AESA et du DDM-NG ...

NOMBRE DE VOLS EFFECTUES PAR LES 4 PROTOTYPES
5 ans d’expérience prouvent bien que la mise en œuvre d’un avion aux systèmes totalement intégrés est, en essais, plus compliquée que pour les avions de génération précédente. A titre d’exemple, un essai de manœuvre train au sol ne nécessitait que de mettre l’avion sur vérin et de l’alimenter en hydraulique ; un bon chronographe et l’observation des lampes en cabine faisaient le reste. Aujourd’hui un tel essai sera incomplet – et parfois non faisable - si les calculateurs de mission et les visualisations ne sont pas mises en route et si on n’observe pas
avec des “espions de bus” que les 2 voies du calculateur numérique d’atterrisseur commandent des ordres simultanés et cohérents - Les équipes de mise en œuvre des prototypes ont donc vu
leur niveau technique s’accroitre Considérablement avec parfois pour corollaire une “spécialisation excessive”. Il à fallu batailler parfois pour ne pas voir émerger des “Monsieur mise en œuvre du carburant”, “Monsieur mise en œuvre des visualisations”... Notons que la tâche est dure parfois pour nos ingénieurs de piste - chefs des équipes de mise en œuvre des prototypes - qui doivent traiter avec la même dextérité les problèmes mécaniques et les subtilités des logiques internes des calculateurs.
Toujours au chapitre de la maitrise de la complexité, nous avons réussi à ce que les ingénieurs d’essais programme restent des généralistes capables d’enchainer des essais aussi différents
que des vols d’ouverture de domaine et des essais d’intégration de contre-mesures. Cette capacité nous semble essentielle pour maitriser la mise au point d’un avion et opérer les bons arbitrages.

Le contrôle de gestion n’a pas - pas seulement ! - eu pour but de fournir des tableaux de bord de synthèse à notre direction de programme mais de veiller sur place, et avec un temps de réaction très court, à ce que les courbes de dépenses ne s’infléchissent pas dans le mauvais sens - Dans ce domaine, les méthodes mises en œuvre sur RAFALE se sont généralistes à tous les programmes, ce qui tend à en prouver l’efficacité.

 

Domaine de vol


Traditionnellement, l’ouverture des domaines de vol est effectuée avec célérité sur les avions Dassault. Le RAFALE n’a pas failli puisque, dès son 1 er vol, le RAFALE C01 évoluait dans le
domaine 450 kt / M=1.2 / 4 g.
8 g étaient obtenus au 5ème vol et M=1.6 au 27ème vol. Le domaine de vol à donc été ouvert jusqu’à 750 kt / M=1 .8 / 9 g et 30° d’incidence sur les 3 versions du RAFALE sans rencontrer
de problème notable sur la structure, les commandes de vol, ni sur l’ensemble des systèmes. Du côté des basses vitesses, la limite est 100 kt mais 80 kt est parfois pratiqué lors des démonstrations en vol par des pilotes désireux de mettre en valeur les qualités de l’avion. Un minimum de 15 kt a été pratiqué dans un exercice de combat contre on Mirage 2000 par un pilote vindicatif ; c’était donc un essai avec an peu d’avance sur une campagne de vols à grande incidence que, vus les risques inhérents à ce type d’évolutions, nous n’avons prévue que lorsque nous considérerons qu’un prototype est “surabondant”.

D’une manière générale, l’ouverture des domaines de vol se fit donc sans heurts et les méthodes mises en œuvre (modélisations, simulations, mode de progression) s’avérèrent sures et efficaces.

Le seul point qui mérite réflexion est la circonspection que nous eûmes à déployer à l’origine du programme pour ouvrir le domaine à basse altitude grande vitesse ; celui-ci est significatif des problèmes que posent les systèmes intégrés. A partir de divers capteurs, l'anémo-baroclinométrie de l’avion est calculée par les calculateurs des commandes de vol qui l’utilisent à leur profit pour adapter les différentes lois de pilotage aux conditions de vol et distribuent ces données (Mach, vitesse, incidence...) à l’ensemble des systèmes de l’avion y compris les moteurs.

Lorsqu’une cascade de pannes fait totalement perdre les sources anémo-baro-clinométriques, chaque système se replie sur un fonctionnement dégradé qui, dans la 1 ère phase du développement, impliquait certaines contraintes :

Ainsi, en supersonique basse altitude les commandes de vol exigeaient-elles que, en panne totale d’anémométrie, le pilote rejoigne le subsonique moyenne altitude pour y sélectionner un
mode secours en suivant un profil de vol particulier (montée supersonique puis décélération iso altitude). Parallèlement les moteurs, en l’absence de conditions de vol de référence, interdisaient l’usage de la post-combustion. Les études de sécurité préalables au 1 er vol du RAFALE C01 mirent en évidence un hiatus : dans le coin du domaine situé en supersonique en dessous de 10.000 ft - dénommé “Triangle des Bermudes” - la poussée des moteurs en plein gaz sec ne permettait pas de monter iso-Mach.

Comme l’amélioration de ces fonctionnements dégradés n’était possible qu’après être allé identifier finement les coefficients aérodynamiques et les modes souples de l’avion, l’ouverture
du domaine de vol se fit néanmoins. Nous limitâmes toutefois au strict nécessaire les incursions dans le “triangle des Bermudes” et les vols correspondants ne se firent qu’avec une vigilance accrue sur le fonctionnement de l’anémométrie et après que tous les pilotes eurent répété de multiples fois au simulateur une procédure à appliquer en cas de panne. Grace à cela aujourd’hui, 750 kt est ouvert à toute altitude ; depuis, en cas de panne totale anémo la poste combustion reste disponible et il est seulement demandé au pilote de rejoindre le subsonique en palier.

Qualités de vol


Le système de commandes de vol est numérique 3 chaines avec secours électrique analogique. Un module de surveillance veille à la cohérence du comportement de l’avion et ferait commuter du numérique vers l’analogique au cas où une évolution anormale de l’avion serait détectée. Cette architecture a déjà été éprouvée sur le RAFALE A de même que la méthode de validation du logiciel qui initie un cycle final de plusieurs centaines d’heures en boucle fermée au Banc de Simulation Global. Le travail des essais en vol consiste pour une part importante à recaler en vol les modes aérodynamiques afin d’optimiser les réglages des commandes de vol. Pour cela, on dispose à bord de l’avion d’un boitier (Boitier Programme Multifonction BPM) qui, via les gouvernes, génère des stimuli. L’enregistrement des réactions de l’avion à ces sollicitations permet de restituer les coefficients aérodynamiques. Le volume d’essai nécessaire pour assurer ce recalage fut dans l’ordre de grandeur prévu et l’ampleur des corrections en accord avec la confiance que l’on accordait aux modèles : le subsonique et le supersonique étaient parfaitement modélisés ; le transsonique nécessita de nombreuses mesures, ce d’autant plus que les contraintes de l’anémométrie actuelle - pas de perchette de nez, mesures brutes dépendant de multiples paramètres - ne facilitent pas la tâche.

Parallèlement à ce travail très méthodique, les essais en vol ont pour but de vérifier que les performances requises (incidence, facteur de charge maximum, taux de roulis …) sont atteints, que l’avion est bien protégé contre toute surcharge structurale et toute perte de contrôle, que le pilotage de base permet au pilote de faire évoluer l’avion selon son gré et sans y consacrer une attention excessive, que les modes de pilotage automatique permettent de le décharger totalement du souci de conduite de l’avion.

Dans l’ensemble de ce travail, le processus utilisé nous a semblé bien maitrisé :

  • Les essais en vol se sont situés dans la stricte continuité du travail réalisé en commun par les équipes de définition et les équipes d’essais sur le simulateur global. Nous n’avons donc jamais été étonnés par ce que nous trouvions en vol ; nous ne faisions que travailler avec un simulateur plus représentatif que lors de l’Étape précédente,
  • L’architecture s’est avérée robuste et la qualité du logiciel n’a jamais été mise en défaut. Le module de surveillance Nous a fait automatiquement passer en analogique à 4 reprises mais à chaque fois parce que les seuils de surveillance étaient trop étroits par rapport au comportement réel de l’avion. Depuis plus de 3 ans, aucun déclenchement du module de surveillance n’est intervenu et, dans L’avion de série, nous pourrons assurer qu’il n’en existera pas,  Nous mettons en vol, ce mois-ci, la version 4 du système de commande de vol. Cette version dite “de série” permet de voler dans l’ensemble du domaine, avec les performances exigées et dans toutes les configurations d’emports que Nous avons identifiées. Les évolutions par rapport à la version précédente, en vol depuis 1 an, sont peu nombreuses dans la mesure où, tant les modes de base que les modes automatiques, sont actuellement jugé d’une excellente qualité.

Avoir des lois de commandes de vol bien optimistes pour protéger la structure, obtenir les facteurs de charge, incidences, taux de roulis requis et assurer le pilote qu’il ne risque pas de perte de contr6le quelle que soit la manœuvre apparait donc comme issue logique de la méthode de travail. Les critères qu’il faut satisfaire pour que le pilote “sente bien” son avion sont moins rigoureux.

A cet égard, 2 thèmes de mise au point furent plus difficiles qu'on ne s'y attendait : le mini-manche latéral et le mode automatique de tenue de vitesse train sorti. Dans les 2 cas, les sensations pilotes sont essentielles et les simulateurs, malgré tous les raffinements qu’on y a intégrés, ne permettent pas d’y finaliser les réglages.

Dans les phases classiques du pilotage (autour du neutre, sur la butée) le mini-manche Latéral fut initialement apprécié mais au fur et à mesure que les pilotes se succédèrent, que l’avion fut essayé dans des conditions plus opérationnelles - vol en formation, ravitaillement en vol - il fut évident que la précision des commandes de vol n’était pas au niveau requis. Par le BPM, nous Nous donnâmes la capacité d’essayer en vol de nouveaux amédées (lois de commandes non linéaires), de nouveaux filtrages de la commande mais il fut rapidement déterminé que des modifications mécaniques du manche s’imposaient, en particulier pour obtenir une homogénéité de comportement sur le roulis et le tangage ; par de simples modifications de logiciel, toute amélioration sur un axe avait pour contrepartie de rendre l’autre axe trop sensible.

Une augmentation de 44% du débattement manche à cabrer - ce qui ne fait jamais que 3.5 mm en plus - et de Nouvelles lois d’effort en profondeur et gauchissement permirent d’aboutir à un “bon manche” qui devint excellent lorsque des raffinements tels que des filtres à avance de phase furent implanté dans le logiciel. La leçon à en tirer restera toutefois qu’il convient dès le début du développement de se donner la possibilité dans le logiciel d’essayer en vol de multiples lois, temporisations mais que, de la même façon une palette d’aménagements mécaniques doit être disponible. Initialement, se doter de ces capacités parait toujours une politique chère et source de nombreux vol, d’avis pilotes multiples et difficiles a synthétiser.

Dans les faits il s’avère que seul le vol permettra la mise au point et que L’impératif d’excellence dans le domaine de la pilotabilité imposera bon gré mal gré la mise en œuvre des moyens précédents.

Le mode “couplage manette train sorti” a pour objectif de tenir précisément la vitesse en approche afin, en particulier, de minimiser la dispersion de vitesse d'entrée brin sur porte-avions.

Dans sa première version, ce mode s’avéra très efficace avec une tenue à + 2kt dans des conditions représentatives d’emploi sur porte-avions. Les pilotes les plus enthousiastes utilisèrent donc ce mode systématiquement et sans état d’âme. Toutefois arrivèrent sur le programme de nouveaux pilotes moins confiants dans les capacités des asservissements numériques et qui regrettèrent de ne pas retrouver sur RAFALE les sensations qu’ils avaient sur les avions de la génération précédente : en pilotage manuel, leur tendance aurait été de commander aux moteurs des réactions plus vives et de moindre amplitude ; en conséquence la vigilance qu’ils devaient maintenir sur la vitesse faisait perdre une partie de l’intérêt de ce mode automatique. Toujours grâce au BPM, on se donna le choix de plusieurs types de réglages du mode (constante de temps, gain d’asservissement) et L’optimum fut déterminé en vol : la performance s’en trouva légèrement dégradée avec une tenue à +/- 3 kt mais les réactions de l’avion apparurent plus naturelles et satisfaisantes pour tous. Comme précédemment la leçon à en tirer est que, sur tout mode pour lequel la performance n’est pas le seul critère tandis que la sensation pilote est un paramètre important, il convient de se donner, dans le logiciel, le choix de divers réglages à essayer en vol.

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