Evolution des simulateurs de vol depuis Link Trainer

I -  Présentation

 

Au début du XXème siècle, l’Humanité a connu une révolution dans le domaine des transports, notamment dans celui de l’aviation. Dans le but de développer leurs compétences en pilotage sans pour autant que leur vie ou celle des autres ne soit mise en danger. Les simulateurs ont donc été conçus et non cessé d’être perfectionnés au cours des dernières décennies.

Un simulateur est une technologie qui permet de reproduire une situation réelle sous forme virtuelle. Il s’agit donc d’un outil qui met en œuvre la simulation du système avec tous les avantages et inconvénients. Un simulateur est souvent utilisé lorsque la situation réelle est difficilement observable ou bien qu’elle présente des risques.

Le pilotage d’un avion étant quelque chose de très complexe, rapidement des simulateurs ont été appliqués dans ce domaine. Les premiers simulateurs étaient très simplifiés où l’apprenti pilote répétait les manœuvres basiques sur des commandes fictives. Puis les effets de l’aérodynamisme ont été restitués sur des avion simplifiés et placé dans le lit du vent. Le premier simulateur « Tonneau Antoinette » fut construit en 1910 par la société de Léon Levasseur en France, il était constitué d’un poste de pilotage monté sur rotule, les commandes étaient actionnables manuellement.

La composition d’un simulateur de vol est très simple. Il comporte trois éléments essentiels : les commandes pilotes (périphériques d’entrée), un calculateur numérique et une restitution perceptible (périphériques de sortie).

Il existe deux types de simulateur de vol : les simulateurs professionnels et les simulateurs personnels. Les simulateurs professionnels sont utilisés pour les études ou pour la formation, leur constitution dépendra de leur utilisation. Quant aux simulateurs personnels, leur principale utilisation permet le divertissement de l’utilisateur.

 

II -  Qu’est-ce qu’un simulateur ?

 

1.    Introduction

Une simulation est une représentation modélisée d’un environnement, phénomène ou objet. Cette imitation artificielle est possible grâce à un dispositif technique. Ce dernier permet aux utilisateurs de se mettre dans un environnement présentant des risques ou difficilement observable pour toutes sortes de raisons (sécurité, coût, inexistence, …).

Les simulateurs sont présents dans de nombreux domaines tel que le domaine de l’aéronautique, du médical, du nucléaire, du militaire, des véhicules, mais aussi pour une utilisation personnelle.

De nos jours, les simulateurs de vol font partis de la réglementation obligatoire des compagnies (ils permettent notamment de s’assurer des compétences individuelles et en équipes des pilotes), de plus ils permettent la sélection et la formation des nouveaux pilotes (à l’embauche, un test obligatoire sur un simulateur. De plus, il est possible de s’entrainer aux procédures exceptionnelles), et enfin ils permettent de faire des économies. En effet, le prix d’un simulateur est environ le quart du prix d’un avion, et cela permet aussi d’éviter l’immobilisation d’un avion.

Les simulateurs de vol du XXIème sont des simulateurs numériques. Un simulateur numérique est un simulateur qui peut être associé à un mécanisme de planification. Quand le signal est modifié (on parle d’évènement), toutes les équations logiques sont réévaluées. Chaque équation peut éventuellement modifier d’autres signaux et provoquer à son tour d’autres évènements. Dans le cas des simulateurs de vol, les données en provenance de l’interface de commande de vol sont envoyées à un ordinateur qui va calculer les sorties (indication des instruments de bord, environnement visuel, …). Jusqu’à la fin des années 1980, les simulateurs de vol étaient analogiques.

2.    Besoin et utilité de la simulation

  • Besoin

Les systèmes devenant de plus en plus complexe, les situations dans lesquels ils peuvent se trouver, leurs coûts élevés rends l’utilisation des matériels réel mal adapté et coûteux dans le cadre d’une formation.

De plus, l’apprentissage effectué sur dans un environnement et sur du matériel réel ne permet pas de créer des situations rares, tel que le comportement du système (pannes) ou bien l’état de l’environnement (tempêtes, brouillard, …).

  • Utilité

La simulation permet :

  • D’apprendre à maîtriser des gestes techniques dans le but de pouvoir les reproduire sans problème dans une situation réelle
  • D’intégrer la prise de décision
  • D’être actif dans une situation urgente, pour éviter le plus possible que le problème devienne plus dangereux
  • De s’entrainer en équipe
  • D’aborder le plus possibles de situations

3.    Phénomènes simulés

a)    Sons

Ces dispositifs permettent une simulation sonore, ce sont les phénomènes les plus simple à simuler, en effet leurs simulations est possible depuis 1961.

b)    Sensations

Ces sensations recréées sont utiles dans le cas d’accélérations car le pilote permet de se rendre compte immédiatement de la réaction engendrée.

Par exemple, lors d’une accélération forte, des sièges déformables sont utilisés pour donner la sensation d’être plaqué surs son siège.

c)    Visuel

Dès les premiers simulateurs, la reproduction du visuel devient essentielle. Le problème étant que le visuel doit correspondre à l’environnement dans lequel se trouve le pilote, il doit être modifié en fonction des décisions prises par ce dernier. Les simulateurs comprennent une maquette du terrain et une caméra dont la position et orientation sera modifié selon le déplacement du système. L’image produite par la caméra sera affichée devant l’utilisateur sur un ou plusieurs écrans. Contrairement à la réalisation de dessins animés, l’image ne doit pas être crée en quelques secondes, mais cette image synthétique doit être générée dans un temps inférieur à 1/25 de secondes.

4.    Avantages

Les avantages de la simulation sont nombreux :

  • Le coût d’un simulateur est bien moins élevé que celui du vrai matériel, encore plus si on ajoute les coûts de l’exploitation (consommation d’énergie, contrôle aériens, moyens de transmission, …)
  • La disponibilité d’un simulateur est plus élevée que celle du matériel en lui-même, puisqu’il subit les contraintes de son environnement (condition météorologique, encombrement des pistes, …) ou exploitation (période de maintenance)
  • L’efficacité du simulateur est plus grande puisqu’il est possible de provoquer à la demande, le comportement du matériels ou l’état de l’environnement, permettant ainsi au pilote de faire face à de nombreuses situations sans aucun danger
  • La plupart des accidents ont lui pendant des vols avec ces simulateurs, ils offrent donc une certaine sécurité

 

III -  Constitution d’un simulateur de vol

 

1.    Structure principale

Un simulateur est constitué de :

  • La cabine montée sur un système hydraulique permettant la reproduction des accélérations et/ou vibrations
  • Le poste de commande
  • Une interface contenant les cartes pour la mise en forme des signaux
  • Un ou plusieurs calculateurs contenant les logiciels de simulation

Les logiciels de simulations sont découpés en trois catégories : reproduction du fonctionnement des systèmes de l’avion (moteur, pilote automatique, commande, radio, …), reproduction de l’environnement de l’avion (atmosphère, mouvement de la cabine, sonorisation, …) et gestion du poste de pilotage (tous les logiciels fonctionnent en temps réel.

De plus il y a les périphériques d’entrée et de sortie qui permettent l’interaction entre le pilote et le matériel

  • Périphériques d’entrée : les différents éléments du tableau de bord, ainsi qu’un micro pour simuler les interactions avec la tour de contrôle
  • Périphériques de sortie : l’affichage du paysage, les sons de l’environnement et un casque pour entendre la tour de contrôle.

2.    Commandes

Les commandes présentes dans le simulateur sont le plus identique possible à celle présente dans un véritable avion. Il existe même des simulateurs constitués d’élément réel, voir même la cabine peut être découpée d’un prototype. De plus les instructeurs possèdent des commandes supplémentaires dans le but de faire varier les paramètres de vol.

3.    Modèle

Le simulateur de vol étant représenté par un modèle numérique (depuis 1970), l’ordinateur va pouvoir calculer :

  • La position dans l’espace : coordonnées par rapport au sol et approximation de l’altitude
  • La direction : orientation et déplacement de l’avion
  • Elément liés à l’avion : paramètres des moteurs, masse de l’avion, …

Ces variables sont calculées dans l’ordre du dixième de seconde pour des avions de croisière, mais souvent pour des avions de type chasseur ou intercepteurs (effectuant des manœuvres brutales) les variables sont calculés en temps réel.

4.    Restitution de l’environnement

Il s’agit de la partie la plus complexe à réaliser ainsi que la plus gourmande en capacité mémoire et puissance de calcul, puisqu’il faut que la restitution soit la plus parfaite possible.

  • Visuel : affiche les instruments de bord, vue du sol (pour les phases de décollage et atterrissage), environnement (jour, nuit, temps). Ce rendu visuel est possible grâce à un écran placé en face du cockpit projetant une vue extérieure de l’aéronef
  • Audition : la restitution des bruits de l’environnement est possible grâce à des calculateurs possédant une grande quantité de mémoire de stockage (la quantité de donnée est proportionnelle à la surface numérisée)
  • Physique : la plateforme mobile du simulateur permet à l’utilisateur de mieux ressentir les accélérations ou bien l’effort des commandes. Il existe également des coussins gonflables ou combinaisons qui simulent les sensations d’écrasement

 

 

IV - Evolution

 

1.    Simulateurs

L’origine des simulateurs de vol est très ancienne, le premier simulateur de vol date de 1909 nommé « Tonneau Antoinette », mais ce fut en 1929 que le premier vrai simulateur de vol fût conçu le « Link Trainer » par l’Américain Edwin Link. Il était constitué d’une cabine posée sur un mouvement électropneumatique dont les positions étaient modifiées par les commandes du pilote. Un chariot équipé d’un stylé reproduisait le trajet du simulateur, ce qui fait que l’instructeur pouvait donner ses instructions à l’élève.  Il permettait l’apprentissage du vol grâce aux instrument intégrés dans le cabine de pilotage.

Les premières commande de simulateurs se firent en 1957 et concernait la réalisation d’un simulateur d’entrainement pour l’armée de l’Air et la réalisation d’un simulateur pour Air France. Le premier fut confié aux Giravions Dorand et la seconde a la SEA. La commande fut annulée par l’Etat pour cause de restriction budgétaire et la seconde fut annulé à cause de soucis dans la réalisation.

Un accord en 1958 permis la construction de deux simulateurs « Mirage III », entre 1959 et 1960, pour l’armée de l’Air par l’entreprise LMT (« Le Matériel Téléphonique » dont l’activité principale était la production de matériels de télécommunication) associé à Giravions Dorand. La qualité de la réalisation de ces deux simulateurs étaient équivalent à la qualité des réalisations américaines, par ailleurs, il s’agissait des premiers simulateurs entièrement transistorisés. Pour finir, il s’agissait de simulateur robuste et fiable possédant une qualité de simulation excellente. Entre 1961 et 1970, LMT fabriqua une dizaine de simulateurs Mirage III.

En 1959, LMT fut demandé pour réaliser le simulateur « Etendard IV Marine ». Ce simulateur d’entraînement contenait un système de visualisation important. En 1960, un simulateur de Caravelle fut commandé à LMT par le Service technique aéronautique pour Air France.

Dans le cadre de l’OTAN (en 1960), le comité du Breguet Atlantique fit un appel d’offre pour la construction d’un simulateur. Le choix de l’entreprise se fit après une consultation internationale par la Section avions et par la Section équipements du Service technique aéronautique qui s’occupèrent des clauses techniques de trouver l’offre correspondante. Finalement ce fut SEA associé à LINK, qui fut choisis.

En 1964, une nouvelle compétition pour un simulateur d’étude « Concorde ». LMT remportât le contrat grâce à ça technique avancée (l’utilisation d’un calculateur numérique bien adapté à la simulation) et puis dont réaliser en 1967 son premier simulateur avec un mouvement de cabine.

2.    Technologie

Avant les années 50, les simulateurs étaient analogiques, mais au début des années 50, d’important progrès furent réalisés dans les calculateurs analogiques. Au vu de la performance de ces chaînes de calcul des sociétés étaient en courses : LMT et SEA (« Société d’électronique et d’automatisme » possédant une grande réputation dans les calculateurs).

La création de simulateurs numériques leur a donné la possibilité de représenter le plus fidèlement possible le comportement d’un aéronef en vol.

Les premiers simulateurs de vol ne possédant pas une grande puissance de calcul, renvoyaient une image limitée à l’atterrissage et au décollage, et provenaient d’une caméra survolant une maquette de terrain grande dimension. Des images de synthèses commencèrent à apparaitre au milieu des années 1970, bien qu’encore très schématique, elle rendait un visuel précis des feux de piste de nuit. Ce fut au début des années 1980, que la restitution visuelle était plus réaliste grâce à une représentation en 3D de surfaces avec l’ombrage de Gouraud (technique de rendu 3D). Mais ce ne fût qu’en 1990 que des images de synthèse 3D texturées apparurent dans les simulateurs.

V -   Types de simulateurs de vol

 

1.    Simulateurs de vol professionnels

Ils sont souvent utilisés pour les études, ou pour la formation. Cependant leur construction va dépendre de leur utilisation. Le système de visualisation est composé d’un générateur d’images de synthèse. Il contient une base de données en mémoire et va utiliser l’image vu par le pilote après calcul de la position géographique, de son orientation, de son altitude, du temps, des conditions extérieures, … L’image projetée par le calculateur doit être conforme à un champ possiblement visible dans la réalité ou conforme au type de l’avion. Par exemple le champ de vision d’un avion de ligne est limité par les fenêtres de la cabine de pilotage, ou celui des avions militaires, comme les chasseurs, ou le champ visuel est presque illimité.

a)    Simulateurs d’études

C‘est un outil qui sert souvent pour voir le comportement des pilotes, l’ergonomie, les facteurs humains, … Il s’agit d’un simulateur se trouvant à différente phases du développement d’un avion. Souvent, il faut il faut construire plusieurs simulateurs pour un même avion. Par exemple :

  • Pour le dimensionnement : le simulateur est réduit au cockpit à base fixe et certains sous-systèmes seront non fonctionnels
  • Pour la mise au point des calculateur de bord : le simulateur possède une base fixe et le visuel extérieur est peu élaboré
  • Pour la préparation du premier vol : le simulateur comporte tous les systèmes ainsi qu’un bon visuel extérieur, et une fois calibré il servira de référence pour les simulateurs de formation.

b)    Simulateurs de formation

Bien souvent, le simulateur n’est pas utilisé pour apprendre le pilotage, mais pour savoir comment réagir en cas de manœuvre rare/exceptionnelle.

  • Le principal objectif est d’acquérir la connaissance d’un nouvel avion, des procédures strictes à suivre pour telle ou telle phase de vol, et de vérifier si l’élève connait les consignes de sécurité en cas de problème.
  • Ce genre de simulateur son classé dans différentes catégories selon à quel type de formation sert le simulateur. Pour que la formation soit validée, chaque simulateur doit être certifié (la DGAC en France ou la FAA aux États-Unis).

Ce genre de simulateur permet donc d’améliorer le niveau de compétences des pilotes (en réduisant le stress d’apprentissage), de les habituer à l’appareil et de réduire les coûts d’instruction.

2.    Simulateurs de vol personnel

Les simulateurs de vol furent parmi les premiers logiciels à être développés pour des ordinateurs personnel. Au début des années 2000, les simulateurs de vol conçus pour le divertissement sont tellement réalistes, qu’après les attentas du 11 septembre 2001, certains journalistes et expert accusaient les développeurs de simulateur de vol personnel (notamment « Microsoft Flight Simulator ») d’avoir permis au pirate de l’air d’avoir acquis assez de compétences pour piloter un avion. Certains simulateurs sont « ouverts », c’est-à-dire que chacun peut ajouter sa création à l’aide de logiciels de modélisation 3D.

Certains amateurs n’hésitent pas à réaliser eux même un poste de pilote similaire a celui d’un avion réel, dans le but de se mettre dans une situation la plus proche du réel.  Il existe sur Internet un tutoriel pour construire un Boeing 747.

a)    Simulateur pour console de jeu

Les simulateurs sur console de jeu sont bien plus rares. « Pilot Wings » est le plus connu sur Super Nintendo avec sa suite « Pilot Wings 64 » pour la Nintendo 64. Les simulateurs de vol sur console restent simplistes puisqu’il est difficile de représenter un environnement complexe, néanmoins ils tentent de recréer le plus fidèlement possible un vol.

b)    Centre de simulation

Il existe de nombreuse société en France qui propose l’expérience d’un simulateur de vol au grand public. Le cockpit de l’avion est reproduit à échelle réelle, de plus la majorité des commandes sont fonctionnelles.

En 2013, les centres de simulations les plus connus sont :

  • « AviaSim » : simulateur reproduisant un Airbus A320 ainsi que des avions de chasse ou hélicoptères.
  • « Simulateurs737 » et « Flight Experience » : simulateurs reproduisant un cockpit de Boeing 737
  • « Flight Aventures » et « Skyway Simulation » : simulateurs reproduisant un cockpit de Boeing 777

c)    Simulateur de vol spatial

L’espace étant un prolongement de l’espace aérien, certains simulateurs (tel que « X-Plane ») possède des fonctionnalités permettant d’aller dans l’espace avec des vaisseaux spatiaux. Cependant ce type de simulateur préfèrent valoriser le réalisme du rendu de la haute atmosphère et des voyages entre planètes. Les plus connus étant :

  • « Microsoft Space Simulator »
  • « Orbiter » : un logiciel gratuit
  • « Kerbal Space Program » : il s’agit d’un jeu indépendant se basant sur un système planétaire fictif se nommant « Kerbol » largement inspiré du système solaire réel. Bien qu’il s’agisse d’un simulateur le plus réaliste possible, dans le but de faciliter l’expérience des joueurs les proportions et distances sont réduites. Mais la force des divers champs céleste et la densité des corps céleste.

d)    Jeu de simulation

Les simulateurs les plus connus pour les ordinateurs personnels sont :

  • « Microsoft Flight Simulator » : simulateur de vol grand public, il s’agit du plus connu
  • « X-Plane » : simulateur de vol pouvant être utilisé pour la formation et étant le seul à être certifié par la FAA.
  • « FlightGear » : simulateur de vol sous licence libre sous GPL (licence fixant les conditions légales d’un logiciel libre), il est donc entièrement gratuit et possède la représentation du relief de la planète ainsi que la majorité des aéroports du monde.
  • « Infinite Flight » : simulateur de vol pour IOS et Windows phone
  • « Tom Clancy's H.A.W.X » : simulateur de combat aérien édité et développé par Ubisoft, basé sur le côté arcade des avions de chasse.
  • « Search and Rescue » : simulateur de recherche et sauvetage en hélicoptère, possède différente mission de secours en mer ou sur terre.

 

VI - Conclusion

Un simulateur de vol est un dispositif permettant à l’utilisateur de se mettre dans un environnement qui va simuler les commandes et le visuel d’un cockpit d’avion. Les simulateurs permettent de s’entrainer à des manœuvres exceptionnelles ou d’améliorer des manœuvres dans des conditions rare. De plus, le cout d’un simulateur est relativement bas comparé a celui d’un avion. Les simulateurs permettent donc de faire des économies. Le visuel, l’audio et la physique sont les trois phénomènes simulés. Les avantages des simulations sont donc nombreux (sécurité, économie, disponibilité, …).

Un simulateur de vol est constitué de la cabine, poste de pilote, interface où se trouve les cartes et de calculateurs. De plus, les commandes présentent dans le simulateur son représentée le plus fidèlement possible (voir elles peuvent même être directement prise d’un avion), le modèle du simulateur permet de modifier la position dans l’espace, la direction et la restitution de l’environnement visuel possible avec des écrans représentation la vision extérieure de l’avion.

Le premier simulateur date de 1909 et se nomme « Tonneau Antoinette », mais le premier vrai simulateur se nomme « Link Trainer » et date de 1929. Entre 1957 et 1964 de nombreux simulateurs furent construit notamment par l’entreprise LMT. Devant de plus en plus demandé, la technologie les composant à elle aussi été développée. Les premiers simulateurs étaient analogiques (jusqu’aux années 50), mais depuis ce sont des simulateurs numériques qui permettent un meilleur rendu grâce au développement de leur puissance de calcul.

On peut regrouper les simulateurs de vol en deux grandes catégories : les simulateurs de vol professionnels et les simulateurs de vol personnel. Il existe deux types de simulateurs de vol professionnel : ceux servant pour l’étude (sert généralement à observer le comportement des pilotes, les facteurs humains, …) et ceux pour la formation (apprentissage et amélioration des compétences de pilotage). Quant aux simulateurs de vol personnel, eux sont disponible au grand publique (certains amateurs construisent leur propre cabine) soit par le biais de console de jeu ou logiciel sur ordinateur ou de centre proposant ce genre de services.

De nos jours, les simulateurs de vol deviennent de plus en plus complexes, la technologie les composant aussi. La restitution visuel état presque parfaite on peut donc se questionner sur l’avenir des simulateurs de vol.

 

VII -            Sources

 

Pas de commentaire.

Ajouter un commentaire