Simulateur de vol
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Un simulateur de vol est une application au domaine de l'aéronautique, du pilotage des aéronefs en particulier, des techniques de simulation de phénomènes physiques.
Les simulateurs de vol du XXIe siècle sont numériques : les données en provenance de l'interface pilote-aéronef (les commandes de vol) sont transmises à un ordinateur qui calcule les sorties (indications des instruments de bord, environnement visuel, etc.). Les simulateurs de vol étaient analogiques jusqu'à la fin des années 1970-1980.
Un simulateur de vol peut être utilisé pour :
- le développement d'aéronefs nouveaux ;
- l'entraînement des équipages aux fonctions de bord : pilotage, navigation ;
- l'enquête suivant un accident ;
- être intégré dans un simulateur plus complexe tel qu'un simulateur de combat aérien, etc.
Les simulateurs de vol sont aussi devenus des jeux vidéo très prisés, surtout les jeux de simulation de combat aérien.
Un simulateur de vol est composé de trois parties principales : les dispositifs d'entrée des données, le modèle de vol et les dispositifs de restitution de l'environnement. Le modèle de vol représente les équations aérodynamiques et les paramètres de l'aéronef : les simulateurs professionnels utilisent des données réelles qui sont souvent protégées par le secret de défense ou le secret industriel et indisponibles pour les jeux vidéo. L'entrée des données est réalisée à partir des commandes réelles dans un simulateur professionnel ; les commandes sont remplacées par un joystick et le clavier dans les jeux. Enfin, les simulateurs professionnels restituent l'environnement grâce à une planche de bord réelle et des écrans multiples alors que les jeux n'utilisent, le plus souvent, qu'un écran unique.
Les pionniers
La difficulté et les risques du pilotage suscitent très tôt l'usage des « entraîneurs » : des simulateurs très simplifiés. Avec ces derniers, l'apprenti pilote répétait par des commandes fictives sans effet, les manœuvres de base. Dès les débuts de l'aviation des machines tentent de restituer les effets aérodynamiques des commandes, au moyen d'un avion simplifié fixé au sol et placé dans le lit du vent. L'un des premiers entraîneurs connu est le « tonneau Antoinette » construit en France en plusieurs exemplaires par la société de Léon Levavasseur dès 1910. Il comportait un poste de pilotage monté sur rotule et actionné manuellement en lacet, en roulis et en tangage.
Le premier simulateur de vol est vraisemblablement le système mis au point aux États-Unis par le fabricant d'orgues Edwin Link (en) en 1929, connu sous le nom de « Link Trainer » ou « Blue Box ». Link (-) est un pionnier en aviation, en archéologie sous-marine et en submersibles. Il a déposé plus de vingt-sept brevets, surtout dans l'aéronautique. Le Link Trainer comportait une cabine posée sur un mouvement électro-pneumatique dont les positions répondaient aux commandes du pilote. Un chariot équipé d'un stylet reproduisait sur table traçante le trajet virtuel de l'avion et l'instructeur pouvait donner des ordres à l'élève à l'aide d'un microphone. Ce simulateur, très utilisé lors de la Seconde Guerre mondiale essentiellement pour l'apprentissage du vol aux instruments, connut diverses évolutions jusque dans les années 1960.
L'approche scientifique
La mise en œuvre de modèles de vol sur calculateurs, analogiques d'abord dès les années 1950 puis numériques, a donné aux simulateurs la possibilité de représenter plus fidèlement le comportement d'un aéronef en vol.
Le grand projet Whirlwind du Massachusetts Institute of Technology en 1946 fut de concevoir et mettre au point un calculateur numérique en temps réel nécessaire à un simulateur de vol militaire.
Outre la puissance de calcul souvent insuffisante, la restitution visuelle des premiers simulateurs, limitée aux phases de décollage et d'atterrissage, n'était rendue que par le déplacement d'une caméra vidéo survolant mécaniquement une maquette réelle de terrain de grande dimension. Plus tard, au milieu des années 1970, apparaissent des images de synthèse encore très schématiques (avec des moniteurs dits à « balayage cavalier ») qui permettaient le rendu ponctuel précis des feux de piste, de nuit. Au début des années 1980, la représentation en trois dimensions de surfaces avec ombrage de Gouraud offre une allure plus réaliste. Il faut attendre les années 1990 pour voir dans les simulateurs des graphismes en images de synthèse 3D texturées.
Avec les années, les simulateurs de vol ont nettement évolué grâce à l’électronique et à la visualisation en trois dimensions.
Constitution d'un simulateur de vol
Un simulateur de vol comporte deux éléments essentiels : un calculateur numérique et un « ensemble matériel » permettant au pilote d'interagir avec l’aéronef simulé :
- Périphériques d'entrée : manche à balai, palonnier, manette des gaz, et les différents éléments du tableau de bord. À défaut de ces éléments, le clavier et la souris peuvent être utilisés. Un microphone est souvent préférable pour simuler les interactions avec la tour de contrôle, avec les coéquipiers et avec d'autres aéronefs.
- Périphériques de sortie : affichage du paysage et des éléments du tableau de bord, production du son de l'appareil et de l'environnement extérieur, casque audio discuter avec la tour de contrôle, avec les coéquipiers et avec autres aéronefs. Le retour de force des différentes commandes et rotation du siège et de la cabine procure des sensations physiques liées au vol.
Le simulateur de vol est un système qui permet de recréer le plus fidèlement possible le fonctionnement d’un avion ainsi que les difficultés et les sensations éprouvées lors d’un vol. La réalisation d'un simulateur intègre tous les comportements physiques et techniques d’un avion par rapport à son environnement.
Commandes
Les commandes mises à la disposition du pilote sont aussi similaires que possibles à celles de l'aéronef réel, voire : identiques. Certains simulateurs sont même construits en utilisant des éléments réels, comme une cabine découpée dans un prototype ou une maquette.
Les instructeurs disposent de commandes supplémentaires permettant de faire varier les paramètres du vol.
Modèle
L'aéronef est représenté par un modèle numérique, utilisant les équations de l'aérodynamique. À partir d'un état donné, l'ordinateur calcule :
- la position dans l'espace : coordonnées par rapport au sol et altitude approximative par rapport au niveau de la mer ;
- la direction : orientation de l'avion, déplacement de l'avion (pouvant être en « dérapage » ou « dérive ») ;
- l'orientation de l'avion, le vecteur spatial de déplacement : orientation de l'avion et déplacement par rapport au sol, taux de montée, etc. ;
- d'autres éléments liés à l'avion : paramètres des moteurs, voilure, caractéristiques des éléments de gouverne, masse de l'avion à vide et en fonction de ce qu'il transporte, etc.
Ces variables sont calculées avec une période typiquement de l'ordre du dixième de seconde pour des avions à évolutions ordinaires. Il peut être nécessaire de raccourcir cette période pour les avions tels que les chasseurs ou des intercepteurs qui effectuent des manœuvres brutales. Le calculateur doit être capable d'effectuer tous ces calculs dans un temps inférieur à celui de la période de référence : il travaille en « temps réel ».
Les calculateurs capables de réaliser les fonctions ci-dessus existent depuis les années 1970.
Restitution de l'environnement
C'est la partie la plus difficile à réaliser. Elle est la plus gourmande en capacité mémoire et en puissance de calcul. Il s'agit de reconstituer le plus fidèlement possible tout ou partie de ce que ressent le pilote :
- Visuel : affichage des instruments de bord (indispensable), vue du sol (indispensable pour les phases de décollage et d'atterrissage, moins utile pour le vol aux instruments), environnement (jour, nuit, intempéries), ainsi que les pertes des facultés visuelles dues aux influx de sang générés par la pression lors des phases de rotation, ou encore l'éblouissement par le soleil.
- Procédés de restitution visuelle
- projection : un écran est placé en face du cockpit et une vue de l’extérieur de l'aéronef y est projetée. Ce système est aussi utilisé pour les simulateurs de combat aérien et nécessite un écran sphérique à 360°.
- système collimaté : la restitution visuelle de l'environnement est faite en utilisant des moniteurs dont l'image est vue par l'intermédiaire d'un miroir sphérique. L'image de la scène nécessite alors une accommodation proche de celle nécessaire en réalité.
- casque.
- Physique : les impressions physiques ressenties par le pilote sont liés à l'assiette de l'aéronef, aux accélérations (centripète en particulier), aux efforts sur les commandes.
- Procédés de restitution physique
- Contrairement à une idée reçue, la plateforme mobile ne sert pas à simuler l'attitude de l'aéronef ; elle crée artificiellement des composantes de la pesanteur pour induire différentes directions d'accélérations ressenties par le pilote durant le pilotage[pas clair] : d'où la notion de facteur d'échelle[évasif] car l'accélération restituée n'est qu'un pourcentage de l'accélération effective en situation réelle.
- Compte tenu des limites (course et vitesse) que présentent les actionneurs d'une plate-forme mobile (par exemple hexapode à 6 degrés de liberté), les caractéristiques du système vestibulaire humain sont exploitées pour donner au pilote l’illusion de se mouvoir dans un espace infini. D'autres systèmes comme des combinaisons ou des coussins gonflables simulent les sensations d'écrasement.
- Les efforts aux commandes (manche et palonnier) sont restitués grâce à des moteurs et à des freins.
- Audition : restitution des bruits d'environnement.
Les calculateurs capables de réaliser ces fonctions doivent disposer :
- d'une quantité de mémoire de stockage importante pour conserver les données relatives au terrain survolé. La quantité de données est directement proportionnelle à la surface numérisée. Le facteur principal est lié à l'altitude : le niveau de détail nécessaire est bien plus important en vol à très basse altitude ou autour d'un aéroport que pour la partie en vol de croisière à haute altitude.
- d'une capacité de calcul très élevée pour pouvoir élaborer une vue du sol à partir de la base de données de terrain. Le réalisme nécessite de nombreux calculs : vue du sol, vue des infrastructures, éclairages (soleil, lune, artificielles, ombres, ombres portées), nuages, brume, pluie.
