INTERAVIA – Octobre 1963 : Problèmes d’exploitation liés au transport supersonique

Il y a un an, Interavia publiait, à l’occasion de la 18ème Assemblée Générale de l’Association du Transport Aérien International qui se tenait à Dublin, un article intitulé “Le long-courrier supersonique et les recommandations de l’IATA”. On se souvient que l’IATA avait exprimé son opinion sur la construction et l’exploitation des avions de transport supersoniques et le lecteur peut se reporter à notre article pour y retrouver les dix recommandations essentielles de cette organisation.
Dans son commentaire de ce décalogue, l’auteur s’était d’ailleurs demandé si un appareil de transport répondant parfaitement aux directives de l’IATA trouverait effectivement des acquéreurs et il poursuivait : Selon toute vraisemblance, bien rares sont actuellement les compagnies pour qui le transport supersonique est une vision enchanteresse.
Or, au moment même où paraît ce numéro, les délégués réunis à Rome pour la 19ème Assemblée Générale de l’IATA se voient confrontés avec les faits que voici :
– le programme européen pour la production d’un avion de transport supersonique – qui fut d’ailleurs esquissé avant la rédaction des dix recommandations précitées – avance à pas de géant.
– cet avion sera commandé par au moins quatre des principales compagnies de l’aviation civile mondiale.
– les Etats-Unis se sont décidés eux aussi à construire un appareil supersonique.
– enfin en URSS on parle aussi beaucoup d’un avion de ligne dépassant Mach 2.
Dans la conjoncture présente, les délégués de l’IATA à Rome devraient prendre dès maintenant certaines dispositions pour que la mise en service des appareils supersoniques soit un plein succès. Nous essaierons dans les lignes qui suivent de mettre l’accent sur quelques problèmes importants qui, à notre avis, devraient être résolus sans tarder.
A l’époque où les deux pionniers du transport à réaction British Overseas Aircraft Corporation (BOAC) et De Havilland Aircraft Corporation préparaient en commun la mise en service du ”Comet I“, leurs ingénieurs avaient calculé un profil de vol de croisière, s’élevant en pente régulière et continue, ce qui était comme la technique d’exploitation la plus favorable pour ce type d’appareil. Bien que cette procédure soit jugée à peu près unanimement recommandable pour tous les avions de transport à réaction, on accepte aujourd’hui, pour différentes raisons, un profil de vol comportant des paliers.
Dans des conditions idéales, le vol par paliers qui permet, après une consommation suffisante de carburant, de rechercher une altitude de vol plus élevée de 2000 à 4000 pieds (600 à 1200 mètres) est presque aussi avantageux que le profil constamment ascensionnel. Il faut par contre envisager que le pilote se voie contraint – pour obéir aux prescriptions du contrôleur de la circulation aérienne ou pour toute autre raison – de bouleverser la procédure de montée par paliers qui prévoyait le plan de vol et d’après laquelle étaient calculés les besoins en carburant ; on comprend alors qu’il faille compter avec une augmentation et avec une diminution de la marge de sécurité. C’est pourquoi les appareils doivent disposer de grosses réserves de carburant, ce qui augmente considérablement les frais d’exploitation. Pour ce qui concerne les appareils à réaction actuellement en service, les compagnies acceptent ce handicap. Mais on ne pourra envisager ces méthodes avec les futurs appareils supersoniques.
Le profil de l’avion de transport supersonique pourrait, tout comme celui des avions à réaction classiques, être décomposé en trois phases (abstraction faite du décollage et de l’atterrissage) : la montée proprement dite jusqu’à une certaine altitude, le vol en croisière en légère montée et la descente. La montée et la descente se décomposeraient à leur tour en un tronçon subsonique, ce qui implique suivant le cas une phase intermédiaire d’accélération ou de décélération.
Pour des raisons de rentabilité et pour tenir compte du bang transsonique fort désagréable, le pilote doit respecter scrupuleusement les indications de son plan de vol pour chacune de ces phases. Autrement dit, les problèmes de la navigation s’étendent à la troisième dimension et il faut prévoir une refonte des méthodes de navigation, des procédures de contrôle de la circulation aérienne et des liaisons radios.

1 – L’avion de transport supersonique sur les lignes de l’Atlantique Nord.

Une étude de la route de l’Atlantique Nord – où se jouera vraisemblablement la première du transport supersonique – met en lumière tous les problèmes que l’on peut rencontrer sur la plupart des autres parcours, car cette route comprend des tronçons maritimes et des tronçons terrestres. On pourrait penser que les vols supersoniques ne sauraient rencontrer beaucoup de difficultés en raison de leur fréquence réduite et de l’altitude de croisière plus élevée, mais ce serait ne pas tenir compte de la montée et de la descente qui constituent des phases nullement négligeables.
Il est d’ailleurs absolument certain que le nombre de ces appareils s’accroîtra très vite. Selon certaines estimations, le trafic aérien au-dessus de l’Atlantique Nord sera en 1975 le triple de celui qu’on a connu en 1961. En admettant que les pointes de trafic se résorbent d’ici quelques années, il y aura néanmoins des périodes où le volume du trafic se rapprochera des valeurs de pointe que l’on connaît actuellement et, de plus, ce trafic s’effectuera à des vitesses supersoniques. En raison de ces vitesses plus élevées et si l’on considère que les appareils supersoniques, volant beaucoup plus haut, rencontreront des vents plus faibles, le trafic sera beaucoup moins dispersé sur le plan horizontal, car les routes suivies par ces appareils dans le but de réaliser un temps de vol minimal correspondront de plus en plus aux routes orthodromiques.
Déjà en 1961, le nombre des vols quotidiens au-dessus de l’Atlantique Nord dépassait occasionnellement le nombre impressionnant de 400. On prévoit qu’en 1795, il atteindra très probablement 1200, ce qui signifie que toutes les 72 secondes en moyenne, un avion entrera dans l’espace aérien de l’Atlantique Nord et que pendant les périodes de pointe, la cadence pourra s’élever à un avion toutes les 30 secondes. Les différentes routes se couperont nécessairement aussi bien dans le plan horizontal que dans le plan vertical. Comme le rôle des contrôleurs de la circulation aérienne sera de fixer les espacements horizontaux et verticaux et, en même temps, d’introduire dans un trafic plus lent des avions supersoniques à la montée comme à la descente, on peut se demander si les procédures actuelles de contrôle du trafic ne seront pas dépassées par les projets et les réalisations aéronautiques que nous réservent la science et la technique.
En supposant que le contrôle de la circulation aérienne se révèle à la hauteur de sa tâche et que chaque pilote soit en mesure de respecter strictement son plan de vol, on ne fait que déplacer le problème pour s’en remettre à la navigation de précision. Or, les systèmes de navigation actuellement en service répondront-ils à ces exigences ?

2 – Navigation et échange d’informations.

Au départ d’un avion, le contrôle du trafic aérien repose actuellement sur l’emploi de radiobalises, de radars, de systèmes de radiotéléphonie pour l’échange d’informations sol-air-sol et d’installations pour les liaisons par radio, téléphone ou téléscripteur entre les centres de contrôle. L’existence de plusieurs aérodromes à proximité de la plupart des grands centres urbains se traduit par une imbrication extraordinairement complexe des procédures d’approche et de départ ; pour chaque piste, l’image de la situation aérienne change à tout instant. La circulation entrecroisée des différents appareils s’effectue à des altitudes strictement réparties et les appareils qui veulent couper pendant la montée un plan horizontal déjà occupé doivent très souvent faire un détour ou, si possible effectuer la montée en respectant les règles du vol à vue. Telle est la situation dans les conditions actuelles de la circulation aérienne. Mais comment pourra-t-on s’en tirer avec les appareils supersoniques dont la circulation ne pourra en aucun cas s’accommoder de telles restrictions, même si le trafic est beaucoup plus dense qu’aujourd’hui ?
En outre, l’impossibilité de déterminer à l’avance l’angle de montée – qui dépend du poids de l’appareil, du vent et de la température – apporte une complication supplémentaire.
Certes, l’avion de transport supersonique franchit la première étape de son vol ascensionnel à vitesse subsonique et dispose donc d’une réserve de puissance assez importante pour maintenir constant son taux de montée. Cependant cette procédure peut représenter des difficultés d’un tout autre genre. D’autre part, pendant cette phase du vol, certains écarts latéraux occasionnels pour éviter par exemple des secteurs de mauvais temps ou pour pallier les inconvénients du bang transsonique semblent inévitables.
Sans doute le contrôle de la circulation aérienne se trouverait facilité si l’on utilisait des systèmes de navigation à couverture de zone et à présentation panoramique permettant, en liaison avec des calculateurs électroniques, une exploitation complète et permanente de l’espace aérien. Mais comme l’une et l’autre de ces
aides à la navigation ne semblent pouvoir être disponibles en temps utile, il faudra sans doute trouver un compromis entre la solution idéale et la solution effectivement possible. C’est aux compagnies exploitantes de déterminer quelles restrictions d’exploitation auront l’effet le plus défavorable sur la consommation de carburant : celles imposées lors de la montée au cap ou celles résultant de la nécessité d’exécuter au moins la dernière partie de la montée au-dessus d’un point déterminé avant de prendre le cap.
Du reste, les problèmes de navigation ne seront guère différents de ceux qui se posent aujourd’hui. Il s’agira toujours, avant tout, de ne pas s’écarter de la route à suivre, de surveiller l’écoulement du temps et la consommation de carburant et de transmettre régulièrement les informations correspondantes aux services de contrôle de la circulation aérienne.
Au-dessus de la terre ferme, les aides à la navigation classique suffiront sans doute à résoudre ces problèmes. D’autre part, il importe d’assurer une meilleure utilisation de l’espace aérien dans les zones à grande densité de trafic, ce qui n’est possible qu’avec les équipements au sol permettant la couverture de zone. Au-dessus des régions peu survolées, les systèmes VOR et DME complétés par une aide à la navigation autonome comme par exemple un Doppler ou un système de contrôle d’approche seront sans doute largement suffisants pour assumer toutes les tâches. Mais dans les zones à forte densité de trafic il faudra exiger une plus grande précision des systèmes VOR et DME. Aux altitudes de croisière qu’emprunteront les appareils supersoniques, le cône d’incertitude de la source de rayonnement aura un diamètre bien plus important qu’aux niveaux de vol actuels ; on ne pourra donc utiliser la station comme point de contrôle de la circulation aérienne ni comme base de recalage d’un équipement de bord Doppler ou d’un système de navigation par inertie. Les indications du DME seront, à ces altitudes, entachées d’une erreur plus importante qu’il faudra éliminer. Les systèmes de navigation Doppler ou par inertie qui seraient recalés sur la base de ses informations fausses traîneraient ces erreurs jusqu’au point de contrôle suivant. De même, les points de contrôle et les points tournants qui balisent les routes actuelles, seraient trop nombreux pour les voies à grande circulation du domaine supersonique, car le temps de vol entre deux points successifs se réduirait à la moitié ou même au tiers des temps actuels. D’autre part, l’altitude très élevée engendrerait le danger d’interférences entre les signaux émis par les diverses stations. Afin de rendre possible des procédures de croisière en montée ne surmenant ni les pilotes ni les contrôleurs de la circulation aérienne, il sera peut-être nécessaire de mettre sur pied un système de routes aériennes parallèles.
Ci-dessous : Notre graphique montre les erreurs d’altitude qui résultent des informations VOR et DME pour un vol de croisière constamment en montée dans un couloir aérien incliné de 6°. La distance séparant l’avion des deux stations est supposée égale à 30 miles marins et l’on admet que la mesure des altitudes est exempte d’erreur. A – Vue en plan ; B – Vue en profil ; C – Erreur due au VOR ; D- Erreur due au DME ; E – Erreur d’altitude maximale 185 pieds (56,40 mètres) ; F – Erreur d’altitude 1005 pieds (306 mètres)

Pour ce qui concerne maintenant la navigation transocéanique, on devra s’appuyer sur les aides existantes comme les équipements Doppler ou les systèmes de navigation par inertie, voire sur une combinaison des deux. Les renseignements fournis par ces systèmes pourraient être complétés par des données “Loran”, des données “Consul” et par des relèvements astronomiques. Toutefois, l’utilisation exclusive de ces méthodes ne saurait suffire à la navigation à Mach 2,2 et encore moins pour le vol à Mach 3. Car un vol de croisière en montée constante exige, aux vitesses supersoniques, le respect absolu de la route fixée par le plan de vol et la détermination exacte du point où doit commencer la descente.
Les procédures de navigation actuellement pratiquées reposent sur les opérations fondamentales ci-après : toutes les demi-heures, contrôle du cap vrai et détermination de la position ; une fois par heure au minimum, calcul du vecteur vent, vérification de la consommation de carburant, recalage du calculateur Doppler, message de position et compte-rendu météorologique. Pour les appareils actuellement en service, ces procédures sont jugées satisfaisantes. Or, le seront-elles encore pour la navigation à des vitesses plusieurs fois supérieures ? On peut se poser la question à juste titre car aujourd’hui ce rythme permet de déterminer la position tous les 200 ou 300 miles (de 300 à 500 kilomètres environ) alors qu’aux vitesses supersoniques, il faudra compter 650 à 700 miles (390 à 1120 kilomètres) ou même 850 à 900 miles (1360 à 1440 kilomètres). Et comme un système de navigation Doppler, en supposant exacte la référence du cap, ne peut donner la distance parcourue qu’à trois pour cent près, le cercle d’incertitude aura un rayon de 20 à 30 miles (32 à 48 kilomètres). De ce point de vue, il faut reconnaître aux systèmes de navigation par inertie le mérite que leur précision est une fonction décroissante du temps et non de la distance, mais leur utilisation présente elle aussi quelques inconvénients. Une solution acceptable pour le vol supersonique se trouve probablement dans un système mixte qui réunirait les avantages des deux méthodes. Bien entendu, cela n’empêche pas qu’une installation terrestre de couverture de zone avec présentation panoramique constitue la base idéale pour un système de navigation.
Ci-dessous : A la surface isobarique de 300 mb représentée ici sont superposées les routes aériennes (dans les deux sens) correspondant au temps de vol minimal des appareils supersoniques et subsoniques sur l’Atlantique Nord. Les “jet streams” sont représentés par des flèches. A – Route orthodromique (grand cercle) ; B – Route vraie d’un courrier supersonique pour un temps de vol minimal ; C – Route vraie d’un avion de ligne pour un temps de vol minimal.

3 – Les problèmes d’espacement.

Comme les aides à la navigation utilisées actuellement pour la traversée de l’Atlantique-Nord sont considérées comme insuffisantes pour fournir avec précision et à tout instant les données de navigation nécessaires à chaque appareil, il est indispensable de tenir compte des erreurs possibles dans l’espacement, ce qui entraîne nécessairement un gaspillage de l’espace aérien. Donnons un exemple : pendant les pointes de trafic que l’on rencontre à certaines périodes de l’année, plus de 50% des appareils ne peuvent obtenir la route ou l’altitude qu’ils demandent. Peut-on admettre qu’il en soit ainsi pour un avion de transport supersonique obligé d’effectuer son vol de croisière en montée et se trouvant dans un trafic largement dense ? On a déjà proposé de fixer l’espacement minima des appareils supersoniques à 50 miles marins seulement (90 kilomètres environ) entre les routes aériennes et à 10 minutes de vol sur une même route. En tout cas, il est certain qu’en l’absence d’une telle réglementation, les appareils devront attendre au sol jusqu’à ce que la route demandée soit libre, car une autorisation de départ sous toutes réserves est incompatible avec la consommation de carburant d’un appareil supersonique.

4 – Les messages de position.

Dans les zones à forte densité de trafic, il arrive quelquefois que les pilotes d’appareils à réaction soient tenus d’assurer environ 40 à 50 liaisons radiophoniques par heure. Il s’agit maintenant de savoir si une réduction du nombre de compte-rendu, au cours d’un vol supersonique, entraînerait nécessairement une diminution de la sécurité. Et de quelles autres données le contrôleur de la circulation aérienne disposera-t-il pour avoir une image précise du trafic transocéanique ?

Dans certains cas il peut arriver que le pilote se trouve obligé, au cours du voyage, de modifier son plan de vol. Pour obtenir l’autorisation nécessaire, il doit entrer immédiatement en liaison avec le contrôleur de la circulation aérienne. A une vitesse largement supérieure à celle du son, tout retard, voire le temps nécessaire à l’établissement de la liaison et à la transmission des informations par l’intermédiaire des installations existantes, peut se traduire par un danger pour l’appareil ou rendre superflue la demande. Existe-t-il des systèmes de transmission appropriés et, en admettant que cela soit le cas, le contrôleur a-t-il à sa disposition les installations lui permettant d’apprécier la situation pour donner une réponse immédiate ?

5 – La procédure de descente et le passage au vol subsonique.

Au cours de la descente, le pilote a le devoir d’exécuter sa procédure dans les conditions optimales qui découlent des impératifs de rentabilité, de sécurité et de confort pour le passager. De son côté, le contrôleur est très occupé à faire passer l’appareil dans le flot de circulation de l’espace aérien inférieur. Une autorisation qui se fait attendre une minute de trop amène l’appareil à 25 miles (40 kilomètres) ou davantage de son point normal de descente. En outre, pour effectuer une descente optimale, le pilote à besoin d’aides à la navigation très précises pour le guidage en direction et le contrôle de la vitesse, car la moindre déviation peut présenter de graves inconvénients pour l’équipage comme pour le personnel au sol.

6 – Responsabilités des exploitants et des autorités.

Certaines questions ont une importance décisive, en particulier l’attitude que prendront les exploitants vis-à-vis des frais résultant des équipements de bord supplémentaires ou de la nécessité d’augmenter d’une unité l’effectif de l’équipage. En effet, cela ne revient pas à un investissement unique, car il faut tenir compte aussi des pénalisations de poids et d’encombrement, des frais d’entretien et des retards qui peuvent résulter d’équipements de bord défectueux.
Les problèmes liés au transport aérien supersonique que nous avons évoqués ici sont, bien sûr, déjà familiers aux autorités aéronautiques compétentes. Rappelons cependant que le programme élaboré peu après la deuxième guerre mondiale en vue de l’installation d’aides à la navigation reste inachevé dans de nombreux pays dont certains comptent même au nombre des pays riches et techniquement évolués. De nombreux pilotes affectés aux lignes continentales un peu partout dans le monde se plaigne de l’infrastructure insuffisante qu’ils rencontrent en maintes occasions. On peut donc se demander à juste raison combien de temps il faudra pour que soient assurées partout la rentabilité et la sécurité du transport aérien supersonique. En effet, on ne voit pas encore comment on résoudra d’une façon entièrement satisfaisante les problèmes que posent à elles seules, les lignes de l’Atlantique-Nord et personne n’osera prétendre que le trafic supersonique se limitera à ce secteur.