Livre de L. Baudillon et Luc Léonardi  - Mirage III S

Du mystère du plafond de propulsion ou des surprises de la mécanique du vol expérimentale

par Fernand Carrel, ancien Cdt des Forces aériennes

Histoires de champs d'azur et d'étoiles

Commençons par une petite leçon de mécanique du vol pour élèves moyennement doués et parlons de la stabilité longitudinale d'un avion. On distingue entre stabilité statique et stabilité dynamique.

Partons d'un vol horizontal équilibré et soumettons-le à une courte perturbation, qui peut être provoquée par une impulsion du pilote sur le manche ou par un remous, par exemple. On dit que l'avion est statiquement stable s'il revient de lui-même à son état d'équilibre; c'est comme une bille au fond d'une coupelle. S'il ne revient pas à son état d'équilibre mais s'éloigne de sa trajectoire initiale, on dit qu'il est statiquement instable; c'est comme une bille posée sur le sommet de la coupelle inversée qu'on aurait poussée d'une pichenette. Si l'avion bouge sous l'effet de la perturbation sans montrer de tendance à revenir à son état initial ni à en diverger, on dit qu'il est statiquement indifférent, comme la bille qu'on aurait légèrement  déplacée sur un fond plat. La stabilité dynamique caractérise la façon dont l'avion revient à son état d'équilibre ou dont il en diverge. Si l'avion revient ou diverge d'un coup, on parle de mouvement apériodique. S'il revient ou diverge par oscillation, on parle  de mouvement périodique. S'il s'agit d'une oscillation à longue période, respectivement si la durée entre ses phases dépasse 20 secondes, on parle de phugoïde, ce qui est le plus souvent le cas.

La stabilité d'un avion est liée à la position du centre de poussée (point d'application fictif de la résultante des forces aérodynamiques) par rapport au centre de gravité. Plus ce centre de poussée est en avant du centre de gravité, plus l'avion est stable, mais aussi plus grands sont les efforts pour le manœuvrer. Si le centre de poussée passe en arrière du centre de gravité, l'avion est systématiquement instable.

Un avion à commandes conventionnelles statiquement et/ou dynamiquement instable est très dangereux et doit être considéré comme non pilotable. Le temps de réaction du cerveau humain, même le plus évolué, ne permet pas de garder le contrôle d'un tel appareil. Au contraire, toute intervention du pilote ne fait qu'aggraver la situation parce qu'elle arrive systématiquement à contre sens et provoque le phénomène de PIO (Pilot Induced Oscillation) ou, en bon français, de pompage piloté, qui, à basse altitude, finit presque toujours en catastrophe.

Le problème est que plus un avion est stable, moins il est agile. Un des grands progrès apporté par les commandes électriques réside dans le fait que leur ordinateur permet de corriger à temps les plus infimes digressions d'un appareil instable. C'est la raison pour laquelle pratiquement tous les avions de combat disposant de commandes électriques sont conçus de façon à être statiquement instables, à divers degrés: fortement pour un F-16, modestement pour un Mirage 2000 ou un F/A-18, par exemple. Cela explique pourquoi ces appareils disposent d'une manœuvrabilité très supérieure à celle de leurs prédécesseurs à commandes de vol conventionnelles. Seule exception à ma connaissance: le MiG-29, grâce à une aérodynamique exceptionnelle.

Mais, revers de la médaille, comme une panne totale des commandes électriques peut entraîner la perte de l'avion, le système doit être parfaitement redondant, le minimum requis étant qu'il soit en triplex.

Il n'y avait pas de raison de douter de la stabilité positive de nos Mirage III S/RS/BS/DS; s'ils avaient été instables, ils n'auraient jamais rempli les conditions de certification. La vérification de leurs  caractéristiques de stabilité ne faisait donc pas partie des missions de mon Equipe d'Expérimentation Aérienne (EEA). Mais à l'époque, dans les années 70-80, j'enseignais la mécanique du vol dans nos écoles de pilotes et dans les cours de transition sur Mirage. Le chapitre de la stabilité était le seul pour lequel je n'avais pas de connaissance par la pratique expérimentale. Un beau jour, je décide d'y aller voir.

Avec mon Mirage d'essais J-2301, je monte à 11'000 mètres, stabilise l'avion en vol horizontal à Mach 0.9, l'équilibre avec le trim de profondeur pour avoir un manche neutre puis donne une courte impulsion à cabrer sur le manche, le relâche immédiatement en le retenant entre mes genoux pour éviter tout mouvement latéral…et j'attends de voir ce qui va se passer! Et ça part, d'abord en montant, dans une belle oscillation de forte amplitude initiale, qui s'amortit au bout de cinq cycles: une parfaite phugoïde. Mais quand je consulte mon altimètre, oh! stupeur: il marque 13'000 mètres! Je suis monté de 2'000 mètres sans le vouloir. La phugoïde s'est amortie sur un axe ascendant. Le problème, c'est que le Mirage, dans sa configuration avec deux bidons supersoniques de 500 litres (la plus habituelle avant le programme d'amélioration KAWEST 85) n'arrive guère à dépasser 12'000 mètres en vol de montée stabilisé à Mach 0.9 avec PG sec (pleins gaz sans postcombustion). Et je ne suis même pas à pleins gaz! Le moins que je puisse dire c'est que je suis vraiment étonné. Je recommence la manœuvre trois fois, avec exactement le même résultat. Il y a là quelque chose qui me dépasse.

Après mon retour, je m'interroge sérieusement sur ce comportement mystérieux et n'y trouve pas de réponse, ce qui énerve fortement l'ingénieur qui sommeille en moi. Pour être sûr de ne pas avoir rêvé, je renouvelle ce vol à deux ou trois reprises, toujours avec le même résultat. D'ailleurs le dépouillement de la bande de l'enregistreur de paramètres embarqué HB A-1322 confirme à chaque fois le phénomène. J'en parle à mon ami Jean-Marie Saget, chef-pilote d'essais chez Dassault, qui se dit étonné sans se montrer trop intéressé. Je n'ose pas insister, car après mes questions sur la sortie des aérofreins à Mach 2, j'ai un peu peur de passer pour un farfelu! La clé de ce mystère me taraude pendant des années…jusqu'au jour où la lumière éclate! Mais bien sûr; Mach 0.9 à 11'000 mètres correspond à une vitesse indiquée de 560 km/h, ce qui implique un angle d'incidence déjà prononcé et par conséquent, un certain braquage à cabrer des élevons. Dans la phugoïde, avec le manche libre en profondeur, les élevons se mettent au neutre et la trainée de l'avion diminue d'autant. Le rapport trainée/poussée est donc légèrement amélioré ce qui permet ce gain d'altitude au-dessus du plafond de propulsion  à PG sec normal.

Bon, l'intérêt de cette affaire est purement académique, car je ne vois pas le pilote en opération se mettre en phugoïde pour gagner 1000 à 2000 mètres d'altitude; il va plutôt enclencher sa postcombustion! Mais c'est un exercice aussi intéressant qu'insolite et je l'ai mis au programme de formation des pilotes en stage auprès de mon Equipe d'expérimentation.

Mirage III S - Fernand Carrel
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