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Catégorie : Technique de vol Technique de vol
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Définition

Un frein est un dispositif permettant de ralentir ou d’arrêter le mouvement d’une machine ou d’un véhicule, ou de l’empêcher de se remettre en mouvement.

Description générale

Les freins des avions, pour les avions terrestres, sont presque exclusivement situés sur les roues principales bien qu’il y ait eu quelques avions au cours des années qui ont également eu des freins de la roue avant. Le fonctionnement des freins a évolué d’un levier unique appliquant tous les freins symétriquement, à des pédales actionnées par le talon, à des commandes de freins actionnées par les orteils incorporées dans les pédales de direction. Avec les commandes actionnées au pied est venue la capacité d’appliquer les freins gauche ou droit indépendamment permettant l’utilisation du freinage différentiel pour diriger l’avion pendant les opérations au sol et pour maintenir le contrôle directionnel pendant la partie du décollage ou de la course d’atterrissage lorsque la vitesse est trop faible pour que les contrôles aérodynamiques soient efficaces.

Dans les premiers avions, la transmission de l’entrée de commande de frein au dispositif de freinage était mécanique – le plus souvent par des câbles. Cette méthode était inefficace et ne pouvait être utilisée efficacement que dans les petits avions. La solution a été de développer des freins à commande hydraulique et cela reste la norme sur la grande majorité des avions volant aujourd’hui. Dans les petits avions, le système peut être alimenté par un maître-cylindre et ne nécessite pas de pompes hydrauliques. Dans les avions plus grands, des pompes sont nécessaires pour fournir la pression et le volume de fluide hydraulique requis. Dans la quête continue de développer des avions plus légers et plus efficaces, les freins activés électriquement commencent à entrer en service sur certains des avions de passagers de dernière génération.

Conception du système de freinage

Les premiers avions avaient un seul système de freinage sans sauvegarde ni redondance. Cela a été considéré comme peu pratique par les opérateurs et inacceptable par les autorités de réglementation, de sorte que les fabricants ont rapidement intégré des systèmes de freinage plus robustes dans leurs conceptions. Certaines des solutions antérieures ne faisaient que pallier la perte de la pompe hydraulique primaire et incorporaient des pompes manuelles ou des pompes hydrauliques à entraînement électrique pour fournir une autre source de pression hydraulique. Ces solutions ne tenaient pas compte des défaillances dues à la perte de fluide et étaient jugées inadéquates. Pour remédier à cette situation, certains fabricants, comme Convair, ont intégré un système à air comprimé dans leurs conceptions pour le freinage d’urgence. Bien que ce système ait répondu à l’exigence de fournir un moyen indépendant d’activer les freins, il était limité en ce qu’il ne permettait pas le freinage différentiel et en ce que le réservoir contenait une quantité limitée d’air comprimé. Aujourd’hui, la redondance du freinage dans la plupart des gros avions de passagers est assurée par des systèmes hydrauliques multiples et indépendants, soutenus par des accumulateurs. Ces systèmes permettent plusieurs couches de défaillance sans entraîner une perte totale de la capacité de freinage.

Assemblage des freins du train principal du 737NG

Assemblage des freins sur un train principal du 737NG

Freins en fibre de carbone

Les freins eux-mêmes ont également évolué au fil des ans. Les freins de type tambour étaient encore répandus sur de nombreux avions conçus et construits dans les années 1940. Les freins à tambour inefficaces ont laissé la place aux freins à disque, initialement à rotors simples et maintenant plus couramment à rotors multiples. Les rotors sont le plus souvent en fer ou en acier mais, au cours des 20 dernières années, de plus en plus d’avions ont été équipés de freins en fibre de carbone. Les raisons de cette évolution sont multiples, mais les deux plus impérieuses sont la réduction du poids et l’efficacité. L’efficacité est particulièrement critique, car plus les avions sont gros et plus leur poids augmente, plus les freins doivent être capables de dissiper d’énergie. L’énergie cinétique d’un décollage ou d’un atterrissage interrompu est largement convertie en chaleur par les freins des roues. Les freins en carbone sont encore pleinement fonctionnels et conservent la capacité d’absorber l’énergie et de ralentir l’avion à et bien au-delà des températures auxquelles les freins en acier ont perdu leur efficacité et ont commencé à « s’estomper ».

Certification

C’est une exigence de certification que le système de freinage d’un avion a la capacité d’arrêter un avion à la masse maximale certifiée au décollage avec le rejet initié à la vitesse de décision. Le processus de certification doit être effectué avec tous les freins usés jusqu’à près de leur limite de service (10% de durée de vie restante nominalement) et le puits de chaleur des freins et des roues doit être suffisamment robuste pour qu’aucune intervention en termes de lutte contre les incendies ou de refroidissement artificiel ne soit nécessaire pendant 5 minutes après l’arrêt de l’avion. L’utilisation des spoilers au sol et du freinage anti-dérapage maximal est utilisée pendant l’essai de certification ; cependant, la poussée inverse sur les moteurs ou les hélices n’est pas autorisée.

Améliorations du système de freinage

L’anti-dérapage, l’auto-freinage, les indicateurs de température des freins et les ventilateurs de freinage sont tous des systèmes qui améliorent les performances des freins de l’avion.

Système antidérapant

Le système antidérapant, par le biais de divers mécanismes, compare la vitesse de l’avion avec la vitesse de rotation de chaque roue principale. Si la vitesse d’une roue est trop faible par rapport à la vitesse existante de l’avion, le frein de cette roue (ou de ces roues) est relâché momentanément pour permettre à la vitesse de la roue d’augmenter et empêcher la roue de déraper. Le système est entièrement automatique et est actif immédiatement après le patinage initial des roues à l’atterrissage (pendant lequel l’activation des freins peut (ou non) être inhibée) jusqu’à une vitesse minimale limitée par la conception, généralement environ 15 nœuds. Les systèmes antidérapage sont conçus pour minimiser l’aquaplanage et les dommages potentiels aux pneus qui peuvent se produire lorsqu’une roue est bloquée ou tourne à une vitesse qui ne correspond pas à la vitesse de l’avion. L’antidérapage élimine la possibilité de dérapages en caoutchouc inversé causés par des roues bloquées. Un système d’antidérapage améliore aussi considérablement la distance d’arrêt sur des surfaces de qualité inférieure comme le gravier ou l’herbe et est particulièrement efficace sur des surfaces contaminées par des contaminants gelés comme la glace ou la neige fondue en assurant un freinage efficace maximal.

Systèmes d’auto-freinage

Les systèmes d’auto-freinage peuvent être utilisés au décollage où ils fourniront un freinage maximal en cas de décollage refusé et à l’atterrissage où ils fourniront un taux de décélération programmé (dépendant du niveau d’auto-freinage sélectionné) en utilisant une seule application de frein. Ces caractéristiques se combinent pour optimiser l’utilisation des freins par rapport à l’exigence et pour minimiser l’usure des freins.

Indicateurs de température des freins

Les indicateurs de température des freins sont destinés à donner aux pilotes une indication de la température dans chaque ensemble de roues. Alors que chaque type d’avion aura ses propres limitations spécifiques pour des éléments tels que la température maximale indiquée pour initier le décollage, la comparaison des indications de température des freins peut donner une indication globale de la « santé » du système de freinage. Par exemple, des températures anormalement élevées ou basses sur une roue donnée peuvent indiquer le potentiel d’un frein qui traîne ou d’un frein inopérant respectivement. De même, l’augmentation de la température des freins après le décollage peut être le signe d’une défaillance du pneu qui a entraîné un incendie dans l’espace de roue.

Ventilateurs de frein

Les ventilateurs de frein réduisent les temps de refroidissement des freins en utilisant des ventilateurs électriques montés sur les roues pour souffler l’air ambiant sur les ensembles de frein et de roue. Notez que la température maximale recommandée pour le décollage, indiquée sur le tableau de bord, peut avoir une valeur différente selon que les ventilateurs de frein ont été utilisés ou non.

Frein de stationnement

Le frein de stationnement est généralement appliqué par sélection du levier à main. Des accumulateurs hydrauliques sont généralement nécessaires si la pression hydraulique doit rester suffisante pour maintenir les réglages du frein de stationnement pendant de longues périodes une fois que les moteurs ont été arrêtés et que la source principale de pression hydraulique n’est plus disponible. Sur certains types, la pression du frein de stationnement se purge avec le temps et les freins finissent par se desserrer.

Tous les aéronefs doivent être calés une fois stationnés afin d’éviter tout mouvement imprévu.

Effets

  • Freins surchauffés
    • Perte de performance de freinage
    • Encendrement
    • Dégonflement du pneu
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  • Défaillance des freins
    • Sorties de piste (bien que cette cause soit très peu fréquente)
    • Mouvements intempestifs mouvement au sol de l’aéronef

Facteurs contributifs

  • Les spatules et les carénages de jambes de train d’atterrissage (parfois montés sur les avions légers à train fixe) peuvent retarder le refroidissement des freins et agir comme des pièges pour les matériaux qui peuvent alors constituer une source d’allumage pour les incendies.
  • Les rapports de pilotes sur l’acton de freinage d’avions ayant déjà atterri doivent être traités avec prudence, surtout s’ils ne sont pas chronométrés. Tous ces rapports sont subjectifs et peuvent souvent être peu fiables, surtout s’ils sont donnés pour des atterrissages avec le frein automatique réglé et la poussée inverse utilisée. Ceci est particulièrement vrai si l’aéronef précédent est d’un type différent de celui que vous pilotez.

Défenses

  • Pendant le pré-vol de l’aéronef, assurez-vous que les pneus sont correctement gonflés, qu’il n’y a aucune preuve de fuites hydrauliques sur les conduites ou les raccords de frein et que les indicateurs d’usure des freins montrent que les freins sont utilisables.
  • Lors du roulage initial, vérifiez les freins pour vous assurer de leur bon fonctionnement.
  • Minimisez la nécessité de serrer les freins pendant les opérations au sol en ajustant les réglages de puissance lorsque cela est possible, y compris l’utilisation de l’inversion de poussée / de l’inversion de pas si cela est autorisé par le manuel de vol de l’avion. Pendant les opérations au sol, utilisez la technique de freinage appropriée pour le type de freins installés, car les techniques recommandées pour les freins en acier et en carbone ne sont pas les mêmes. Pour le décollage, utilisez le réglage de l’auto-frein recommandé par le constructeur si des auto-freins sont installés. Pour l’atterrissage, utilisez l’auto-frein à un réglage approprié lorsqu’il est disponible.
  • Si un freinage intensif devient nécessaire, surveillez les températures ultérieures des freins si possible et assurez-vous qu’une période de refroidissement adéquate suit. Utilisez des ventilateurs de frein s’ils sont disponibles. Si les indicateurs de température des freins ne sont pas disponibles, utilisez les tableaux de refroidissement des freins du fabricant pour déterminer le temps de sol minimum. Dans le cas contraire, les performances de freinage ultérieures peuvent être dégradées et une surchauffe ou un dégonflement des pneus peut se produire.
  • Laisser le rapport abaissé plus longtemps que d’habitude si une surchauffe est suspectée après le décollage, à condition que les performances de montée ne soient pas ainsi affectées au point de compromettre la sécurité du terrain ou le respect des autorisations ATC.
  • Comprendre le fonctionnement du système de freinage. Comprenez les implications des défaillances de l’un des systèmes associés, y compris les systèmes hydrauliques, l’antidérapage et les freins automatiques, et connaissez les procédures appropriées pour opérer dans une configuration dégradée.
  • Restez attentif aux mouvements inattendus de l’avion au sol, en particulier juste après avoir serré le frein de stationnement ou juste après l’avoir relâché une fois les cales mises en place. Ne soyez pas trop absorbé à l’intérieur du poste de pilotage jusqu’à ce que vous soyez convaincu que l’avion ne va pas bouger.

Solutions

  • Si l’on considère ou soupçonne que les freins (et donc les pneus adjacents) peuvent être excessivement chauds après le décollage, alors les précautions suivantes peuvent être prudentes afin de laisser aux composants le temps de refroidir :
    • Laisser le train d’atterrissage abaissé pendant une période prolongée après le décollage en ayant pris en compte tout effet que cela aura sur les performances de montée.
    • Si cela est possible, éviter d’effectuer un atterrissage très peu de temps après le décollage.
    • Suivre les limitations de l’AFM pour les périodes minimales de refroidissement au sol après un freinage important. Cela s’appliquerait particulièrement après un décollage refusé à grande vitesse.
  • Toujours se demander si les incidents de freinage à chaud doivent être assistés par des équipes de pompiers.
  • Confinez tous les freinages significatifs aux moments où l’avion se déplace en ligne droite pour éviter le stress des pneus et l’usure excessive
  • Assurez-vous que les freins ne sont jamais appliqués contre la poussée ou la puissance avant pendant que l’avion se déplace. Évitez les réglages de puissance élevée contre les freins lorsque l’aéronef est arrêté, à moins d’effectuer les vérifications ou les procédures requises, comme un point fixe du moteur.
  • Ne pas « chevaucher » par inadvertance les freins de pied pendant le roulage

Accidents et incidents

  • SW4, Mirabel Montréal Canada, 1998 : incendie dans le logement de train, causé par une surchauffe des freins, qui s’est développé jusqu’à la rupture de l’aile gauche rendant l’avion incontrôlable.
  • Extrait du bulletin du BEAA n°. 1/2007 : incident concernant un A320 qui a subi une défaillance hydraulique et est ensuite entré en collision avec un pont aérien parce que l’équipage n’a pas apprécié les implications de la défaillance sur le système de freinage.
  • Extrait du bulletin n° du BEAA. 2/2005 : incident concernant la défaillance du système de freinage d’un avion à l’atterrissage.
  • Extrait du bulletin AAIB n° 1/2007 : incident d’incendie de freins impliquant un Robin R1180T.
  • Problèmes de freins : Guidance for Controllers
  • Hydraulic Fluid as a Fire Source
  • Tyres

Further Reading

Flight Safety Foundation

  • ALAR BN 8.4 : Braking Devices
  • ALAR BN 8.5 : Pistes mouillées ou contaminées
  • Note d’information de l’initiative de sécurité des pistes : Rapports d’action de freinage des pilotes
  • Note d’information de l’initiative de sécurité des pistes : Rapports sur l’état des pistes

Autres

  • Une enquête sur l’influence de l’usure de la bande de roulement des avions sur le freinage sur piste mouillée, T. Leland et G. Taylor, NASA, 1965

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