MCAS

Pour répondre à des interrogations concernant le système MCAS, voici quelques éléments complémentaires, simplifiés pour être compréhensibles, et sans rentrer trop dans les détails.

Court sur pattes

Une des modifications majeures apportées aux Boeing 737MAX (737-8 et 737-9) par rapport aux modèles Next Generation (737-600/700/800/900) est l’installation d’une nouvelle motorisation.

Sur les modèles NG, les moteurs étaient des CFM-56-7B, produits par l’alliance CFM (Safran et General Electrics), et dont le diamètre de la soufflante était de 1,55m.

Sur les nouveaux modèles MAX, les moteurs sont des Leap-1B, toujours produits par CFM, mais dont le diamètre de soufflante est de 1,75m.

Les moteurs de dernière génération on en effet tendance à avoir des diamètres de soufflante de plus en plus grand, pour des questions de rendement (taux de dilution plus élevé) et d’impact sonore. Le Leap-1B n’échape pas à la règle.

Le Boeing 737 a été conçu dans les années 60. Et si il a connu depuis lors de nombreuses modifications majeures (nouvelles motorisations, nouvelles avioniques, nouvelles commandes de vol…), le design général de la structure reste le même. Et l’une de ses particularités morphologiques est d’être « court sur pattes ». En clair, la garde au sol de cet appareil est relativement faible. Depuis toujours les carénages des moteurs ont eu tendance à être relativement proche du sol. Pour preuve, voici l’évolution des marges sous les moteurs, à la masse maximale au décollage :

B737-100/200 : 0,51m

B737-300/400/500/600/700 : 0,46m

B737-800/900 : 0,48m

B737MAX : 0,43m

Dans l’histoire les trains d’atterrissage ont été modifiés pour permettre un petit gain de garde au sol, mais les carénages des moteurs ont également subi quelques modifications : c’est ce qui explique cette forme applatie sous les moteurs, que l’on ne retrouve par exemple pas sur les CFM56 installés sur Airbus A320.

Sur les modèles NG, la garde au sol sous les moteurs était de 48cm. On voit que pour faire passer un moteur ayant un diamètre supérieur de 20cm, une modification des nacelles (carénages) n’était vraiment pas suffisante.

Pour cette raison, Boeing a modifié le mat réacteur (pièce qui maintient le moteur sous l’aile), afin de placer le moteur un peu plus en avant et un peu plus haut.

Ce nouveau positionnement, conjugué à une roulette de nez (train d’atterrissage avant) réhaussée, lui a permis de faire rentrer le Leap-1B tout en conservant une marge de 43cm par rapport au sol.

Or le design de la nacelle du Leap-1B et son postionnement ont tendance à générer une portance induite à de forts angles d’attaque. Cette portance additionnelle va avoir pour effet de faire basculer l’avion en arrière autour de son centre de gravité, augmentant encore plus son angle d’attaque.

Pour contrer cette tendance, l’avionneur américain a installé sur le 737MAX une fonction qui n’existe pas sur ses modèles précédents, et dont le but est de compenser ce couple cabreur en modifiant la position du trim du stabilisateur horizontal (STAB TRIM). Le fait d’ajouter une telle fonction n’est pas exceptionnel dans la conception des avions. De nombreux systèmes de ce genre existent depuis longtemps, par exemple pour compenser des imperfections aérodynamiques dans certaines conditions de vol (yaw damper, speed trim system par exemple pour rester sur le Boeing 737).

IMG_5910

MCAS : Manoeuvring Characteristics Augmentation System

Le MCAS va analyser certaines données issues de différents capteurs, puis transmettre des ordres pour que le vérin du trim soit actionné afin de faire piquer le nez de l’avion et ainsi réduire son angle d’attaque. Le but final étant d’empêcher un décrochage.

Pour comprendre le fonctionnement du MCAS, regardons d’abord succinctement comment fonctionne le système de pilotage du Boeing 737, en particulier le DFCS (Digital Flight Control System) (également appelé AFDS (Autopilot and Flight Director System)).

Ce système gère notamment le pilotage automatique du 737 (A/P), le flight director (F/D) mais également d’autres fonctions comme la surveillance d’altitude ou la gestion automatique du trim de l’horizontal stabilizer (STAB TRIM).

Le DFCS est composé d’un certain nombre de composants, parmi lesquels :

  • le MCP (Mode Control Panel) le panneau situé devant les pilotes et qui sert surtout à commander les pilotes automatiques
  • deux FCC (Flight Control Computer) : FCC A et FCC B

Les FCC sont des calculateurs qui reçoivent des données pour la plupart issues de capteurs, puis qui les analysent, et qui envoient ensuite des ordres aux commandes de vol du pilote automatique ou au moteur qui actionne le STAB TRIM (les FCC commandent également la gouverne de direction pour les approches faible visibilité CAT IIIB).

Un FCC reçoit entres autres les données suivantes :

  • position des volets
  • données d’altitude (radioaltimètre)
  • données issues de l’ADIRU (Air Data Inertial Reference Unit)
  • régime moteur
  • capteur qui indique si l’avion est au sol ou pas

L’ADIRU reçoit lui même des données issues des capteurs situés sur le côté du fuselage :

  • Une sonde de temperature (TAT)
  • Une sonde Angle of Attack (AOA ou Alpha vane)
  • Un tube pitot
  • 2 prises d’air statiques
Capture d’écran 2019-03-11 à 18.54.57
AOA ou Alpha vane (B737-800)

Chaque FCC est relié à un ADIRU : L ADIRU pour le FCC A (qui reçoit les données des capteurs situés côté gauche), et R ADIRU pour le FCC B (qui reçoit les données des capteurs situés côté droit).

Le B737 possède deux pilotes automatiques : A et B. Le FCC A est associé au pilote automatique A et au flight director (F/D) du commandant de bord, et le FCC B est associé au pilote automatique B et au F/D du copilote.

Lorsque le pilote automatique A est engagé, c’est le FCC A qui va donner des ordres aux commandes de vol. Lorsque le B est engagé, c’est le FCC B qui va donner les ordres. Et lorsque les deux pilotes automatiques sont engagés (en général pour les atterrissages faible visibilité), les deux FCC vont être sollicités.

Capture d’écran 2019-03-14 à 14.23.14

Les deux FCC (A et B) sont indépendants. Ils reçoivent chacun des données issues de capteurs indépendants, et donnent des ordres à des commandes de vol elles mêmes actionnées par des circuits hydrauliques ou électriques indépendants.

En mode pilote automatique engagé, le FCC concerné va recevoir les données de son ADIRU et de l’ADIRU opposé.

Par contre quand le pilote automatique est engagé en mode dual (A+B), si une erreur est détectée sur un des FCC celui-ci est désactivé.

Cette redondance permet d’assurer une sécurité en cas de défaillance d’un des composants ou en cas de données erronées issues de capteurs.

Lorsque le pilote automatique n’est pas engagé, les FCC ne vont pas chercher à vérifier les données issues de l’ADIRU opposé. Cela n’est pas forcément très grave car si le pilote automatique n’est pas engagé, les FCC ne servent pas beaucoup.

Capture d’écran 2019-03-14 à 14.28.26

Sauf que justement la fonction MCAS a été implantée dans les deux FCC.

D’après Boeing, les conditions d’engagement du mode MCAS sont les suivantes :

  • pilote automatique sur OFF
  • volets rentrés
  • AOA (angle d’attaque) élevé
  • Le pilote n’actionne pas manuellement le trim

Le MCAS ne fonctionne qu’avec le P/A sur OFF. Donc dans la situation où les FCC ne reçoivent pas des données issues de deux ADIRU indépendants. 

Sur le premier vol de la journée, si le MCAS est engagé, c’est tout d’abord le FCC A qui va assurer la transmission d’ordres au trim. Si ensuite l’avion se pose, et ne coupe pas son alimentation électrique (donc si les FCC sont toujours alimentés), le vol suivant c’est le FCC B qui sera chargé de piloter le STAB TRIM en cas d’engagement du MCAS. Et ainsi de suite jusqu’à la fin de la journée où l’alimentation électrique de l’avion sera coupée.

C’est pour cette raison que les FCC prennent l’information du capteur qui détecte la présence au sol de l’avion.

En cas de données erronées de la part d’un des capteurs (par exemple la sonde AOA), si le pilote automatique est engagé, le système va détecter un dysfonctionnement et prendre les données de la sonde opposée.

Si le pilote automatique n’est pas engagé, ce qui est le cas lorsque le MCAS est actif, la sonde défectueuse continuera de transmettre des données erronées au FCC qui ne saura pas que ces données sont fausses.

Si la panne provient de la sonde opposée (par exemple FCC A en service mais sonde AOA côté droit défectueuse), il n’y aura pas de problèmes pour l’équipage. Par contre sur le vol suivant cela pourrait être le cas.

Untitled 2

Le FCC actif commande ensuite le mouvement du STAB TRIM.

C’est entre le FCC et le trim que se trouve la commande STAB TRIM CUT OUT qui doit être actionnée par l’équipage en cas de problème avec le système MCAS (procédure publiée par Boeing en novembre 2018 suite à l’accident du Lion Air).

aoa-bulletin

Capture d’écran 2019-03-11 à 18.35.41

Exemple du Lion Air

Sur les données de vol du Lion Air, on peut voir les conditions d’activation du MCAS ennoncées précédemment :

Report-fatal-parameters1

Les deux pilotes automatiques sont sur OFF tout le long du vol.

En (1), les volets sont rentrés. A partir de (2), le STAB TRIM commence à bouger par inputs environ toutes les 10 secondes. En (3) l’équipage ressort des volets. Les inputs du STAB TRIM s’arrêtent.

En (4), les volets sont à nouveau rentrés. Les inputs reprennent en (5), sans discontinuer.

En fait la sonde AOA gauche envoie des données erronées au FCC A, via le L ADIRU, avec environ 20° d’erreur (on peut en déduire qu’il s’agit du premier vol de la journée, ou du 3ème, ou du 5ème).

Le MCAS pense que l’avion évolue avec une incidence trop élevée. Il ordonne donc au STAB TRIM de faire piquer le nez de l’avion. Et cet ordre est répété tant que les fausses données AOA sont transmises au FCC.

La sonde AOA concernée avait été changée la veille.

9 commentaires Ajouter un commentaire

  1. 06ril dit :

    Très intéressant cet article ! Pas facile d’expliquer et comprendre comment ces différents systèmes fonctionnent … et c’est réussi avec ces explications . Merci

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  2. JCL dit :

    C’est pas contraire aux principes de base des architectures redondantes (e.g. fautes byzantines) d’avoir des circuits seulement doublés qui ont le contrôle de la trajectoire? J’avais entendu dire que les systèmes spatiaux complètement automatiques tels l’ATV ou la navette spatiale étaient quadruplés et qu’en aéronautique, une norme imposait au moins des chaînes fonctionnelles tripliquées.

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  3. Fred dit :

    Merci pour ces explications

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    1. Rémy dit :

      Bonjour,
      Merci beaucoup pour ces explications détaillées et très intéressante.
      Par contre, je ne comprends pas pourquoi sur l’enregistrement entre 23h25 et 23h30 alors que le problème est apparent l’avion ne perd quasiment pas d’altitude et qu’à partir de 23h30 le pitch trim part au taquet et l’avion perd son altitude et va au tapis ?
      Cordialement,

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      1. lustublog dit :

        Salut, visiblement sur ce laps de temps l’équipage se « bat » avec le MCAS en utilisant le trim manuel (on voit les compensations au fur et à mesure). Jusqu’au moment où cela ne suffit plus.

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  4. Fred dit :

    Merci pour ce topo !

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  5. Bertrand de LASSUS dit :

    Bonjour à vous.
    Merci pour votre article extrêmement clair. Une question demeure : comment désactive-t-on le MCAS ?
    Sur Youtube, on voit ex-pilote Air France dire qu’il suffit d’appuyer sur un bouton, et par ailleurs une personne en voiture, assez convaincante, dit qu’il faut couper l’alimentation du moteur de commande de trim, déconnecter le bras de commande, puis trimer à la main ce qui demande pas mal d’effort.

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    1. lustublog dit :

      Bonjour, pour désactiver, la procédure Boeing est d’actionner les trim cut out switches (en photo dans l’article). Cela deconnecte le moteur et la vis sans fin qui fait bouger le trim. Du coup les pilotes doivent ensuite utiliser la commande de trim manuelle pour ramener le trim dans une position plus « neutre ».

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  6. Bertrand de LASSUS dit :

    Auquel cas, la procédure est simple ! Et la formation des pilotes manifestement insuffisante.
    Cela écrit, Boeing a péché en minimisant ce besoin de formation, et n’a par ailleurs pas la culture d’Airbus dans les automatisations de préservation du domaine de vol, et Airbus n’a pas non plus échappé à quelques déboires à ses débuts…
    Une autre question si vous le voulez bien.
    Sur les Max, l’axe des réacteurs est plutôt plus haut que sur les NG, et par conséquent la poussée plus proche de la ligne longitudinale passant par le centre de gravité de l’avion. Sauf erreur de ma part, le couple de renversement à cabrer devrait avoir diminué plutôt qu’avoir augmenté (?)
    Enfin, le poids des réacteurs, plus en avant, devrait avancer le centre de gravité et donc donner du couple à piquer, lequel est gage de stabilité, mais est très pénalisant en performance. ( l’empennage est alors fortement déporteur ).
    À moins que Boeing ait (trop) reculé ce centre de gravité – déplacement de réservoirs de kérosène par exemple – afin que l’avion vole à la limite de l’instabilité, ce qui est gage d’économie de carburant. Mais là, sans PA au décollage, c’est … risqué.
    Quel est votre avis ?

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