Comment fonctionnent les systèmes de freinage des avions et restent au frais

Les freins d’un avion lourd ne sont pas si différents de ceux d’une voiture. Dans le système de freinage d'une voiture typique, les plaquettes de frein ou plaquettes de friction sont pressées contre un rotor qui tourne à la vitesse des roues. Lorsque le conducteur freine, le liquide de frein sous pression est envoyé à un piston, qui déplace les plaquettes contre le rotor et empêche la roue de patiner.

En raison de sa simplicité, les avions légers utilisent également un système similaire. Ce type de frein est plus connu sous le nom de freins à disque monodisque. Les freins de l’avion doivent absorber une énorme quantité d’énergie lors de l’atterrissage et en cas d’échec du décollage. En raison de la quantité d’énergie impliquée, les freins des avions doivent être robustes et fiables.

Image : ATPL d'Oxford

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles un tel système de freinage n’est peut-être pas la meilleure idée pour un avion plus gros. La première est qu’un tel système ne peut pas simplement dissiper l’énergie requise. On peut faire un calcul simple pour un Cessna 172 et un Airbus A320 à titre de comparaison. Comme les freins convertissent l’énergie cinétique en chaleur, nous pourrions calculer les énergies impliquées lorsque les deux avions atterrissent. On supposerait que le Cessna 172 a une masse de 700 kg et une vitesse d'atterrissage de 32 m/s. Et pour l'A320, une masse de 64 000 kg et une vitesse de 70 m/s.

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Un exemple de Cessna 172

• KE = ½ x m x v^2
• KE = ½ x 700 x 30^2
• KE = 315 000 J

Un exemple d'Airbus A320

• KE = ½ x m x v^2
• KE = ½ x 64 000 x 70 ^ 2
• KE = 156 800 000 J

D'après les calculs, les freins d'un Airbus A320 doivent absorber près de 500 fois plus d'énergie qu'un Cessna 172 à l'atterrissage. Il devient donc clair que le premier nécessite un meilleur système de freinage. Pour améliorer la capacité et l'efficacité du freinage dans la plupart des gros avions, un système de freinage appelé configuration de freins multidisques est utilisé. Dans ce système, il y a des piles de rotors avec ce qu'on appelle des stators pris en sandwich entre eux. Les stators sont en quelque sorte des patins de friction. Les rotors bougent avec les roues, tandis que les stators restent statiques.

Au point de départ des stators se trouve une plaque de pression qui contrôle le mouvement des rotors et des stators. Contrairement au piston unique que l’on trouve dans une voiture moyenne, dans ce type de système de freinage, plusieurs pistons sont utilisés. Étant donné que ces freins ont tendance à être lourds, la pression hydraulique du système hydraulique principal est utilisée pour actionner les pistons.

Image : ATPL d'Oxford

Lorsque les freins sont desserrés, la plaque de pression est écartée par un ensemble de réglage des freins. Il s'agit d'un dispositif à ressort fixé à la plaque. Lorsque les freins sont poussés, le ressort est comprimé et lorsqu'il est relâché, le ressort s'étend, déplaçant le plateau de pression. Cela libère les stators des rotors et le freinage n'existe plus.

Dans de nombreux systèmes de freinage, le dispositif de réglage est doté d'une goupille qui peut être utilisée pour évaluer l'usure des freins. Au fur et à mesure que les freins s'usent, la goupille, qui est normalement visible de l'extérieur, continue de s'enfoncer. Une fois que la goupille n'est plus visible à l'œil nu, et si elle ne peut pas être sentie au toucher, les freins doivent être remplacés.

Image : ATPL d'Oxford

À des fins de redondance, les avions utilisent au moins deux systèmes hydrauliques pour alimenter les freins. Si un système tombe en panne, l’autre peut prendre le relais. Il existe également des systèmes de freinage d'urgence qui seront examinés plus tard.

Autrefois, l'acier était utilisé pour fabriquer les freins. Cependant, de nos jours, les freins carbone sont utilisés. Les freins en carbone sont plus légers, capables d’absorber plus d’énergie et plus durables. Pour ces raisons, les freins carbone sont préférés par les avionneurs.

Photo : Anas Maaz

Comment les pilotes actionnent-ils les freins des avions ?

Les freins sont normalement actionnés à pied en appuyant sur le dessus des pédales du gouvernail. Les freins peuvent également être utilisés via une méthode différentielle pour effectuer un virage serré au sol. Par exemple, si le pilote souhaite aller vers la droite alors que l'avion est en mouvement, il pourra appuyer sur les freins de droite. Cela bloquera la roue droite tandis que la roue gauche continuera à bouger, faisant tourner l'avion.

Photo : Airbus

Système de freinage antidérapant et automatique

Sur une piste courte, mouillée ou contaminée, un blocage des freins peut être très dangereux. Le blocage des freins peut faire déraper l'avion hors de la piste ou provoquer une génération de chaleur excessive, ce qui pourrait provoquer un incendie. Pour ces raisons, un système est nécessaire pour empêcher les roues de se bloquer et de déraper.

Le système antipatinage empêche le dérapage en relâchant les freins lorsqu'il détecte un blocage potentiel des roues. Il fonctionne en comparant la vitesse de l’avion, appelée vitesse de référence, à celle de chaque roue. La vitesse des roues est mesurée par un tachymètre et la vitesse de l'avion est déterminée en calculant l'accélération de l'avion à l'aide de données inertielles. Lorsque la vitesse d'une roue chute d'un seuil, la commande de desserrage des freins est donnée par le système antipatinage.

Photo:Tomás Del Coro | Flickr

Le freinage automatique ou les freins automatiques appliquent automatiquement les freins. Il est armé par le pilote lorsque cela est nécessaire. Lorsqu'il est armé, certaines conditions sont requises pour qu'il s'allume, et cela dépend fortement de l'avion. Par exemple, sur les avions Airbus, les freins automatiques ne sont actionnés que lorsque les spoilers au sol sont déployés. Ils peuvent être désactivés par le pilote lors de l'application d'un freinage manuel.

Il existe de nombreux niveaux de freinage automatique. Au décollage, les freins automatiques sont généralement réglés au maximum. Cela garantira un freinage maximal si le pilote devait interrompre le décollage. À l’atterrissage, les freins automatiques peuvent être réglés au niveau préféré du pilote. Sur une piste mouillée, les pilotes optent généralement pour un niveau de freinage plus élevé pour arrêter l'avion le plus rapidement possible.

Le frein de stationnement et le système de freinage d'urgence

Les avions disposent également d'un frein de stationnement, qui est utilisé par les pilotes pour empêcher l'avion de bouger lorsqu'il est stationné pendant de longues périodes. Par exemple, lors d'une attente à un endroit de l'aéroport avec les moteurs en marche.

Lorsque vous êtes garé devant le portail, le frein de stationnement est généralement desserré. C'est parce que les roues sont dotées de cales. Avec des cales correctement en place, les freins ne sont plus nécessaires car les cales empêchent les roues de rouler par inadvertance. Ceci est très avantageux dans les délais d'exécution courts, où les températures élevées des freins deviennent un problème. En gardant les freins de stationnement desserrés, les rotors et les stators sont séparés les uns des autres, permettant une bonne circulation de l'air. Cela garde le frein au frais.

Photo de : American Airlines

Le système de freinage d'urgence est à la disposition du pilote en cas de double panne hydraulique rendant inutilisable le système de freinage des roues principales. Dans la plupart des cas, un accumulateur de frein préchargé avant le vol est utilisé à cet effet. Les pilotes peuvent utiliser cette pression d'accumulateur pour actionner les freins en cas de panne du système de freinage principal. Comme l'accumulateur ne peut contenir qu'une quantité limitée de pression, le nombre de freinages est limité. La plupart du temps, environ sept freinages sont à la disposition du pilote.

Photo:ATSB

Contrôler la température et l'usure des freins

• Les freins doivent être maintenus aussi froids que possible pour de meilleures performances
• À des températures critiques, les freins ne peuvent pas absorber d'énergie.
• Il en résulte un risque d'incendie
• La température maximale des freins doit être maintenue

Comme souligné dans le paragraphe précédent, garder les freins au frais est une priorité pour les pilotes. Les freins plus froids fonctionnent mieux que les freins chauds, surtout lorsqu'ils sont nécessaires pour un décollage interrompu. Il existe une température au-delà de laquelle les freins ne peuvent plus absorber l'énergie nécessaire. Les freins chauds présentent également un risque d'incendie.

Comme le train d'atterrissage se rétracte dans le passage de roue de l'avion où se trouvent les conduites hydrauliques, si une fuite se produit et s'il tombe sur des freins chauds, un incendie dans le passage de roue est un scénario très probable. Pour cette raison, il existe une température maximale des freins qui ne doit jamais être dépassée avant de commencer le décollage. Généralement, les températures des freins sont affichées sur le poste de pilotage de la plupart des avions.

Photo:Olivier Cleynen| Wikimédia Commons

Il existe de nombreuses façons de refroidir les freins s’ils deviennent trop chauds. Certains avions sont équipés de ventilateurs de frein qui peuvent être activés par les pilotes. Ce système souffle de l'air sur les freins chauds, les refroidissant ainsi. Il existe également des ventilateurs de refroidissement portables qui peuvent être connectés aux roues pour refroidir les freins.

Photo: Safran

La technique de pilotage du pilote joue également un rôle majeur. Trop de freinages pendant un roulage pourraient entraîner une surchauffe des freins. Par conséquent, les pilotes devraient essayer de minimiser autant que possible l’utilisation des freins. En outre, l'utilisation de l'inversion de poussée peut aider à maintenir les freins au frais, car elle minimise le besoin de freiner fortement les roues. Il est également recommandé d'opter pour un déploiement plus long lors d'un atterrissage sur une piste longue. Cela amènera l'avion à utiliser plus de longueur de piste mais réduira en fait l'utilisation des freins.

En ce qui concerne l’usure des freins en carbone, la science est un peu complexe. Les freins en carbone ont tendance à s'user moins lorsque les températures sont nettement inférieures ou lorsque les températures sont nettement plus élevées. Ils s'usent davantage à mi-température. Vous trouverez ci-dessous un graphique produit par Airbus, qui représente l'usure des freins en fonction de la température. Il montre la tendance à l’usure des freins de trois fabricants de freins. Le graphique montre que tous les freins ont un taux d’usure maximal à des températures moyennes.

Image : Airbus

Cependant, il n'est pas recommandé de faire fonctionner les freins à des températures élevées pour réduire l'usure, car cela réduit l'efficacité des freins. Lorsque cela est possible, en particulier lors de longs arrêts, les pilotes doivent faire de leur mieux pour abaisser la température des freins, car les faire fonctionner à des températures très basses permet à la fois de réduire l'usure et d'augmenter leur efficacité. De plus, les températures élevées entraînent l’oxydation du carbone. Le carbone se combine naturellement avec l’oxygène de l’air pour former du dioxyde de carbone. La chaleur accentue ce processus, ce qui entraîne une perte de masse de carbone des freins, augmentant ainsi leur usure.

Photo : Boeing

Comme auparavant, des techniques de pilotage appropriées peuvent également être utilisées pour réduire l’usure des freins. Les freins carbone sont très sensibles au nombre de freinages. Lors du roulage, les pilotes doivent faire de leur mieux pour minimiser les freinages. Cela peut être fait en appliquant les freins une seule fois jusqu'à ce que la vitesse soit réduite à un niveau inférieur. Habituellement, les avions mettent du temps à accélérer pour revenir à une vitesse plus élevée avec les moteurs au ralenti. Ainsi, les pilotes peuvent utiliser cela comme un avantage s’ils souhaitent ralentir l’avion pendant le roulage.

Photo : Bryan Shirota

De plus, lorsque les conditions sont réunies, un taxi monomoteur peut être effectué. Cela réduit la quantité de poussée générée par l’avion, ce qui réduit le besoin de freinage intermittent. Une autre façon consiste à utiliser les freins automatiques pour l'atterrissage. Les freins automatiques ont tendance à utiliser une seule application de freinage lorsqu'ils sont actifs, et ils modulent simplement la pression de freinage avec cette seule application. Comme cela réduit le nombre de freinages, cela réduit l’usure des freins.