Il est assez étonnant que les avions puissent voler. Mais battre la gravité et faire glisser les avions dans le ciel ne suffit pas. Comment pouvons-nous faire en sorte que ces énormes masses de métal se déplacent à une vitesse aussi élevée pour revenir à un état de repos? C’était la question exacte à laquelle les premiers concepteurs de l’avion étaient confrontés. Bien que la plupart des premiers avions n’aient pas de système de freinage, l’approche pour accomplir cette tâche a considérablement changé au fil des ans.
Par rapport aux freins de votre voiture, les freins d’avion sont plus complexes et se présentent sous une forme beaucoup plus lourde. Aujourd’hui, les avions sont équipés de différents systèmes de freinage, notamment des freins à disque, des freins à air comprimé, des inverseurs de poussée et d’autres types d’améliorations du système de freinage. Cependant, en général, ces freins peuvent être classés en deux groupes: les freins à air comprimé et les freins d’atterrissage.
Essentiellement, les freins à air sont utilisés pour réduire la vitesse de l’avion en vol. C’est pourquoi ils sont également appelés freins de vitesse. Les freins à air ralentissent l’avion en s’ouvrant d’une manière qui augmente la traînée sans affecter de manière significative la portance. Ils peuvent également être parfois utilisés pour augmenter l’angle d’approche de l’avion en cours d’atterrissage.
Au contraire, les freins d’atterrissage comprennent tous les différents freins impliqués dans la réduction de la vitesse de l’avion lorsqu’il s’approche du sol et au sol. Parce que les freins d’atterrissage doivent amener l’avion au repos, ils doivent à la fois réduire la portance et augmenter la traînée. Les freins à disque sont les principaux composants du système de freinage d’atterrissage. Ils seront donc au centre de nombreuses sections de cet article.
Table des Matières
Histoire des freins d’avion
Les premiers avions conçus n’incluaient aucun système de freinage. La question évidente apparaît alors. Si ces avions n’avaient pas de freins, comment ont-ils atterri?
Fait intéressant, les pilotes ont ensuite dû se fier à d’autres facteurs. À la place des freins, ils dépendaient de la faible vitesse de l’avion, des surfaces molles de l’aérodrome et des frottements. Mais ceux-ci ne pouvaient plus suffire à mesure que le poids et la taille des avions augmentaient et que les technologies aéronautiques s’amélioraient au fil des ans.
Après la Première Guerre mondiale, les premiers systèmes de freinage ont été conçus pour être utilisés dans les avions. Le premier type de freins utilisé dans un avion est le parachute drogué. Un parachute drogué est un parachute fixé à l’arrière d’un avion qui est déployé juste avant l’atterrissage pour ralentir l’avion. Le parachute drogué a été inventé en 1912 par un russe Gleb Kotelnikov. Mais ils n’ont été pleinement utilisés dans l’aviation qu’en 1937.
Les systèmes de freinage à air comprimé sont un autre type de freins d’avion qui ont été admis tôt dans les avions courants. Cependant, à l’époque, ils se présentaient principalement sous la forme de simples volets commandés manuellement par un levier dans le cockpit. Les freins à disque suivaient de près.
Les freins à disque ont été développés pour la première fois en Angleterre dans les années 1890, mais étaient auparavant utilisés uniquement dans les automobiles et les trains de voyageurs. Ce n’est que juste avant la Seconde Guerre mondiale que les freins à disque ont été utilisés pour la première fois dans l’aviation. Depuis lors, les systèmes de freinage des avions se sont développés, des freins en acier à disques multiples aux systèmes de freinage électriques plus avancés.
Types de freins d’avion
Dans l’aviation aujourd’hui, la plupart des avions utilisent principalement des freins à disque. Normalement, dans un système de freinage à disque, un disque tourne avec l’ensemble de roue tournante. Lorsque les freins sont appliqués, un étrier fixe résiste au mouvement de rotation de ce disque en provoquant un frottement contre le disque. La complexité et la conception d’un système de freinage à disque dépendent souvent du poids, de la taille et de la vitesse d’atterrissage de l’avion. Les types les plus courants de freins à disque utilisés dans les avions sont les freins à disque simples, doubles et multiples.
Freins à disque unique
Un seul disque suffit généralement pour freiner efficacement un petit avion léger. Ce disque est verrouillé ou boulonné à chacune des roues de l’avion. Pour freiner l’avion, un frottement est appliqué des deux côtés du disque à l’aide d’un étrier non rotatif fixé à la bride du train d’atterrissage. Le mouvement de l’étrier est initié par des pistons à l’intérieur de celui-ci. Ces pistons, sous pression hydraulique, forcent les plaquettes ou garnitures de frein contre le disque tournant lorsque le frein est appliqué.
Les freins à disque unique peuvent être des freins à disque flottants ou des freins à disque fixes. La principale différence entre les freins à disque flottants et fixes est que lorsqu’une plaquette de frein est enfoncée dans un frein à disque flottant, l’étrier se déplace de telle sorte que la plaquette opposée touche le disque. Cependant, dans les freins à disque fixes, les pistons des deux côtés du disque se déplacent simultanément pour pousser les patins contre le disque.
Freins à double disque
Dans les avions plus gros, les freins à disque unique ne peuvent pas produire une quantité suffisante de frottement de freinage nécessaire pour arrêter ou ralentir l’avion. Les freins à double disque sont souvent utilisés dans de tels avions. Dans les freins à double disque, deux disques sont fixés à la roue au lieu d’un. Il y a un support central avec des doublures de chaque côté situé entre les deux disques. Chaque fois que les freins sont appliqués, ces garnitures entrent en contact avec chacun des disques.
Freins à disques multiples
Freins à disque multiples
Les avions les plus gros et les plus lourds nécessitent l’utilisation de freins à disque multiples. Ces types de freins sont conçus à des fins lourdes. Ils sont utilisés avec des pièces de machine telles que des soupapes de commande de frein de puissance ou des maîtres-cylindres de suralimentation.
Les freins à disques multiples utilisent un support de roulement étendu qui ressemble à une unité de type tube de couple. Ce support est boulonné à la bride d’essieu et assure le support des différentes pièces de frein. Ces pièces comprennent le cylindre et le piston annulaires, une alternance de disques en acier et plaqués cuivre ou bronze, une plaque arrière et une retenue de plaque noire.
Le support de roulement se connecte aux stators, qui sont en acier, tandis que la roue rotative a des disques plaqués cuivre ou bronze qui y sont clavetés. L’ensemble de l’assemblage des stators et des rotors est comprimé lorsque la pression hydraulique est appliquée sur le piston. Le résultat final est la production d’une grande quantité de chaleur et de frottement qui à son tour réduit la vitesse de rotation de la roue.
Freins à air et inverseurs de poussée
Outre les freins à disque, d’autres types courants de freins d’avion comprennent les freins à air et les inverseurs de poussée. Comme mentionné précédemment, les freins à air sont utilisés pour augmenter la traînée agissant sur un avion en vol. En augmentant la traînée, les freins à air sont utilisés pour réduire la vitesse de l’avion. Les types de freins à air les plus courants sont les tombereaux et les volets de levage.
Tombereaux de portance
Les inverseurs de poussée ralentissent l’avion en déviant temporairement la poussée générée par le moteur de l’avion de sorte qu’elle s’oppose à la course vers l’avant de l’avion. Les inverseurs de poussée sont souvent utilisés lorsque l’avion est déjà au sol. Ils aident à réduire l’usure des freins et raccourcissent la distance d’atterrissage.
Inverseur De Poussée
Comment Fonctionnent Les Freins De L’Avion ?
Dans cette section, nous nous concentrerons principalement sur les principes de fonctionnement des freins à disque — le type de freins le plus courant dans les avions modernes. Comme nous le savons maintenant, les freins à disque dépendent du frottement entre les disques rotatifs et fixes à l’intérieur des freins pour fonctionner. Les systèmes de freinage à disque sont initiés par un système de freinage automatique ou par le pilote en appuyant sur une pédale.
Une fois que le frein reçoit le signal d’amorçage, les actionneurs à l’intérieur du frein déplacent un piston qui serre le disque ensemble. Une force de frottement est ainsi générée dans le processus, ce qui réduit à son tour la vitesse de rotation de la roue. Au cours de ce processus, le frottement entre les disques convertit l’énergie cinétique de l’avion en énergie thermique.
Les freins d’avion absorbent une énorme quantité de chaleur qui peut souvent dépasser 1800 °C. Chaque fois que les freins sont appliqués, le matériau du disque subit beaucoup d’usure en raison des forces de frottement excessives impliquées. Après plusieurs applications (des centaines généralement), les disques commencent à s’amincir. C’est pourquoi ils nécessitent souvent un remplacement après des intervalles de maintenance périodiques.
De Quels Matériaux Sont Faits Les Freins d’Avion ?
Pendant très longtemps, la majorité des freins d’avion étaient en acier. Ce n’est qu’en 1963 que le béryllium a été introduit comme matériau de frein d’avion. L’utilisation du béryllium, cependant, s’est faite à ses frais. Alors que le béryllium offrait des propriétés thermiques très améliorées — ce qui est un facteur important dans la conception des freins d’avion —, il était également difficile de manipuler le matériau en raison de la nature toxique de l’oxyde de béryllium.
Aujourd’hui, les avions commerciaux modernes utilisent des freins en carbone. Les freins en carbone sont devenus largement acceptés dans les années 1980. Et ils fonctionnent généralement bien selon de nombreux indices. Par exemple, les freins en carbone fabriqués à partir de fibres de carbone dans une matrice de graphite sont plus légers, plus stables thermiquement, refroidissent plus rapidement et peuvent mieux absorber l’énergie.
Grâce à la chaleur spécifique plus élevée du carbone, les freins en carbone pèsent toujours moins que les freins en acier. Le carbone a également une dilatation thermique plus faible, une résistance aux chocs thermiques plus élevée et une limite de température plus élevée que l’acier. Contrairement à l’acier et au béryllium, le carbone a une résistance spécifique plus constante sur une large plage de températures. L’acier et le béryllium présentent également typiquement une forte baisse de résistance spécifique à des températures élevées supérieures à 650 °C.
Récemment, Safran Landing Systems s’est vanté que les freins en carbone Sepcarb III résistants à l’oxydation de ses Boeing 787 soient 4 fois plus légers que les freins en acier. Ils ont également affirmé que les freins avaient 3 fois plus d’endurance et une capacité d’absorption 2 à 3 fois plus élevée. D’autres fabricants utilisent également d’autres matériaux lors de la construction de freins. Par exemple, le Cerametalix de Honeywell est une combinaison frittée de métaux en poudre et de céramiques.
Facteurs pris en compte Lors de la construction des freins
En termes simples, le facteur principal qui détermine le type de système de freinage utilisé dans un aéronef est la taille de l’aéronef. Ce facteur définit alors certains paramètres qui doivent être pris en compte lors de la conception des freins. Ces paramètres de conception primaires comprennent le nombre de disques, le diamètre des disques et le matériau des disques.
Un autre concept important qui apparaît dans la conception des freins d’avion est un scénario du pire appelé décollage rejeté (RTO). RTO se produit à une vitesse de roulement maximale communément appelée vitesse de décision. À des vitesses supérieures à cette vitesse de décision, un décollage ne peut être interrompu en toute sécurité sans exposer l’aéronef à un risque important de ne pas pouvoir s’arrêter avant la fin de la piste. Les freins de l’avion sont conçus pour absorber plus d’énergie dans de telles circonstances.
Typiquement, avant de concevoir le système de freinage d’un avion, son énergie cinétique pendant le RTO est calculée. La quantité de force de frottement nécessaire pour conquérir cette énergie est alors également déterminée. Pour générer les forces de frottement nécessaires, les gros aéronefs de transport commercial ont généralement besoin de plusieurs disques par ensemble de freins et de freins sur la plupart, sinon la totalité, de leurs roues.
A380
Par exemple, un A380 a 22 roues réparties sur cinq jambes de train d’atterrissage pour supporter son poids massif. Ces roues sont réparties de cette manière:
- 2 roues de nez sur une jambe sous le nez de l’avion;
- 8 roues d’ailes réparties entre deux jambes qui se déplient sous le fuselage pour supporter les ailes gauche et droite et;
- 12 roues de caisse réparties entre deux jambes de train d’atterrissage intérieur sous le fuselage.
Seize de ces roues ont des freins (quatre d’entre elles sont des roues de carrosserie et les roues avant ne sont pas freinées).
Où se Trouvent les Freins dans un Avion ?
Différents types de systèmes de freinage d’avion sont placés dans différentes parties de l’avion. Aujourd’hui, les freins à disque des avions se trouvent toujours dans le train d’atterrissage, les freins à air — sur les ailes et les inverseurs de poussée — sur le moteur. Mais ce sont des pièces mécaniques qui ne sont pas vues ou contrôlées par le pilote pendant le vol.
La plupart des freins d’avion modernes sont activés à partir de la partie supérieure des pédales de gouvernail. Ce type de freins est appelé freins aux orteils. Dans les freins à orteils, le haut des pédales de gouvernail est connecté directement au système de freinage. Cependant, il est fortement nécessaire d’appliquer les freins aux orteils au bon moment. S’ils sont appliqués lorsque l’avion se déplace à grande vitesse sur la piste, cela peut entraîner un changement de direction violent.
Mais tous les avions n’ont pas de freins aux orteils. Certains avions plus anciens sont équipés de freins au talon. Les pilotes ont plus de difficulté à appliquer ce type de freins. Un type encore plus rare de freins d’avion est le frein à main. Sur certains autres aéronefs comme Cessna et Mooney, le pilote doit d’abord serrer les freins aux orteils, puis retirer un bouton pour verrouiller les freins.
Comment Les Pilotes Contrôlent-Ils Les Freins De L’Avion ?
Les systèmes de freinage des aéronefs sont de simples pièces mécaniques, dans certains cas une combinaison de pièces mécaniques et électroniques. Ces pièces doivent être déployées et contrôlées par le pilote. Les freins peuvent être activés manuellement par le pilote ou à l’aide de freins automatiques. Les freins automatiques, comme leur nom l’indique, sont des systèmes électroniques qui s’activent automatiquement lorsque l’avion s’approche du sol juste avant le toucher des roues.
La plupart des roues de tout avion moderne sont équipées d’une unité de freinage. Le nez et la roue arrière, cependant, n’ont pas de freins. Dans tout avion typique, les pilotes peuvent contrôler les freins à l’aide des liaisons mécaniques ou hydrauliques à la pédale de gouvernail.
Le frein de la roue principale droite est activé lorsque le pilote appuie sur le haut de la pédale droite. De la même manière, lorsque le pilote pousse le haut de la pédale de gouvernail gauche, il active le frein sur la ou les roues principales gauche.
Cependant, certains nouveaux avions éliminent l’utilisation du système hydraulique et utilisent plutôt l’électricité pour actionner les freins. Un excellent exemple de cette approche est le 787 Dreamliner. L’utilisation d’un système de freinage électrique permet aux concepteurs de réduire considérablement le poids de l’avion.
Dans ce système, lorsque les pilotes appuient sur les pédales de frein, un signal électrique est envoyé à l’unité de freinage sur la roue. Les actionneurs électriques sont ensuite utilisés pour appuyer le disque de frein en carbone contre la roue. Cela ralentit donc l’avion.
À Quelle Fréquence Les Freins D’Avion Sont-Ils Remplacés?
En raison des niveaux élevés de changements de température que subissent les freins des avions, ils doivent être remplacés fréquemment. En général, après environ 1000 à 2000 atterrissages, les freins de l’avion sont prélevés pour une vérification de maintenance. Chaque système de freinage a une goupille située à l’intérieur du frein. Cette goupille est essentiellement un indicateur qui aide à détecter le niveau d’usure du frein.
La fréquence de remplacement des freins dans les aéronefs dépend également en grande partie du type de matériau de frein. En moyenne, les freins en acier ont une durée de vie de 1 100 cycles entre les réparations et le remplacement. On peut cependant s’attendre à entre 1 500 et 2 000 cycles d’atterrissage de freins en carbone pour les mêmes raisons évoquées précédemment.
Lors des réparations, les parties communes du système de freinage qui sont remplacées sont les garnitures et les disques. Les techniciens d’entretien peuvent souvent consulter le manuel du fabricant pour connaître les procédures d’effraction appropriées lorsqu’ils travaillent sur de nouveaux freins.
Coût du remplacement et de la réparation des freins de l’avion
L’achat, le remplacement et la réparation des freins de l’avion peuvent être un processus énervant. Outre le coût monétaire, trouver les bonnes pièces pour faire un bon achat peut également prendre du temps. Le coût d’une toute nouvelle unité de frein d’avion peut varier sur un large éventail de chiffres. Un bon exemple, cependant, est le Boeing 777. Un jeu de freins complet de 12 pièces d’un Boeing 777 coûte environ 100 000 $. D’autre part, les ensembles de freins d’avions plus petits coûtent beaucoup moins cher.
En 2019, il a été estimé que la demande totale de MRO (Maintenance, Réparation et exploitation) pour les roues et les freins des avions était de 2,5 milliards de dollars. Cela montre que c’est un marché en forte demande. Le coût de la réparation du frein de votre avion peut être très imprévisible. Cela dépend principalement du composant du système de freinage qui doit être remplacé.
Le prix d’une garniture de frein organique ou métallique standard typique de Cleveland peut facilement varier de 12,25 $ à 469 $. Les disques de frein du même fabricant vous rapporteront jusqu’à 149,75 $ à 1769 $. Certains autres composants tels que les rivets, les vannes et les kits de rebouchage peuvent également nécessiter des remplacements. Il est donc difficile de dire à quoi on doit s’attendre à l’avance.
Comment l’eau et la glace Influent-Elles sur les performances de freinage?
Lorsqu’un avion atterrit sur une piste mouillée ou glacée, il presse constamment l’eau de la bande de roulement. Cette action de compression génère des pressions d’eau qui peuvent non seulement soulever des parties du pneu hors de la piste, mais également réduire la quantité de frottement que le pneu peut développer. Cette action s’appelle l’aquaplanage.
L’aquaplanage provoque un frottement pneu-sol qui peut être faible à haute vitesse et s’améliorer à mesure que la vitesse diminue. Il existe trois types d’aquaplanage à savoir l’aquaplanage en caoutchouc visqueux, dynamique et inversé.
L’aquaplanage visqueux est l’effet le plus courant des pistes mouillées sur les performances de freinage des avions. Il se produit sur toutes les pistes mouillées et est un terme technique utilisé pour décrire le glissement habituel ou l’action lubrifiante de l’eau. Bien que l’aquaplanage visqueux réduise le frottement, ce n’est pas à un niveau si bas que la roue ne peut pas être retournée peu de temps après le toucher des roues pour lancer le système antidérapant.
Dans le cas d’un aquaplanage dynamique très rare, le pneu se soulève complètement de la piste, entraînant une perte de frottement très importante du pneu qui peut empêcher une rotation de la roue. L’aquaplanage en caoutchouc inversé, par contre, peut se produire chaque fois qu’un pneu verrouillé dérape le long d’une piste très mouillée ou glacée pendant une période suffisamment longue pour générer de la chaleur de frottement dans la zone d’empreinte.
Améliorations du système de freinage
Les freins d’avion ne sont plus aussi simples qu’auparavant. Outre les types de base discutés précédemment, les avions comportent également des améliorations qui aident à améliorer les performances des freins de l’avion. Les plus courants disponibles incluent une protection antidérapante, un frein automatique et des indicateurs de température de frein.
Protection antidérapante
Lorsque les freins de l’avion sont serrés, il y a une forte probabilité que les roues des avions commencent à déraper. Pour éviter que cela ne se produise et pour maintenir un freinage efficace maximum, chaque roue est équipée d’une protection antidérapante.
Un système de protection antidérapante utilise divers mécanismes pour comparer la vitesse de l’avion à la vitesse de rotation de chaque roue principale. Dans le cas où la vitesse d’une roue est trop lente par rapport à la vitesse de l’aéronef, le frein de cette roue est desserré pendant un certain temps afin d’éviter le dérapage.
Les systèmes antidérapants sont conçus pour minimiser l’aquaplanage et les dommages potentiels aux pneus qui peuvent survenir lorsqu’une roue est bloquée ou tourne à une vitesse qui ne correspond pas à la vitesse de l’avion. L’anti-dérapage élimine également la possibilité de dérapages en caoutchouc inversés causés par des roues verrouillées.
Frein automatique
Les systèmes de freinage automatique peuvent être utilisés au décollage lorsqu’ils offrent un freinage maximal en cas de décollage interrompu. Ils peuvent également être utilisés lors de l’atterrissage où ils fournissent un taux de décélération programmé en fonction du niveau de freinage automatique sélectionné en une seule application de freinage. 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 de freinage
Il est très important de surveiller les niveaux de chaleur élevés générés par le frottement dans le système de freinage. Par conséquent, le poste de pilotage dispose d’une page synoptique des roues où la température de chaque unité de freinage est affichée. Sur cette page synoptique, les valeurs numériques de la température du frein sont affichées à côté de chaque roue. Une valeur de 0 à 4,9 est dans la plage normale. Lorsqu’un relevé de température dépasse 5,0, un message de mise en garde est envoyé aux pilotes.
Si les freins deviennent trop chauds, il est possible que la chaleur transférée aux roues provoque l’explosion des pneus. Pour éviter que cela ne se produise, lorsqu’une certaine température est atteinte, les bouchons de fusibles dans les pneus fondent. Cela permet à l’air d’être libéré en toute sécurité et dégonfle lentement les pneus.
Exigences de certification des freins d’aéronef
De nombreuses exigences de certification régissent l’approbation, le remplacement et la modification des freins d’aéronef. En général, il est nécessaire que le système de freinage d’un aéronef ait la capacité d’arrêter l’aéronef à la masse maximale au décollage certifiée avec le décollage interrompu amorcé à la vitesse de décision.
Le processus de certification doit être effectué avec tous les freins usés à près de leur limite de service (nominalement 10% restant sur la durée de vie). De plus, le dissipateur thermique des freins et des roues doit être suffisamment robuste pour qu’aucune intervention en termes de lutte contre l’incendie ou de refroidissement artificiel ne soit nécessaire pendant 5 minutes après l’arrêt de l’avion.
D’autres exigences de certification exigent que les composants des roues, des freins et des systèmes de freinage soient conçus pour ::
- Résister à toutes les pressions et charges, appliquées séparément et conjointement, auxquelles elles peuvent être soumises dans toutes les conditions d’exploitation pour lesquelles l’avion est certifié.
- Permettent des applications simultanées des fonctions de freinage normal et de freinage d’urgence, sauf si d’autres mesures de conception appropriées ont été prises pour éviter une telle éventualité.
- Satisfaire à toutes les exigences relatives aux exigences d’absorption d’énergie sans utiliser de dispositifs de refroidissement secondaires (par exemple ventilateurs de refroidissement, etc.).
Accidents liés au freinage
Les deux principaux facteurs associés au freinage pouvant causer des accidents ou des accidents d’avion sont la surchauffe des freins et la défaillance des freins. Les freins surchauffés peuvent, à leur tour, entraîner une perte de performance de freinage, un incendie et un dégonflage des pneus.
Un accident lié aux freins a été l’accident d’un avion de ligne à turbopropulseur Swearingen de 19 sièges en 1998. Il y a eu un incendie dans le puits de roue causé par une surchauffe des freins. La surchauffe s’est poursuivie jusqu’à ce que l’aile gauche de l’avion tombe en panne, rendant l’avion incontrôlable.
De nos jours, les indicateurs de température des freins sont vérifiés fréquemment pour s’assurer qu’il n’y a pas de surchauffe. En cas de surchauffe, le pilote laisse parfois le train en panne pendant une période prolongée, à condition que cela n’ait pas d’impact sur les performances de montée.
Résumé
Les systèmes de freinage sont une partie très vitale d’un aéronef. De l’époque des parachutes de drogue, les freins ont maintenant évolué vers des systèmes multidisques et à commande électronique plus complexes. Et grâce à l’innovation matérielle, ils sont désormais plus durables et fiables que jamais.
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