Le but primordial d'un aéronef est d'aller, en toute sécurité, d'un point à un autre. Dans ce dessein, il est nécessaire de pouvoir contrôler, en permanence, les évolutions de l'avion dans l'espace, c'est-à-dire de pouvoir le " piloter ".

Piloter, c'est d'abord contrôler l'orientation de l'avion selon les trois directions (on dit les trois axes) de l'espace : l'axe de lacet (vertical) ; l'axe de roulis (horizontal et dans la direction de la marche) ; l'axe de tangage (horizontal et perpendiculaire à la marche).
Pour ça, le pilote dispose de trois commandes de vol. Le dispositif permettant de contrôler le lacet s'appelle le gouvernail de direction. Il est commandé depuis l'habitacle (cockpit) par deux pédales appelées " palonnier " et agissant sur la partie mobile de la " dérive ". Principe : On pousse sur le pied droit et le nez pointe vers la droite.

La commande de roulis se fait grâce aux ailerons, ces petites surfaces mobiles situées vers les extrémités des ailes. Lorsqu'un aileron est baissé, c'est comme si l'aile augmentait son incidence. Résultat, elle " porte " plus et elle monte. Quand un aileron est baissé, l'autre est levé et produit sur son aile l'effet contraire. Les actions des ailerons s'ajoutent donc. Les ailerons sont reliés au " manche " de telle sorte qu'en poussant le manche à droite l'avion s'incline à droite. Les ailerons sont très utiles car pour un avion, c'est comme pour un vélo : impossible de virer correctement sans s'incliner !

La gouverne de profondeur contrôle le tangage est relié au manche de telle façon qu'en " poussant le manche " l'angle d'incidence du stabilisateur augmente. La queue monte alors et le nez descend. Au contraire, en tirant sur le manche, on lève le nez de l'avion, c'est-à-dire qu'on augmente l'angle d'incidence de l'aile.

Pour monter, il suffit donc de tirer le manche. Mais, du même coup, on augmente la traînée, on va alors moins vite en même temps qu'on monte (un peu)... et le décrochage guette. Pour éviter ça, pas d'autre solution que de fournir de l'énergie à l'avion, bref, de mettre les gaz.
Pour descendre, on fait le contraire : on diminue la puissance.

Jusqu'à un passé récent, les ordres envoyés aux différentes commandes de vol :
- Profondeur (Contrôle de tangage) (1).
- Ailerons (Contrôle de roulis) (1).
- Direction (Contrôle de lacet).
L'étaient par des câbles en acier, des poulies, des guignols de renvoi avec ou sans effets multiplicateurs ou diviseurs, des tringleries et des biellettes qui attaquaient des servocommandes hydrauliques permettant le mouvement des dites gouvernes.

(1) Pour certains aéronefs ne disposant pas de stabilisateur horizontal arrière, genre aile volante ou aile delta (Concorde par exemple), les commandes des axes de profondeur et de roulis sont assurées par les mêmes gouvernes, appelées alors élevons, actionnées de manière symétrique pour le tangage et de manière antisymétrique pour le roulis.
Il existe un autre type de gouverne : les gouvernes "crocodile" qui peuvent, en plus de jouer un rôle d'aileron ou d'élevon, s'ouvrir comme une mâchoire et jouer alors un rôle d'aérofrein.

Depuis, pour l'aviation commerciale européenne, l'A320, et même beaucoup plus tôt puisque, là aussi, Concorde fut un précurseur dans ce domaine, les ordres ne sont plus envoyés aux servocommandes des gouvernes par des dispositifs mécaniques mais par des lignes électriques ; c'est ce qu'on appelle les Commandes De Vol Électriques (CDVE). Mais en fait, pour l'action proprement dite sur la gouverne, c'est toujours la force hydraulique qui prévaut (du moins actuellement).

Les principaux avantages des CDVE sont :
- Gain de poids
- Précision de l'action par rapport à la demande
- Meilleure répétitivité
- Aucune hystérésis
- Facilité de redondance des circuits de commande
- Pas de risques de grippage ou de coincement des circuits de commande

Et, du fait même que les ordres sont envoyés de manière électrique, il est facile de concevoir des calculateurs prenant en charge la quasi-totalité des automatismes nécessaires au vol :
- Coordination virage (Axe de roulis + axe de lacet)
- Capture et suivi des aides à la navigation : VOR, LOC, ILS, etc.
- Suivi de plan de vol
- Automatisation de différentes phases de vol : montée, croisière, descente.
- etc,


Développement du fonctionnement des commandes de vol sur A320.

Le système complet se nomme EFCS, Electronic Flight Control System ou Système électronique de gestion des commandes de vol

Nota : dans tout ce qui suit, ne pas mélanger les termes "commander" et "actionner".

Les gouvernes sont toutes commandées électriquement mais actionnées hydrauliquement.

Les manches sont utilisés pour piloter l'avion en Tangage (PITCH) et Roulis (ROLL) et indirectement en lacet (YAW) par la coordination automatique en virage.

Les ordres du pilote sont pris en compte par les calculateurs qui commandent le braquage des gouvernes comme nécessaire pour obtenir la trajectoire désirée, mais, indépendamment des ordres pilote, les calculateurs évitent les manoeuvres excessives pour ne pas sortir du domaine de vol prévu.

- Axe de tangage (PITCH)
Gouvernes de profondeur : Électriquement.
Plan Horizontal Réglable (THS : Trimmable Horizontal Stabilizer): Électriquement pour la commande "normale" ou "alternate", Mécaniquement pour la commande de trim manuelle.

- Axe de roulis (ROLL)
Ailerons : Électriquement - Spoilers : Électriquement

- Axe de lacet (YAW)
Gouverne de direction : Mécaniquement, cependant les commandes en amortisseur de lacet (YAW DAMPER), de coordination en virage et du trim sont électriques.

- Aérofreins (Spoilers) : Électriquement.


Commandes au poste.
- Deux manches latéraux, mécaniquement indépendants : chaque manche envoie des signaux électriques aux calculateurs de commandes de vol.
- Deux palonniers, liés mécaniquement, assurent la commande de la gouverne de direction.
- Des commandes groupées sur le pylône central :
. La manette des aérofreins,
. Les deux volants de trim de profondeur qui permettent de commander mécaniquement le THS,
. Un sélecteur de trim de direction,
. La manette de commande des becs/volets (Slats/Flaps).


Calculateurs.
Sept calculateurs de commandes de vol traitent les ordres du pilote et de l'A/P (Auto/Pilot) selon les lois normale, alternate ou directe :

- 2 ELAC (Elevator Aileron Computer)assurant :
. la commande normale de la profondeur et du THS,
. la commande des ailerons.

- 3 SEC (Spoilers Elevator Computer) assurant :
. la commande des Spoilers
. la commande en secours de la profondeur et du THS.

- 2 FAC : (Flight Augmentation Computer) assurant :
. la commande électrique de la direction.

- De plus 2 FCDC (Flight Control Data Concentrator) sont chargés d'acquérir des données venant des ELAC et des SEC pour les envoyer à l'EIS (*) et au CFDS (Centralized Fault Data System).
(*) L'EIS (Electronic Instruments System) présente des informations sur 6 écrans identiques (DU : Display Unit). L'EFIS (Electronic Flight Instrument System) affiche principalement les paramètres de vol et les informations de navigation sur le PFD (Primary Flight Display) et le ND (Navigation Display). L'ECAM (Electronic Centralized Aircraft Monitor) présente des informations sur l'Engine / Warning Display ( E / WD) et le System Display (SD) : indications primaires réacteurs, quantité de carburant, position becs et volets, messages d'alarme et d'avertissement ou messages mémo, schémas synoptiques des systèmes avion ou messages status, informations de vol permanentes.

Commande électrique

- En fonctionnement normal : les gouvernes de profondeur et le THS sont commandés par l'ELAC 2.
Les gouvernes de profondeur gauche et droite sont déplacées respectivement par les servocommandes vert et jaune.
Le THS est commandé par le moteur électrique 1.
- En cas de panne de l'ELAC 2, d'un des circuits hydrauliques associés ou d'une des servocommandes associées, la commande de la profondeur est automatiquement assurée par l'ELAC 1 et les servocommandes bleu.
Le THS est alors commandé par le moteur électrique 2.
- En cas de perte des 2 ELAC, la commande de la profondeur est automatiquement assurée par le SEC 2 (ou par le SEC 1 si le SEC 2 ou le circuit associé est en panne) ; le THS est commandé par le moteur électrique 3 (ou 2).

Commande mécanique

La commande du THS par câble à partir des volants de trim est utilisable à n'importe quel moment à condition que l'un des moteurs hydrauliques vert ou jaune soit alimenté et en état de fonctionnement. Elle est prioritaire sur la commande électrique.

Fonctionnement de la profondeur.

- Deux servocommandes hydrauliques à commande électrique actionnent chaque gouverne.
Chaque servocommande a trois modes de fonctionnement :
. Actif : la servocommande est commandée électriquement
. Amorti : la servocommande suit le mouvement de la gouverne
. Centré : la servocommande est maintenue hydrauliquement au neutre.

- En fonctionnement normal :
. une servocommande est en mode actif et l'autre est en mode amorti
. certaines manoeuvres (facteurs de charge importants) entraînent l'activation de la deuxième servocommande.
- En cas de panne de la servocommande en mode actif, la servocommande en amorti devient active, et la servocommande en panne passe automatiquement en mode amorti.
Si les deux servocommandes perdent leur alimentation électrique, elles passent automatiquement en mode centré.
- En cas de panne totale d'une gouverne de profondeur, le débattement de la gouverne restante est limité afin d'éviter des charges dissymétriques excessives sur le THS ou sur l'arrière du fuselage.

THS

- Il est déplacé par un vérin à vis entraîné par deux moteurs hydrauliques qui sont commandés par l'un des trois moteurs électriques, ou le volant du trim de profondeur actionné manuellement.


Fonctionnement en roulis.

La commande en roulis est assurée par un aileron et quatre spoilers sur chaque aile.
Les ailerons sont braqués automatiquement vers le bas de 5° quand les volets (flaps) sont sortis (Mode Aileron Droop).

Commande électrique
- En fonctionnement normal, les ailerons sont commandés par l'ELAC 1. En cas de panne de l'ELAC 1, la commande des ailerons est automatiquement transférée sur l'ELAC 2.
En cas de panne des deux ELAC, tous les ailerons passent en mode amorti.
- La commande des spoilers est assurée par le SEC 3 (Spoilers 2), SEC 1 (Spoilers 3 et 4) et le SEC 2 (Spoilers 5).
En cas de panne totale de SEC, le ou les spoilers correspondants rentrent automatiquement.

Ailerons

Chaque aileron est actionné par deux servocommandes hydrauliques commandées électriquement.
Une seule servocommande par aileron fonctionne à la fois. Chaque servocommande a deux modes de fonctionnement :
- Actif : la position de la servocommande est commandée électriquement. - Amorti : la servocommande suit les mouvements de l'aileron.
Le mode amorti est automatiquement sélecté en cas de double panne ELAC ou baisse de pression des circuits hydrauliques bleu et vert.

Spoilers

Chaque spoiler est actionné par une servocommande, alimentée par le circuit hydraulique vert, jaune ou bleu, commandé par le SEC 1, 2 ou 3.
Les spoilers rentrent automatiquement en position zéro quand une panne est détectée par le calculateur correspondant ou en cas d'absence d'ordre électrique. En cas de perte d'alimentation hydraulique, le spoiler reste au braquage existant ou moins si des forces aérodynamiques le repoussent.

Aérofreins

La fonction aérofreins est réalisée par les spoilers 2, 3, 4 de chaque aile qui sont alors actionnés de manière symétrique alors qu'ils le sont de manière antisymétrique en mode aileron. En cas de panne d'un spoiler sur une aile, le spoiler symétrique de l'autre aile est inhibé.


Fonctionnement en lacet.

Commande électrique de direction

En vol, les fonctions amortisseur de lacet et coordination en virage sont automatiques.
Les ordres lacet pour la coordination en virage et l'amortisseur de lacet sont calculés par les ELAC et transmis aux FAC.

Commande mécanique de direction

Une commande mécanique conventionnelle (par câble) de la direction est disponible à partir des palonniers.

La gouverne de direction est actionnée par 3 servocommandes hydrauliques indépendantes travaillant en parallèle. En fonctionnement automatique (amortisseur de lacet et coordination en virage) les 3 servocommandes sont actionnées par un préservo alimenté par l'hydraulique vert.
Un préservo alimenté par l'hydraulique jaune reste synchronisé et sera utilisé en cas de panne.
Il n'y a pas de retour vers les palonniers des fonctions amortisseur de lacet et coordination en virage.

Le débattement de la gouverne de direction (rudder travel unit) et des palonniers est limité en fonction de la vitesse. Cette fonction est contrôlée par le FAC du circuit associé.

Trim de direction (Rudder trim)

Le trim de direction est assuré par deux moteurs électriques qui positionnent également le système de sensation artificielle. En fonctionnement normal les FAC 1 / moteur 1 sont actifs, avec les FAC 2 / moteur 2 synchronisés pour prendre le relais en cas de panne. En pilotage manuel,le pilote peut appliquer des ordres de trim.

Le système EFCS gère plusieurs modes : Mode sol, Mode vol et Mode Flare et assure une protection complète du domaine de vol : limitation du facteur de charge, protection d'assiette, protection grande Incidence, protection haute vitesse, protection en inclinaison, protection anti-turbulences, modification de l'Index de dérapage (SIDE SLIP TARGET) en cas de panne d'un moteur ainsi que la gestion des lois de vol en mode dégradé.

Un système hydraulique nécessite d'installer des réservoirs de liquide et de puissantes pompes de mise en pression, entraînées par les réacteurs; et de mettre en place un système de tuyauteries entre les pompes - placées à proximité des réacteurs - et les vérins, distants parfois de plusieurs dizaines de mètres.
Pour obtenir une fiabilité maximale, notamment sur les commandes de vol, celles-ci sont alimentées par trois circuits indépendants (auxquels s'ajoute un circuit de secours). Si l'un d'eux subit une avarie, le contrôle de l'avion est assuré par les deux autres. L'avion reste même tout à fait " pilotable " avec un seul circuit, ou avec le circuit de secours. Les freins, eux, sont alimentés par un système double. Sur un avion tel que le futur Airbus A 380, dont la longueur et l'envergure atteignent quelque 80 m, cela représente des kilomètres de canalisations sous haute pression. Donc une masse non négligeable, des risques de fuite, une certaine complexité pour la surveillance et la maintenance, car les tuyauteries parcourent toute la structure de l'avion. Un premier progrès peut être obtenu en décentralisant le système hydraulique. Au lieu d'une pompe (entraînée par le réacteur) et d'un gros réservoir, on peut installer un petit réservoir et une petite pompe électrique à proximité du vérin. On supprime du même coup toute la tuyauterie intermédiaire. L'un des trois circuits d'alimentation des gouvernes de l'Airbus A380 sera construit sur ce modèle. Gain de masse: 1600 kg. Il devrait en être de même pour les freins, l'un des deux circuits d'alimentation étant conçu selon l'architecture classique, l'autre, selon l'architecture décentralisée.

Les avionneurs sont très prudents et n'adoptent les technologies nouvelles qu'avec précaution et de très nombreux essais.

Étape suivante: le tout électrique. Ainsi, sur l'A380, les volets des inverseurs de poussée des réacteurs, mus par des vérins hydrauliques, céderont la place à des actionneurs électriques. Il s'agit de petits moteurs électriques qui font tourner une vis sans fin. À plus long terme, le frein hydraulique deviendra électrique, selon le même principe. La société Messier Bugatti travaille depuis plusieurs années à développer cette technologie, à l'instar de ses concurrents étrangers, américains ou britanniques. Outre la réduction de masse et la simplicité, les actionneurs électriques présentent un avantage important par rapport à un bloc de frein hydraulique: si l'un d'eux tombe en panne, les autres peuvent être davantage sollicités pendant une brève période de temps, sans aucune perte d'efficacité, compensant ainsi la défaillance du premier.
Quant aux gouvernes alimentées par un système hydraulique décentralisé (réservoir et pompe sur le vérin hydraulique, commandes par ligne électrique), elles ont été testées par le constructeur américain Lockheed Martin sur un avion de combat F-16, fin 2000. Durant les sept vols qu'ils ont effectués, les pilotes d'essai n'ont noté aucune différence de réaction par rapport au système en cours actuellement. Du coup, Lockheed Martin envisage d'incorporer des gouvernes de ce type sur ses futurs avions. Ce serait la dernière étape avant l'adoption des gouvernes "tout électrique", en tout cas sur les avions de combat pilotés, en attendant que les avions civils en soient dotés. Car des drones (avions sans pilote) de combat, tel le X-45 de Boeing, volent déjà avec des gouvernes électriques.

Prix de matériel neuf pour A320 et A340 ainsi que quelques équipements B777 lorsqu'ils sont similaires (1er janvier 2002).
Les conversions euros <-> francs ne sont pas justes, c'est pour mieux donner les ordres de grandeurs en arrondissant dans les deux monnaies.

ATA 22 A320 FMGC  - Flight Management & Guidance Computer
       A340 FMGEC - Flight Management & Guidance Enveloppe Computer
A320 160 000 €  (1 050 000 FF)
A340 251 500 €  (1 650 000 FF)

ATA 22 FCU - Flight Control Unit
A320  80 800 €  (  530 000 FF)
A340 122 000 €  (  800 000 FF)
B777  88 200 €  (  540 000 FF)
 
ATA 23 VHF - Émetteur/Récepteur VHF
A320   8 400 €  (   55 000 FF)
A340   7 900 €  (   52 000 FF)
B777  12 400 €  (   81 000 FF)
  
ATA 23 CVR - Cockpit Voice Recorder
A320   4 600 €  (   30 000 FF)
A340  15 200 €  (  100 000 FF)
B777  14 500 €  (   95 000 FF)

ATA 24 GPCU - Ground Power Control Unit
A320  38 900 €  (  255 000 FF)
A340  55 600 €  (  365 000 FF)
B777 110 000 €  (  720 000 FF)

ATA 24 GCU - Generator Control Unit
A320  30 500 €  (  200 000 FF)
A340  45 700 €  (  300 000 FF)
B777  97 000 €  (  635 000 FF)

ATA 25 Siège CDB
A320  38 100 €  (  250 000 FF)
A340  28 900 €  (  190 000 FF)
B777  36 700 €  (  240 000 FF)
ATA 25 Siège OPL
A320  35 000 €  (  230 000 FF)
A340  26 000 €  (  170 000 FF)
B777  36 000 €  (  235 000 FF)
ATA 25-65 Emergency Beacon (Balise de secours)
A320     840 €  (    5 500 FF)
A340         IDEM
B777   1 700 €  (   11 000 FF)

ATA 27 SFCC - Slat Flap Control Computer
A320  61 600 €  (  400 000 FF)
A340 103 000 €  (  675 000 FF)
B777 134 000 €  (  880 000 FF)

ATA 28 Cadensicon (Densitometer + Permittivity Compensator)
A320  10 800 €  (   71 000 FF)
A340         IDEM
B777  17 500 €  (  115 000 FF)
 
ATA 28 A320 FQIC - Fuel Quantity Indicator Computer
       A340 FCMC - Fuel Control & Management Computer
       B777 FQPU - Fuel Quantity Processor Unit
A320  73 000 €  (  480 000 FF)
A340 100 500 €  (  660 000 FF)
B777 252 500 €  (1 650 000 FF)

ATA 31 FCDU - Full Color Display Unit
A320  68 600 €  (  450 000 FF)
A340  81 000 €  (  530 000 FF)
B777 119 500 €  (  780 000 FF) 
 
ATA 34 ILS - Instrument Landing System Receiver
A320  18 300 €  (  120 000 FF)
A340  11 400 €  (   75 000 FF)
B777  17 400 €  (  114 000 FF)
 
ATA 73 FADEC - Full Authority Digital Engine Control
A320 117 400 €  (  770 000 FF)
A340 221 000 €  (1 450 000 FF)
B777 323 500 €  (2 120 000 FF)

Toujours pour l'A320
Les ECU/FADEC sont installés sur les moteurs eux-mêmes.

La presque totalité des calculateurs sont installés dans des "soutes électroniques".

La soute électronique avant devant le logement de train avant qui comprend quatre étages de "rack" dans lesquels sont installés vingt-cinq calculateurs ou équipements de radio-communication ou radio-navigation.

Les trois centrales de navigation inertielle sont situées juste derrière le logement de train avant.

La soute électronique arrière, un peu plus loin vers l'arrière, qui comprend, elle aussi, quatre étage de "rack" dans lesquels sont installés cinquante calculateurs ou équipements de radio-communication ou radio-navigation.