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2/35 BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SESSION 2009 Série S - Sciences de l’Ingénieur Compos

2/35 BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SESSION 2009 Série S - Sciences de l’Ingénieur Composition écrite de Sciences de l'Ingénieur Durée 4 heures, coefficient 4 ÉTUDE D’UN SYSTEME PLURITECHNIQUE Sont autorisés les calculatrices électroniques et le matériel nécessaire à la représentation graphique. Aucun document n’est autorisé. Actionneur de commande du plan horizontal arrière réglable de l’Airbus A380 SOMMAIRE : Présentation : pages 3 / 35 à 11 / 35 Travail demandé : pages 12 / 35 à 22 / 35 Documents techniques : DT1, DT2, DT3, DT4, DT5, DT6, DT7 Documents réponses : DR1, DR2, DR3, DR4, DR5, DR6 3/35 Le sujet est composé de 4 parties indépendantes pouvant être traitées dans l’ordre souhaité. Le dossier « questions » comporte 11 pages numérotées de la page 12/35 à 22/35. Il est conseillé de consacrer à chacune des parties les durées suivantes : Lecture des documents 40 minutes Partie I : Identification des principes de transformation de mouvement et des efforts mis en jeu 45 minutes Partie II : Détermination de caractéristiques techniques du système à travers l’étude de fonctions 60 minutes Partie III : Vérification des caractéristiques et des performances de l’actionneur 60 minutes Partie IV : Étude de la solution constructive : Fixation du THSA au fuselage 35 minutes 4/35 Problématique générale L’évolution croissante du trafic aérien impose de disposer d’avions d’une part de gabarit important, et d’autre part à coûts d’achat, d’entretien et d’exploitation réduits. Désormais, un des défis des constructeurs d’avions commerciaux est de parvenir à réduire dans le respect des limites de sécurité, les exigences énergétiques, le poids et le coût des systèmes d’équipement. C’est dans ces conditions qu’ils pourront correspondre aux attentes du marché de demain. L’Airbus A380 répond à ces différents besoins (voir document technique DT1). Commandes de vol En vol, un avion évolue autour de trois axes de référence (figure n° 1) : - l’axe de tangage, suivant lequel il se lève ou pique du nez, rotation autour de l’axe € G,  X ( ) ; - l’axe de roulis suivant lequel il s’incline sur une ou sur l’autre de ses ailes, rotation autour de l’axe € G,  Y ( ) ; - l’axe de lacet suivant lequel il dirige son nez vers la gauche ou vers la droite, rotation autour de l’axe € G,  Z ( ). Figure n° 1 En pratique, on distingue deux types de commandes de vol : - les commandes de vol primaires qui permettent de contrôler l’évolution de l’avion autour de ces axes de référence : les ailerons et les spoilers pour le roulis, la gouverne de direction pour le lacet, les gouvernes de profondeur pour le tangage (exemple : plan horizontal arrière) ; - Les commandes de vol secondaires qui permettent de modifier la configuration aérodynamique de l’avion : hypersustentateurs (volets et becs) pour la portance ; les spoilers pour la trainée. Différents actionneurs réalisent la fonction de positionnement des gouvernes, à sources de puissance électrique ou hydraulique et à transmission de signaux électriques ou mécaniques. Axe X Axe Y Axe Z G 5/35 Plan horizontal arrière réglable Le plan horizontal arrière assure l’équilibre en tangage de l’appareil. Il se situe à l’extrémité arrière du fuselage (figure n° 2). Il est en liaison pivot avec le fuselage arrière. En vol l’équilibre longitudinal de l’appareil change continûment (vitesse, masse, chargement), le plan horizontal arrière doit alors pouvoir prendre une incidence variable, comprise entre +2° et -10° sur l’airbus A380. Le plan horizontal arrière réglable est appelé THS (Trimmable Horizontal Stabilizer). Actionneur du plan horizontal arrière réglable Cet actionneur est appelé THSA (Trimmable Horizontal Stabilizer Actuator) (figure n° 3). Le THSA a pour fonction d’assurer le positionnement angulaire du plan horizontal arrière en fonction des ordres venant soit du pilote (levier de commande), soit du calculateur de l’appareil (vol automatique). Il doit en outre maintenir le plan horizontal arrière en position en cas de défaillance. Il réalise une fonction de vérin linéaire. L’une de ses attaches est reliée à la structure avion et l’autre au plan horizontal arrière. Le THSA reçoit de l’appareil de la puissance et des ordres de commande et lui retourne les informations nécessaires à l’asservissement du plan horizontal arrière et à la surveillance du THSA. Présentation du THSA Le THSA possède trois fonctions principales : - attache structurale au fuselage ; - irréversibilité ; - réglage angulaire du plan horizontal commandé par les calculateurs de vol. Il comporte une fonction structurale assurée par un ensemble de vis à billes muni de son dispositif d’irréversibilité à friction, une transmission de puissance réalisée au moyen d’une boite à pignons, deux modules hydrauliques fonctionnant à une pression de 350 bar et un canal électrique en redondance (en cas de double panne hydraulique) constitué d’un moteur avec son électronique de puissance. Conçu sous forme de modules pouvant être remplacés directement sur l’A380 sans dépose du système, le THSA est le plus gros actionneur de plan horizontal réglable jamais construit pour une application civile. α + 2° - 10° 2° Figure n° 2 Plan horizontal arrière réglable Figure n° 3 6/35 Quelques chiffres sur le THSA : Masse : 400 kg Longueur totale : 3 m Diamètre de la vis à billes : 110 mm Cadence livraisons : THSA A380 : 7 en 2007 – 17 en 2008 – en 2009 (voir carnet de commande A380) Positionnement du THSA sur l’A380 Le THSA se situe au niveau de l’empennage arrière (queue de l’appareil). La figure n° 4 montre sa localisation sur l’appareil. Figure n° 4 Localisation du THSA sur l’A380 7/35 Implantation du THSA dans le fuselage de l’appareil La figure n° 5 représente l’implantation du système étudié dans le fuselage arrière (empennage) de l’appareil. Figure n° 5 Principe de fonctionnement du THSA Le principe de fonctionnement du THSA est représenté sur le schéma technologique simplifié (figure n° 6 et figure n° 7). L’ensemble de motorisation du THSA (moteurs hydrauliques et/ou électrique) transmet un mouvement de rotation à la vis à billes par l’intermédiaire d’un réducteur à engrenages. L’écrou en translation actionne alors le plan horizontal arrière par l’intermédiaire d’une bielle. La bielle fixée sur le plan horizontal arrière (liaison complète) actionne le plan horizontal. Le plan horizontal arrière, en liaison pivot par rapport au fuselage, possède un débattement angulaire de 12° (-10° ≤ α ≤ +2°). Liaison bielle/THSA Liaison fuselage/THSA Plan horizontal arrière réglable Empennage A380 Bielle 8/35 Structure du THSA Le THSA est constitué : (figure n° 8 page 9/35) - d’un système de transformation et de transmission de mouvement vis écrou à billes ; - de deux moteurs hydrauliques et d’un moteur électrique ; - de deux butées de fin de course mécanique (supérieure et inférieure) ; - d’une double attache au plan horizontal arrière et au fuselage ; - d’une boite de transmission de puissance comportant : o un système d’irréversibilité qui permet au THSA de maintenir le plan horizontal arrière en position : le NoBACK, o un circuit hydraulique ou électrique dédié à la commande et au contrôle de la puissance, o un réducteur à engrenages ; - d’un boitier électronique servant d’interface entre l’avion et le THSA ; - de deux capteurs pour le contrôle de la boucle d’asservissement en position du THSA. -10° Figure n° 7 Figure n° 6 α 9/35 Figure n° 8 Structure de la commande de vol La figure n° 9 montre la structure globale de la commande de vol agissant sur le THSA. Figure n° 9 L’Airbus A380 utilise de plus en plus des systèmes électriques et les progrès en électronique de puissance permettent la mise en œuvre de conversions d'énergie performantes et fiables. Cette utilisation croissante de l'électricité dans ce domaine d'application est motivée notamment par une réduction de masse de l'appareil et une simplification des réseaux hydrauliques lourds et contraignants en terme de maintenance. Cardan d’attache du THSA au plan horizontal Moteurs hydrauliques - électrovannes Cardan d’attache du THSA au fuselage Butée mécanique élastomère Vis / écrou à billes NoBack Moteur électrique Réducteur à engrenages F.C.C. (Fligh Control computer) Cockpit Calculateur autopilote Ordres actionneur Capteur boucle actionneur Autopilote Capteur boucle avion Ordres pilote 10/35 L'architecture type d'un avion de cette catégorie fait intervenir 2 circuits hydrauliques (H1 et H2) et deux réseaux électriques (E1 et E2) complètement indépendants. Circuits hydrauliques La génération hydraulique est obtenue par des pompes entraînées par les réacteurs. Par souci de sécurité, les deux circuits sont totalement indépendants et les pompes d'un même circuit sont placées du même côté de l'avion. Circuits électriques La génération du réseau alternatif triphasé à fréquence variable est assurée par 4 VFG (Variable Frequency Generator) directement accouplés sur l'étage haute pression de chaque réacteur. L'excitation de l'alternateur est commandée de façon à obtenir une tension efficace de sortie Va régulée de 115/200 V alternative. La fréquence du réseau est de 400 Hz et peut varier entre 390 Hz et 800 Hz environ. Schéma architectural du THSA Le schéma architectural (figure n° 10) reprend les différents modules constituant le THSA (seule la voie électrique est représentée). Les efforts uploads/Ingenierie_Lourd/ bac-ssi-2009-actionneur-commande-vol-a380.pdf