Simulateur de vol

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Poste de pilotage expérimental d'un simulateur NASA Un simulateur de vol est un système dans lequel un pilote réel est aux commandes d'un avion virtuel dont le comportement est obtenu par simulation. Ce simulateur est un outil professionnel se présentant sous la forme d'une cabine de pilotage, mobile ou non, actionnée par logiciel, mais il existe aussi des simulateurs de vol en jeu vidéo. Les simulateurs de vol sont largement utilisés par les compagnies aériennes, l'in
Simulateur de vol

Poste de pilotage expérimental d'un simulateur NASA Un simulateur de vol est un système dans lequel un pilote réel est aux commandes d'un avion virtuel dont le comportement est obtenu par simulation. Ce simulateur est un outil professionnel se présentant sous la forme d'une cabine de pilotage, mobile ou non, actionnée par logiciel, mais il existe aussi des simulateurs de vol en jeu vidéo. Les simulateurs de vol sont largement utilisés par les compagnies aériennes, l'industrie aéronautique militaire et civile pour la formation continue des pilotes (nouveau type d'avions ou d'équipements, situations extrêmes, opérations militaires) et développer de nouveaux avions.

Histoire

Le tonneau Antoinette

Les pionniers

Compte-tenu de la difficulté du pilotage, on a eu recours assez rapidement à des « entraîneurs » qui étaient des simulateurs très simplifiés où l'apprenti pilote répétait sur des commandes fictives les manœuvres de base. Dès les débuts de l'aviation on a tenté de restituer les effets aérodynamiques des commandes sur un avion simplifié fixé au sol et placé dans le lit du vent. Un des premiers entraîneurs connu fut le « tonneau Antoinette » construit en France en plusieurs exemplaires par la société de Léon Levavasseur dès 1910. Il comportait un poste de pilotage monté sur rotule et actionné manuellement en lacet, roulis et tangage. Le brevet d'Edwin Link Le premier vrai simulateur de vol fut vraisemblablement le système mis au point par Edwin Link (fabricant d'orgues aux États-Unis) dès 1929 et connu sous le nom de Link Trainer. Il comportait une cabine posée sur un mouvement électro-pneumatique dont les positions répondaient aux commandes du pilote. Un chariot équipé d'un stylet reproduisait sur table traçante le trajet virtuel de l'avion et l'instructeur pouvait donner des ordres à l'élève à l'aide d'un micro. Ce simulateur, très utilisé lors de la Seconde Guerre mondiale essentiellement pour le vol aux instruments, connut diverses évolutions jusque dans les années 1960.

L'approche scientifique

La mise en œuvre de modèles de vol sur calculateurs, analogiques d'abord dès les années 1950 puis numériques, a donné aux simulateurs la possibilité de représenter plus fidèlement le comportement d'un aéronef en vol. Le grand projet Whirlwind du Massachusetts Institute of Technology en 1946 fut de concevoir et mettre au point un calculateur numérique en temps réel nécessaire à un simulateur de vol militaire. Outre la puissance de calcul souvent insuffisante, la restitution visuelle des premiers simulateurs, limitée aux phases de décollage et d'atterrissage, n'était rendue que par le déplacement d'une caméra vidéo survolant mécaniquement une maquette réelle de terrain de grande dimension. Ce n'est que plus tard, au milieu des années 1970, que commencèrent à apparaître des images de synthèse encore très schématiques (sur des moniteurs dits à balayage cavalier) mais qui permettaient un rendu ponctuel très précis des feux de piste, de nuit. Au début des années 1980, la représentation en trois dimensions de surfaces avec ombrage de Gouraud avait une allure plus réaliste mais il a fallu attendre les années 1990 pour voir dans les simulateurs des images de synthèse 3D texturées.

Constitution d'un simulateur de vol

Composants

Un simulateur de vol comporte 2 éléments essentiels : un cœur logiciel et un ensemble matériel nécessaire au pilote pour piloter le simulateur et percevoir les réactions de l'avion virtuel. Soit :
- l'ensemble logiciel qui met en œuvre les modèles numériques :
- le modèle de vol de l'avion simulé,
- les modèles de comportement des équipements,
- les modèles de l'environnement,
-
- l'atmosphère et son évolution,
-
- les bases de données nécessaires aussi bien en vol à vue qu'en vol aux instruments,
-
- les modèles nécessaires aux scénarios comme le trafic, les échanges radio, les incidents, etc.
-
- les outils d'enregistrement des données de simulation nécessaires pour l'utilisation qui est faite du simulateur (étude ou entraînement).
- l'ensemble matériel qui comporte :
- les dispositifs d'entrée des commandes avec éventuellement des retours d'effort haptique,
- les dispositifs de visualisation des instruments et de l'environnement extérieur,
- les dispositifs de restitution sonore,
- les dispositifs de restitution de mouvement (ou proprioceptifs). Que le simulateur soit professionnel ou non, on retrouvera toujours plus ou moins cette structure. On dira que le simulateur est à base mobile si le dispositif matériel 4 existe, sinon on parlera de simulateur à base fixe.

La restitution visuelle

- problématique
- les solutions existantes
- projection
- système collimaté
- casque

La restitution des mouvements

Pour piloter, le pilote doit percevoir les mouvements de l'avion dans l'espace : cette perception se fait par l'observation visuelle à l'extérieur du cockpit (ligne d'horizon, pente, dimension des objets au sol), à l'intérieur par la lecture des instruments de vol mais aussi grâce aux sensations des capteurs humains comme ceux de l'oreille interne qui fonctionnent comme des accéléromètres. Le simulateur idéal doit donc restituer ces deux aspects....
- les solutions
- système à 3 degrés de liberté
- hexapode
- le futur : Desdemona

Les différents simulateurs de vol

Les simulateurs de vol professionnels

Ils sont utilisés soit pour les études, soit pour l'entraînement et leur constitution dépend souvent de leur utilisation.

Simulateurs d'études

- outil de prototypage à différents stades du développement d'un nouvel avion,
- pour un même avion, il est souvent nécessaire de développer différents simulateurs. Par exemple :
-
- pour l'évaluation du concept et le dimensionnement : le simulateur sera réduit à un cockpit à base fixe et où certains sous-systèmes seront non fonctionnels,
-
- pour la mise au point des calculateurs de bord : simulateur fréquemment à base fixe sans visuel extérieur élaboré,
-
- pour la préparation au premier vol : simulateur d'intégration avec mouvement et visuel extérieur où tous les systèmes sont représentés. C'est ce simulateur qui, une fois calibré sur l'avion réel, servira de référence pour les simulateurs de formation adaptés à ce modèle d'avion.
- outil d'études sur le comportement des pilotes, l'ergonomie ou plus généralement pour l'étude des facteurs humains

Simulateurs de formation/entraînement

Contrairement à ce qu'on pourrait penser, le simulateur n'est pas utilisé pour l'apprentissage du pilotage mais pour des entraînements très spécifiques destinés à un personnel déjà pilote :
- l'objectif principal est pour l'élève d'acquérir la connaissance d'un nouvel avion, des procédures très strictes à suivre dans telle ou telle phase du vol et de vérifier la connaissance des consignes en cas de difficultés : le personnage important derrière le simulateur est 'instructeur'.
- ces simulateurs sont classés en diverses catégories selon le type de formation auquel il s'applique (Phase I, II ou III) : pour que la formation suivie sur simulateur soit validée officiellement, le simulateur doit être certifié, par exemple par la DGAC en France ou la FAA aux États-Unis.
- ces simulateurs sont généralement implantés dans des centres de formation ou dans les compagnies aériennes pour les avions civils.

Les simulateurs en jeu vidéo

FlightGear simulant l'intérieur d'un cockpit d'un C-172. Les simulateurs de vol ont été parmi les premiers types de logiciel de simulation développé pour les ordinateurs individuels. Le simulateur Sublogic de Bruce Artwick était connu pour les fonctionnalités qu'il arrivait à obtenir sur les machines 8 bits. Un type populaire de simulateur de vol est le simulateur de vol de combat, comprenant les séries tel que Aces High ou Fighter Ace. Au début des années 2000, les simulateurs de vol grand public, conçus principalement pour se divertir, deviennent si réalistes qu'après les évènements du 11 septembre 2001, quelques journalistes et experts ont spéculé sur le fait qu’il était possible pour les pirates de l'air d’avoir acquis assez de connaissance dans le maniement d’un avion de ligne en utilisant Microsoft Flight Simulator. Tout en réfutant de telles critiques, Microsoft retarda la sortie de la version 2002 de son simulateur pour supprimer le World Trade Center sur la carte de New York et pour rectifier les anciennes versions de la simulation en fournissant un patch. Lorsque ces simulateurs sont ouverts pour permettre d'ajouter ses propres créations, beaucoup d'utilisateurs deviennent « créateur d'avion » en réalisant, à l'aide de logiciels de modélisation 3D, des modèles d’avions militaires ou d'avions de ligne. D'autres créent des versions personnelles et virtuelles basées sur de vrais avions de ligne, ou même des décorations virtuelles de compagnies fictives comme Virtual Delta, Mexicana de Aviacion Virtual, Virtual Aeroflot, Viasa Virtual, et d’autres, que l’on peut trouver sur Internet. En plus du pilotage virtuel, beaucoup d'utilisateurs découvrent le « trafic aérien en ligne » : lorsque les pilotes et des contrôleurs du trafic aérien virtuels jouent ensemble en temps réel pour simuler un véritable trafic. Il existe plusieurs réseaux, dont les plus populaires sont :
-IVAO
-
VATSIM Parmi les simulateurs les plus connus pour ordinateurs personnels, on peut citer :
-FlightGear, un simulateur de vol sous GPL avec une quantité importante de paysages du monde, de modèles d’avion et de ressources en général
-Flight Unlimited, une série de simulateurs de vol sur PC
-Fly!
-Lock On
-Falcon 4.0, un simulateur de vol militaire du F-16 Fighting Falcon, dont certaines sous-versions ont un réalisme extrêmement poussé.
-Flanker 2.0
-IL-2 Sturmovik, un des principaux simulateurs de vol portant sur la période de la Seconde Guerre mondiale.
-Microsoft Flight Simulator, le simulateur de vol civil le plus connu
-X-Plane, un simulateur de vol civil original pouvant être utilisé pour la formation et le seul à être certifié par la FAA. Si ces simulateurs se focalisent sur le vol motorisé, d'autres tels ou s'attaquent au vol à bord de planeurs et mettent l'accent sur les modèles aérologiques. On peut citer également le simulateur de vol de montgolfière . Beaucoup plus rares sont les simulateurs de vol disponibles pour les différentes consoles de jeu. Le plus connu est Pilotwings disponible pour Super Nintendo et sa suite Pilotwings 64 pour la console Nintendo 64. En raison de la difficulté à représenter un environnement complexe et les limitations de traitement de tel système informatique, les simulateurs de vol pour consoles tendent jusqu'à présent à être simplistes et à conserver, au niveau des sensations de pilotage, un côté « arcade », mais néanmoins, ils visent à recréer le plus fidèlement possible un vol.

Simulateurs de vol spatial

:Voir l'article principal : Simulateur de vol spatial L'espace étant un prolongement logique de l'espace aérien, les simulateurs de vol spatial peuvent être considérés comme un prolongement du genre. Ces deux genres de simulateurs se rejoignent parfois, car quelques simulateurs de vol comme X-Plane comportent des extensions pour utiliser des vaisseaux spatiaux. Cependant les simulateurs de vol spatial mettent plus l’accent sur le réalisme du rendu de la haute atmosphère et des voyages interplanétaires. Comme simulateur de vol spatial pour ordinateurs personnels, on peut citer :
-Microsoft Space Simulator
-Orbiter, un gratuiciel

« Faites vous-même votre poste de pilotage ! »

Pour une meilleure mise en situation, certains amateurs, utilisateurs de ce type de simulateur, n'hésitent pas à construire eux-même un poste de pilotage similaire à celui d'un avion réel. Pour cela on trouve même dans le commerce des panneaux complets d'instruments fonctionnels ayant tout à fait l'aspect des instruments réels. L'auteur de l'un de ces projets, visant à reconstruire un Boeing 747 a mis en place un site Internet pour expliquer les étapes de la réalisation . De tels simulateurs utilisent généralement un des logiciels présenté précédemment. Ces simulateurs "privés" permettent à leur développeur d'approcher et de toucher au plus prêt le pilotage de simulateurs professionnels. Par exemple : , ou . Un site très didactique, , créé en 2003 par Claude Kieffer, expose à la fois la technique et la pratique de la construction d'un cockpit pour Flight Simulator.

Les attractions de parcs à thèmes

Les parcs à thèmes et de loisirs ainsi que les fêtes foraines recourent pour certaines de leurs attractions à des systèmes dynamiques appelés à tort «simulateurs de vol» bien que conçus avec des technologies identiques: la différence essentielle provient du fait que dans ce cas, il n'y a aucune interaction entre les passagers et la scène présentée. L'ensemble des mouvements de la plateforme est pré-enregistré et activé de façon synchronisée avec le film. Les passagers en nombre beaucoup plus important (parfois plus de 50 places) restent passifs et ne peuvent pas modifier le parcours simulé.
-La société américaine Disney a par exemple développé dès 1986 cette technologie pour les attractions Star Tours et Body Wars ou en 2002 pour Mission : Space, un simulateur de vol spatial incluant l'effet d'apesanteur, conçu avec l'aide de la NASA. Disney utilise également des principes plus simples comme des fauteuils suspendus au dessus d'un écran avec un déplacement d'air augmentant le réalisme de la simulation (Soarin' Over California).
-Universal Studios, société concurrente de Disney, a présenté dans ses parcs en Floride et en Californie, une technologie comparable basée sur des plateformes mobiles pour l'attraction Back to the Future: The Ride, qui simule le déplacement d'une voiture volante à travers le temps et l'espace.
-La Cité des sciences et de l'industrie à Paris avec Cinaxe attraction conçue à partir de matériel provenant de simulateur aéronautique, propose également un vol avec différents thèmes (par exemple: le maléfice de Toutankhamon; l'île mystérieuse) incluant des images en 3D.

Voir aussi

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Sujets connexes
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