Petite reprise d’activité sur le blog…

Je suis occupé à d’autres travaux, mais je ne résiste pas à l’idée de partager ces modestes connaissances sur le flutter, sujet qui, bien qu’étant lié essentiellement au domaine des essais en vol, et à des exploitations d’aéronefs en dehors de leur domaine de vol, peut apparaître dangereusement durant l’exploitation d’un appareil dans et hors de son domaine de vol à l’occasion d’un événement particulier, ou dans une configuration spécifique.

Le Breguet 904 dans toutes ses versions est un planeur qui a été sujet au flutter. Les incidents et accidents ont conduit à des modifications de la cellule, mais le problème reste latent, car aucune étude complète des modes propres de la cellule ne semble avoir été faite, étude qui aurait inévitablement conduit à des équilibrages précis de la chaîne incriminée: le gauchissement.

Après une explication sommaire du phénomène, et de ces conditions d’apparition, nous aborderons le sujet de manière générale et non centrée spécifiquement sur le Breguet 904, au travers des trois domaines que sont : l’influence de la maintenance, les modifications réalisées sur nos appareils lors de diverses visites au niveau local ou au niveau industriel (grandes visites) et enfin les conditions d’exploitation en vol.

Généralités sur le phénomène

Le rapport d’accident de l’avion de voltige prototype « Intégral » de la société Aura Aéro, montre qu’un flutter sévère peut aujourd’hui encore conduire à la perte irrémédiable d’un aéronef en quelques dixièmes de secondes. Pour mémoire, l’objet de la mission était l’ouverture du domaine de vol en facteur de charge de 5 G à 7,5 G en biplace, il n’y a pas eu de dépassement de la VNE (Velocity Never Exceed, ou vitesse à ne jamais dépasser) ni du facteur de charge prévu (voir rapport en 3ème référence). Le fait que cet exemple concerne un avion léger en essais ne doit pas signifier que les aéronefs plus importants soient épargnés du danger qui peut à tout moment et sournoisement impacter un appareil construit en série, bien plus lourd et rapide.

Rencontré, connu et redouté des équipages d’essais, le flutter peut aller de la simple vibration à des degrés beaucoup plus sévères. Il aura fallu plusieurs décennies pour que le phénomène soit bien compris et analysé et ce n’est que peu de temps avant la seconde guerre mondiale que les remèdes commencèrent à être connus.

Le terme flutter désigne le flottement structurel d’un aéronef pouvant conduire à des vibrations sans conséquences. S’il est possible de l’arrêter à temps, il peut aller de dommages structuraux sans conséquence à des degrés plus ou moins importants jusqu’à destruction de la cellule dans les cas extrêmes.

La structure se déforme et « flotte » à la manière d’un drapeau du fait de l’énergie cinétique captée et restituée par la cellule. La captation peut se faire via les gouvernes (sur les trois axes et via les dispositifs hypersustentateurs) et être favorisé par le manque de rigidité de la structure. L’énergie captée est toujours amortie. Mais si le système en reçoit plus qu’il ne peut en dissiper, cela se traduira par une succession de déformations structurales qui peuvent être variées en fonction des degrés de libertés laissés par la cellule. Ainsi, on pourra voir des ailes, fuselages et empennages battre, se tordre, se vriller, engendrant une instabilité pouvant aller jusqu’à l’apparition d’un phénomène très brutal et explosif (dislocation soudaine en vol de la cellule), à l’instar de la destruction en vol par flutter d’un C.201 Marianne au Puy en Velay en 2010,dont j’ai extrait ci-dessous deux photos évocatrices des conséquences d’un flutter sévère (rapport en 4ème référence).

Le flutter est extrêmement complexe à décrire et à analyser. Du reste, il faudrait non pas un simple article mais un livre entier pour décrire et aborder ce sujet dans son ensemble. Le flutter fait intervenir outre des notions d’aérodynamique auxquelles s’ajoutent les notions de résistance des matériaux et de rigidités structurales. A noter que les deux exemples schématisés plus loin dans cet article ne sont pas exhaustifs et en fonction de la configuration et des conditions de nombreuses variantes demeurent possibles.

Il est important que les spécialistes navigants ou non, œuvrant sur aéronefs ne perdent pas de vue ce danger qui sournoisement peut apparaître alors que l’on s’y attend le moins.

Quelques conditions d’apparition du flutter sur des appareils certifiés

Une structure d’aéronef est un subtil équilibre où la répartition des masses, les rigidités locales, les frottements dans les commandes de vol, et les degrés de liberté du système jouent un rôle permettant à l’ensemble de tenir sur le domaine de vol de l’aéronef, c’est à dire à des vitesses et des facteurs de charge connus.

Dès lors que l’équilibre est modifié, ou que l’on explore l’appareil hors de l’enveloppe du manuel de vol, les conditions d’apparition du flutter peuvent se trouver réunies.

Comme nous avons commencé à l’évoquer plus haut, l’apparition du phénomène peut aller de quelques vibrations qui peuvent cesser dès lors que l’on ralentit la machine (diminution de l’énergie cinétique transmise à la cellule), à une apparition soudaine. Dans des cas brutaux mais non explosifs, sur des appareils à commandes de vol directe, il n’est pas possible de tenir la commande impactée – y compris aux pieds s’il apparaît au niveau de la gouverne de direction.

Malgré les campagnes d’essais et les moyens de calcul disponibles, il est possible de retrouver le phénomène de flutter sur des appareils certifiés, en particulier en cas de dégradation de la cellule ou de modification des conditions d’équilibre validées par le constructeur.

Et cela peut arriver à tout type d’appareils, l’histoire retiendra le premier vol du De Havilland Comet sur lequel on avait posé les premières servocommandes irréversibles. Les ingénieurs n’ont pas prêté attention aux conditions d’équilibrage des gouvernes « car il y avait des servocommandes irréversibles! », le flutter est apparu dès le décollage l’appareil… 

A noter que cet incident peut également avoir été causé par un défaut de rigidité structurale de l’ensemble.

Influence de la maintenance

Les connaissances détenues par le personnel en charge de l’entretien de tout parc aérien doivent être suffisantes pour que ces derniers soient correctement informés du danger et des risques pris. En effet, un personnel négligeant ou plus simplement ignorant du subtil équilibre nécessaire pour repousser les limites d’apparition du phénomène, pourra, sans le vouloir, créer par ses actions des conditions d’apparition favorables du flutter.

Dans les paragraphes qui suivent nous vous proposons de balayer quelques points d’attention au profit des techniciens.

Opérations sur les commandes de vol

On ne le répétera jamais assez : les opérations sur les commandes de vol devront être réalisées avec le plus grand sérieux et les spécifications portées dans la documentation de maintenance devront être scrupuleusement respectées.

Les contrôles sont très importants, et doivent là aussi être réalisés avec la plus grande rigueur.

Vibrations cellule reportés par un équipage

Les cas de vibrations cellule inhabituels reportés par les équipages doivent être pris là aussi très au sérieux, et traités avec soin (qu’il s’agisse d’un mauvais réglage cellule ou de véritable flutter), d’autant qu’ils ne sont pas reproductibles au sol. La tentation peut être grande de remettre en service un appareil après une simple inspection de la structure sans chercher plus loin les causes racines du phénomène. Il conviendra alors de ne pas hésiter à pousser les investigations et de ne remettre en ligne qu’un appareil pour lequel on est certain d’avoir découvert l’origine réelle du phénomène (qui peut être aussi bien un défaut de fixation d’un élément qu’un problème sur les commandes de vol ou autre).

Modification des masses des gouvernes

Cas d’un aileron non équilibré dont la masse se trouve derrière l’axe de charnière.

L’axe central matérialise la corde d’aile à l’emplanture (profil non représenté). Une perturbation initie le mouvement, l’aile monte, l’aileron se baisse par inertie accroissant de fait le mouvement. Arrivé à une position extrême de l’aile, les efforts structuraux ramènent l’aile à sa position initiale, l’aileron bascule en sommet de courbe dans la position inverse, le mouvement se poursuit et est amplifié jusqu’à rupture de la structure. – Infographie C. P-D

Corps étrangers

Aucun corps étranger ne doit être toléré en particulier dans les bords de fuite des gouvernes.

L’emploi des aéronefs en conditions désertiques peut contribuer à « charger » l’appareil en sable, ce qui modifie ici encore les équilibrages et la masse de la structure. Il est recommandé de bien nettoyer les caissons accessibles et de veiller autant que possible à ce que les gouvernes soient exemptes de corps étrangers.

Attention à ne pas boucher pour autant les trous d’évents présents au prétexte d’éviter ce phénomène car ceux-ci ont également un rôle important dans la sauvegarde de la structure.

Peinture et « covering »

Il est nécessaire de porter une attention toute particulière aux gouvernes lorsque celles-ci sont recouvertes par une couche de peinture ou d’un film type « covering » à l’occasion de manifestations particulières. Les masses et l’équilibrage s’en trouvent modifiés et il faut en tenir compte avant de remettre en service l’appareil. Le danger survient lorsque le centre de gravité de la gouverne se déplace vers son bord de fuite, derrière l’axe de charnière.

Aussi, on n’hésitera pas à procéder à la pesée des diverses gouvernes impactées par la décoration afin de s’assurer que l’appareil reste dans des tolérances acceptables de la documentation de maintenance.

Réparations des gouvernes

Les réparations effectuées sur une gouverne suite à un impact, ou autre dommage génèrent un accroissement de masse et modifient son centre de gravité. A l’instar de ce que nous venons de voir dans le paragraphe précédent, on n’hésitera pas à refaire les pesées indispensables au contrôle de l’équilibrage de la gouverne réparée.

Les travaux de décapage des ailerons du FV ont révélé de nombreuses réparations du mauvais côté de l’axe de charnière qui en alourdissant la gouverne favorisent les forces d’inertie qui pourraient conduire à l’apparition de flutter. Une reconstruction complète des ailerons sera réalisée afin de retrouver un équilibrage optimal.

Réparations des gouvernes

Les réparations effectuées sur une gouverne suite à un impact, ou autre dommage génèrent un accroissement de masse et modifient le centre de gravité de la gouverne. A l’instar de ce que nous venons de voir dans le paragraphe précédent on n’hésitera pas à refaire les pesées indispensables au contrôle de l’équilibrage de la gouverne réparée.

Usure de la cellule

La cellule d’un appareil vieillit. Les points suivants seront à contrôler attentivement :

Accroissement des jeux

L’accroissement des jeux au niveau des tabs et volets de compensation sont susceptibles de s’accentuer et de générer avec le temps du flutter. Il convient de ne pas laisser lors des contrôles usuels de l’appareil des jeux trop importants au niveau de ces organes.

Friction d’une chaîne de commandes

Lorsqu’un système est « dur » des recherches sont immédiatement entreprises pour détecter l’interaction qui génère cette sensation. Un comportement similaire doit être adopté par les mécaniciens car l’absence de friction suffisante qui peut conduire à introduire une modification propre à générer du flutter dans l’équilibre du système. Les contrôles de friction réalisés dans le cadre des visites journalières sont généralement subjectifs et toute anomalie devra être traitée avec sérieux que ce soit dans le cas d’une chaîne trop ou pas assez souple.

A noter que sur certains appareils des dispositifs générateurs de friction ont été posés avec plus ou moins de succès afin de lutter contre les phénomènes de flutter. Ces dispositifs équipent souvent des appareils anciens, on le trouve sur des appareils comme les Morane-Saulnier MS 230 de 1929 ou encore sur les planeurs Breguet 904s qui ont été sujets au flutter d’ailerons.

La modification STAé – 39.424 – Durcissement des ailerons telle qu’appliquée sur le Br 904s n°12 F-CCFV. le dispositif de friction composée de deux rondelles fibre collées sur une face permet de modifier les frottements dans la chaîne et donc théoriquement de réduire la capacité de la chaîne de gauchissement d’entrer en flutter.

Tension des câbles de commandes

L’apparition de flutter suite à une tension insuffisante des commandes de vols est un grand classique et a déjà conduit à un accident mortel et à l’arrachage d’un aileron en vol (voir accidents sur Jodel.112 en 1955 et 1956 qui ont conduit à une étude approfondie du phénomène par l’ONERA (Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales) dont la vidéo est présentée ci-dessous).

Des jeux apparaissent notamment sur la chaîne de commandes de vol et il convient de porter une attention particulière à ceux-ci.

Il faut en effet savoir, notamment sur les appareils disposant de chaînes directes, que les frottements et résistances diverses contribuent aux conditions d’équilibre de l’ensemble.

On respectera et l’on n’oubliera pas de réaliser les reprises de tension de commandes à câbles en fonction des températures et des saisons conformément à la documentation en vigueur afin d’éviter toute problématique.

Blocage des commandes au sol

Sur les appareils dotés de commandes non asservies par des servocommandes, il conviendra de mettre en place les dispositifs adéquats de blocage des gouvernes afin d’éviter les battements de gouvernes au gré du vent. En effet outre les risques encourus par les butées et charnières, l’appareil est susceptible d’entrer en flutter au sol par la simple action des rafales de vents.

Bien que rarissime, ce phénomène est très proche de ce qui a été observé et filmé lors de la chute du pont de Tacoma le 7 novembre 1940 (voir vidéo ci-dessous).

Modifications

L’impact des modifications touche autant les équipages que les mécaniciens.

Par nature et bien qu’étudiée en amont par le DCT (Détenteur du Certificat de Type – qui est généralement le constructeur – ), une modification est susceptible de transformer les caractéristiques de l’appareil, et donc de déplacer légèrement les conditions d’apparition du phénomène.

Tout au long de la vie des appareils des modifications sont appliquées aux cellules. Dans ce cadre, un principe de non régression est appliqué, c’est à dire que l’on s’assure que la modification ne porte pas atteinte aux systèmes et n’obère pas les performances et capacités déjà existantes de l’appareil.

Si l’on se concentre sur le domaine qui nous intéresse, les essais physiques de vibration de l’avion dans cette configuration particulière ne sont pas réalisés. En effet, ces essais sont extrêmement coûteux, et nécessitent des moyens importants et rares. En France, c’est l’ONERA, qui détient les savoir-faire et les matériels nécessaires à la mise en œuvre de tels essais. Ils sont mis en œuvre sur les prototypes et permettent notamment de déterminer les mesures de lutte dont la plus emblématique est la mise en place de masses d’équilibrages à adopter pour les gouvernes. Seuls des calculs sont effectués, et malgré les moyens importants disponibles et les grands noms de nos constructeurs, il peut encore demeurer des « trous dans la raquette » compte tenu de la complexité du phénomène.

L’objet de cette représentation est de faire comprendre que lorsque l’on défrade l’intégrité d’une cellule, on peut malencontreusement favoriser l’apparition de flutter avec pour conséquence directe une restriction du domaine de vol dont on a pas nécessairement conscience, ce qui peut s’avérer dangereux sur des aéronefs réputés sains.

Généralement, les modifications importantes sont réalisées en grande visite, et un vol de réception sera réalisé avant la mise à disposition de l’utilisateur. Il n’en est pas de même avec les « petites » modifications qui sont réalisées directement au pied de l’avion, et pour lesquelles les équipages habituels assurent directement la réception.

Attention, il faudra bien garder à l’esprit qu’un essai de réception ne garantit pas tout, il ne s’agit pas d’un programme complet d’essais en vol. Le flutter peut insidieusement apparaître plusieurs dizaines d’heures de vols après remise en service de l’aéronef, dès lors que toutes les conditions sont présentes (centrage, masse, conditions atmosphériques, altitude et attitude d’évolution, spécificités liées à la fabrication et à la vie de l’appareil, régime moteur, etc.).

Conditions d’exploitation en vol

Les conditions d’emploi favorables à l’apparition du flutter en vol sont détaillées ici, elles sont complémentaires aux éléments fournis dans le cadre de modifications et de la maintenance. Ce chapitre intéressera plus particulièrement les équipages.

Conditions d’emploi extrêmes ou dégradation de la cellule accidentelle

Un accident peut également affecter la structure et générer l’apparition de flutter conduisant à des difficultés de pilotage voire à une perte irrémédiable de l’appareil. Le risque apparaît si l’on sort du domaine de vol (voir paragraphe plus bas) ou si la structure est dégradée par une collision volatile par exemple, générant de fait des modifications des équilibres et réduisant la raideur de celle-ci.

Cas d’une extrémité de voilure manquant de rigidité.

L’axe central matérialise la corde d’aile à l’emplanture (profil non représenté). L’aile est soumise à un couplage inertiel à une torsion par défaut de rigidité structurale. Le mouvement est initié par une perturbation quelconque (turbulence par exemple). A chaque mouvement vers le haut la masse représentée par un rond noir et située derrière « l’axe élastique » de l’aile génère une augmentation d’incidence générant un accroissement de la portance. L’énergie cumulée est restitué par la structure qui tend à revenir à sa position initiale. Un mouvement vers le bas se produit alors et la même chose se produit : l’oscillation est alors amplifiée jusqu’à rupture.

Un accident survenu sur un planeur ASW 20 F illustre le fait que la simple perte d’une bande de recouvrement sur un aileron a généré un flutter suffisamment sévère pour conduire à la rupture de la commande de gauchissement¹.

Givrage

En vol le givrage des têtes de vis et des éléments situés sur une gouverne compensée peut générer un déplacement du centre de gravité, c’est à dire une modification de l’équilibrage des gouvernes et in fine permettre l’apparition de flutter.

Sortie du domaine de vol

Il conviendra de respecter le domaine de vol de l’appareil. Flirter avec les limites peut avoir des conséquences dramatiques car il peut arriver de dépasser celles-ci. Si dans la grande majorité des cas, cela n’a aucune conséquences autre qu’une vérification détaillée de la structure par les équipes de maintenance, il peut arriver qu’en un instant on ne maîtrise plus rien. Ainsi, outre le cas généralement bien connu de dépassement de la VNE, on se méfiera des dépassements de facteurs de charge et des vols à très haute altitude pour lesquels la VNE évolue défavorablement et dont la prise en compte est difficile sur les aéronefs légers.

Rupture d’un élément de la chaîne de commande

La chaîne de commandes de vol peut venir à se rompre ou se désolidariser mécaniquement suite à une avarie ou à une erreur de maintenance (mauvais montage). Ces cas doivent être pris très au sérieux et l’on tendra à ralentir l’appareil autant que faire se peut afin de ne pas permettre à la chaîne d’entrer en flutter.

Conclusion

Bien qu’il soit rare, il est opportun de rappeler les dangers de ce phénomène tant au bénéfice des mécaniciens que des équipages afin d’éviter autant que possible son apparition et de permettre d’en faciliter également la compréhension et le diagnostic. Ainsi, nous avons vu que le phénomène pouvait apparaitre dans des conditions de vol à priori normales (dans le domaine de vol reconnu) pour les diverses raisons évoquées que sont les défauts de maintenance, les modifications, ou enfin les défaillances en vol.

Parce que ça n’arrive pas qu’aux autres, il faut donc demeurer très prudent et ne pas prendre pour acquis le fait que le flutter n’apparaitrait qu’en dehors du domaine de vol.

Références

1/ 1973 – Stender – Mesures pratiques d’évaluation et de prévention des risques de flutter sur les planeurs et les petits avions.

2/ 1975 – Louis Bonte – L’Histoire des Essais en Vol – page 81 – Docavia n°3 – Edition Larrivière.

3/ Rapport d’enquête de sécurité C-2022-06A https://www.defense.gouv.fr/sites/default/files/bea-e/Rapport%20d%27enqu%C3%AAte%20de%20s%C3%A9curit%C3%A9%20C-2022-06-A.pdf

4/ Rapport d’enquête du BEA de 2011 – Accident du planeur survenu le 1er août 2010 planeur immatricule F-CBLB. – Manœuvre brusque, perte de contrôle en vol, collision avec le sol https://bea.aero/fileadmin/documents/docspa/2010/f-lb100801/pdf/f-lb100801_05.pdf 

5/ Rapport d’accident du BEA n°f-lp100720/juillet 2012 – Flutter d’ailerons en arrivée, rupture de commande de roulis, cheval de bois lors de l’atterrissage d’urgence. https://bea.aero/fileadmin/documents/docspa/2010/f-lp100720/pdf/f-lp100720_05.pdf