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Champs rayonnés à haute intensité
Généralités
Principes de l'électromagnétisme
Un champ électrique variable produit un champ magnétique induit. De même, un champ magnétique variable produit un champ électrique induit. Cette relation entre champs électrique et magnétique cause la propagation d'ondes électromagnétiques transverses, dans laquelle des champs électrique et magnétique oscillants sont orientés l'un perpendiculaire à l'autre ainsi que par rapport à la direction de propagation. Des ondes électromagnétiques sont rayonnées lorsque des particules chargées sont accélérées. Les ondes électromagnétiques de radiofréquence (RF), dont les fréquences vont d'environ 10 kHz à 100 GHz, peuvent être produites par des électrons libres oscillant constamment dans un matériau conducteur. Les ondes électromagnétiques de fréquences supérieures, telles que la lumière infrarouge, la lumière ultraviolette, la lumière visible, les rayons X et les rayons gamma, résultent de l'excitation thermique d'électrons orbitaux (chaleur) ou de changements d'état quantique aux niveaux atomique et nucléaire. La Terre est exposée continuellement à l'énergie électromagnétique du soleil, qui confère une puissance d'environ 1 400 W par mètre carré (W/m²) à la haute atmosphère, puissance qui se trouve affaiblie à environ 220 W/m² au niveau de la mer.
Les ondes électromagnétiques dans le spectre RF sont utilisées pour transmettre de l'information analogique et numérique. Cette information est normalement codée par la modulation des caractéristiques de fréquence, d'amplitude ou de phase de l'onde porteuse. Certains signaux RF, tels que ceux qui sont produits normalement par les radars, sont pulsés pour permettre de mesurer la distance entre l'émetteur et la cible. Les aéronefs modernes émettent et reçoivent des signaux RF passant dans l'atmosphère qui les entoure et dans le câblage électrique RF à l'intérieur de ceux-ci. De plus, la différence de potentiel (tension) entre des fils appariés est utilisée pour prendre en charge les protocoles de communication binaire entre divers systèmes éélectroniques.
La composante champ électrique d'une onde électromagnétique exerce une force sur les particules chargées et, en particulier dans un matériau électriquement conducteur, peut produire un flux net d'électrons libres le long du gradient du champ. Ce phénomène permet l'induction d'énergie électromagnétique externe, se propageant dans l'espace libre, dans des fils électriques à l'intérieur de la structure d'un aéronef. Lorsque des signaux RF modulés sont utilisés pour transmettre de l'information sur ces fils, cette induction risque de causer la distorsion de la forme d'onde d'origine et d'altérer les fonctions normales des systèmes électriques et avioniques. Tel est notamment le cas des systèmes fortement intégrés, où les ensembles remplaçables en première ligne (LRU) sont interconnectés au moyen de bus de données et de distribution électrique partagés. Ces bus constituent des trajets communs au moyen desquels l'énergie électromagnétique induite risque d'influer simultanément sur plusieurs dispositifs éélectroniques discrets. Des perturbations peuvent également se produire dans les enregistreurs de bord, ou LRU, lorsque le rayonnement électromagnétique d'espace libre pénètre par une ouverture du boîtier du LRU et atteint les jonctions des composants à semi-conducteurs ou touche directement les pistes conductrices des cartes de circuits imprimés. La cavité réfléchissante définie par le boîtier métallique d'un LRU type risque d'amplifier cet effet en produisant des ondes stationnaires avec des gradients de champ locaux qui dépassent le gradient de champ maximal du rayonnement incident.
En plus des perturbations décrites ci-dessus, il peut y avoir d'autres conséquences à l'exposition d'un aéronef à des gradients de champ électromagnétique extrêmes, comme ceux qui sont associés à la foudreNote de bas de page 1. Dans ces conditions, l'intensité du champ électrique dans une zone donnée d'un aéronef peut devenir assez grande pour provoquer une décharge électrique entre des conducteurs très voisins en enlevant des électrons de la substance qui occupe l'espacement entre les conducteurs (ionisation). Il y a alors risque de dommages aux éléments électriques ou de pyrolyse des matériaux voisins, ou les deux. De plus, l'énergie thermique libérée par une étincelle électrique, ou par un arc électrique soutenu, peut être suffisante pour enflammer les matériaux combustibles à proximité.
L'intensité de champ électrique nécessaire pour provoquer une décharge électrique entre des conducteurs très voisins est fonction des propriétés diélectriques de la substance de l'espacement, de la forme et de la largeur de l'espacement, de la forme et de la texture des surfaces conductrices, de l'altitude-pression et, dans une moindre mesure, de la température ambiante. La tension de claquage des espacements entre électrodes pointues ou de forme irrégulière peut également varier selon la fréquence, bien que des données fiables pour des formes d'ondes électromagnétiques supérieures à 100 MHz ne soient pas couramment disponibles.
En règle générale, la tension de claquage entre conducteurs séparés par un gaz est une fonction non linéaire du produit de la multiplication de la densité du gaz par l'espacement entre les électrodesNote de bas de page 2. Lorsque ce produit est inférieur à environ 1 000 torr cm, correspondant à un espacement maximal de l'ordre de 1 cm sous 1 atmosphère, la tension de claquage peut se calculer par approximation au moyen de l'équation suivante, déduite de façon empiriqueNote de bas de page 3 :
Vclaquage = B x p x d / ( C + ln( p x d ) )
Pour l'air, B = 365 Vcm–1 torr–1, C = 1,18, p = pression (torr), d = espacement (cm)
Cette fonction donne une tension de claquage minimale dans l'air de 327 V, qui se produit à 0,567 torr cmNote de bas de page 4. Si l'on présume que la pression au niveau de la mer est de 760 torr, et la différence de potentiel entre électrodes, de 327 V, une décharge électrique ne se produirait pas avant que l'espacement soit ramené à 7,9 x 10–4 cm. Un espacement plus réaliste de 0,05 cm, à la pression au niveau de la mer, donne une tension de claquage d'environ 2,6 kV, correspondant à un gradient de champ de 52 kV/cm. Règle générale, l'ionisation et la formation d'étincelles locales entre conducteurs très voisins, au niveau de la mer, ne se produiront probablement pas avant que le gradient de champ autour des conducteurs dépasse environ 31 kV/cm, peu importe la géométrie des conducteurs et les caractéristiques des surfacesNote de bas de page 5.
Dans la partie pressurisée d'un avion commercial, l'altitude-pression dépasse rarement 8 000 pieds. Comme le rapport entre la tension de claquage et la pression est à peu près linéaire, la tension de claquage minimale correspondante à 8 000 pieds (565 torr) est d'environ 243 V, et la tension de claquage pour un espacement de 0,05 cm est d'environ 1,93 kV. Le gradient de champ minimal nécessaire pour produire de l'ionisation et des étincelles locales entre conducteurs très voisins est d'environ 23 kV/cm.
Lorsqu'on considère les conséquences potentielles d'une décharge électrique se produisant entre des conducteurs exposés, le pire scénario envisageable serait que l'espacement entre les conducteurs soit occupé par un mélange combustible air-carburantNote de bas de page 6. La théorie et les résultats d'expériences suggèrent qu'une énergie minimale d'environ 0,2 mJ doit être conférée aux conducteurs pour provoquer l'inflammationNote de bas de page 7. Cependant, la valeur de champ et la densité d'énergie d'espace libre correspondantes doivent être plus grandes, puisqu'une perte d'énergie est inhérente au processus d'induction électromagnétique.
L'énergie électromagnétique provenant de sources situées à l'extérieur d'un aéronef et induite dans des éléments intérieurs est affaiblie, par un processus à deux étapes, de plusieurs ordres de grandeurNote de bas de page 8. Un premier affaiblissement se produit au niveau du revêtement métallique d'un aéronef classique, qui réfléchit une partie de l'énergie électromagnétique externe vers l'atmosphère. La quantité d'énergie qui atteint l'intérieur d'un aéronef, principalement en passant par les hublots et les portes, est considérablement réduite. Dans le cas des avions de transport, par exemple, le rapport entre les intensités des champs électromagnétiques externe et interne varie de 2 à 40, tout dépendant de l'emplacement à l'intérieur de l'avion et de la fréquenceNote de bas de page 9. Finalement, l'énergie électromagnétique résiduelle qui pénètre dans les espaces internes d'un aéronef peut ensuite être induite dans des matériaux électriquement conducteurs, comme des fils ou des pistes conductrices de carte de circuits à l'intérieur d'un LRU, auquel cas il se produit un affaiblissement supplémentaire à la limite extérieure du matériauNote de bas de page 10.
L'énergie électromagnétique perturbatrice peut provenir de l'intérieur d'un aéronef, à partir d'éléments mal blindés ou de dispositifs éélectroniques personnels, ainsi que de sources externes, comme la foudre et les radars militaires ou civils. Par convention, les sources internes sont désignées « brouillage électromagnétique » (EMI), et les sources externes, « champs rayonnés à haute intensité » (CRHI).
Domaine fréquentiel des CRHI
Le domaine fréquentiel des CRHI a été défini par le comité AE4R de la Society of Automotive Engineers comme allant de 10 kHz à 18 GHz. La partie inférieure de cette gamme de fréquences, allant de 10 kHz à environ 400 MHz, est dominée par des signaux de radiodiffusion et de télédiffusion légèrement directionnels et émis en continu, présentant des niveaux de puissance de crête et de puissance moyenne de valeurs semblables. Au-delà de 400 MHz, la gamme de fréquences CRHI est principalement occupée par des systèmes radar et des liaisons de commandement et de contrôle par satellite fortement directionnels. Ces systèmes sont capables de produire des niveaux de puissance de crête et de puissance moyenne nettement supérieurs à ceux qui sont produits par les émetteurs fonctionnant en deçà de 400 MHz.
Pour les conditions de charge caractéristiques du câblage à bord des aéronefs commerciaux, l'induction électromagnétique dans ce câblage est le plus efficace à des fréquences comprises entre 1 et 400 MHz. De plus, les hublots assurent un blindage réduit aux fréquences supérieures à environ 30 MHz. Pour ces raisons, les fréquences CRHI de l'ordre des kHz et des GHz doivent être de un ou deux ordres de grandeur supérieurs à un signal CRHI dans la gamme de 30 à 400 MHz pour réaliser le même degré d'induction dans les fils à l'intérieur d'un aéronef. En règle générale, l'induction électromagnétique dans le câblage d'aéronef et la conduction jusque dans les LRU d'avionique est moins efficace aux fréquences supérieures à 1 GHz.
La sensibilité des circuits éélectroniques à l'intérieur des LRU électriques et éélectroniques d'aéronef varie également avec la fréquence. Aux fréquences supérieures, dans la gamme des GHz, les circuits éélectroniques ont normalement des caractéristiques passe-bas et rejettent l'énergie dans cette gamme. En outre, le redressement de l'énergie RF à fréquence supérieure n'est pas aussi efficace qu'aux fréquences inférieures. L'induction RF, la pénétration et la sensibilité des circuits éélectroniques contribuent toutes à la vulnérabilité des systèmes électriques et éélectroniques. Ces facteurs tendent à donner lieu à une vulnérabilité maximale aux fréquences allant de 2 MHz à 400 MHz. En deçà de 2 MHz, les champs RF ne sont pas induits efficacement dans l'aéronef et son câblage. Au-delà de 400 MHz, les circuits ne convertissent pas efficacement l'énergie RF pour qu'elle influe sur les systèmes.
Calculs de la puissance des CRHI
La mesure dans laquelle un aéronef subit des effets négatifs des CRHI dépend de la fréquence du signal CRHI, de la sensibilité de l'aéronef aux CRHI à la même fréquence, du degré de blindage offert aux éléments internes par la structure de l'aéronef et la conception de l'installation électrique, et de la puissance RF à laquelle l'aéronef est exposé. Comme la sensibilité aux fréquences et le blindage RF sont essentiellement des grandeurs fixes, la puissance est la variable principale dans l'évaluation du risque associé aux émissions CRHI dans une gamme de fréquences donnée.
Concepts physiques de base
Rayonnement en espace libre
La région de « champ lointain » d'une antenne commence à une distance égale à deux fois la dimension maximale de l'antenne au carré divisée par la longueur d'onde (2d²/λ) et s'étend jusqu'à l'infini. Lorsque la distance entre un émetteur et un récepteur répond aux critères de champ lointain et qu'il y a visibilité directe entre les deux, on présume que l'énergie est rayonnée de façon isotrope—selon un diagramme sphérique uniforme à partir de l'antenne. Pour les systèmes radar à grande puissance capables de générer des environnements à CRHI importants, l'hypothèse du champ lointain est généralement valide à des distances supérieures à 1 nm.
Densité de puissance
La densité de puissance (S) au niveau d'un aéronef situé dans la région de champ lointain d'une antenne d'émission est égale à la puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) divisée par l'aire d'une sphère ayant pour centre l'émetteur :
S = (10PIRE/10)/(4πr²) MW/m²
où (r) est la distance, en mètres, entre les antennes d'émission et de réception, et la PIRE s'exprime en décibelsNote de bas de page 11 avec un niveau de référence de un milliwatt, désigné dBm.
Exprimée en décibels, la densité de puissance peut s'écrire :
S = PIRE – 20 log10r – 10,99 dBm/m²
où PIRE s'exprime en dBm, et la distance (r), en mètres.
Valeur de champ électrique
La valeur de champ électrique (E) est calculée à partir de la densité de puissance d'après l'équation suivante :
E = (S 120π)1/2
où E s'exprime en V/m, 120π est l'impédance de l'espace libre en ohms (377 ohms), et S est la densité de puissance exprimée en W/m².
Puissance de crête et puissance moyenne
Pour un émetteur d'impulsions RF, la puissance de sortie moyenne est égale au produit de la puissance de crête de l'émetteur (PT), de la durée d'impulsion (PW) et de la fréquence de récurrence des impulsionsNote de bas de page 12. Cette valeur peut être utilisée pour calculer la densité de puissance moyenne et la valeur de champ électrique moyenne.
Densité d'énergie
La densité d'énergie (D) générée par un émetteur d'impulsions en espace libre se définit comme suit :
D = S PW
où D s'exprime en J/m², S s'exprime en W/m² et PW s'exprime en secondes.
Rayonnement et pénétration des CRHI
Gain d'antenne
Une antenne isotrope rayonne uniformément dans toutes les directions. Le gain d'une antenne (PG) dans une direction donnée est le rapport entre la densité de puissance que l'antenne produit dans cette direction et la densité de puissance qui serait produite par une antenne isotropeNote de bas de page 13. Le gain d'antenne, par rapport à une antenne isotrope, s'exprime souvent en décibels au moyen de la désignation sans unité dBi (décibels isotropes). Le gain d'antenne est de nature réciproque : le gain d'émission et le gain de réception sont identiques. La puissance captée par une antenne est égale au produit de la multiplication de la densité de puissance par le gain d'antenne.
PIRE
La puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) d'un émetteur RF est fonction de la puissance de sortie de l'émetteur, du gain d'antenne de transmission et de toute perte pouvant se produire entre l'émetteur et l'antenne. À la suite de compensations de pertes internes, la PIRE devient le produit de la multiplication de PT par PG, ou la somme de PT et de PG, les deux exprimées en décibels.
Superficie des ouvertures
Contrairement au revêtement métallique d'un avion, qui tend à éloigner les CRHI de ce dernier par réflexion, les ouvertures de hublot sont plus transparentes aux CRHI. Le MD-11 a 71 hublots de part et d'autre du fuselage, chacun d'une superficie d'environ 0,11 m²; la superficie totale des hublots est d'environ 7,86 m², de chaque côté de l'avion. Pour le rayonnement RF externe incident sur le côté du fuselage, l'énergie maximale qui peut pénétrer dans l'avion à travers les hublots est le produit de la multiplication de la densité d'énergie par la superficie totale des hublots. Les portes de cabine et les portes de soute du MD-11 tendent également à se comporter comme des ouvertures au rayonnement électromagnétique, parce que les portes ne sont pas en contact électrique continu avec les cadres de porte. Ces portes ont une superficie totale d'environ 17,32 m² de chaque côté de l'avion, bien que la superficie des ouvertures RF équivalente soit nettement inférieureNote de bas de page 14.
Ondes stationnaires
Lorsqu'une onde en propagation est réfléchie sur elle-même, l'énergie incidente et l'énergie réfléchie de l'onde se combinent pour produire des nœuds stationnaires (dans l'espace) d'interférence destructive et constructive, l'onde combinée constituant une « onde stationnaire ». Une cavité fermée, un bout de fil ou le périmètre d'une ouverture représentent des géométries où peuvent se produire des réflexions multiples donnant lieu à des amplitudes de crête supérieures à celle de l'onde incidente. Comme l'énergie d'une onde est proportionnelle à son amplitude, une onde stationnaire a la capacité d'amplifier la densité d'énergie de l'onde d'origine.
Résonance
Un phénomène de renforcement d'onde, appelé résonance, se produit sur un fil (ou sur le blindage métallique entourant ce fil) lorsque la longueur électrique de celui-ci est un multiple entier impair du quart de la longueur d'onde du rayonnement incident. La fréquence critique se définit comme la plus basse fréquence où il peut y avoir des conditions de résonanceNote de bas de page 15. À toutes les fréquences au-delà de la fréquence critique, le fil présente alternativement des conditions de résonance et des conditions d'antirésonance.
Dans des conditions de résonance, l'énergie relativement élevée d'une onde stationnaire peut causer la distorsion de la forme d'onde de la tension sur l'âme conductrice d'un fil. Heureusement, les fréquences d'alimentation et de signalisationNote de bas de page 16 sont beaucoup plus basses que les fréquences associées au brouillage CRHI. Par conséquent, on peut utiliser des filtres passe-bas pour protéger les circuits avioniques contre le brouillage induit par CRHINote de bas de page 17. En pratique, la plupart des circuits d'aéronef sont conçus pour fonctionner avec des variations d'alimentation supérieures aux variations causées par les CRHI. Le document DO-160C, Section 16, de la Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA) donne les variations d'alimentation normales et anormales que les circuits avioniques doivent tolérer sans perturbation. L'alimentation des circuits avioniques est filtrée pour compenser ces variations.
Résonance d'ouverture
La résonance d'ouverture se produit pour la première fois si le périmètre d'une ouverture est égal à la moitié de la longueur d'onde du rayonnement incident. Comme dans le cas du fil, la résonance se reproduit périodiquement à des fréquences supérieures, présentant des nœuds larges et des zéros étroits. En règle générale, l'énergie électromagnétique est transmise avec efficacité à travers une ouverture à toutes les fréquences supérieures à la fréquence critique (moitié de la longueur d'onde). Aux fréquences inférieures, correspondant à des longueurs d'onde de plus de 10 fois supérieures au périmètre de l'ouverture, le rayonnement électromagnétique est affaibli d'au moins un ordre de grandeur (10 dB) à mesure qu'il passe dans l'ouvertureNote de bas de page 18. Voilà pourquoi les hublots d'avion assurent un blindage efficace contre les CRHI de basse fréquence, tout en étant essentiellement transparents au rayonnement CRHI de fréquence supérieure à 30 MHz.
On peut également observer des effets d'ouverture sur les boîtiers de LRU qui sont munis de trous pour le câblage et la ventilation et qui peuvent présenter de longs joints étroits le long des panneaux d'accès. Un joint de 15 cm de longueur a une fréquence critique d'environ 1 GHz. Par conséquent, l'énergie CRHI à 100 MHz est affaiblie d'au moins 20 dB pendant qu'elle traverse ce joint. Cependant, l'énergie électromagnétique à des fréquences supérieures à 1 GHz traverse le même joint sans aucun affaiblissement. Pour cette raison, et pour assurer leur intégrité mécanique, les boîtiers des LRU d'avionique essentiels au vol comprennent des fixations mécaniques à espacement réduit, des joints chevauchants et des garnitures électriquement conductrices pour atténuer l'énergie CRHI de fréquence supérieure.
Résonance de cavité
Il existe des conditions de résonance de cavité lorsque la longueur d'une cavité est égale à la moitié de la longueur d'onde du rayonnement incident. La résonance de cavité des LRU de dimensions standard se produit entre 1 et 3 GHz. En théorie, la résonance de cavité peut amplifier la valeur de crête d'un signal à l'intérieur d'un LRU de jusqu'à 14 dBNote de bas de page 19. En pratique, les boîtiers des circuits avioniques tendent à ne pas présenter une forte sensibilité aux résonances de cavité de LRU. Il en est ainsi parce que les LRU sont normalement encombrés de circuits éélectroniques, ce qui rend leur cavité complexe. Ces cavités complexes ne se prêtent pas bien aux conditions essentielles à la résonance de cavité des boîtiers.
Antennes
Les antennes sont conçues pour recevoir l'énergie RF dans des gammes de fréquences particulières et pour amener cette énergie RF aux récepteurs radio ou radar à bord de l'aéronef. Par conséquent, l'énergie CRHI dans la gamme de fréquences appropriée qui entre dans une antenne n'est pas affaiblie, mais elle est plutôt soumise aux caractéristiques de gain de l'antenne. Il est peu probable que des ondes stationnaires soient générées, parce que l'impédance des éléments RF entre l'antenne et le récepteur est adaptée avec soin pour réduire au minimum les ondes stationnaires. L'énergie CRHI à l'extérieur de la gamme de fréquences appropriée pour l'antenne et le récepteur est affaiblie considérablementNote de bas de page 20.
Les radios d'aéronef sont conçues pour fonctionner à des fréquences attribuées conformément aux allocations nationales et internationales du spectre RF. Ces allocations ont été élaborées pour garantir que les sources RF à grande puissance ne brouilleront pas les radios et radars d'aéronef. Si une source de CRHI non autorisée fonctionnait dans une gamme de fréquences attribuée à une radio d'aéronef, le récepteur radio ne serait touché que par les CRHI dans la gamme de fréquences sur laquelle le récepteur serait accordé.
L'énergie CRHI à l'intérieur de la gamme de fréquences appropriée est normalement démodulée et amplifiée, en même temps que le signal RF voulu, à l'intérieur du récepteur. De cette façon, l'énergie CRHI risque de déformer ou d'altérer les signaux légitimes et de nuire de façon générale à la qualité de réception, bien que certains types de modulation soient plus résilients que d'autres. Il faut souligner, toutefois, que les récepteurs RF sont conçus pour fonctionner efficacement sur une grande gamme d'intensités du signal dynamique. Par conséquent, les signaux reçus sont soumis à la commande de gain, afin de maintenir une limite supérieure de la quantité d'énergie produite par la chaîne d'amplification. Pour cette raison, l'énergie CRHI entrant dans une antenne n'est pas amplifiée par le récepteur jusqu'à des niveaux dangereux.
Perturbations des circuits avioniques
Les dispositifs numériques comprennent des sources de fréquence, ou horloges, pour la synchronisation et la commande des fonctions numériques internes. Les circuits avioniques d'aéronef font appel à des dispositifs numériques spécialement conçus pour être utilisés à bord des aéronefs. Ces dispositifs ont normalement des fréquences d'horloge de processeur et de bus de données inférieures à celles des articles éélectroniques grand publicNote de bas de page 21. Pour les aéronefs en usage aujourd'hui, les fréquences d'horloge de processeur et de bus de données des circuits avioniques varient de 2 MHz à environ 300 MHz. La bande passante d'un dispositif numérique va de la fréquence d'horloge à environ dix fois cette fréquence.
Le brouillage CRHI qui apparaît à l'intérieur de la bande passante d'un dispositif numérique risque d'être pris pour un signal de commande légitime, mettant le dispositif dans des états imprévisibles. Le brouillage CRHI qui ne se trouve pas dans la bande passante du dispositif numérique peut être redressé par des composants du circuit numérique, comme des diodes. Le brouillage apparaît alors comme un décalage c.c. du signal de commande, provoquant des changements d'état non commandés ou verrouillant le dispositif dans un état donné. Certains modes de défaillance peuvent ne pas être immédiatement évidents pour l'opérateur. Cependant, il est plus probable que les circuits de détection d'erreur détecteront le ou les signaux altérés, auquel cas des messages d'erreur seront générés, et la dégradation du système aura lieu de façon relativement ordonnée.
Dans le spectre RF, les circuits numériques peuvent être perturbés par des différences de potentiel allant de 0,4 à 1,2 V. Les circuits analogiques peuvent être sensibles à des gradients induits de seulement 50 mV, bien que cette valeur-ci dépende grandement des caractéristiques de gain des circuits en cause. Toutefois, les circuits de contrôle des systèmes analogiques et les algorithmes de détection d'erreur des systèmes numériques sont normalement capables de détecter le brouillage CRHI avant qu'une défaillance majeure ne se produise. Des coupures d'alimentation sont la réaction la plus courante au brouillage CRHI.
Protection des circuits avioniques d'aéronef contre les CRHI
Vu les effets d'induction électromagnétique et la sensibilité potentielle des circuits avioniques à ces effets, les circuits et installations avioniques essentiels au vol des aéronefs doivent être conçus pour résister aux effets des CRHI. Les conceptions comprennent la protection contre les CRHI à l'intérieur des LRU, sur les fils d'interconnexion et au niveau de l'acheminement des fils d'interconnexion. Les conceptions des circuits avioniques comprennent le filtrage et des conceptions de circuits qui réduisent les effets de l'énergie CRHI qui peut être induite dans les fils ou les LRU. Les boîtiers des LRU sont conçus pour réduire au minimum l'induction directe des CRHI à travers les ouvertures et les joints du boîtier. Les fils d'interconnexion sont blindés et acheminés dans des endroits qui sont protégés contre l'exposition directe aux CRHI. Les normes utilisées pour la protection contre les CRHI sont décrites ci-dessous.
Normes de certification des avions MD-11
Conditions spéciales de la FAA/JAA
Depuis le milieu des années 80, les organismes de réglementation exigent que les aéronefs nouvellement certifiés et les aéronefs modifiés assurent un niveau acceptable de protection des systèmes de bord contre les effets des CRHI. La certification des MD-11 était soumise aux conditions spéciales imposées tant par la Federal Aviation Administration (FAA)Note de bas de page 22 des États-Unis que par les Joint Aviation Authorities (JAA)Note de bas de page 23, de nature multinationale. Un environnement CRHI opérationnel et des procédures d'essai connexes ont été élaborés pour satisfaire aux conditions spéciales de la FAA et des JAA pour la certification des MD-11.
| Bande de fréquences | Valeur de champ (V/m) | |
|---|---|---|
| Crête | Moyenne | |
| 10–500 kHz | 80 | 80 |
| 500–2 000 kHz | 80 | 80 |
| 2–30 MHz | 200 | 200 |
| 30–100 MHz | 33 | 33 |
| 100–200 MHz | 33 | 33 |
| 200–400 MHz | 150 | 33 |
| 400–1 000 MHz | 8 300 | 2 000 |
| 1–2 GHz | 9 000 | 1 500 |
| 2–4 GHz | 17 000 | 1 200 |
| 4–6 GHz | 14 500 | 800 |
| 6–8 GHz | 4 000 | 666 |
| 8–12 GHz | 9 000 | 2 000 |
| 12–20 GHz | 4 000 | 509 |
| 20–40 GHz | 4 000 | 1 000 |
Ces conditions et procédures d'essai s'appliquaient aux systèmes de bord désignés critiques ou essentiels à l'exploitation sécuritaire de l'avion.
| Système | Classification |
|---|---|
| Centrale inertielle de référence - 1 | Critique |
| Calculateur de données aérodynamiques - 1 | Critique |
| Module électronique d'affichage - 1 | Critique |
| Écran d'affichage - 1 | Critique |
| Module de sélection de mode | Critique |
| Système d'atterrissage aux instruments - 1 | Essentiel |
| Contrôleur de pressurisation cabine - 1 | Essentiel |
| Tableau des voyants annonciateurs - 1 | Essentiel |
| Régulateur de température de soute avant | Essentiel |
| Contrôleur de détection incendie (moteur 1) | Essentiel |
| Tableau d'extinction incendie de soute | Essentiel |
| Contrôleur de circuit carburant | Essentiel |
| Contrôleur de système de ventilation | Essentiel |
| Contrôleur de systèmes divers | Essentiel |
| Calculateur de gestion de vol - 1 | Essentiel |
| Calculateur de commandes de vol - 1 | Essentiel |
| Contrôleur de conditionnement d'air - 1 | Essentiel |
| Transpondeur de contrôle de la circulation aérienne - 1 | Essentiel |
| Contrôleur de système hydraulique | Essentiel |
| Bloc de commande et d'affichage multifonctions - 1 | Essentiel |
| Panneau de commande du circuit carburant | Essentiel |
| Panneau de commande à auvent | Essentiel |
| Module de commande d'alternateur - 1 | Essentiel |
| Module de commande d'alimentation électrique | Essentiel |
| Module de contrôle de défaillance collecteur | Essentiel |
| Indicateur électronique standard de quantité de carburant | Essentiel |
| Module de commande de freinage automatique | Essentiel |
| Module de contrôle antidérapage | Essentiel |
| Module de commande électronique de l'APU | Essentiel |
| Module de contrôle des données de quantité de carburant | Essentiel |
Le MD-11 a été conçu pour fonctionner dans les environnements CRHI spécifiés. Pendant les essais de certification, on a démontré avec succès que cette conception répondait aux exigences de la FAA/JAA relativement aux CRHINote de bas de page 24.
Certification supplémentaire du système de divertissement de bord
À partir de 1996, la Swissair avait installé un réseau de divertissement de bord (RDB) à bord de sa flotte de 16 avions MD-11 et de 5 avions Boeing 747Note de bas de page 25. Le système RDB offrait aux passagers un écran tactile, qui pouvait être utilisé pour sélectionner des films « sur demande », de l'audio, des jeux informatisés interactifs, un affichage cartographique dynamique, de la publicité, du magasinage, des vidéos sur la sécurité, des bulletins d'actualité et des jeux de hasard interactifs protégés. Ce système a été installé dans les sections de première classe et de classe affaires de l'avion en question en août/septembre 1997; la section de classe économique de l'avion n'a pas été configurée pour les services du système RDB.
L'installation du système RDB à bord de l'avion MD-11 de la Swissair était un des éléments d'un projet de reconfiguration intérieure en quatre parties que la Swissair appelait « Product '97 ». Le système RDB a été certifié et installé avec l'autorisation de l'Office fédéral de l'aviation civile (OFAC) par son acceptation du certificat de type supplémentaire (STC) numéro ST00236LA-D approuvé par la FAANote de bas de page 26 (DIT).
Les conditions environnementales et les procédures d'essai relatives à l'équipement aéroporté sont contenues dans le document DO-160 de la RTCA. Les essais de compatibilité électromagnétique (CEM) des LRU du système RDB ont été effectués conformément au document DO-160C, articles 16.0, 17.0, 18.0, 19.0, 20.0 et 21.0, de la RTCA. L'article 20.0 de ce document spécifiait des essais de sensibilité aux radiofréquences visant à déterminer les performances des LRU en présence de tensions RF induites dans l'équipement par un champ rayonné ou par conduction directe dans le système par le câblage d'alimentation ou le circuit d'interconnexion. Les LRU du système RDB étaient classés comme de l'équipement de « Catégorie V » et testés jusqu'à une valeur de champ RF maximale de 50 V/mNote de bas de page 27.
On a effectué des essais de brouillage électromagnétique (EMI) au sol et en volNote de bas de page 28 sur le système RDB après l'installation de ce dernier à bord du MD-11. Ces essais visaient à vérifier que le système RDB remplissait sa fonction prévue et qu'il ne nuisait pas au fonctionnement ni à l'intégrité des autres systèmes de bord, et inversement. On a donc effectué les essais EMI/RF et, d'après les dossiers, aucun problème EMI/CEM n'a été observé au cours des essais. Cependant, comme le système RDB n'était pas considéré comme système critique ou essentiel, les essais CRHI du système RDB, conformément aux conditions spéciales de certification de l'aéronef d'origine, n'étaient pas requis et n'ont pas été effectués.
Évaluation du risque des CRHI
L'intensité du champ électromagnétique d'un aéronef est principalement déterminée par la distance entre l'aéronef et l'émetteur et, à un moindre degré, par la puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) de l'émetteur. Le risque des CRHI est le plus grand lorsque l'aéronef évolue près d'un ou de plusieurs émetteurs RF à grande puissance, qui peuvent être installés au sol, à bord d'un navire ou à bord d'un autre aéronef. En 1998, la USN a effectué pour la FAA une évaluation des valeurs de champ de crête et moyennes auxquelles les aéronefs évoluant dans l'espace aérien civil des États-Unis pourraient être exposésNote de bas de page 29. L'évaluation a tenu compte des espacements minimaux qui pourraient exister entre les aéronefs civils et les émetteurs de CRHI à bord de plates-formes de surface et aéroportées, à l'exception des émetteurs mobiles et expérimentaux, ainsi que les émetteurs situés dans des zones à accès limité, à accès interdit et dangereuses. Cette information a été combinée aux données de CRHI d'Europe occidentale pour établir des directives de certification mixtes FAA/JAA relativement à l'exploitation de systèmes de bord dans des environnements à CRHI externes. Le document Advisory Circular/Advisory Material Joint 20.1317Note de bas de page 30 définit les critères pour les CRHI intenses, normaux et de certification pour 17 bandes de fréquences discrètes dans le spectre RF. Les exigences de certification canadiennes sont semblables.
| Fréquence | Valeur de champ (V/m) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| CRHI intenses—avions | CRHI normaux à l'approche et à l'atterrissage | CRHI de certification | ||||
| Crête | Moyenne | Crête | Moyenne | Crête | Moyenne | |
| 10–100 kHz | 50 | 50 | 20 | 20 | 50 | 50 |
| 100–500 kHz | 60 | 60 | 20 | 20 | 50 | 50 |
| 500 kHz–2 MHz | 70 | 70 | 30 | 30 | 50 | 50 |
| 2–30 MHz | 200 | 200 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 30–70 MHz | 30 | 30 | 10 | 10 | 50 | 50 |
| 70–100 MHz | 30 | 30 | 10 | 10 | 50 | 50 |
| 100–200 MHz | 90 | 30 | 30 | 10 | 100 | 100 |
| 200–400 MHz | 70 | 70 | 10 | 10 | 100 | 100 |
| 400–700 MHz | 730 | 80 | 700 | 40 | 700 | 50 |
| 700–1 000 MHz | 1 400 | 240 | 700 | 40 | 700 | 100 |
| 1–2 GHz | 3 300 | 160 | 1 300 | 160 | 2 000 | 200 |
| 2–4 GHz | 4 500 | 490 | 3 000 | 120 | 3 000 | 200 |
| 4–6 GHz | 7 200 | 300 | 3 000 | 160 | 3 000 | 200 |
| 6–8 GHz | 1 100 | 170 | 400 | 170 | 1 000 | 200 |
| 8–12 GHz | 2 600 | 330 | 1 230 | 230 | 3 000 | 300 |
| 12–18 GHz | 2 000 | 330 | 730 | 190 | 2 000 | 200 |
| 18–40 GHz | 1 000 | 420 | 600 | 150 | 600 | 200 |
L'environnement à CRHI intenses représente le champ électrique de plus grande intensité dans l'espace aérien où les avions sont autorisés à voler. Les valeurs de champ sont calculées pour la puissance de crête d'émetteur à une distance oblique de 500 piedsNote de bas de page 31, correspondant à l'altitude minimale admise selon les règles de vol à vue, par rapport à des émetteurs de surface et à des radars d'interception aéroportés. Des distances d'espacement réduites, allant de 50 à 500 pieds, sont présumées pour les émetteurs situés aux aéroports et aux héliports.
Dans le cas de l'environnement à CRHI de certification, il est présumé que les aéronefs évoluent selon les règles de vol aux instruments, à une altitude minimale de 1 000 pieds au-dessus du sol, à l'extérieur de l'environnement aéroportuaire. C'est pourquoi une des exigences de l'environnement de certification est une distance oblique minimale de 1 000 pieds, mesurée à partir d'émetteurs de surface en route et installés à bord de navires. Les distances obliques minimales pour les radars d'interception aéroportés et les radars d'aéroport sont identiques à celles qui sont spécifiées pour l'environnement à CRHI intenses.
L'environnement à CRHI normaux correspond à une estimation de la valeur du champ électrique dans l'espace aérien aux aéroports, aux héliports et à proximité, où ont lieu les opérations courantes de départ et d'arrivée. Comparables à celles qui sont spécifiées pour l'environnement à CRHI intenses, des distances d'espacement allant de 50 à 500 pieds sont présumées pour les émetteurs situés aux aéroports et aux héliports. Les radars de navire et d'interception aéroportés ne sont pas inclus dans l'environnement à CRHI normaux.
Émetteurs représentatifs
Radar de surveillance aérienne et de poursuite SPY-1 des croiseurs équipés du système AEGIS
Fonctionnant dans la bande 2 à 4 GHz, le radar SPY-1 fait partie du système AEGIS de la marine américaine. À une distance oblique de 1 000 pieds, ce radar produit une densité de puissance de 12 885 W/m² et une valeur de crête de champ électrique de 2 204 V/mNote de bas de page 32. À une distance oblique de 33 000 pieds, la densité de puissance et la valeur de champ électrique de crête tombent respectivement à 11,83 W/m² et à 66,8 V/m.
Radar de surveillance de route aérienne
Fonctionnant dans la bande 1 à 2 GHz, le radar de surveillance de route aérienne ARSR-3 a une puissance de sortie de crête de 5 MW, soit une puissance nettement supérieure à celle du radar ARSR-4, plus moderne. À une distance oblique de 1 000 pieds, ce radar produit une densité de puissance de 1 759 W/m² et une valeur de crête de champ électrique de 814 V/mNote de bas de page 33. À une distance oblique de 33 000 pieds, soit l'altitude de croisière du vol 111 de la Swissair (SR 111), la densité de puissance et la valeur de crête de champ électrique du radar ARSR-3 tombent respectivement à 1,62 W/m² et à 24,7 V/m.
Radar de surveillance des mouvements de surface
Fonctionnant dans la bande 12 à 18 GHz, le radar de surveillance des mouvements de surface ASDE-3 a une puissance de sortie de crête de 3 kW et une durée d'impulsion nominale de 0,04 microseconde. Ce radar est normalement situé près de l'aire de manœuvre des aéronefs dans bien des aéroports, à proximité des avions roulant au sol. À une distance oblique de 100 pieds, l'ASDE-3 produit une densité de puissance de 3 412 W/m² et une valeur de crête de champ électrique de 1 134 V/m, correspondant à une densité d'énergie de 0,136 mJ/m².
Environnement électromagnétique du vol SR 111
On a étudié l'environnement électromagnétique le long de la trajectoire de vol de l'avion en question pour déterminer la valeur de crête du champ qui a pu être présent, au niveau de la cellule, à cause d'émetteurs RF externes. De l'information relative aux émetteurs RF fixes et mobiles aux environs de l'avion en question a été fournie par le Department of Defense des États-Unis et le ministère de la Défense nationale du Canada. On a examiné les pistes radar et les dossiers de trafic aérien pour déterminer l'emplacement des émetteurs RF aéroportés.
Critères pour les émetteurs de champs à haute intensité
La nuit de l'accident, plusieurs émetteurs RF se trouvant dans le voisinage du vol SR 111 étaient actifs. Les émetteurs fonctionnant à moins de 60 nm de la trajectoire du vol SR 111 et ayant une puissance de crête de sortie de 1,0 MW ou plus ont été classés comme des émetteurs de CRHI. Les émetteurs ayant une puissance de crête de sortie de 1,0 MW ou plus, qui étaient distants de plus de 60 nm de la trajectoire du vol SR 111, ont été classés comme des émetteurs d'arrière-plan. Moins de cinq émetteurs d'arrière-plan illuminaient l'avion en question à tout moment donné du vol. On a laissé de côté les émetteurs qui produisaient une densité de puissance au niveau de l'avion de moins de 0,025 W/m², ce qui correspond à une valeur de champ électrique de moins de 3,0 V/m.
Émetteurs mobiles
L'avion en question n'était pas illuminé par des radars associés à des navires de la marine canadienne et il n'y avait pas d'entités militaires évoluant dans les zones côtières canadiennes réglementées CYR734 à CYR752. La nuit de l'accident, des aéronefs militaires américains évoluaient le long de la côte nord-est des États-Unis. Un avion ravitailleur KC135 de la McGuire Air Force Base, au New Jersey, tournait en rond au-dessus du nord du Vermont, du New Hampshire et du Maine. D'autres aéronefs de types et d'origines inconnus émettaient des codes de transpondeur mode 2; ce mode est obligatoire pour les systèmes de transpondeur militaires et il n'est normalement pas opérationnel sur les aéronefs civils. Un de ces aéronefs est passé directement au-dessous du vol SR 111 à la hauteur du détroit de Nantucket. Cet aéronef inconnu volait à une altitude d'environ 5 000 pieds ASL et maintenait un cap d'environ 223°V. Le vol SR 111 était en croisière au niveau de vol FL270 sur un cap de 040°V. Les deux aéronefs se sont croisés à 0 h 43 min 37 s, à la position 41°25′20″N, 69°45′43″ O. L'aéronef inconnu a continué vers la Otis Air National Guard Base, au Massachusetts, où il a atterri à environ 1 h 22 min. Le centre de Boston et le contrôle d'approche radar terminal (TRACON) de New York (zone N90) n'ont aucun enregistrement de cet aéronef. On a contacté le principal agent de liaison militaire de la FAA pour qu'il fournisse de l'information supplémentaire sur le type et les activités de l'aéronef inconnu. La recherche qui s'en est suivie dans les dossiers militaires n'a pas permis de retrouver cette information puisque les dossiers sur les mouvements des aéronefs à la base aérienne d'Otis ne sont conservés que deux ans, et aucune autre information n'a été fournie.
La plus courte distance de passage entre le vol SR 111 et l'aéronef militaire américain a probablement eu lieu au-dessus du détroit de Nantucket, où le vol SR 111 a survolé un aéronef inconnu. L'espacement vertical entre les deux aéronefs était d'environ 3,6 nm (22 000 pieds). Au moment où les deux aéronefs se rapprochaient, le vol SR 111 n'était pas en contact radio avec le contrôle de la circulation aérienne (ATC). Le contact radio avec l'ATC a été rétabli approximativement au moment même où le vol SR 111 est passé derrière l'aéronef inconnu. Les autres aéronefs commerciaux se trouvant à proximité du vol SR 111 au moment où celui-ci survolait le détroit de Nantucket n'ont signalé aucune anomalie de communication. Les vols commerciaux à proximité étaient le vol 124 de Delta Airlines, le vol 38 d'AirTours International et le vol 611 d'Alitalia.
Il est possible que l'aéronef inconnu en cause ait été équipé d'un radar et d'autres émetteurs RF à grande puissance. Cependant, il est peu probable qu'un émetteur de CRHI aéroporté ait produit des niveaux dangereux d'énergie CRHI à une distance de 22 000 pieds. Vu les contraintes de taille et de poids, les émetteurs RF aéroportés sont normalement moins puissants que les émetteurs terrestres ou de navire. En présumant une puissance de crête de 100 kW, ce qui est anormalement élevé pour un système aéroporté, et un gain d'antenne nominal de 30 dBi, la puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) est de 110 dBm. À une distance de 22 000 pieds (6 707 m), la densité de puissance correspondante est de 177 MW/m², et le gradient de champ électrique est d'environ 8,2 V/m. Dans la bande 1 à 12 GHz, utilisée par quasiment tous les émetteurs de CRHI aéroportés, les critères de certification du MD-11 relativement aux CRHI spécifiaient des gradients de l'ordre de plusieurs milliers de volts par mètre.
Si l'aéronef inconnu avait des émetteurs RF à bord qui pouvaient brouiller les communications VHF, on s'attendrait à ce que des récepteurs à proximité fonctionnant sur la même fréquence connaissent des problèmes de réception semblables. En outre, le brouillage RF venant d'une source externe ne limiterait pas la capacité de l'équipage de communiquer en VHF sur la radiofréquence sélectionnée. Lorsque les communications ont été rétablies avec Boston Center, l'équipage de conduite n'a fait mention d'aucun phénomène de ce genre qui l'aurait empêché de communiquer. Aucun lien plausible n'a pu être établi avec quelque émetteur aéroporté.
Émetteurs fixes
SR 111 a été suivi pendant une partie ou la totalité de son vol par les radars de contrôle de la circulation aérienne associés aux centres de New York, de Boston et de Moncton, au centre terminal de Halifax et aux aéroports de Yarmouth, de Sydney et de Greenwood, en Nouvelle-Écosse. De plus, l'avion a été suivi par huit radars militaires appartenant au système de surveillance conjointe du Northeast Air Defense Sector des États-Unis et de la région de l'Est du Canada (voir la rubrique « Émetteurs de CRHI d'importance pour le vol SR 111 »). L'avion est passé à moins de 60 nm de trois de ces radars militaires, dont deux aux États-Unis et un au Canada.
| Station radar | |||
|---|---|---|---|
| River Head (New York) | North Truro (Massachussets) | Barrington (Nouvelle-Écosse) | |
| Latitude | 40°52′43″ N | 42°02′04″ N | 43°27′07″ N |
| Longitude | 072°41′14″ O | 070°03′15″ O | 65°28′20″ O |
| Élévation | 350 pi | 234 pi | 65 pi |
| Type de radar | ARSR-4 | ARSR-4 | AN/FPS-117 |
| Relèvement | 165°V | 089°V | 331°V |
| Distance oblique du vol SR 111 | 13,7 nm | 55 nm | 10,5 nm |
| Heure de la plus courte distance de passage du vol SR 111 | 0 h 28 min 9 s | 0 h 49 min 6 s | 1 h 9 min 4 s |
Les stations américaines étaient équipées de systèmes ARSR-4. La station canadienne était équipée d′un radar AN/FPS-117. Les paramètres RF des radars ARSR-4 et AN/FPS-117 sont semblables.
L'avion en question est passé le plus près de la station de Barrington; l'énergie électromagnétique rayonnée par cette station représente l'environnement radar le plus rigoureux auquel le vol SR 111 ait pu être exposé pendant la partie en route du vol. Les fichiers du radar de Barrington confirment que le radar AN/FPS-117 de Barrington a illuminé l'avion en question alors qu'il se trouvait à une altitude de 32 969 pieds et à une distance oblique d'environ 10,5 nm (19,5 km).
Environnement à CRHI de Barrington
L'angle entre la station radar de Barrington et l'avion en question, à la plus courte distance de passage, était d'environ 30 degrés par rapport à l'horizontale, ce qui correspond à l'angle de site maximal du radar AN/FPS-117. L'avion se trouvait donc nominalement dans le domaine de recherche du faisceau d'émission supérieur du AN/FPS-117 au moment où il passait à l'est de la station radar de Barrington. L'AN/FPS-117 et les radars de conception semblable ont été optimisés pour produire un gain maximal à des angles de site relativement réduits, et ils ne peuvent pas produire le gain maximal aux grands angles de site. On a effectué deux calculs de la puissance : l'un basé sur la puissance de crête nominale de l'ensemble du système radar, et l'autre, sur la puissance maximale qui peut être rayonnée à un angle de site de 30 degrés. Pour le radar AN/FPS-117, les présomptions de champ lointain de l'antenne sont valides pour des distances obliques supérieures à 2 337 pieds (712 m).
Calculs de la puissance du radar de Barrington
Le faisceau d'émission supérieur émet de l'énergie RF pulsée d'une fréquence d'environ 1,25 GHz pour une durée d'impulsion de 150 microsecondes. Chaque impulsion comprend deux impulsions secondaires, d'une durée de 88 microsecondes et de 58 microsecondes respectivement. La puissance de crête de chaque impulsion secondaire varie entre le flanc avant et le flanc arrière et correspond à une puissance de crête nominale dont la moyenne pour l'ensemble de l'impulsion est de 59 kW. Le gain d'antenne de faisceau d'émission supérieur, PG, est d'environ 36 dBi. Exprimée en décibels, la puissance de crête à un angle de site de 30 degrés est de 77,7 dBm, où PT = 10 log (59 000/0,001). La PIRE, définie comme la somme de PT et de PG, est donc de 113,7 dBm.
Exprimée en décibels, la densité de puissance de champ lointain pour les pertes de propagation en espace libre peut s'écrire :
S = PIRE – 20 log10 rm – 10,99 dBm/m²
où rm (distance oblique en mètres) a une valeur de 19 478.
Pour une PIRE de 113,7 dBm, la densité de puissance au niveau de l'aéronef est de 16,92 dBm/m² ou 0,049 W/m².
Les valeurs de champ électrique correspondantes sont obtenues à partir des chiffres de densité de puissance à l'aide de l'équation :
E = (S 120π)½
Pour une PIRE de 113,7 dBm et une densité de puissance de 0,049 W/m², E = 4,31 V/m.
Les densités d'énergie correspondantes sont calculées de façon semblable à partir des chiffres de densité de puissance au moyen de l'équation W = S PW, où PW est de 0,150 ms.
Pour une PIRE de 113,7 dBm et une densité de puissance de 0,049 W/m², E = 0,0074 mJ/m².
De chaque côté de l'avion MD-11, la superficie totale des hublots est d'environ 7,86 m² et la superficie totale des portes de cabine et de soute est d'environ 17,32 m²; cela donne une superficie combinée d'environ 25,18 m² (par côté). L'énergie maximale qui aurait pu pénétrer dans l'avion à travers les hublots et les portes est d'environ 0,186 mJ.
Énergie venant de sources d'arrière-plan
Comme nous l'avons déjà dit, moins de cinq émetteurs d'arrière-plan illuminaient l'avion en question à tout moment donné du vol. En supposant que chaque émetteur avait une puissance de sortie maximale nominale de 1,25 MW (91 dBm) et un gain d'antenne nominal de 36 dBi, la PIRE correspondante de chaque émetteur est de 127 dBm. À une distance de 60 nm, au niveau de l'avion, la densité de puissance combinée maximale produite par ces émetteurs est d'environ 0,161 W/m². La valeur globale du champ électrique est d'environ 7,8 V/m. En présumant une durée d'impulsion nominale de 0,150 ms, la densité d'énergie correspondante est d'environ 0,0242 mJ/m².
De l'énergie produite par un seul émetteur peut avoir pénétré dans l'avion à travers les hublots et portes d'un côté de l'avion ou de l'autre, mais non des deux côtés à la fois. Par conséquent, l'énergie maximale produite par les émetteurs d'arrière-plan qui peut avoir pénétré dans l'avion est égale au produit de la multiplication de la densité d'énergie combinée (0,0242 mJ/m²) par la superficie des hublots/portes (25,18 m²), ce qui donne 0,6092 mJ.
La pénétration d'énergie combinée maximale des sources d'avant-plan et d'arrière-plan, au moment où l'avion en question passait devant la station radar de Barrington, est présentée ci-dessous.
| Émetteur | Puissance de crête | PIRE (dBm) | Densité de puissance | Valeur de champ | Densité d'énergie | Énergie |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Station radar de Barrington | 59 kW (faisceau supérieur) | 113,7 dBm | 0,049 W/m² | 4,31 V/m | 0,0074 mJ/m² | 0,186 mJ |
| Émetteurs d'arrière-plan (5) | 1,25 MW (max. nom.) | 127 dBm | 0,161 W/m² | 7,80 V/m | 0,0242 mJ/m² | 0,609 mJ |
| Total | 0,210 W/m² | 12,11 V/m | 0,0316 mJ/m² | 0,795 mJ |
Foudre
Les conditions de foudre sont associées à des nuages bourgeonnants, qui provoquent des collisions entre gouttelettes d'eau et cristaux de glace, créant des particules à charge positive et des particules à charge négative. Ces particules se séparent à cause de leur poids et génèrent des champs électriques intenses à l'intérieur du nuage et entre le nuage et la surface terrestre. Les aéronefs évoluant à proximité d'intempéries peuvent être exposés à d'importants gradients de champ électrique et à un risque accru de coups de foudre.
Au moment du décollage du vol SR 111, de l'activité orageuse était annoncée et observée au nord-ouest et au sud de l'aéroport JFK. Après avoir décollé de la piste 13 et ayant mis le cap sur 155°M, l'équipage a demandé un changement de cap à 120 degrés pour éviter l'orage, ce qui a été autorisé. Les données de coups de foudre nuage-sol indiquent que l'avion était éloigné de plus de 23 nm du coup au sol le plus proche et de beaucoup plus loin du centre de l'orage. Après le départ de la région terminale de l'aéroport JFK, il n'y avait plus d'activité orageuse à proximité de l'avion pendant le reste du vol. À la suite d'une analyse approfondie des conditions météorologiques le long de la trajectoire de vol de l'avion, l'atteinte du vol SR 111 par un coup de foudre a été jugée peu probable (DIT).
Émetteurs de CRHI d'importance pour le vol SR 111
| Station radar | Information de suivi | ||
|---|---|---|---|
| Premier contact | Plus courte distance | Dernier contact | |
| Oceana, Virginie 36°29′37,68″ N 76°00′17,64″ O Élév. 121 pi |
Heure : 0 h 26 min 2 s Altitude : 14 978 pi Distance : 164,375 mi Relèvement : 264° |
Heure : 0 h 26 min 2 s Altitude : 14 978 pi Distance : 164,375 mi Relèvement : 264° |
Heure : 0 h 26 min 2 s Altitude : 14 978 pi Distance : 164,375 mi Relèvement : 264° |
| North Truro, Massachussets 42°01′13,44″ N 70°01′53,40″ O Élév. 234 pi |
Heure : 0 h 24 min 40 s Altitude : 12 684 pi Distance : 166,75 mi Relèvement : 239° |
Heure : 0 h 24 min 40 s Altitude : 12 684 pi Distance : 166,75 mi Relèvement : 239° |
Heure : 1 h 11 min 57 s Altitude : 32 976 pi Distance : 244,37 mi Relèvement : 061° |
| River Head, New York 40°31′27,48″ N 72°24′41,04″ O Élév. 350 pi |
Heure : 0 h 18 min 48 s Altitude : 2 586 pi Distance : 51,62 mi Relèvement : 253° |
Heure : 0 h 28 min 9 s Altitude : 18 910 pi Distance : 13,75 mi Relèvement : 165° |
Heure : 0 h 56 min 53 s Altitude : 33 008 pi Distance : 250,0 mi Relèvement : 062° |
| Caribou, Maine 46°31′51,24″ N 67°34′54,12″ O Élév. 777 pi |
Heure : 1 h 2 min 34 s Altitude : 32 998 pi Distance : 225,12 mi Relèvement : 167° |
Heure : 1 h 9 min 57 s Altitude : 33 020 pi Distance : 216,62 mi Relèvement : 150° |
Heure : 1 h 13 min 45 s Altitude : 32 973 pi Distance : 219,75 mi Relèvement : 141° |
| Remsen, New York 43°02′32,28″ N 75°08′44,16″ O Élév. 1 888 pi |
Heure : 0 h 31 min 18 s Altitude : 23 379 pi Distance : 209,38 mi, Relèvement : 136° |
Heure : 0 h 31 min 18 s Altitude : 23 379 pi Distance : 209,38 mi Relèvement : 136° |
Heure : 0 h 33 min 30 s Altitude : 25 329 pi Distance : 218,25 mi Relèvement : 131° |
| Bucks Harbor, Maine 44°22′28,56″ N 67°14′39,84″ O Élév. 363 pi |
Heure : 0 h 44 min 52 s Altitude : 26 987 pi Distance : 206,62 mi Relèvement : 208° |
Heure : 1 h 4 min 26 s Altitude : 33 030 pi Distance : 86,38 mi Relèvement : 151° |
Heure : 1 h 26 min 23 s Altitude : 9 700 pi Distance : 146,50 mi Relèvement : 091° |
| Gibbsboro, New Jersey 39°29′34,44″ N 74°34′17,40″ O Élév. 284 pi |
Heure : 0 h 18 min 29 s Altitude : 2 500 pi Distance : 72,62 mi Relèvement : 049° |
Heure : 0 h 18 min 29 s Altitude : 2 500 pi Distance : 72,62 mi Relèvement : 049° |
Heure : 0 h 38 min 41 s Altitude : 27 000 pi Distance : 220,25 mi Relèvement : 067° |
| Barrington, Nouvelle-Écosse 43°16′14,52″ N 65°16′55,20″ O Élév. 65 pi |
Heure : 0 h 47 min 12 s Altitude : 27 006 pi Distance : 193,25 mi Relèvement : 240° |
Heure : 1 h 9 min 4 s Altitude : 32 969 pi Distance : 10,5 mi Relèvement : 331° |
Heure : 1 h 26 min 33 s Altitude : 9 500 pi Distance : 091,87 mi Relèvement : 044° |
Conclusion relative aux CRHI
Le processus de certification du MD-11 comprenait des essais visant à démontrer un niveau de protection acceptable des systèmes de bord contre les effets des CRHI. Ces conditions d'essai étaient plus rigoureuses que celles qui sont actuellement spécifiées pour la certification des aéronefs neufs et représentaient des valeurs de champ de loin supérieures à celles qui sont réellement produites par les radars commerciaux et militaires à une distance minimale. Ainsi, dans la bande 2 à 4 GHz, le MD-11 a été certifié pour une valeur de champ de crête de 17 000 V/m, alors que la valeur de champ maximale générée par un croiseur à missiles de classe AEGIS à 1 000 pieds AGL est de 2 204 V/m, et que la directive de certification FAA actuelle pour les aéronefs neufs est de 3 000 V/m. Des marges de sécurité semblables existent dans toutes les bandes de fréquences du spectre RF. Aucune combinaison raisonnable d'émetteurs connus et de géométrie d'espacement ne permet de démontrer qu'elle dépasse les critères de valeur de champ RF utilisés pour les essais de certification du MD-11 relativement aux CRHI.
Un système RDB avait été installé dans les sections de première classe et de classe affaires de l'avion en question. L'installation du système RDB représentait une modification importante de la configuration d'origine de l'avion, modification qui a été autorisée par l'émission d'un STC. Les LRU du RDB ont été essayés conformément au document DO-160C de la RTCA, pour que soit vérifiée leur tenue à des champs RF rayonnés d'une valeur maximale de 50 V/m. Le système RDB installé a également été soumis à des essais de compatibilité et de brouillage électromagnétiques. Il n'y avait pas d'exigence réglementaire de répéter la procédure d'essai d'origine de certification relativement aux CRHI sur l'avion une fois le système RDB installé, et on n'a pas effectué les essais de tenue aux CRHI. Cependant, la condition d'essai de 50 V/m du document DO-160C de la RTCA, qui ne tient pas compte du blindage RF assuré par le revêtement et la structure de l'aéronef à un système RDB installé, dépasse la valeur de champ en route du pire scénario de 12,1 V/m, représentant l'effet combiné du radar de Barrington et des émetteurs de CRHI d'arrière-plan. Il est donc peu probable que le système RDB ait été grandement touché par les CRHI.
Après avoir quitté l'espace aérien de l'aéroport JFK, la source la plus importante de CRHI connus dans le voisinage du vol SR 111 correspondait au radar de surveillance de route aérienne AN/FPS-117 situé près de Barrington, en Nouvelle-Écosse. La densité de puissance et la valeur de champ des CRHI produits par le radar de Barrington, dans l'environnement externe près du vol SR 111, étaient de 0,049 W/m² et de 4,31 V/m respectivement, ce qui correspond à une densité d'énergie d'environ 0,0074 mJ/m². La densité de puissance et la valeur de champ maximales qui peuvent être produites par le radar de Barrington et les émetteurs d'arrière-plan, à une distance équivalant à la plus courte distance de passage entre le vol SR 111 et la station radar, sont d'environ 0,21 W/m² et 12,1 V/m respectivement. À titre de comparaison, la densité de puissance du rayonnement solaire au niveau de la mer est de 1 000 fois supérieure, et la valeur de champ de crête estimée à laquelle fait face un avion dans des conditions normales d'approche et d'atterrissage est d'environ 100 fois supérieureNote de bas de page 34. Par conséquent, il est probable que l'environnement d'exploitation normal aux environs de l'aéroport JFK était l'environnement à CRHI le plus rigoureux subi par l'avion en question pendant n'importe quelle partie du vol.
L'environnement à CRHI normaux de l'aéroport JFK ne constitue pas un risque pour l'aviation, comme en témoignent les arrivées et départs quotidiens sans incident de nombreux avions, ainsi que les vols antérieurs de l'avion en question. Les valeurs de crête de champ électrique associées aux environnements d'aéroport à CRHI normaux sont nettement inférieures aux critères de certification du MD-11 relativement aux CRHI. La valeur de champ minimale nécessaire pour provoquer une décharge électrique entre conducteurs exposés (31 kV/cm) est de 1 033 fois supérieure à celle des CRHI de crête d'aéroport, qui est de 3 000 V/m dans la bande 2 à 6 GHz, et de 430 fois supérieure à celle des CRHI les plus intenses que les avions commerciaux devraient subir dans n'importe quelle phase de vol : 7 200 V/m dans la bande 4 à 6 GHz.
Les observations qui précèdent n'ont pas abordé les effets de protection électromagnétique offerte par le revêtement métallique et la structure du MD-11, qui réduisent considérablement le rayonnement électromagnétique qui pénètre dans l'avion. Comme nous l'avons dit plus haut, l'énergie électromagnétique externe qui est transférée au câblage interne ou aux circuits avioniques d'un avion classique est normalement réduite d'un facteur allant de 2 à 40Note de bas de page 35.
Les antennes d'aéronef peuvent capter de l'énergie CRHI qui se trouve dans la gamme de fréquences des antennes et des récepteurs radio. L'énergie électromagnétique atteignant une antenne est amenée aux circuits du récepteur par conduction et risque de provoquer la distorsion des signaux légitimes ou de les altérer. Cependant, les circuits de commande de saturation et de gain de l'étage d'entrée du récepteur radio empêchent les CRHI externes d'être amplifiés à des niveaux dangereux. L'énergie CRHI de fréquences à l'extérieur des gammes de fréquences du récepteur radio est rejetée par les antennes et les filtres passe-bande du récepteur. Pour ces raisons, les antennes ne contribuent pas grandement à une accumulation des niveaux d'énergie CRHI suffisante pour causer une décharge électrique dans le câblage interne d'un aéronef.
À peu près 15 minutes après le décollage, la communication radio avec l'avion en question a été interrompue. L'interruption des communications a duré environ 13 minutes, période pendant laquelle les contrôleurs de la circulation aérienne ont tenté à plusieurs reprises de communiquer avec l'avion sur la fréquence VHF attribuée. Pendant ce temps, les systèmes de bord semblaient fonctionner normalement, et aucune anomalie n'a été signalée par l'équipage. De plus, aucune anomalie de communication n'a été signalée par l'équipage des autres avions commerciaux évoluant dans le voisinage du vol SR 111.
Un aéronef inconnu, supposément militaire, passait au-dessous du vol SR 111 au moment où les communications radio ont été interrompues. Le brouillage RF des radiocommunications entre l'avion en question et l'ATC, venant d'une source externe, est considéré peu probable. Du brouillage de ce genre aurait dû être subi par d'autres radios accordées sur la même fréquence et n'aurait pas empêché l'équipage du vol SR 111 d'émettre sur la fréquence attribuée. Une analyse approfondie de cet événement a attribué cette interruption de communications de 13 minutes à des facteurs humains.
Une énergie maximale de 0,795 mJ, venant du radar de Barrington et des émetteurs d'arrière-plan, aurait pu pénétrer dans l'avion par les hublots et les portes. Un faible pourcentage de cette énergie a pu être induit dans le câblage de l'avion, bien qu'une estimation fiable de l'énergie induite ne puisse être fournie. Il est peu probable que l'induction d'énergie CRHI dans le câblage de l'avion ait pu produire un gradient de champ local de valeur suffisante pour provoquer une décharge électrique à travers l'espacement réduit entre des conducteurs exposés. Plus important encore, si une décharge provoquée par CRHI s'était produite, la libération d'énergie connexe aurait été insuffisante pour enflammer tout matériau combustible. Comme nous l'avons déjà vu, il faut une énergie d'environ 0,2 mJ pour enflammer un mélange fortement volatil de carburéacteur et d'air. Ce pire scénario définit une limite inférieure pour la quantité d'énergie nécessaire au déclenchement d'un incendie. À bord de l'avion en question, le matériau combustible dans la zone de l'incendie était beaucoup moins volatil qu'un mélange carburant-air et il aurait fallu beaucoup plus d'énergie pour enflammer le matériau. Bien qu'il soit clair que le matériau s'est enflammé, il est tout aussi clair que l'énergie de combustion nécessaire n'a pas pu être produite exclusivement par la pénétration dans l'avion d'énergie CRHI venant de la station radar de Barrington et d'autres émetteurs RF en route.
On n'a pas effectué d'analyse rigoureuse des niveaux d'énergie associés aux émetteurs situés à l'aéroport JFK ou à proximité. Cependant, les niveaux d'énergie associés à un émetteur d'aérodrome représentatif, l'ASDE-3, sont relativement inoffensifs (0,136 mJ/m²) et sont nettement inférieurs aux densités d'énergie produites par le radar de Barrington et les émetteurs d'arrière-plan associés. De plus, comme on l'a vu précédemment, la valeur de crête de champ CRHI pour un environnement d'aéroport rigoureux (7 200 V/m) est de deux ordres de grandeur inférieure à la valeur de champ minimale (31 kV/cm) nécessaire pour provoquer une décharge électrique entre des conducteurs exposés.
L'âme conductrice d'un fil électrique n'est normalement pas exposée, bien que le frottement et des conditions semblables puissent exposer de petites zones du conducteur. Dans l'avion en question, le gros du câblage électrique était isolé au moyen d'une pellicule polyimide aromatique, matériau thermoplastique léger d'une rigidité diélectrique d'environ 2 756 kV/cmNote de bas de page 36. Dans certaines conditions, une décharge électrique venant d'une zone exposée du conducteur peut générer suffisamment d'énergie pour décomposer un isolant de fil à proximité, produisant des points d'amorçage d'arc supplémentaires et entraînant un effet de cascade. L'énergie nécessaire pour décomposer thermiquement un isolant de fil moderne d'aéronef a été prudemment estimée à 690 JNote de bas de page 37. Même si une étincelle provoquée par CRHI s'était produite, l'énergie libérée n'aurait pas été suffisante pour altérer les propriétés diélectriques de l'isolant voisin, sur le même fil ou sur d'autres fils.
Notes de bas de page
Note de bas de page 1Les valeurs de champ électrique ambiant dans des zones orageuses dépassent normalement 50 kV/m.
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Note de bas de page 2Cette relation a déjà été découverte en 1889 par F. Paschen et elle est appelée loi de Paschen.
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Note de bas de page 3E. M. Bazelyan et Yu P. Raizer, Spark Discharge (Boca Raton, Fla.: CRC Press, 1998), p. 32.
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Note de bas de page 4M. S. Naidu et V. Kamaraju, High Voltage Engineering, 2e éd. (McGraw-Hill, 1995), p. 27; E.C. Jordan, Reference Data for Radio Engineers: Radio, Electronics, Computer, and Communications, 7e éd. (Howard W. Sams & Co., Inc., 1985), p. 48-4.
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Note de bas de page 5Franklin A. Fisher, Some Notes on Sparks and Ignition of Fuels (Pittsfield, Massachussets: Lightning Technologies, Inc., NASA/TM-2000-210077, mars 2000).
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Note de bas de page 6On pense que cette condition n'existait pas à bord de l'avion SR 111.
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Note de bas de page 7Franklin A. Fisher, J. A. Plumer et R. A. Perala, Lightning Protection of Aircraft (Pittsfield, Massachussets: Lightning Technologies, Inc., 1990), p. 174.
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Note de bas de page 8J. J. Ely, T. X. Nguyen, K. L. Dudley, S. A. Scearce, F. B. Beck, M. D. Deshpande et C. R. Cockrel, Investigation of Electromagnetic Field Threat to Fuel Tank Wiring of a Transport Aircraft (NASA TP-2000-209867, mars 2000).
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Note de bas de page 9Lettre de la part de David B. Walen, Chief Scientific and Technical Advisor, Electromagnetic Interference, Aircraft Certification Service, 12 mars 2001 (Federal Aviation Administration, États-Unis, numéro de dossier ANM-110N:01-01).
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Note de bas de page 10Règle générale, un affaiblissement électromagnétique se produit à la limite entre milieux à impédances dissemblables.
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Note de bas de page 11L'expression générale d'un rapport en décibels est 10 log10(rapport A/B).
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Note de bas de page 12La puissance de crête est une valeur efficace, sauf indication contraire.
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Note de bas de page 13Le gain d'antenne peut également se définir par rapport à un doublet demi-onde et il est alors désigné dBd. Dans l'ensemble du présent document, il est question du gain par rapport à une antenne isotrope.
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Note de bas de page 14L'ouverture RF effective des hublots et des portes est normalement inférieure à l'ouverture matérielle, qui est utilisée dans le présent document comme hypothèse du pire scénario.
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Note de bas de page 15En raison de la grande énergie associée aux ondes stationnaires, la fréquence critique établit également une limite inférieure pour l'induction optimale de l'énergie CRHI dans le câblage d'aéronef.
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Note de bas de page 16Les fréquences de mesure et de commande sont inférieures à quelques kHz.
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Note de bas de page 17Il faut utiliser des condensateurs à fils de longueur nulle pour empêcher l'inductance de ces fils d'entrer en résonance série avec le condensateur de filtrage (normalement au-dessous de 100 MHz).
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Note de bas de page 18R. W. Ziolkowski et J. B. Grant, « Scattering from Cavity-Backed Apertures: The Generalized Dual Series Solution of the Concentrically Loaded E-Pol slit Cylinder Problem », IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. Ap-35, no 5, mai 1987.
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Note de bas de page 19Bruce T. Clough, « Microwave induced upset of a Digital Flight Control Computer » (USAF Wright Laboratory).
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Note de bas de page 20À l'extérieur de la gamme de fréquences spécifiée, le gain d'antenne n'est pas commandé et il est normalement faible. De plus, le récepteur fait appel à des filtres passe-bande en vue de l'accord de fréquence sélectif et de la réjection de voie adjacente.
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Note de bas de page 21Les circuits avioniques essentiels au vol font appel à des composants et à des dispositifs numériques de qualité aérospatiale. Vu les dépenses et le temps nécessaires à cette qualification, les composants des circuits avioniques tendent à être en retard de quelques générations sur les appareils éélectroniques grand public.
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Note de bas de page 22Federal Aviation Administration Proposed Special Condition, McDonnell Douglas MD-11, Radio Frequency (RF) Energy Protection, 12 avril 1988.
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Note de bas de page 23Joint Aviation Authorities Special Condition JAA/MD-11/05, Lightning Strike Indirect Effects and External Radiation Protection, 2 mai 1989.
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Note de bas de page 24Rapport numéro MDC K5336 de la Douglas Aircraft Company, « MD-11 High Energy Radiated Fields (HERF) Certification Report », 21 septembre 1990.
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Note de bas de page 25Le système installé sur la flotte MD-11 de la Swissair était appelé « IFEN-2 shipset » (lot RDB-2).
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Note de bas de page 26L'installation d'éléments du RDB dans les sièges de première classe et de classe affaires a été effectuée par les fabricants des sièges en vertu d'un STC distinct, identifié ST01373AT.
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Note de bas de page 27Electromagnetic Compatibility Qualification Test Plan/Report for Interactive Flight Technologies Inc. Aircraft Entertainment System Cluster Controller, numéro de pièce 100-001-10, 6 février 1995.
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Note de bas de page 28Document 20034, révision A, de la Swissair « EMI/RF Test Plan/Report Ground and Flight MD-11 Swissair », 22 janvier 1997.
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Note de bas de page 29F. W. Heather, High Intensity Radiated Field External Environments for Civil Aircraft Operating in the United States of America (note de service technique de l'US Navy NAWCADPAX-98-156-TM, novembre 1998).
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Note de bas de page 30Proposed Advisory Circular/Advisory Material Joint 20.1317, figure 8, page 54, 8 novembre 1998.
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Note de bas de page 31On a également considéré l'effet des lobes secondaires verticaux à une distance de 500 pieds.
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Note de bas de page 32F. W. Heather, tableau 16, p. 50.
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Note de bas de page 33Obtenu du rapport numéro MDC K5336 de la Douglas Aircraft Company, « MD-11 High Energy Radiated Fields (HERF) Certification Report », 21 septembre 1990, au moyen d'équations standard.
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Note de bas de page 34Tableau : Environnement CRHI opérationnel pour la certification FAA/JAA des MD-11, dans la bande 1 à 2 GHz, la valeur de crête normale des CRHI pendant l'approche et l'atterrissage est évaluée à 1 300 V/m.
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Note de bas de page 35L'atténuation type dans un grand avion de transport varie selon l'emplacement dans l'avion. L'AC 20.1317 donne une atténuation allant de 6 à 32 dB ou un facteur de réduction du champ électrique allant de 2 à 40.
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Note de bas de page 36Le système RDB comprenait du fil électrique isolé au copolymère réticulé d'éthylène-tétrafluoroéthylène, autre matériau thermoplastique ayant une rigidité diélectrique d'environ 1 377 kV/cm. S.S. Schwartz et H.G. Sidney, Plastics Materials and Processes (Van Nostrand Reinhold Company Inc., 1982), p. 518.
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Note de bas de page 37P. Ladkin et W. Schepper, « EMI, TWA 800 and Swissair 111 » (Université de Bielefeld, Allemagne, 10 octobre 2000).