Les efforts qu'un pilote doit fournir sur les commandes pour piloter son avion sont fonction de sa taille (sa masse, en fait), et de sa vitesse (le carré de sa vitesse, pour être précis). Il est donc tout naturel de penser que la force physique d'un pilote (même baraqué) est très largement insuffisante pour piloter un avion très rapide, de grande taille, ou les deux.

Pour des avions capables d'évoluer à des vitesses extrèmement différentes, la seule compensation aérodynamique (tabs, par exemple) n'est plus adaptée . En effet, une compensation efficace à 300 Km/h, par exemple, deviendrait une très large surcompensation à 800 Km/h, et au contraire, une bonne compensation à haute vitesse serait inefficace à basse vitesse. Il faut trouver une autre solution, et cette solution ce sont les commandes de vol assistées, ou même servomotrices.

Les commandes assistées ou servomotrices n'impliquent toutefois pas une disparition totale de la compensation aérodynamique. Celle-ci n'a, alors, plus pour but de permettre un pilotage manuel, mais simplement de diminuer les efforts sur la structure. Elle peut dès lors être plus "légère".

L'assistance hydraulique, et les commandes servomotrices.

On parle d'assistance lorsque la force hydraulique vient simplement s'ajouter à la force musculaire du pilote pour alléger son travail, exactement comme pour la direction assistée des automobiles.
La force hydraulique, dans ce cas, n'élimine pas le lien entre la commande et la gouverne par timonnerie classique, mais elle l'assiste simplement.
Si le système hydraulique ne fonctionne pas, les commandes restent utilisables manuellement, mais au prix d'efforts physiques nettement plus importants.

On parle de commandes servomotrice, lorsque la force hydraulique assure la totalité du travail. Le pilote n'ayant théoriquement aucun effort à faire, il ne "sent" pas son avion, aucune action sur les commandes aussi importante soit-elle ne lui demande d'effort différent.

Pour éviter cela, un dispositif spécial faisant pression sur les commandes lui restitue artificiellement une sensation d'effort musculaire "naturel" à faire qui soit en rapport avec l'importance du déplacement de la gouverne, et la vitesse de l'avion.

Avec les commandes servomotrices, il n'y a plus aucun lien directe entre les commandes et les gouvernes, et le pilotage devient donc totalement impossible en cas de panne du système, elles sont utilisées dans les cas où l'avion serait de toute façon totalement impilotable par la seule force musculaire.
Pour palier à cet inconvénient, on double voir triple le système de commande, avec même parfois le choix d'un système de secours radicalement différent.

Exemple: un, voir même deux circuits de commandes hydrauliques séparés, et un système de commande électrique.

Comment fonctionne un système hydraulique ?

Le système hydraulique le plus simple est celui-ci:

Deux cylindres contenant de l'huile, et reliés entre-eux. Chaque cylindre est équipé d'un piston. Si l'on pousse sur l'un des deux pistons, la pression est immédiatement transmise à l'autre piston par le liquide (en fait, la pression est transmise à toutes les parois, piston compris), et cette pression repousse cet autre piston.

Dans ce cas-ci, les deux cylindres étant strictement égaux, la force appliquée d'un côté est strictement égale à la force de répulsion de l'autre. De plus, en choisissant un liquide hydraulique incompressible, la longueur du déplacement du piston que l'on enfonce est égale à la longueur du déplacement du piston repoussé.

Que se passe-t-il si l'on prend deux cylindres de diamètres différents ?

A gauche, un cylindre étroit dont le piston est enfoncé sur la distance A, repoussant une certaine quantité d'huile vers l'autre cylindre.

A droite, un cylindre large dont le piston se lève sous la poussée de l'huile mise sous pression par l'enfoncement du piston de gauche.

Le déplacement du piston de droite se fera exactement sur la distance nécessaire à ce que le volume d'huile chassée du premier cylindre y trouve sa place.
Le déplacement du piston de droite sera donc beaucoup plus petit (pour "accueillir" l'"arrivage" d'huile), puisque le cylindre de droite est beaucoup plus large.
Cette distance est indiquée par la lettre B sur le dessin.

On y perd donc en distance de déplacement, mais y gagne-t-on par ailleurs?

La réponse est oui, et voici pourquoi:

Imaginons que le piston étroit fasse 10 Cm² de surface, et qu'on lui applique une force de 10 Kg, la pression engendrée dans le liquide sera donc de 10 Kg/10 Cm², soit 1 Kg/Cm².
On l'a dit, le liquide transmet intégralement la pression sur toutes les parois, le piston large est donc soumis à exactement la même pression (ici: 1Kg/Cm²).
Imaginons maintenant que ce piston large fasse 250 Cm² de surface. S'il reçoit une pression d'un Kg/Cm² sur une surface totale de 250 Cm², la force totale qui pousse le piston est de 250 Kg!

Avec une force de 10 Kg sur le premier piston, on obtient donc une force de 250 Kg sur le deuxième piston. La force obtenue est 25 fois plus grande, et en contrepartie, le déplacement est 25 fois plus petit (même volume pour une surface 25 fois plus grande).

Le gain de force est interressant, mais la perte de distance de déplacement interdit d'utiliser ce système, en l'état, pour les commandes de vol. La solution est de remplacer le petit cylindre avec piston par une pompe à pression (P) et une commande (C) permettant d'établir ou d'interrompre la pression dans le "gros" cylindre, le fluide hydraulique étant stocké dans un réservoir (R). Comme ceci:

Ce système ne donne une force sur le piston que dans un seul sens; pour permettre un fonctionnement dans les deux sens, on remplace la commande simple par un distrubuteur à tiroir, comme ceci:

Suivant la position du tiroir (double piston) du distributeur (enfoncé ou tiré), la pression (en bleu sera dirigée d'un côté ou de l'autre du piston du verin, provoquant son déplacement dans un sens ou dans l'autre.
Un vérin travaillant ainsi dans les deux sens est appelé verin double effet.

Avec un tel système, l'importance du déplacement du tiroir du distributeur peut influencer la vitesse de réaction du vérin (en laissant passer un débit plus ou moins grand), mais pas la longueur de son déplacement (même avec une petite ouverture du tiroir, le vérin sera quand même, tôt ou tard, repoussé jusqu'au bout).

Pour que le système soit apte à être utilisé pour transmettre le mouvement des commandes aux gouvernes, il faut un dispositif qui interrompe l'injection d'huile sous pression dans le vérin lorsque la gouverne a atteint l'angle correspondant à l'action du pilote sur la commande.

Un système simple, et souvent utilisé, pour faire correspondre un déplacement précis de la commande à un autre déplacement précis de la gouverne, est celui-ci:

La commande est reliée, par une tringlerie, au distributeur à tiroir.
Le distributeur à tiroir est solidaire du cylindre du vérin (fixé sur le cylindre).
Le piston est relié et fixé à la structure, et c'est le cylindre lui même qui est mobile et relié, par tringlerie, à la gouverne.
Il en résulte que le cylindre entraine le distributeur à tiroir dans son déplacement, puisqu'ils sont tous deux solidaires l'un de l'autre.

Si le manche est tiré, la pression est envoyée dans la partie droite du cylindre.
Le cylindre se déplace vers la droite, faisant pivoter la gouverne, et entrainant avec lui le distributeur dans un même déplacement vers la droite.

Le déplacement vers la droite du distributeur alors que le tiroir (double piston) reste fixé à la commande (manche) a pour conséquence un déplacement RELATIF, dans l'autre sens, du tiroir par rapport au distributeur. Ce déplacement relatif ramène le tiroir en position "fermé", et interromp le processus.

Le repère (petit triangle noir), permet de voir le déplacement relatif de l'ensemble.

Si le manche est poussé, tout se passe de la même manière, en sens inverse.
Déplacement du système sous la pression hydraulique:

Et interruption du processus lorsque le tiroir est de nouveau en position "fermé", et la gouverne en position choisie.

Nous avons parlé ici des commandes hydrauliques, mais il éxiste aussi des commandes fonctionnant gràce à un système pneumatique, ou électrique.

Un système pneumatique est un système qui fonctionne suivant des principes semblables aux systèmes hydrauliques, mais avec de l'air comprimé à la place du liquide hydraulique.

Lorsque l'on parle de commandes de vol électriques, cela ne signifie pas absence de tout système hydraulique pour faire bouger la gouverne (la force hydraulique étant presqu'inévitable compte tenu de la force nécessaire), cela signifie seulement que le lien entre les commandes (au niveau du cockpit) et les gouvernes est, dans ce cas, un circuit électrique agissant sur des sortes d'électrovannes qui, elles, commandent le verin hydraulique, et cela directement près de la gouverne.

Etant, comme les servo commandes hydrauliques, et pneumatiques, dépourvues de lien directe entre les commandes, et les gouvernes, les commandes électrique nécessitent un dispositif rendant artificiellement au pilote une sensation naturelle d'effort en rapport avec le déplacement de la gouverne sollicitée.

Comme pour les systèmes hydrauliques et pneumatiques, les commandes de vol électriques sont securisées par le doublement, ou le triplement du système (ce que l'on appelle la redondance), ou même par l'ajout d'un système différent (hydraulique, ou pneumatique), et ce pour réduire les risques de panne totale empèchant tout pilotage.

Les commandes de vol électriques sont régulièrement couplées à un ou plusieurs (redondance!) ordinateur(s) dont la fonction est l'assistance au pilotage. Le concept, initié sur le F16 pour assurer un équilibre artificiel à cet avion construit volontairement instable, s'est maintenant généralisé à la quasi totalité des avions de combat modernes, et ce, toujours essentiellement pour permettre de concevoir des avions naturellement instables, qui sont très nettement plus manoeuvrables, mais presqu'impilotables sans assistance (voir les pages: le contrôle en tangage et les suivantes).

De nos jours, les commandes de vol électriques contrôlées par ordinateur sont utilisées aussi sur les avions civils (en particulier chez Airbus); l'assistance au pilotage fourni par l'ordinateur permettant d'accroître notablement la sécurité en "corrigeant", si besoin est, certains ordres du pilote imparfaitement "calibrés" pour la situation.

Exemple extrême: un ordre de coupure totale des moteurs en pleine ascencion au décollage (au moment où la puissance maximum est presqu'une nécessité vitale), serait refusé par l'ordinateur.