Propulsion des aéronefs
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Pour déplacer un aéronef de masse M à la vitesse V, il faut créer une force (traction ou poussée) F = M x V. Le propulseur d'un aéronef est un dispositif qui augmente la vitesse d'une masse d'air N d'une valeur dV, dV étant la différence entre la vitesse de l'air entre l'entrée et la sortie.
Il existe deux sortes de dispositifs permettant de créer cette force :
- en accélérant faiblement une grande quantité d'air : l'hélice
- en accélérant fortement une faible quantité d'air : le stato-réacteur.
Les hélices carénées, les turbopropulseurs et les turboréacteurs sont des dispositifs intermédiaires entre l'hélice "pure" et le stato-réacteur "pur".
La post-combustion peut être considérée comme l'association d'un turboréacteur et d'un stato-réacteur.
Le moteur fusée peut être considéré comme un stato-réacteur qui réalise en interne son mélange comburant + carburant.
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[modifier] Présentation
Dans les turboréacteurs à double flux, on appelle taux de dilution le rapport entre la masse d'air du flux froid et celle du flux chaud. Les moteurs sont listés ci-dessous en fonction du taux de dilution en considérant, par analogie, que le flux traversant l'hélice est un flux froid. Cet ordre ne correspond pas à celui du développement historique.
[modifier] Le moteur à piston et l'hélice
Le moteur à piston utilisé en aéronautique fonctionne sur le même principe que celui qui entraîne une voiture. Afin de diminuer le poids, le corps est réalisé dans des alliages à base d'aluminium et le refroidissement se fait par air. Le vilebrequin entraîne une hélice qui accélère une forte quantité d'air d'environ 10% (si l'avion vole à 200 km/h, la vitesse de l'air derrière l'hélice est de 220 km/h). La poussée produite par les gaz d'échappement s'ajoute à la traction produite par l'hélice.
Le moteur à piston est à l'origine de l'aéronautique. Son développement s'est achevé à la fin de la Seconde Guerre Mondiale avec l'arrivée du turboréacteur. Au début du XXIe siècle ce moteur n'équipe plus que les avions légers destiné aux loisirs et au sports. Les modèles utilisés comportent 4, 6 ou 8 cylindres disposés à plat afin de ne pas diminuer la visibilité. Les avions commerciaux des années 1950 étaient équipés de moteurs en étoile et certains des premiers avions étaient équipés de moteurs en étoile rotatifs : le vilebrequin était fixe et l'ensemble moteur + hélice était en rotation. Cette solution améliore le refroidissement mais créé un couple gyroscopique préjudiciable à la manœuvrabilité de l'avion.
[modifier] Le turbopropulseur et l'hélice
Le turbopropulseur est un réacteur dont la turbine entraîne à la fois le compresseur et une hélice. Le turbopropulseur est généralement double-corps, c'est à dire qu'il dispose de deux turbines en sortie qui font tourner deux arbres concentriques. La première turbine est reliée au compresseur, la seconde à l'hélice. Le turbopropulseur a été difficile à mettre au point car il associe les difficultés du réacteur et de l'hélice. Son rendement est supérieur à celui du turboréacteur aux basses altitudes et aux faibles vitesses. C'est le mode de propulsion préféré pour les avions de transport commerciaux à faible rayon d'action.
Le premier turbopropulseur en service commercial a été le Protheus de Bristol, développé en 1945, et qui équipait le Bristol Britannia. Les États-Unis n'ont disposé d'un turbopropulseur fiable qu'à partir de 1956, le T56 d'Allison qui équipe encore les avions cargo militaires Lockheed C-130 Hercules.
Le turbopropulseur est utilisé sur la plupart des hélicoptères (le rotor est une hélice tournant dans le plan horizontal).
- 1 : ailettes fixes d'entrée d'air
- 2 : rotor du compresseur
- 3 : stator du compresseur
- 4 : chambre de combustion
- 5 : turbine HP, entraîne le rotor du compresseur
- 6 : turbien BP, entraîne l'hélice
- 7 : tuyère d'éjection
- 8 : hélice
- 9 : réducteur de vitesse (engrenage planétaire)
[modifier] Le turbopropulseur et l'hélice carénée (fan)
Ce type de moteur n'a pas encore trouvé de développement commercial. L'hélice est remplacée par une roue équipée d'ailettes tournant dans un carénage. En principe, ce moteur permet d'atteindre des vitesses plus élevées car le contrôle des phénomènes supersoniques en bout d'ailettes est plus simple que sur une pale. Il est aussi moins bruyant en raison de son carénage. Seul problème : le carénage est très lourd.
[modifier] Le turboréacteur à double flux
Ce type de moteur (appelé aussi couramment turbofan) associe un turboréacteur "pur" à travers lequel circule le flux primaire, flux chaud, et une roue à aubes qui entraîne le flux concentrique secondaire, flux froid. Le rapport entre flux chaud et flux froid est appelé taux de dilution. Les premiers tuboréacteurs à double flux avaient un taux de dilution de 1,5:1 ; on dépasse maintenant 15:1.
Ce type de moteur est utilisé sur les avions de transport commerciaux. Ils sont facilement reconnaissables en raison du diamètre de la soufflante qui atteint plusieurs mètres. Les poussées atteintes permettent la propulsion d'avions de très grandes capacités tel que l'Airbus A380.
[modifier] Le turboréacteur simple corps ou double corps
Les premiers turboréacteurs construits après la Seconde Guerre Mondiale ont été des turboréacteurs "purs" à simple corps : une seule turbine entraîne le compresseur et la totalité du flux d'air traverse le corps du réacteur. Pour des raisons d'efficacité de la compression il est nécessaire de séparer le compresseur en deux parties : basse pression et haute pression tournant à des vitesses différentes. On dispose donc deux axes concentriques : la première turbine actionne le compresseur HP et la seconde le compresseur BP.
Le turboréacteur à double flux (voir ci-dessus) est toujours à double, voire triple corps, afin de permettre des vitesses de rotation différentes pour les aubes du flux secondaires, le compresseur BP et le compresseur HP.
Le turboréacteur a été utilisé sur tous les types d'avions développés à partir de la fin de la Seconde Guerre Mondiale. Son faible rendement le fait abandonner au profit du réacteur à double flux pour les avions commerciaux. Il continue à équiper les avions militaires (intercepteurs en particulier) qui ont besoin de bonnes performances de vitesse à toutes les altitudes.
[modifier] Le statoréacteur
Le statoréacteur est un réacteur dont la compression est assurée uniquement par la forme de la manche d'entrée. Sa conception est très simple puisqu'il n'utilise pas d'élément tournant. Il ne peut fonctionner que si sa vitesse est élevée et ne peut donc pas servir pour un avion décollant de manière autonome. Il est utilisé pour la propulsion de missiles lancés à partir d'avions.
[modifier] Cas particuliers
[modifier] La post-combustion
La post-combustion consiste à ajouter un stato-réacteur à la sortie d'un réacteur. Elle permet d'obtenir une poussée supplémentaire au décollage ou pour atteindre les régimes supersoniques. La consommation spécifique du stato-réacteur est très élevée et son usage est réservé aux avions militaires, exception faite du Concorde.
[modifier] Le pulso-réacteur
Le pulso-réacteur est un réacteur sans élements tournant, dont la géométrie permet de produire une poussée modeste mais réelle. L'entrée d'air de certains modèles de pulso-réacteurs comporte des volets d'obturation pour diriger les gaz brulés vers la sortie. C'est le cas des missiles V1 utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale (les V2 utilisent un autre type de propulseur: moteur fusée à carburant liquide). D'autres pulso-réacteurs sont formés d'un simple tube respectant des proportions géométrique permettant une résonance qui entretient un cycle injection + échappement / explosion. Le moteur doit être amorcé par une injection d'air comprimé donnant la vélocité initiale au flux. Depuis, des aéromodélistes l'ont utilisé avec succès en vol, sur des modèles il est vrai atrocement bruyants. Il n'y a pas d'avion utilisant ce type de réacteur actuellement, bien que l'on parle parfois d'un projet de moteur à très haute vitesse pour avion espion développé aux Etats-Unis et en Australie.
[modifier] Le moteur fusée
Le moteur fusée emporte son comburant et son carburant sous forme de poudre ou de liquides. Comme il n'utilise pas l'oxygène de l'air comme comburant, il peut aussi fonctionner en dehors de l'atmosphère. La durée de fonctionnement étant très réduite, il n'est utilisé en aéronautique que pour la propulsion de missiles. Certains avions militaires ont aussi été équipés de moteur fusée d'appoint pour le décollage.
[modifier] Limitations technologiques
Les turbomachines sont des engins complexes mais on peut identifier deux facteurs qui limitent leurs performances :
- les vitesses supersoniques en bout de pale ou d'ailette : la somme vectorielle de la vitesse linéaire de l'air et celle de la vitesse de rotation de l'hélice ou du rotor de la turbomachine atteint rapidement le régime transonique. Les phénomènes sont difficiles à maîtriser d'où une limitation du diamètre et/ou de la vitesse de rotation des parties tournantes.
- fluage des aubes de turbine : la turbine HP, la première, reçoit le flux d'air le plus chaud. Les ailettes ont tendance à se déformer sous l'effet de leur propre poids. Les constructeurs recherchent de nouveaux matériaux ou composites susceptibles de mieux résister aux efforts à température élevée. En parallèle, on peut refroidir les ailettes en faisant circuler de l'air froid dans des canaux qui la traverse ; cette solution risque de fragiliser l'ailette et en rend la fabrication encore plus complexe.
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