Turbines et moteurs à réaction

« Le turbopropulseur hélice arbre flux d'air compresseur entrant turbine r gaz d'éjection transport tactique militaire , qui doivent pouvoir opérer sur piste courte (C-160 Transall, C-130 Hercules), les avions ­ écoles (Tucano), les petit-porteurs court et moyen-courriers (Beechcraft King Air 200).

Les performances des turbopropulseurs leur interdisent de dépasser Mach 0,7.

PLUS QU'UN MOTEUR CitNÉIAHUI DE PUISSANCE Sur les avions civils, I'APU (Auxiliary Power Uni() est une turbine à gaz auxiliaire, située en général à l'arrière de l'appareil au niveau de la gouverne de profondeur, qui fonctionne en brûlant le kérosène des réservoirs pour alimenter les circuits électriques et -------------r--------------1 électroniques de l'avion.

En vol, les d'entretenir la combustion du flux d'air , qui est ainsi porté à haute température .

Le Cllrllur1111t aéronautique majoritairement utilisé est le «Jet A 1 », carburant fabriqué à base de kérosène (un produit de la distillation du pétrole).

Le choix du carburant s'est porté sur le kérosène du fait d'une part de sa forte densité énergétique (plus fort emport énergétique à masse égale qu'un autre carburant), et d'autre part de son point de congélation très bas (de l'ordre de -54 •q : les températures en altitude pouvant descendre à -65 ou -70 •c, mieux vaut éviter que le carburant gèle trop vite dans les réservoirs ...

En contrôlant le débit de l'injection de carburant via la manette des gaz, le pilote peut modifier la température des gaz en combustion, et donc la poussée de chacun des réacteurs.

ENTRÉE ET somE o' AIR L'entrée d'air du réacteur est la partie avant du moteur, constituée de la soufflante du compresseur (le premier étage du compresseur basse pression) et d'une tuyère plus ou moins longue d'admission du flux d'air.

Autant la conception d'une entrée et d'une sortie d'air ne posent pas de problèmes particuliers dans le domaine de l 'aviation subsonique, autant le passage du mur du son impose un certain nombre de précautions aux ingénieurs.

En effet pour assurer un fonctionnement optimal des compresseurs et des turbines du turboréacteur, l'écoulement fluide interne doit présenter le moins de turbulences possible ; or ces phénomènes apparaissent justement de façon incontrôlée lorsque la vitesse du flux d 'air s'approche de celle du son.

Les ingénieurs ont donc dû mettre au point des dispositifs permettant de ramener le flux entrant à des vitesses subsoniques (par exemple les cônes d'ondes de choc sur réacteurs hémisphériques), et à l'inverse de transformer en vitesse la chaleur et la pression de l'air chaud à la sortie du réacteur (par exemple les tuyères de Laval qui accélèrent le flux d'air jusqu'à des vitesses supersoniques grâce à leur profil) .

SIMPLE ET DOUBLE FLUX On parle de moteur « simple flux » pour désigner un turboréacteur au sein duquel la totalité du flux d'air entrant traverse la chambre de combustion et est chauffé puis détendu pour provoquer la propulsion .

Au cours des années 1960 sont apparus des moteurs dits « double flux », dans lesquels une partie seulement du flux d'air pré­ compressé par la soufflante traverse le moteur : le reste est dévié de façon à contourner la chambre de combustion par sa périphérie jusqu'à la tuyère, où il est éjecté avec les gaz chauds .

La proportion d'air contournant le moteur est variable : on parle alors de taux de dilution pour désigner le rapport du flux massique total (air chaud et air froid) sur le flux massique traversant le moteur (air chaud seulement).

Les moteurs simple flux ou à faible taux de dilution sont très bruyants et n'atteignent un rendement optimal qu'au-dela de Mach 1 : particulièrement adaptés au vol supersonique , ils conviennent donc aux avions militaires (un taux de dilution typique pour un chasseur moderne est de l'ordre de 1,5).

A l'inverse, les avions de ligne, qui dépassent rarement Mach 0,85, sont en général dotés de moteurs double flux à fort taux de dilution (de l'ordre de 5 à 10), plus silencieux, plus économiques, atteignant leur rendement optimal à des vitesses plus faibles, et reconnaissables à la taille conséquente de leur soufflante, de grande dimension pour pouvoir aspirer un gros flux d'air.

L'HYBRIDE : LE TURBOPROPULSEUR On parle indifféremment de turbopropulseur ou de moteur à turbine pour désigner ce moteur hybride, qu'on peut voir comme une hélice greffée sur un réacteur ! Il s'agit plus précisément d'un type spécial de turboréacteur dans lequel la majeure partie de l'énergie des gaz d'éjection est transférée, via une turbine, à une hélice.

La poussée n'est donc pas obtenue par réaction, mais bien grâce à la puissance transmise par les gaz éjectés à l'hélice via l'arbre de la turbines.

Ce type de moteur équipe un grand nombre d 'appareils de moyenne puissance, pour lesquels les moteurs classiques à pistons ne sont pas assez performants mais les turboréacteurs inadaptés : par exemple, les avions de turboréacteurs principaux eux-mêmes peuvent aussi jouer ce rôle .

Ainsi, en plus de leur rôle moteur, les réacteurs de l'avion se comportent comme des générateurs de puissance électrique .

POUSSÉE VECTOIIEW Le combat aérien moderne est un environnement extrêmement exigeant, dans lequel les capacités d'évolution rapide des aéronefs sont primordiales pour échapper à l'armement adverse et s'imposer sur le théâtre d'opérations.

Logiquement les ingénieurs ont donc essayé de faire intervenir la poussée développée par les moteurs comme paramètre de commande dans le contrôle de la trajectoire .

C'est le principe de la poussée vectorielle : en adjoignant des déflecteurs de poussée en sortie de la tuyère d'échappement des réacteurs, on peut diriger le jet d'éjection des gaz dans la direction souhaitée pour accélérer les évolutions de l'aéronef en virage .

C'est elle qu'utilisent par exemple les pilotes du Sukhoï Su-27 soviétique pour adopter la fameuse position « Cobra » : la propulsion ne se fait plus uniquement en ligne droite, elle devient organe de direction à part entière.

Posr-coMBurnoN Pour produire des accélérations plus brusques ou passer plus rapidement le mur du son, les pilotes de chasse disposent de la post-combustion, un dispositif permettant d'augmenter temporairement la puissance de leurs réacteur.

Le principe de la post­ combustion consiste à réinjecter du kérosène dans les gaz chauds en sortie de la tuyère d'échappement comme dans une seconde chambre de combustion : cela a pour effet d'augmenter fortement la température des €az éjectés, et donc de rajouter un excédent important de poussée à la disposition du pilote (parfois plus de 80 % de poussée en plus !).

Le désavantage de ce procédé est son coût énergétique : très gourmande en kérosène , la post-combustion ne peut rester allumée plus de quelques minutes .

LA RÉACTION DU FUTUR Si le turboréacteur, omniprésent en aéronautique , est le moteur à réaction le plus connu du grand public, il existe aussi de nombreux autres modèles de moteurs basés sur le principe d'action­ réaction.

Le réacteur de demain sera peut-être un des moteurs futuristes que nous présentons ici ! STATORÉACTEUR Le statoréacteur est un moteur à réaction constitué d'un simpe tube, dans lequel on réalise l'injection et la combustion de carburant.

Pas de compresseurs, pas de turbines : la géométrie du tube assure à elle seule la compression du flux d'air entrant puis la détente des gaz chauds éjectés.

C'est cette apparente simplicité qui rend justement la mise au point d'un statoréacteur si difficile, puisqu'il faut créer un profil de tuyère à même d'assurer le fonctionnement du réacteur.

En règle générale, les concepteurs utilisent une tuyère constituée de trois parties distinctes : une entrée divergente, qui ralentit et compresse le flux d'air entrant une chambre de combustion dont la forme, la plus difficile à mettre au point doit assurer la qualité de la combustion et la stabilité de la couronne de flammes utilisées comme allumeurs, puis une tuyère d'éjection dont la forme réalise la détente des gaz chauds pour créer la propulsion.

On parle de statoréacteur lorsque la combustion se fait à des vitesses subsoniques, et de superstatoréacteur lorsque le flux d'air rentre en combustion à une vitesse supérieure au Mach : ce dernier est encore plus complexe à mettre au point ! Le gros avantage des statoréacteurs est leur robustesse (pas de pièces mécaniques).

Cependant, ils ne peuvent pas fonctionner à l'arrêt, puisque le compresseur est remplacé par la vitesse du flux d'air entrant: il faut donc coupler statoréacteurs et superstatoréacteurs à une autre source de propulsion pour le démarrage.

Le statoréacteur (de Mach 3 à Mach 6) et le superstatoréacteur (au-delà de Mach 6) sont les réacteurs les plus efficaces aux très grandes vitesses : le réacteur de l'avion spatial du futur sera donc très probablement un statoréacteur ! MOHUR À PROPUlSION IONIQUE Le nom de moteur ionique reste attaché, dans l'esprit du public, à la science-fiction en général et à la série Star Trek en particulier.

Cependant, c'est un moteur qui existe bel et bien, dont le principe est connu depuis le début du xX' siècle et qui fonctionne déjà à l'heure actuelle dans le domaine spatial.

Dans un moteur à ions, le carburant n'est pas brûlé, mais ionisé, c'est-à-dire que ses constituants atomiques sont transformés en ions (atomes ou molécules de charge électrique non nulle).

Les ions étant des constituants atomiques ou moléculaires porteurs de charge , on peut les accélérer en les soumettant à un champ électrique: c'est ce que fait le moteur à ions, en accélérant le carburant ionisé entre deux grilles fortement chargées .

C'est en général un gaz noble, le xénon, qui sert de carburant, car son utilisation évite les problèmes de corrosion au sein du moteur.

Le principal avantage du moteur à ion est l'économie de poids qu'ils permettent de réaliser : si leur poussée est bien plus modeste que celle des réacteurs conventionnels, qui restent donc toujours nécessaires pour arracher sondes et satellites à l'attraction terreste, ils consomment énormément moins de carburant pour atteindre la même vitesse, ce qui représente une économie de poids conséquente et leur permet de fonctionner beaucoup plus longtemps et donc d 'atteindre des destinations plus lointaines .

Le satellite de télévision européen Astra 2a, soumis aux forces de marée (influence de la Lune et du Soleil), se sert par exemple d'un moteur ionique pour se maintenir en position stable sur son orbite : le carburant d'un moteur fusée conventionnel serait épuisé au bout d'environ 10 ans, alors qu'un moteur à ion lui assure une durée de vie bien plus longue.

La sonde européenne SMART-1, lancée par I'ESA le 28 septembre 2003 et actuellement en orbite autour de la Lune, et la sonde américaine Deep Space One , lancée par la NASA le 24 octobre 1998 pour étudier cette technologie en grandeur réelle, utilisent toutes deux un moteur à ions.

Le statoréacteur cône de choc flux d'air entrant chambre de combustion injecteur gaz d'éjection. »