Moteurs à réaction

Types de moteurs à réaction

Artwork : Un résumé des six principaux types de moteurs à réaction. Chacun est expliqué plus en détail dans le texte ci-dessous, suivi d’un lien vers un excellent site de la NASA où vous trouverez encore plus de graphiques et d’animations.

Tous les moteurs à réaction et toutes les turbines à gaz fonctionnent globalement de la même manière (tirer l’air par une entrée, le comprimer, le brûler avec du carburant et permettre à l’échappement de se dilater à travers une turbine), ils partagent donc tous cinq composants clés : une entrée, un compresseur, une chambre de combustion et une turbine (disposés exactement dans cet ordre) avec un arbre d’entraînement qui les traverse.

Mais là s’arrêtent les similitudes. Différents types de moteurs ont des composants supplémentaires (entraînés par la turbine), les entrées fonctionnent de manières différentes, il peut y avoir plus d’une chambre de combustion, il peut y avoir deux ou plusieurs compresseurs et plusieurs turbines. Les moteurs aérospatiaux sont conçus à partir d’un compromis méticuleux : ils doivent produire une puissance maximale à partir d’un minimum de carburant (avec un rendement maximal, en d’autres termes) tout en étant aussi petits, légers et silencieux que possible. Les turbines à gaz utilisées au sol (par exemple, dans les centrales électriques) n’ont pas nécessairement besoin de faire des compromis de la même manière ; elles n’ont pas besoin d’être petites ou légères, bien qu’elles aient certainement besoin d’une puissance et d’une efficacité maximales.

Turbojets

Photo : Premiers turboréacteurs sur un avion Boeing B-52A Stratofortress, photographié en 1954.Le B-52A avait huit turboréacteurs Pratt et Whitney J-57, chacun pouvant produire environ 10 000 livres de poussée.Photo gracieuseté de l’US Air Force.

La conception originale de Whittle était appelée un turboréacteur et elle est encore largement utilisée dans les avions aujourd’hui. Un turboréacteur est le type le plus simple de moteur à réaction basé sur une turbine à gaz : c’est un jet « fusée » de base qui fait avancer un avion en envoyant un jet d’échappement chaud vers l’arrière. Les gaz d’échappement qui sortent du moteur sont beaucoup plus rapides que l’air froid qui y entre – c’est ainsi qu’un turboréacteur produit sa poussée. Dans un turboréacteur, tout ce que la turbine doit faire est d’alimenter le compresseur, de sorte qu’elle retire relativement peu d’énergie du jet d’échappement.

Les turboréacteurs sont des moteurs à réaction de base, à usage général, quiproduisent des quantités constantes de puissance tout le temps, de sorte qu’ils conviennent auxpetits avions à réaction à faible vitesse qui n’ont pas à faire quelque chose de particulièrement remarquable (comme accélérer soudainement ou transporter d’énormes quantités de marchandises). Le moteur que nous avons expliqué et illustré ci-dessus en est un exemple.Pour en savoir plus sur les turboréacteurs, consultez le site de la NASA (qui comprend un moteur animé avec lequel vous pouvez jouer).

Turbo-arbres

Photo : Le tube gris que vous pouvez voir sous le rotor de cet hélicoptère Seahawk de l’armée américaine est l’un de ses deux turbomoteurs à double arbre. Il y en a un autre exactement pareil de l’autre côté. Photo par Trevor Kohlrus avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Vous ne pensez peut-être pas que les hélicoptères sont entraînés par des moteurs à réaction – ils ont ces énormes rotors au sommet qui font tout le travail – mais vous auriez tort : les rotors sont alimentés par un ou deux moteurs à turbine à gaz appelés turbo-arbres. Un turbomoteur est très différent d’un turboréacteur, car les gaz d’échappement produisent relativement peu de poussée. Au contraire, la turbine d’un turboréacteur capte la majeure partie de la puissance et l’arbre d’entraînement qui la traverse fait tourner une transmission et une ou plusieurs boîtes de vitesses qui font tourner les rotors. Outre les hélicoptères, vous trouverez également des turbomoteurs dans les trains, les chars et les bateaux. Les moteurs à turbine à gaz montés dans des choses comme les centrales électriques sont également des turbo-arbres.

Turbopropulseurs

Photo : Un turbopropulseur utilise un moteur à réaction pour alimenter une hélice. Photo par Eduardo Zaragoza avec l’aimable autorisation de l’US Navy.

Un avion moderne avec une hélice utilise généralement un turbopropulseur.Il est similaire au turbomoteur d’un hélicoptère mais, au lieu d’alimenter un rotor aérien, la turbine à l’intérieur fait tourner une hélice montée à l’avant qui pousse l’avion vers l’avant. Contrairement à l’arbre de turbine, un turbopropulseur produit une certaine poussée vers l’avant à partir de ses gaz d’échappement, mais la majorité de la poussée provient de l’hélice. Comme les avions à hélice volent plus lentement, ils perdent moins d’énergie à combattre la résistance de l’air, ce qui les rend très efficaces pour les avions cargo et autres petits avions légers.Cependant, les hélices elles-mêmes créent beaucoup de résistance à l’air, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles les turbopropulseurs ont été développés.Lisez plus sur les turbopropulseurs de la NASA.

Turbopropulseurs

Photo : Un moteur turbofan produit plus de poussée à l’aide d’une soufflante intérieure et d’une dérivation extérieure (le plus petit anneau que vous pouvez voir entre la soufflante intérieure et le boîtier extérieur). Chacun de ces moteurs produit 43 000 livres de poussée (presque 4,5 fois plus que les moteurs du Stratofortress ci-dessus) ! Photo de Lance Cheung avec l’aimable autorisation de l’US Air Force.

Les avions de ligne géants ont d’énormes ventilateurs montés à l’avant, qui fonctionnent comme des hélices super efficaces. Les ventilateurs fonctionnent de deux façons. Ils augmentent légèrement l’air qui circule dans le centre (noyau) du moteur, produisant plus de poussée avec le même carburant (ce qui les rend `plus efficaces). Ils soufflent également une partie de l’air à l’extérieur du moteur principal, contournant complètement le cœur du moteur et produisant un contre-courant d’air comme une hélice. En d’autres termes, un turboréacteur à double flux produit une poussée en partie comme un turboréacteur et en partie comme un turbopropulseur.Les turboréacteurs à faible taux de dilution envoient pratiquement tout leur air à travers le noyau, tandis que ceux à taux de dilution élevé envoient plus d’air autour de celui-ci. Une mesure appelée le taux de dérivation indique la quantité d’air (en poids) qui passe par le cœur du moteur ou qui l’entoure ; dans un moteur à taux de dérivation élevé, le taux peut être de 10:1, ce qui signifie qu’il y a 10 fois plus d’air qui passe autour qu’à travers le cœur.La puissance et l’efficacité impressionnantes des turbosoufflantes en font des moteurs de choix pour tous les types d’appareils, des jets de passagers (généralement à taux de dérivation élevé) aux chasseurs à réaction (à taux de dérivation faible). La conception de la dérivation permet également de refroidir un moteur à réaction et de le rendre plus silencieux. En savoir plus sur les turbofans de la NASA.

Ramjets et scramjets

Photo : Un statoréacteur/scramjet Pegasus développé pour les avions spatiaux en 1999.Photo reproduite avec l’aimable autorisation du Armstrong Flight Research Center de la NASA.

Les moteurs à réaction aspirent l’air à grande vitesse, donc, en théorie, si vous concevez l’entrée comme une tuyère qui se rétrécit rapidement, vous pouvez faire en sorte qu’elle comprime automatiquement l’air entrant, sans qu’un compresseur ou une turbine ne l’alimente. Les moteurs qui fonctionnent de cette manière sont appelés statoréacteurs et, comme ils ont besoin que l’air se déplace rapidement, ils ne conviennent vraiment qu’aux avions supersoniques et hypersoniques (plus rapides que le son). L’air qui se déplace plus vite que le son lorsqu’il entre dans le moteur est comprimé et ralenti de façon spectaculaire, jusqu’à des vitesses subsoniques, puis mélangé à du carburant et allumé par un dispositif appelé porte-flamme, produisant un échappement semblable à celui d’un turboréacteur classique. Les statoréacteurs sont généralement utilisés pour les moteurs de fusées et de missiles, mais comme ils « respirent » l’air, ils ne peuvent pas être utilisés dans l’espace. Les statoréacteurs sont similaires, sauf que l’air supersonique ne ralentit pas autant qu’il accélère dans le moteur. En restant supersonique, l’air sort à une vitesse beaucoup plus élevée, ce qui permet à l’avion d’aller considérablement plus vite qu’un avion propulsé par un statoréacteur (théoriquement, jusqu’à Mach 15, ou 15 fois la vitesse du son – dans la région du « haut hypersonique »).Lisez plus sur les statoréacteurs et les scramjets de la NASA.

Chart : Les moteurs à réaction modernes sont environ 100 fois plus puissants que ceux inventés par Frank Whittle et son rival allemand Hans von Ohain. Le bloc rouge montre le GE90, actuellement le moteur le plus puissant du monde. Dans la chronologie ci-dessous, vous pouvez découvrir comment les moteurs se sont développés – et les cerveaux d’ingénieurs qui se cachent derrière eux.

Une brève histoire des moteurs à réaction

• ~1800s : À l’aide de modèles simples, l’inventeur anglais Sir George Cayley(1773-1857) imagine la conception et le fonctionnement de base de l’avion moderne,à aile portante. Malheureusement, la seule source d’énergie pratique disponible de son vivant est la machine à vapeur alimentée au charbon, qui est trop grosse, trop lourde et trop inefficace pour faire fonctionner un avion.
• Années 1860-1870 : Travaillant indépendamment, les ingénieurs français JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), l’ingénieur allemand Nikolaus Otto(1832-1891) et Karl Benz développent le moteur de la voiture moderne, qui fonctionne avec de l’essence relativement légère, propre et riche en énergie, un carburant beaucoup plus pratique que le charbon.
• 1884 : L’Anglais Sir Charles Parsons (1854-1931) est le pionnier des turbines à vapeur et des compresseurs, éléments clés de la technologie des futurs moteurs d’avion.
• 1903 : Les frères cyclistes Wilbur Wright (1867-1912) etOrville Wright (1871-1948) effectuent le premier vol motorisé en utilisant un moteur agas pour actionner deux hélices fixées aux ailes d’un simplebiplan.
• 1908 : Le Français René Lorin (1877-1933) invente le statoréacteur – le moteur à réaction le plus simple possible.
• 1910 : Henri-Marie Coandă (1885-1972), né en Roumanie mais travaillant principalement en France, construit le premier avion à réaction du monde, le Coandă-1910, propulsé par un grand ventilateur d’air au lieu d’une hélice.
• 1914 : Le pionnier américain de l’espace Robert Hutchings Goddard (1882-1945) se voit accorder ses deux premiers brevets décrivant des fusées à étages multiples alimentées en liquide – des idées qui, bien des années plus tard, permettront d’envoyer des gens dans l’espace.
• 1925 : Pratt & Whitney (aujourd’hui l’un des plus grands constructeurs de moteurs aéronautiques au monde) construit son premier moteur, le Wasp à neuf cylindres.
• 1928 : L’ingénieur allemand Alexander Lippisch (1894-1976) met des moteurs-fusées sur un planeur expérimental pour fabriquer le premier avion-fusée du monde, le Lippisch Ente.
• 1926 : L’ingénieur britannique Alan Griffith (1893-1963) propose d’utiliser des moteurs à turbine à gaz pour propulser les avions dans un article classique intitulé AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Ce travail fait de Griffith, en fait, le père théorique du moteur à réaction (parmi ses nombreuses contributions, il a compris que le compresseur d’un moteur à réaction devait utiliser des aubes courbes plutôt que des aubes au profil simple et plat). Griffith devient ensuite un pionnier des turboréacteurs, des turbofans et des avions à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) en tant que scientifique en chef de Rolls-Royce, l’un des principaux fabricants mondiaux de moteurs d’avion.
• 1928 : A seulement 21 ans, l’ingénieur anglais Frank Whittle (1907-1996) conçoit un moteur à réaction, mais l’armée britannique (et Alan Griffith, son consultant) refuse de prendre ses idées au sérieux. Whittle est contraint de créer sa propre entreprise et de développer ses idées par lui-même. En 1937, il construit le premier moteur à réaction moderne, mais uniquement sous forme de prototype au sol.
• 1936 : Whittle invente et dépose un brevet pour le turbomoteur à dérivation.
• 1933-1939 : Hans von Ohain (1911-1998), le rival allemand de Whittle, conçoit simultanément des moteurs à réaction avec compresseurs et turbines.Son moteur HeS 3B, conçu en 1938, propulse le Heinkel He-178 lors de son vol inaugural en tant que premier avion à turboréacteur du monde, le 27 août 1939.
• 1951 : L’ingénieur aérospatial américain Charles Kaman (1919-2011) construit le premier hélicoptère équipé d’un moteur à turbine à gaz, le K-225.
• 2002 : La turbosoufflante GE90-115B de General Electric devient le moteur le plus puissant du monde, avec une poussée maximale de 569kN (127 900 lbf).
• 2019 : Le General Electric GE9X, basé sur le GE90, utilise un rapport de dilution élevé de 10:1, moins d’aubes de soufflante et de meilleurs matériaux pour offrir un rendement énergétique supérieur de 10 % et une consommation de carburant inférieure de 5 % avec moins de bruit et moins d’émissions. Il produit cependant une poussée nettement inférieure (environ 470kN ou 105 000 lbf).

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