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Fonctionnement d’un moteur à réaction

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L’histoire des moteurs à réaction

Depuis le mythe d’Icare, dans lequel celui-ci se fabrique des ailes avec des plumes d’oiseaux et vole, les hommes essaient de comprendre la manière dont certaines espèces prennent leur envol afin de la reproduire avec des machines. Léonard de Vinci développe les premiers concepts au 16ème siècle. Mais à l’époque, la seule force motrice connue est celle des muscles de l’homme. Les principes fondamentaux qui permettront plus tard de comprendre comment les avions volent n’apparaitront qu’au 17 et 18ème siècles, avec des scientifiques comme Newton et Bernoulli. Au 19ème siècle, la révolution industrielle permet l’essor de nombreuses avancées techniques. Le français Clément Ader est le premier à faire décoller un avion avec un moteur à vapeur, en s’inspirant d’une chauve-souris. Une dizaine d’années plus tard, les frères Wright effectuent les premiers vols contrôlés et motorisés de l’histoire, en 1903.

 

Le fonctionnement d’un moteur à réaction

Le premier moteur à réaction, ou turboréacteur, est conçu par les Allemands en 1939 ; il est cependant le fruit de plusieurs siècles de recherche.

Le fonctionnement des moteurs utilisés aujourd’hui est simplifié dans cette vidéo :

 

 

 

Le principe est simple :

De l’air est aspiré par une soufflante, puis comprimé en permanence ; il passe ensuite dans une chambre de combustion où il réagit avec du kérosène et s’enflamme. La réaction provoquée va dilater les gaz ; ceux-ci sont alors projetés vers l’arrière par une tuyère, ce qui fait avancer l’avion. Les gaz sortent à très grande vitesse car ils traversent un réacteur dont la forme se rétrécit.

De plus, en sortant du réacteur, les gaz font tourner une turbine, située sur le même axe que le compresseur, juste après la chambre de combustion. Le mouvement de la turbine provoque ainsi celui du compresseur et cela permet à la réaction de se faire en continu. L’avion se déplace et l’air qui circule sur ses ailes le fait voler.

Les compagnies aériennes essaient en permanence d’améliorer les performances des chambres de combustion pour diminuer les émissions des avions.

 

Les lois du mouvement de Newton

Au 17ème siècle, Newton énonce trois lois fondamentales pour expliquer le mouvement. La première est le principe d’inertie, la deuxième le principe de la dynamique. Celle qui nous intéresse est la troisième loi de Newton, le principe des actions réciproques.

La propulsion à réaction est en effet fondée sur ce principe d’action-réaction, qui dit que pour chaque action, il existe une réaction égale et opposée. Ainsi, l’air éjecté vers l’arrière va exercer une force égale et opposée sur l’avion en le projetant vers l’avant. Cette force s’appelle la poussée. De plus, plus la vitesse du jet de gaz propulsé sera élevée, plus la poussée sera importante.

La loi de Newton permet par ailleurs d’expliciter comment les avions volent ; si l’aile exerce une force sur l’air (son poids, force qui va faire le bas), alors l’air exerce une force opposée sur l’aile, appelée la portance (vers le haut). La compensation de ces forces permet de maintenir l’avion en l’air.

 

Le premier moteur à réaction

En 1731, l’anglais John Barber commence à déposer des brevets sur une turbine à gaz à combustion interne, ancêtre du turboréacteur. Son moteur comprend alors un compresseur, une chambre à combustion et une turbine, le tout alimenté par une substance inflammable. Barber ne réussit cependant pas à faire fonctionner son invention car les technologies de l’époque ne permettent pas de générer une puissance suffisante.

Le développement de la turbine à gaz est ensuite retardé par le succès de la turbine à vapeur. Enfin, suite aux travaux du roumain Henri Coandă et du français Maxime Guillaume dans les années 1930, c’est finalement un britannique, Sir Frank Whittle, qui révolutionne le transport aérien avec la propulsion par turboréacteur. Au lieu d’utiliser un moteur à pistons pour comprimer l’air, Whittle choisit une turbine en aval qui se sert de la puissance fournie par les gaz d’échappement, et entraîne ainsi le compresseur. Ce nouveau moteur est plus économe et puissant qu’un moteur à pistons.

Les premiers turboréacteurs sont développés simultanément en Angleterre et en Allemagne. L’Allemand Hans Von Ohain développe le premier moteur à réaction pour la compagnie Heinkel en 1939. Le premier avion à réaction est le Heinkel He-178, utilisé pour le combat. Le premier vol est cependant interrompu à cause d’un oiseau aspiré dans le moteur. La course à l’armement pendant la Seconde Guerre Mondiale permet ensuite d’accélérer la naissance de l’aviation moderne. Les États-Unis et l’Union soviétique rattrapent leur retard à la fin de la guerre, puis la France, auparavant freinée par l’occupation allemande. Les premiers avions civils utilisant des moteurs à réaction apparaissent dans les années 1950.

Avion Heinkel He-178
Heinkel He-178 – Source: Wikimedia Commons

 

Les différents types de moteurs à réaction

De manière générale, les turboréacteurs permettent de transformer l’énergie chimique contenue dans un carburant en énergie cinétique. Le développement des turboréacteurs est dès leur création un enjeu majeur, aussi bien militaire que civil; les moteurs à réaction développés aujourd’hui sont beaucoup plus complexes qu’autrefois. Ils sont par exemple équipés d’inverseurs de poussée, qui servent à freiner l’appareil. Le jet est redirigé vers l’avant du moteur.

Nous pouvons distinguer plusieurs sous-catégories de moteurs à réaction :

  • Les turboréacteurs à compresseur centrifuge
  • Les turboréacteurs à compresseur axial
  • Les moteurs à réaction double flux
  • Les statoréacteurs
  • Les turbopropulseurs
  • Les turbomoteurs à turbine libre

Les moteurs que nous avons décrits plus haut sont des turboréacteurs à compresseur centrifuge. Ils sont simples à fabriquer et robustes mais l’inconvénient est qu’ils nécessitent un moteur de grand diamètre, ce qui fait diminuer la vitesse finale de l’appareil. Les turboréacteurs axiaux ont donc été inventés. L’air est comprimé à travers une série d’hélices et le rendement est meilleur, mais cela nécessite des matériaux plus avancés. Dans les deux cas, le moteur doit être capable de résister à des températures atteignant 2000°C.

Dans un réacteur à double flux, une soufflante est placée à l’avant du compresseur. Elle aspire une plus grande quantité d’air, qui se divise ensuite en un flux primaire et un secondaire. Le flux primaire passe dans la chambre de combustion, c’est donc un flux d’air chaud. Le flux secondaire est lui directement éjecté de part et d’autre du moteur ; c’est un flux d’air froid qui fournit 80% de la poussée. À la sortie, l’air froid se mélange à l’air chaud ce qui entraîne un refroidissement. Ce système équipe la plupart des avions commerciaux car il permet d’améliorer la poussée et de réduire le bruit du moteur.

Schéma simplifié moteur à double flux
Moteur à double flux – Source: Wikipedia

 

Les statoréacteurs équipent aujourd’hui les avions de combat et les missiles car ils permettent d’atteindre des vitesses très élevées. Leur poussée est supérieure car du carburant est réinjecté dans la chambre de combustion, ce qui s’appelle la postcombustion. De plus, ils ne possèdent pas de pièces mobiles et sont donc légers. Les inconvénients sont qu’ils ne peuvent pas fonctionner en-dessous d’une certaine vitesse et que la température est très élevée, ce qui n’est pas supportable sur la durée pour de nombreux matériaux. Ils ont également besoin qu’on leur fournisse une vitesse initiale pour fonctionner. Les superstatoréacteurs peuvent atteindre des vitesses supersoniques. Le moteur du Concorde était un moteur hybride entre un turboréacteur et un statoréacteur.

Les turboréacteurs augmentent leur poussée en éjectant le plus de gaz possible. Ce n’est pas le cas des turbopropulseurs. Ceux-ci comptent sur la puissance de rotation d’une l’hélice, fixée à l’extérieur de l’avion, pour fournir l’essentiel de la poussée. Les turbopropulseurs offrent la solution la plus économique pour les vols court-courriers. Ils sont plus efficaces et consomment moins de carburant mais ils sont limités en termes d’altitude et de distance. Si vous voulez en savoir plus les différents modèles de turbopropulseurs, consultez cette page.

Schéma montrant le fonctionnement d'un moteur turbopropulseur
Source: Wikimedia Commons

 

Les turbomoteurs ont été conçus pour les hélicoptères. Comme les turboréacteurs, ils sont équipés d’une turbine. Les hélicoptères produits aujourd’hui, comme les Dauphin, possèdent une turbine libre. Celle-ci va transformer l’énergie cinétique et thermique des gaz d’échappement en énergie mécanique. Elle va également permettre aux pales de l’hélicoptère de tourner à une vitesse différente de celle du compresseur et ainsi d’assurer la stabilité de l’appareil.