ÇAVA, Inc.: Mécanique - Le Turboréacteur

Le turboréacteur est un système de propulsion essentiellement utilisé pour les avions. La poussée résulte de l'accélération de l'air entre l'entrée (manche à air) et la sortie (tuyère), par la combustion d'un carburant, généralement du kérosène, dans l'oxygène de l'air. Une partie de l'énergie produite est récupérée par une turbine a la sortie de la tuyère qui sert à faire tourner le compresseur en aval de l'entrée d'air qui le comprimera.

C'est l'un des plus anciens systèmes de moteurs à réaction dont l'inventeur français, Maxime Guillaume, dépose dès 1921 un brevet concernant son principe. Il sera ensuite développé indépendamment par deux ingénieurs durant les années 1930, Frank Whittle au Royaume-Uni et Hans von Ohain en Allemagne. Au début du XXI^e siècle, le rapport coût/efficacité du réacteur le rend particulièrement attractif pour les avions de transport du haut subsonique (0,7 < Mach < 0,9), d'où son utilisation sur les avions civils des familles Airbus A3xx, Boeing B7xx, etc. Il est le seul capable de couvrir les domaines allant du subsonique au supersonique, d'où son utilisation sur les avions de combat (Dassault Rafale, F-16 Fighting Falcon...).

L'industrie du turboréacteur est un secteur majeur de l'aéronautique et donc un facteur important du développement économique. C'est aussi une technologie de pointe, grande utilisatrice de recherche appliquée, et donc un facteur d'autonomie dans le domaine de la défense.

Histoire

Le premier avion à « moteur sans hélice » est construit et présenté au salon du Bourget dès 1910 par Henri Coanda. Lors d'un essai au sol, son inventeur et pilote, surpris par sa puissance, coupe le moteur, mais l'inertie, bien plus importante que celle d'un moteur à hélice, fait que l'avion décolle quand même, mais, privé de propulsion, s'écrase et brûle. Prudemment, Coanda revient à une motorisation à hélice¹.

Le français Maxime Guillaume est le premier à déposer, le 3 mai 1921, un brevet d'invention ² concernant la « propulsion par réaction sur l'air », brevet qu'il obtient le 13 janvier 1922³. Néanmoins, il ne sera suivi d'aucune construction, car elle aurait nécessité des avancées techniques importantes sur les compresseurs et les matériaux.

Les premiers turboréacteurs sont conçus, à peu près simultanément mais indépendamment, par Frank Whittle en Angleterre et par Hans von Ohain en Allemagne dans les années 1930. Whittle, ingénieur aéronautique, s'engage dans la Royal Air Force en 1928 et effectue ses premiers vols en tant que pilote en 1931. Âgé alors de 22 ans, il imagine pour la première fois un avion propulsé sans hélices et essaie sans succès d'obtenir un soutien financier de l'armée pour le développement de son idée⁴^,⁵. Il persiste alors seul dans le développement de cette motorisation et imagine l'utilisation de deux turbines, l'une à l'entrée pour amener l'air vers la chambre de combustion et l'autre pour mélanger le carburant à l'air⁴.

En 1935, grâce à des dons privés, il construit le premier prototype de turboréacteur et le teste au banc d'essai en avril 1937. Le W.1 (en), premier turboréacteur destiné à un petit avion expérimental, est livré le 7 juillet 1939 à la société Power Jets Ltd., avec laquelle Whittle est associé. En février 1940, la Gloster Aircraft Company est choisie pour développer un avion mû par le W.1. Le « Pioneer » effectue ainsi son premier vol le 15 mai 1941⁵.

Von Ohain est doctorant en physique à l'Université de Göttingen en Allemagne. Constructeur d'avions, Ernst Heinkel fait appel à l'université pour développer un nouveau type de propulsion aéronautique⁴^,⁵. Répondant à l'appel, Von Ohain conçoit l'idée d'un moteur dont la combustion se fait selon un cycle continu et dépose en 1934 un brevet de moteur à propulsion similaire à celui de Whittle sur le dessin mais différent sur les éléments internes au moteur. Von Ohain fait voler le premier turboréacteur sur un Heinkel He 178 en 1939, premier aéronef conçu pour être propulsé par ce type de moteurs⁵.

Autour de la Seconde Guerre mondiale

Les premiers turboréacteurs dessinés par Whittle et Von Ohain sont conçus sur la technologie des compresseurs centrifuges. Ces turboréacteurs présentent l'inconvénient de nécessiter un moteur de grand diamètre pour pouvoir comprimer correctement l'air à l'entrée du turboréacteur. En 1940, Anselm Franz (en) développe un turboréacteur fondé sur le principe des compresseurs axiaux, dont la section frontale est beaucoup plus restreinte et le rendement meilleur. Le Junkers Jumo 004 devient ainsi en 1944 non seulement le premier turboréacteur moderne mais également le premier produit en série⁶^,⁷.

Les premiers avions à turboréacteurs construits en série sont des chasseurs-bombardiers, tels que les Messerschmitt Me 262 Schwalbe mus par des Jumo 004A, utilisés à la fin de la Seconde Guerre mondiale⁷. Leur conception est facilitée par la forme allongée et le petit diamètre des turboréacteurs axiaux. Après guerre, les turboréacteurs se généralisent, aussi bien dans l'aviation militaire que civile, ainsi que les turbopropulseurs, conçus sur une technologie très similaire, pour entraîner des hélices. Les Alliés construisent un nombre important de nouveaux turboréacteurs, dont « le Me P.1101 (en) est sûrement le plus avancé⁸ ».

Ces premiers chasseurs seront néanmoins marqués par un manque cruel de puissance. Le Bell P-59 Airacomet, premier avion de chasse à réaction conçu aux États-Unis, n'a d'ailleurs jamais été engagé dans des missions de combat en raison de ses performances décevantes (sous motorisé, peu manœuvrable à basse vitesse...)⁹. Ainsi, dès 1945, les premiers aéronefs « hybrides » font leur apparition. Ces appareils, à l'image du Ryan FR Fireball, sont en effet mus par un turboréacteur et un moteur à pistons¹⁰. Par ailleurs, la recherche de vitesses toujours plus importantes sera à l'origine dans les années 1960 d'une nouvelle hybridation : un turboréacteur associé à un statoréacteur. Le Nord 1500 Griffon II fonctionne sur ce principe. Le turboréacteur fonctionne au décollage tandis que le statoréacteur prend le relais en croisière¹¹.

Par la suite, le développement continu des turboréacteurs devient un enjeu majeur aussi bien militaire (en termes de défense, d'attaque et de force de dissuasion) que civil. Conçu par McDonnell Douglas, le F-4 Phantom II est l'un des avions militaires américains les plus importants du XX^e siècle et l'avion de combat occidental ayant été le plus produit depuis la guerre de Corée. Mû par deux réacteurs General Electric J79, il est l'un des très rares avions à être réputé pour sa durée de vie et ses aptitudes en mission¹². D'un point de vue civil, le De Havilland Comet est le premier avion commercial propulsé par des turboréacteurs. Lancé en 1949, il est resté célèbre pour une série d'accidents en plein vol qui a mis en évidence le phénomène de fatigue des structures dans l'aéronautique¹³.

1950 – 1980 : la recherche de performances

Photographie d'un Lockheed F-104 Starfighter et du General Electric J79 qui le propulse.

La recherche de performances plus élevées en termes de poussée se concentre essentiellement sur deux voies : l'augmentation du taux de compression — les compresseurs centrifuges et les premiers compresseurs axiaux atteignent difficilement un rapport de 6 — et l'augmentation de la température d'éjection. Aux États-Unis, en 1953, General Electric développe le J79, dont le compresseur comporte 17 étages, 6 des stators étant à incidence variable. Ce dernier sera produit en 16 500 exemplaires. En 1949, Pratt & Whitney développe le premier réacteur double corps qui amènera au développement du J57 militaire utilisé sur les Boeing B-52 et KC-135, ainsi que les Douglas Skywarrior.

Dans le domaine civil, sous la dénomination JT3C, il sera le propulseur originel des Boeing 707 et Douglas DC-8 et sera, au total, produit à 21 200 exemplaires. Au Royaume-Uni, Bristol développe à partir de 1949 l'Olympus, de technologie similaire. Initialement, il fournira une poussée de 5 000 daN portée vers 6 000 en 1957, près de 8 000 en 1960 et finalement 9 000 daN. Équipé de la postcombustion, il deviendra le propulseur du Concorde avec une poussée nominale de 17 240 daN.

En France, la Snecma développe la série des Atar, qui culminera avec le 9C à 6 400 daN, et équipera les Mirage III et 5. Enfin, l'URSS produit les Mikulin AM-5, AM-9 et RD-9 qui équipent les chasseurs MiG-19 et Yak-25. Ces réacteurs monocorps auraient été développés à partir du réacteur britannique Nene.^{[réf. nécessaire]} Les bombardiers Tu-16 et le transport civil Tu-104 sont équipés de l'AM-3 (en) développé par Mikulin qui, bien qu'utilisant la technologie monocorps, atteint près de 10 000 daN.

Le choc pétrolier

Le General Electric TF39 (en), l'un des premiers turboréacteurs à double flux à haut taux de dilution.

En dehors du Concorde, supersonique, les avions commerciaux sont limités à des vitesses subsoniques. L'augmentation de la poussée n'est donc nécessaire que pour propulser des avions de plus en plus lourds. Après le choc pétrolier, les recherches portent sur des moteurs dont la consommation spécifique — le rapport entre la consommation de carburant et la poussée obtenue — est la plus faible possible. La concurrence se révèle très forte entre les trois principaux motoristes — Rolls-Royce au Royaume-Uni, Pratt & Whitney aux États-Unis et CFM, consortium entre l'américain General Electric et le français Snecma — et ceci d'autant plus que Boeing ou Airbus laissent aux compagnies aériennes le choix du propulseur. Les développements portent donc essentiellement sur un nouveau type de turboréacteur, le turbofan ou turboréacteur à double flux, qui peut être considéré comme intermédiaire entre le turboréacteur et le turbopropulseur (voir Propulsion des aéronefs). Le premier développement est réalisé par Rolls-Royce avec le Conway (en) et un taux de dilution initial de 0,3 porté par la suite à 0,6.

La première génération de turboréacteurs à double flux à haut taux de dilution et non développés à partir d'éléments pré-existants a permis d'équiper les Lockheed C-5 Galaxy de l'US Air Force avec le General Electric TF39 (en), qui atteignait une poussée de 19 000 daN. Ce réacteur est à l'origine du CF6, modèle civil qui se retrouve sur les DC-10, Airbus A300 et Boeing 747. Les deux concurrents Pratt & Whitney et Rolls-Royce suivirent avec les JT9D et RB.211, aux performances équivalentes.

Technicité accrue et moteurs complexes

Article détaillé : Efficacité d'un turboréacteur.

Le General Electric CF6, turboréacteur à double flux et double corps.

Les turboréacteurs d'aujourd'hui sont des machines d'une extrême complexité regroupant un grand nombre de sous-systèmes. Le développement d'un nouveau moteur demande des moyens humains, technologiques et financiers considérables que seules quelques rares entreprises possèdent dans le monde : General Electric, Snecma, Rolls-Royce, Pratt & Whitney et NPO Saturn pour les plus importants. Les turboréacteurs sont utilisés sur tous les avions civils moyen et gros porteurs, car ils sont les seuls à pouvoir atteindre des vitesses transsoniques (entre mach 0,8 et mach 1) de manière économique¹⁴. Seuls les petits avions de tourisme et les ULM sont encore équipés de moteurs à explosion à pistons.

La fabrication et l'exploitation d'un turboréacteur nécessitent des connaissances techniques parmi les plus pointues de notre époque telles que la mécanique des fluides, la thermodynamique, la science des matériaux, l'automatique ou encore l'acoustique. D'ailleurs, à bord d'un avion, civil ou militaire, le turboréacteur n'est pas seulement un organe propulsif. Il fournit aussi toute l'énergie disponible à bord sous forme électrique, hydraulique et pneumatique et alimente le système de pressurisation et de conditionnement d'air. Le groupe moteur est ainsi souvent appelé « générateur de puissance » ou « powerplant ». Si le rendement et la fiabilité de ces moteurs se sont considérablement améliorés depuis leurs débuts, leur coût est très important, et représente en général pour un avion civil le tiers du coût total de l'appareil.^{[réf. nécessaire]}

Technique

Schéma en coupe d'un turboréacteur illustrant son principe de fonctionnement.

Un turboréacteur fonctionne sur le principe d'action-réaction. La variation de vitesse de l'air entre l'entrée et la sortie du réacteur crée une quantité de mouvement (dénommée poussée) vers l'arrière du moteur qui, par réaction, — d'où le terme de moteur à réaction — engendre le déplacement du moteur, donc du véhicule sur lequel il est fixé, vers l'avant¹⁵.

Le turboréacteur fonctionne sur le principe des turbines à gaz. À l'admission, l'air est aspiré par la soufflante (le cas échéant) puis comprimé via un compresseur (dans tous les cas). Du kérosène est ensuite injecté puis mélangé avec l'air au niveau de la chambre de combustion puis enflammé, ce qui permet de fortement dilater les gaz. Ces derniers s'échappent du turboréacteur par la tuyère qui, en raison de sa section convergente, augmente la vitesse de l'air (suivant l'effet venturi), l'écoulement étant maintenu subsonique au sein du réacteur. L'air passe au préalable par une turbine permettant d'entraîner le compresseur et les accessoires nécessaires au fonctionnement du réacteur; le mouvement est auto-entretenu tant qu'il y a injection de carburant¹⁵. En simplifiant, l'énergie de pression engendrée au sein du réacteur sera transformée en énergie cinétique en sortie, ce qui engendrera une forte poussée.

À l'image des moteurs automobile, le turboréacteur réalise ainsi un cycle continu à quatre temps — admission, compression, combustion et détente/échappement — théoriquement décrit par le cycle de Brayton. Ce cycle est constitué d'une compression adiabatique réversible, d'une combustion isobare irréversible (le réacteur étant considéré comme un système ouvert), d'une détente adiabatique réversible et d'un refroidissement isobare réversible.

Calcul de la poussée

La poussée d'un turboréacteur peut être calculée approximativement à partir de l'équation¹⁶ :

$F_{pouss\acute{e}e} = \dot{m} \times (V_{sortie} - V_{entr\acute{e}e})$

où

$\dot{m}$ , débit massique de l'air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s)

$V_{sortie}$ , vitesse de sortie des gaz de la tuyère (m/s)

$V_{entr\acute{e}e}$ , vitesse d'entrée des gaz dans le compresseur (m/s)

$\dot{m} \times V_{sortie}\,$ représente la poussée de la tuyère, tandis que $\dot{m} \times V_{entr\acute{e}e}\,$ correspond à la force de traînée de l'entrée d'air. Ainsi, pour que le turboréacteur crée une poussée vers l'avant, il faut que la vitesse des gaz d'échappement soit supérieure à celle de l'aéronef¹⁶.

Une même poussée peut être obtenue avec un débit plus faible et une vitesse d'éjection du gaz plus élevée, ou au contraire, un débit plus élevé à moindre vitesse. Il est cependant plus avantageux de favoriser le débit plutôt que la vitesse. En effet, toute l'énergie cinétique communiquée aux gaz éjectés est perdue pour l'avion. L'idéal serait donc de réduire cette énergie à zéro, ce qui correspond à un gaz sortant à vitesse nulle par rapport à l'air ambiant, c'est-à-dire dans le référentiel de l'avion à une vitesse égale à celle de l'avion par rapport à l'air. Il est en effet plus efficace de s'appuyer contre un mur que sur un objet mobile pour se pousser en avant.^{[réf. nécessaire]} En outre, l'énergie thermique contenue par le gaz est également perdue. Il est ainsi important de convertir au maximum cette énergie sous forme d'énergie cinétique pour l'avion, via une tuyère adaptée, la détente du gaz entraînant une réduction de sa température.

C'est la raison du développement des turbopropulseurs, et des réacteurs double flux munis d'une très large soufflante. Leur débit est plus élevé et la température des gaz plus basse. Pour une même poussée, leur rendement plus élevé permet une moindre consommation de carburant, une moindre charge en carburant, donc une charge utile supérieure.

Poussée et consommation

Le GE90-115B, turboréacteur le plus puissant en date de 2009.

La gamme des différents turboréacteurs est assez vaste, tout comme les valeurs de leur poussée. Dans la gamme des avions de transport civil, le plus petit turboréacteur, le TRS 18-1 de Microturbo (division du groupe Safran), atteint entre 120 et 160 daN, tandis que le plus imposant, le GE90-115B, fabriqué par General Electric, développe plus de 40 000 daN¹⁴^,¹⁷. Pour ce qui est des avions de combat, la gamme est beaucoup plus restreinte. Le Pratt & Whitney F119, l'un des réacteurs les plus puissants dans ce domaine, développe entre 9 800 et 15 600 daN, tandis que le Snecma M88 équipant le Dassault Rafale développe de 5 000 à 7 500 daN¹⁴.

La consommation en carburant des turboréacteurs augmente proportionnellement avec la poussée de ces derniers. C'est la raison pour laquelle la consommation spécifique, c'est-à-dire le rapport consommation horaire/poussée, est privilégiée pour caractériser un turboréacteur. Les moteurs de dernières générations présentent pour la plupart un ratio de 0,55 en vol de croisière. Cette valeur, pour un Boeing 777 équipé de deux GE90 parcourant 10 000 km à une moyenne de 1 800 L/100 km, équivaut à environ 5 L/100 km par passager (pour 360 passagers), soit autant qu'une petite automobile¹⁴.

Cependant, les petits réacteurs, du fait d'une construction très simplifiée, ont une plus forte consommation spécifique^{[réf. souhaitée]}.

Contraintes de fonctionnement

Diagramme de pression autour des aubes d'un turboréacteur.

Les turboréacteurs sont des machines de conception très complexe qui doivent supporter des sollicitations thermiques, mécaniques et vibratoires intenses et répondent à de fortes contraintes d'exploitation. Les caractéristiques ne sont pas données de façon précise par les constructeurs mais on peut estimer entre 200 °C et 2 000 °C les températures de fonctionnement¹⁸.

Ces contraintes nécessitent donc des matériaux adaptés à chaque zone. De façon générale, la turbine haute pression est soumise aux conditions les plus sévères (températures et pressions élevées). Les pièces dans cette zone sont en général à base d'alliage de nickel et de cobalt. Dans les zones plus froides, l'acier et le titane sont davantage utilisés¹⁸. Les surfaces internes, notamment celles des aubes et des carters, sont de surcroit protégées par des revêtements afin d'augmenter la durée de vie des matériaux.

Le développement des turboréacteurs s'est d'ailleurs fait surtout grâce à la maîtrise des matériaux qui composent la conduite des gaz, car ce sont eux les plus fortement sollicités. Cette connaissance des matériaux permet d'obtenir des pièces d'une résistance mécanique maximale pour un poids minimal. Encore aujourd'hui, il s'agit d'une des applications qui demandent la plus haute technicité dans le domaine de la science des matériaux : pièces en titane, aubes en alliage monocristallin, traitements thermiques, etc.

Pollution

Pollution sonore

Article détaillé : Pollution sonore.

Les phases de décollage et d'atterrissage sont particulièrement nuisibles en termes d'émissions sonores.

Le turboréacteur est la principale source de pollution sonore des avions, mais pas la seule. Les volets et les trains d'atterrissage ont un impact non négligeable, au décollage et à l'atterrissage¹⁴. En outre, même si on estime que moins de 10 % de la gêne acoustique est due aux aéronefs¹⁴, les turboréacteurs, et plus globalement les moteurs d'avions, génèrent des sons de très basses fréquences qui sont mal atténués par la distance et les murs des maisons modernes. Des progrès significatifs ont néanmoins été réalisés depuis 50 ans puisque le niveau sonore des avions a diminué de plus de 10 dB aussi bien au décollage ou à l'approche qu'en vol¹⁴.

Le turboréacteur génère deux types de bruit : celui dû à l'éjection des gaz et celui induit par les interactions entre les aubes tournantes et les différents conduits. Le second devient prépondérant sur le premier lors des phases de décollage ou d'approche¹⁹. Étant donné que le but est de réduire les émissions sonores dans les zones habitées, les études portent donc sur la réduction de ce deuxième type de bruit.

L'un des programmes les plus connus destinés à réduire les émissions sonores des turboréacteurs est le projet européen « Resound » d'absorption acoustique active. Le principe du projet est de créer une onde de même structure spatiale — c'est-à-dire de même fréquence, de même amplitude et possédant la même directivité — que le bruit de raie de la soufflante, mais déphasée de 180°. Pour cela, un mode acoustique identique au mode d'interaction est généré grâce à une grille de contrôle constituée de tiges radiales. Bien que le niveau acoustique des harmoniques soit augmenté à cause de la création de nouveaux sons d'interaction, le gain fondamental atteint 8 dB¹⁹^,²⁰.

D'autres projet plus récents, comme le « LNA-2 » pour Low Noise Aircraft 2, s'intéressent davantage au rayonnement acoustique en aval. Débuté en janvier 2005, le programme s'appuie sur une caractérisation expérimentale et numérique pour réduire les effets de ce rayonnement²¹.

Pollution atmosphérique

Article détaillé : Pollution de l'air.

Traînée de condensation d'un Douglas DC-8.

Les émissions polluantes issues de la combustion du kérosène sont l'un des problèmes majeurs du turboréacteur pris « à bras le corps »¹⁴ par les ingénieurs. Néanmoins, ils doivent être relativisés, puisque le trafic aérien ne représente que 5 % des émissions polluantes au voisinage des habitations, et que le CO₂ émis ne contribue à l'effet de serre du globe terrestre qu'à hauteur de 2 %. Les effets des traînée de condensation sont essentiellement des cristaux de glace générés par la vapeur d'eau, générée par la combustion du kérosène et cristallisée par le froid^{[réf. nécessaire]}.

Toutefois, la pollution aérienne en haute altitude pourrait avoir bien plus d'impact sur l'environnement et notamment sur l'amincissement de la couche d'ozone. En effet, 75 % des émissions des turboréacteurs ont lieu en vol de croisière dans la troposphère et la basse stratosphère²².

Anatomie

Entrée d'air et soufflante

Soufflante d'un Boeing 737.

L'entrée d'air permet d'amener l'air ambiant dans le turboréacteur. Elle est indispensable lorsque le turboréacteur est installé dans le fuselage, cas de nombreux avions militaires. Des volets ou une souris sont parfois utilisés pour adapter la quantité d'air aux conditions du vol (vitesse et attitude de l'avion).

Lorsque le turboréacteur n'est pas installé dans le fuselage, l'entrée d'air se confond avec le premier étage du compresseur. Ce premier étage est, dans le cas des turboréacteurs à double flux, remplacé par une soufflante. Constituée de pales et d'aubes de grandes dimensions, la soufflante assure la compression initiale des gaz entrant dans le réacteur et l'entraînement des gaz du flux secondaire à l'origine de la majeure partie de la poussée.

Compresseur

Afin d'améliorer les performances du moteur, les gaz entrant dans le turboréacteur sont comprimés par un compresseur. Deux principes de compression sont utilisés : la compression centrifuge — technique quasiment abandonnée au début du XXI^e siècle — et la compression axiale.

Dans le premier cas, un seul compresseur oblige l'air, sous l'effet de la force centrifuge, à passer dans une section divergente (en s'élargissant) ce qui comprime l'air. Dans le deuxième cas, le compresseur est constitué de plusieurs étages. Un étage représentant dans l'ordre un rotor et un stator. Un rotor force l'air dans une section divergente tandis qu'un stator (qui peut être divergent lui aussi) redresse le flux pour le présenter à l'étage suivant sous la meilleure incidence possible.

Dans le turboréacteur double-corps, le compresseur est constitué de deux ensembles tournants, indépendants l'un de l'autre, le premier à basse pression, le second à haute pression.

Compresseur centrifuge

Article détaillé : Compresseur centrifuge.

Compresseur centrifuge sur un réacteur Goblin de De Havilland Vampire.

Les premiers turboréacteurs, conçus à partir des prototypes mis au point par Whittle et Von Ohain, sont munis d'un compresseur centrifuge mû par la turbine. Ils ont le mérite de la simplicité, étant donné qu'un seul étage d'aubes réalise la compression et qu'un seul arbre relie la turbine au compresseur²³.

Mais leur faible longueur s'accompagne d'un fort diamètre nécessaire à une bonne compression. L'air atteint en effet sa compression maximale à l'extrémité du compresseur puisque la force centrifuge est d'autant plus grande que son point d'application est éloigné de l'axe de rotation²³. Ce fort diamètre le destine plutôt à des turboréacteurs de faible dimension.

Les premiers réacteurs anglais tels que les Goblin des De Havilland Vampire ou les Rolls-Royce Welland du Gloster Meteor sont ainsi conçus²⁴. Par ailleurs, la plupart des turbines pour hélicoptères restent conçues sur ce principe qui permet la conception de moteurs compacts.

Compresseur axial

Article détaillé : Compresseur axial.

Le moteur Avia M-04, copie du Junkers Jumo 004 B-1 équipant le Me-262, fonctionne sur le principe du compresseur axial simple corps.

L'augmentation croissante du poids des aéronefs amène les ingénieurs en aéronautique à imaginer des solutions pour améliorer la poussée fournie par le turboréacteur²⁵. Avec une meilleure maîtrise de la métallurgie sont introduits des compresseurs axiaux combinés à des aubages fixes (stators). Du fait de la moindre efficacité, ils nécessitent plusieurs étages tournant à la même vitesse mais peuvent supporter des vitesses de rotation nettement plus élevées. Le premier de ce type, et aussi le premier construit en grande série, est le Jumo 004 de Junkers-Motoren qui équipait le Messerschmitt Me 262⁷.

Chambre de combustion

La chambre de combustion est la partie du turboréacteur dans laquelle se fait la combustion des gaz frais avec le carburant. Le carburant y est ainsi injecté, mélangé à l'air fourni par le compresseur, et brûlé. La consommation spécifique est liée au rendement de combustion. Pour l'améliorer, il faut assurer un mélange comburant-carburant aussi intime que possible par obtention d'un écoulement tourbillonnaire entre les écoulements linéaires à l'entrée et à la sortie. La conception aérodynamique de la chambre de combustion est donc particulièrement compliquée.

Turbine et axe de turbine

Turbine et axe de turbine.

La turbine récupère une partie de l'énergie issue de la combustion des gaz pour le fonctionnement de la soufflante, du compresseur et du relais d'accessoires destiné aux énergies de servitude.

Dans les turboréacteurs double-corps, la turbine est constituée d'un ou plusieurs étages (stator-rotor) à haute pression (HP) et d'un second à basse pression. La turbine HP, dont les ailettes sont soumises au flux des gaz de combustion les plus chauds, est la pièce la plus compliquée sur les plans de la tenue des matériaux et de l'aérodynamique. Il existe deux types de turbine, l'une à action et l'autre à réaction.

Dans une turbine à action (solution privilégiée pour les turbopropulseur et les turbomoteur), le travail de détente (quasi complet) ne s'effectue que dans le stator. L'énergie cinétique ainsi engendrée sera récupérée sous forme d'énergie mécanique afin d'entraîner le compresseur, le réducteur, l'hélice ou la voilure tournante suivant le cas, ainsi que les accessoires nécessaires au moteur.

Dans une turbine à réaction, la détente s'effectue à la fois dans le stator et dans le rotor. De plus, dans ce type de turbine, seule une "faible" partie de l'énergie des gaz est détendue afin de la récupérer sous forme d'énergie mécanique, étant donné que l'ensemble turbine-compresseur (ajouté à cela la soufflante) est moins "lourd" à entraîner qu'un ensemble avec hélice. Le restant d'énergie sera récupérée au niveau de la tuyère, sous forme d'énergie cinétique, afin de créer la poussée.

Tuyère

La tuyère assure l'éjection des gaz brulés ainsi que leur retour à la pression ambiante. L'accélération du flux qui en résulte génère la poussée.

Types de turboréacteurs

Simple et multiple corps


Le moteur Avia M-04, copie du Junkers Jumo 004 B-1 équipant le Me 262, fonctionne sur le principe du compresseur axial simple corps.

On appelle corps un ensemble compresseur-turbine accouplés sur un même arbre et tournant donc à la même vitesse. Un turboréacteur peut être mono-, double ou triple corps²⁶.

Dans les premiers turboréacteurs, centrifuges comme axiaux, turbine et compresseur forment un unique ensemble cinématique. On parle alors de compresseurs/moteurs simple corps ou simple attelage. Pour accroître l'efficacité du turboréacteur, le compresseur est désormais divisé en deux parties successives : une à basse pression et une à haute pression, mues par deux turbines successives (haute et basse pression). On parle alors de turboréacteurs double corps ou double attelage²⁵. La vitesse de rotation des deux corps étant différente, ces moteurs nécessitent deux arbres concentriques et sont donc plus longs et plus lourds. En contrepartie, le rendement est nettement amélioré²³.

Les deux arbres tournent généralement dans le même sens, afin de ne pas imposer aux roulements (ou paliers) les reliant, des vitesses de rotation trop importantes. Dans certains cas toutefois, ils tournent dans des sens différents, ce qui a pour avantage de ne pas cumuler les couples gyroscopiques, et de permettre un meilleur rendement aérodynamique. Par contre, l'excitation dynamique qui résulte de deux corps contra-rotatifs est fonction de la somme des régimes de rotation des deux corps — au lieu d'être fonction de la différence des régimes, dans le cas co-rotatif — donc très élevée, ce qui pose des problèmes de tenue aux vibrations²⁷.

Tous les moteurs de nouvelle génération sont à double corps, voire à triple corps pour ceux à très fort taux de dilution. Cette dernière configuration est une spécificité de la famille de moteurs Rolls-Royce "Trent" pour l'aviation civile.

Simple et double flux


L'Honeywell ALF 502 (en) est un turboréacteur double flux et double corps installé sur le Bombardier Challenger 600-1A11.

Les moteurs sont dits à simple flux quand la totalité de l'air admis traverse le moteur et actionne les turbines. Les turboréacteurs à simple flux sont très bruyants et n'atteignent leur meilleur rendement qu'au-delà de Mach 1.

Bien plus économiques aux vitesses subsoniques et moins bruyants, les turboréacteurs à double flux sont apparus dans les années 1960. Dans ces moteurs, les premiers étages du compresseur basse pression, souvent réduits à la soufflante, sont de grandes dimensions pour aspirer de grandes quantités d'air²⁸. L'air pré-comprimé par la soufflante ne passe pas intégralement par le moteur, mais une partie (le flux froid) le contourne par sa périphérie jusqu'à la tuyère où il est éjecté avec les gaz chauds (flux chaud)²⁵. Cela permet, pour des vitesses modérées, en dessous de Mach 1,5 environ, d'augmenter la poussée par augmentation du débit de gaz, et de réduire considérablement le niveau de bruit²⁶.

La proportion d'air contournant le moteur est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Cette proportion est exprimée par le taux de dilution, égal au rapport du flux froid massique (dit secondaire) sur le flux chaud massique (dit primaire). Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique peuvent atteindre un taux de dilution en dessous de 1, alors que les moteurs civils pour avions de ligne, optimisés pour des croisières autour de Mach 0,8, ont des taux de dilution entre 5 et 10²³^,²⁶. De tels moteurs tirent l'essentiel de leur poussée du flux froid (80 %), le flux chaud représentant 20 % de la poussée, et se rapprochent de turbines couplées à des hélices carénées (turbopropulseurs)²⁶.

Sous-systèmes du turboréacteur

Commande et régulation

Article détaillé : Fadec.

Les turboréacteurs étaient commandés par une « manette des gaz » jusqu'à l'introduction sur les Rolls-Royce/Snecma Olympus-593 du Concorde du premier système de régulation analogique. Depuis, les turboréacteurs ont peu à peu été équipés d'un système de régulation électronique (Fadec), installé sur les Pratt & Whitney PW2000 et CFMI/CFM56-A notamment. Ce système s'est généralisé sur les avions commerciaux de toute taille. C'est également le cas de la totalité des avions militaires récents²⁹.

La régulation du moteur est basée sur un calculateur électronique qui règle le débit de carburant fourni par la pompe en fonction du régime de rotation, de la pression et de la température en certains points du turboréacteur. Il est important d'éviter la « survitesse » du moteur ainsi que des températures trop élevées qui risqueraient d'endommager les pièces. Pour cela, le système de régulation agit parfois sur des organes même du turboréacteur (le calage des aubes de redresseurs, par exemple)²⁹.

Postcombustion

Un McDonnell Douglas F-15 Eagle en postcombustion.

Article détaillé : Postcombustion.

La postcombustion, parfois dénommée réchauffe, est un système utilisé par les avions militaires ou civils supersoniques pour augmenter temporairement la poussée fournie par le turboréacteur. Cette technique consiste à injecter du kérosène — après la turbine du moteur, d'où le terme « post » — dans les gaz d'échappement du réacteur. Sous l'effet de la chaleur, le kérosène s'enflamme, ce qui a pour conséquence une augmentation soudaine de la poussée³⁰.

Cet apport de puissance supplémentaire est particulièrement utile lors d'un décollage sur une piste courte, ou pour se sortir d'une situation étriquée lors d'une mission militaire. Ce système était aussi présent sur les deux seuls avions civils supersoniques à ce jour, le Concorde français et le Tupolev Tu-144 russe, mais reste principalement l'apanage des avions de combat rapides, où il est en général utilisé avec parcimonie car il augmente de façon significative la consommation de carburant³⁰.

Inverseur de poussée

Le McDonnell Douglas MD-82 est équipé d'inverseurs de poussée.

Article détaillé : Inversion de poussée.

L'inversion de poussée est un dispositif permettant d'orienter vers l'avant la poussée exercée par le turboréacteur dans le but de ralentir l'avion et de réduire les distances de freinage lors de l'atterrissage. Seul le flux secondaire est généralement dévié par les dispositifs d'inversion³¹.

Cette technique est surtout utilisée sur les avions civils, ou sur les avions militaires qui en sont dérivés (avions de transport, ravitailleurs...). Elle équipe également quelques avions de combat comme le Panavia Tornado ou le Saab 37 Viggen. Bien qu'il soit monté sur la majorité des avions civils équipés de réacteurs, cet équipement n'est cependant pas obligatoire sur ce type d'avion. D'ailleurs, la certification d'un appareil se fait sans l'utilisation des inverseurs.

Poussée vectorielle

Le Rockwell-MBB X-31 peut réaliser une poussée vectorielle 3D.

Article détaillé : Poussée vectorielle.

Spécificité des avions militaires les plus performants, notamment les intercepteurs, la tuyère des réacteurs est prolongée par un dispositif orientable permettant de dévier le jet et donc la direction de la poussée pour augmenter la manœuvrabilité de l'appareil. On parle généralement de poussée bidimensionnelle (respectivement tridimensionnelle) lorsque la poussée est dirigée dans deux (respectivement trois) directions. Outre cet aspect, elle permet aussi de se déplacer dans des milieux où les ailerons et les gouvernes sont inutiles, c'est-à-dire à très haute altitude où l'air est raréfié³².

Ce dispositif équipe notamment des prototypes russes Soukhoï (SU-37, MiG 1.44 et MiG-29 OVT) et des chasseurs américains (F-22, F/B-22 Concept et JSF). Le plus récent développement (2005) est le Rockwell-MBB X-31. La poussée peut aussi être déviée vers le sol afin de permettre les décollages et atterrissages verticaux, comme sur le Harrier, le F-35 et le Yak-141³².

Groupe auxiliaire de puissance

Nacelle de train principal du C-160 Transall renfermant le GAP.

Article détaillé : Groupe auxiliaire de puissance.

Les turboréacteurs nécessitent généralement l'aide d'un moteur auxiliaire pour être démarrés, le GAP (groupe auxiliaire de puissance) ou APU (Auxiliary Power Unit). Il s'agit d'un petit turbomoteur, souvent dérivé d'une turbomachine d'hélicoptère et situé dans le fuselage de l'aéronef, souvent dans la partie arrière, qui fournit l'air comprimé pour alimenter les démarreurs pneumatiques des turboréacteurs, ainsi que l'énergie électrique avant les démarrages. Le GAP peut parfois servir à la génération hydraulique, en secours³³.

Le GAP est démarré par la ou les batteries électriques de l'avion, ou par un groupe de puissance extérieur. Le GAP peut aussi être utilisé en générateur électrique de secours, lorsque toutes les génératrices et alternateurs des turboréacteurs ou turbopropulseurs sont inopérants. Des essais récents ont été menés avec succès avec des piles à hydrogène en tant que GAP. Ces dispositifs sont plus légers et ne nécessitent pas d'entrée d'air, mais ils sont plus onéreux³³.

Applications et fabricants

Dragster de Vincent Perrot au Festival automobile de Mulhouse 2009.

Probablement moins connu du grand public, les turboréacteurs trouvent quelques applications sur les véhicules terrestres. Le Thrust SSC, véhicule terrestre supersonique détenteur du record absolu de vitesse au sol avec une moyenne à 1 227,985 km/h, est propulsé par deux turboréacteurs à postcombustion développant une puissance d'environ 106 000 ch³⁴. Des versions turbo-motorisées des dragsters, dénommées jet-cars, existent également, mais celles-ci ne peuvent participer à aucun championnat et ne font l'objet que de démonstrations.

En raison de leur capacité à atteindre des vitesses transsoniques (entre mach 0,8 et mach 1) de manière économique, les turboréacteurs sont essentiellement utilisés sur des aéronefs aussi bien militaires que civils. Tous les avions de plus de 110 places, ceux produits par Airbus et Boeing, sont équipés de turboréacteurs. Trois grands fabricants équipent ces avions, à savoir les américains General Electric et Pratt & Whitney, et le britannique Rolls-Royce. On peut y ajouter quatre autres sociétés : le français Snecma, l'allemand MTU Aero Engines, l'italienne Avio et le japonais JAEC (en), qui participent à la production de réacteurs en association avec les « trois grands »³⁵.

Ainsi, Snecma intervient en association avec General Electric au sein de CFM International, une coentreprise détenue à parité égale, pour équiper essentiellement les Airbus de la famille A320 et les Boeing 737. De même, JAEC et MTU Aero Engines participent également à une société commune, International Aero Engines, avec Rolls-Royce et Pratt & Whitney. International Aero Engines est détenue à hauteur de 32,5 % par Rolls-Royce, 32,5 % par Pratt & Whitney, 23 % par JAEC et 12 % par MTU. Elle fabrique des réacteurs destinés exclusivement aux Airbus de la famille A320. Enfin, General Electric et Pratt & Whitney se sont associés dans une coentreprise détenue à parité, Engine Alliance, pour équiper l'Airbus A380, en concurrence avec Rolls-Royce³⁵. Le 10 février 2011, Avio a signé un accord industriel avec le motoriste aéronautique américain Pratt & Whitney pour la fourniture de son nouveau moteur Pure Power PW1500G.

Notes et références

↑ L'aventure sera quand même à la source de la découverte de l'effet Coanda.
↑ sous le numéro 534 801
↑ Brevet d'invention - Propulseur par réaction sur air [archive], sur Office national de la propriété industrielle
↑ ^{a, b et c} (en) Kendall F. Haven (2006), 100 greatest science inventions of all time, How was the jet engine invented ?, p. 225-226
↑ ^{a, b, c et d} (en) Mary Bellis, « Jet Engines - Hans von Ohain and Sir Frank Whittle - The History of the Jet Engine » [archive], sur About.com, p. 1. Consulté le 16 août 2009
↑ (en) Junkers Jumo 004 B4 Turbojet Engine [archive], sur National Air and Space Museum. Consulté le 16 août 2009
↑ ^{a, b et c} (en) Klaus Hünecke (1997), Jet engines : fundamentals of theory, design and operation, Turbine Aircraft Engine, chp. 1, p. 3
↑ (en) History of Jet Engines [archive], sur Scientists and Friends. Consulté le 16 août 2009
↑ Bell P-59 Airacomet : le faux premier jet de l'USAAF [archive], sur Avion légendaire. Consulté le 25 août 2009
↑ Ryan FR-1 Fireball : le chasseur hybride de l'US Navy [archive], sur Avion légendaire. Consulté le 25 août 2009
↑ Nord N.1500 Griffon : un statoréacteur français trop en avance [archive], sur Avion légendaire. Consulté le 25 août 2009
↑ (en) McDonnell F-4A Phantom II "Sageburner" [archive], sur National Air and Space Museum. Consulté le 16 août 2009
↑ (en) De Havilland Comet [archive], sur Century of flight. Consulté le 16 août 2009
↑ ^{a, b, c, d, e, f, g et h} Jean-Claude Thevenin (2004), Le turboréacteur, le moteur des avions à réaction, Chp. 6 - Quelques chiffres caractéristiques, pp. 38-40
↑ ^{a et b} (en) How a Jet Engine Works ? [archive], sur About.com. Consulté le 16 août 2009
↑ ^{a et b} Jean-Claude Thevenin (2004), Le turboréacteur, le moteur des avions à réaction, Chp. 2 - Les différents types de propulseurs et leurs poussées, p. 8
↑ Microturbo - Groupe Safran [archive], sur microturbo.com. Consulté le 25 août 2009
↑ ^{a et b} Jean-Claude Thevenin (2004), Le turboréacteur, le moteur des avions à réaction, Chp. 5 - Les matériaux, la conception mécanique et la fabrication des turboréacteur, pp. 32-34
↑ ^{a et b} Étude du bruit d'un turboréacteur [archive]. Consulté le 30 août 2009
↑ Simulation numérique des écoulements et aéroacoustique [archive], sur ONERA. Consulté le 30 août 2009
↑ bruit aval de soufflante d'un turboréacteur double-flux [archive], sur ONERA. Consulté le 30 août 2009
↑ [PDF] L'environnement - Pollution [archive], sur ACIPA. Consulté le 30 août 2009
↑ ^{a, b, c et d} Jean-Claude Thevenin (2004), Le turboréacteur, le moteur des avions à réaction, Chp. 3 - Le principe de fonctionnement du turboréacteur, pp. 12-15
↑ Réacteur Goblin [archive], sur La Force Aérienne du Canada. Consulté le 24 août 2009
↑ ^{a, b et c} Le système propulsif d'un aéronef [archive]. Consulté le 18 août 2009
↑ ^{a, b, c et d} Turbofan [archive]. Consulté le 18 août 2009
↑ Jean-Claude Thevenin (2004), Le turboréacteur, le moteur des avions à réaction, Chp. 3 - Le principe de fonctionnement du turboréacteur, p. 25
↑ Dans de rares cas, comme sur le General Electric CF700 (en), la soufflante n'est pas placée à l'avant du moteur mais à l'arrière.
↑ ^{a et b} Jean-Claude Thevenin (2004), Le turboréacteur, le moteur des avions à réaction, Chp. 3 - Le principe de fonctionnement du turboréacteur, p. 26
↑ ^{a et b} (en) How does an afterburner work ? [archive], sur How stuff works ?. Consulté le 15 août 2009
↑ Systèmes de commande d’inverseurs de poussée [archive], sur Messier Bugatti. Consulté le 19 août 2009
↑ ^{a et b} La Poussée Vectorielle [archive], sur Avion légendaire.net. Consulté le 19 août 2009
↑ ^{a et b} (en) Auxiliary Power Units [archive], sur NASA. Consulté le 19 août 2009
↑ Thrust SSC, Sport Auto, numéro 430, novembre 1997, pp. 10-11
↑ ^{a et b} « Avions de plus de 150 places : qui motorise quoi ? », Air&Cosmos, n^o 2176S, 12 juin 2009, p. 102