Depuis l’Antiquité, l’homme rêve de conquérir les cieux. Le mythe d’Icare, qui s’envole avec des ailes de plumes d’oiseaux, illustre cette quête immémoriale. Au 16ᵉ siècle, Léonard de Vinci esquisse les premières machines volantes inspirées par les oiseaux. Cependant, à cette époque, la seule force motrice disponible reste la puissance musculaire. En 1890, le Français Clément Ader parvient à faire décoller son Éole, un avion à moteur à vapeur inspiré du vol des chauves-souris. Si les premiers avions utilisaient des hélices, les limites de cette technologie poussent les ingénieurs à chercher une alternative. Aujourd’hui, les moteurs à réaction équipent la majorité des avions civils et militaires, offrant vitesse, puissance et efficacité. Le turboréacteur, au cœur de cette conquête aérienne, représente une invention révolutionnaire dont le fonctionnement mérite d'être détaillé.
La troisième loi de Newton, principe fondamental de la physique, est au cœur du fonctionnement des moteurs à réaction. Elle stipule que pour toute action, il existe une réaction égale et opposée. Lorsqu’un avion éjecte des gaz vers l’arrière à haute vitesse, ceux-ci exercent une force de réaction, appelée poussée, qui propulse l’appareil vers l’avant. Ce principe est illustré de manière simple par le ballon de baudruche : lorsque celui-ci est gonflé, la pression intérieure est supérieure à la pression extérieure. Si on lâche le ballon, le débit massique d’air qui sort par l’orifice va créer par réaction une force appelée poussée qui va provoquer le mouvement du ballon.
Les propulseurs de véhicules aérospatiaux ont deux fonctions principales. D’une part, ils sont destinés à s’opposer à la traînée aérodynamique. D’autre part, ils doivent permettre l’apparition et l’entretien du mouvement. La création de cette force propulsive implique nécessairement la transformation d’énergie. Le tableau ci-dessous reprend les trois types de générateurs d’énergie actuellement utilisés : moteur fusée, moteur à combustion interne et réacteur. Il reprend également les combustibles et comburants correspondants et les foyers dans lesquels les réactions de combustion se déroulent. On associe ensuite à ce générateur d'énergie, un organe de propulsion dont la fonction est de rejeter vers l’arrière du moteur et donc de l’avion une certaine masse par unité de temps : le débit massique. Le rôle de la propulsion est d’engendrer sur des surfaces appropriées de l’avion des efforts de pression dont la résultante est une force qui s’oppose à la traînée.
Pour assurer l’action propulsive, il existe plusieurs moyens. Citons pour commencer la réaction pure utilisée dans les moteurs fusée. Il s’agit de l’application directe du principe énoncé précédemment. Une réaction chimique de l’ensemble combustible-comburant permet de créer une production continue de gaz sous pression. La résultante des forces de pression sur les parois de la fusée va générer une force de poussée avec l’éjection de ces gaz.
Le deuxième moyen qui est utilisé pour créer la force de propulsion est celui des turboréacteurs ou réacteurs. Dans un réacteur, on capte un certain débit d’air en avant de l’avion et on le rejette à l’arrière avec une vitesse supérieure. Tout comme pour la fusée, les parois matérielles en contact avec le fluide sont soumises à des efforts de pression, il s’agira surtout de la tuyère qui se trouve à l'arrière du moteur. Dans le cas du turboréacteur, la poussée est directement liée à la différence entre la sortie et l’entrée du produit débit massique par vitesse des gaz. Dans le cas de l’hélice, les actions propulsives résultent du champ de pression sur l’hélice elle-même. L’hélice peut être considérée comme un profil aérodynamique, ainsi la vitesse de l’hélice par rapport à l’air va générer une force de portance. Les trois modes de propulsion envisagés : fusée, hélice et réacteur, diffèrent par l'importance relative des divers paramètres intervenant dans l'expression de la force de propulsion. Pour la propulsion par réacteur, la situation est intermédiaire. En ce qui concerne le débit massique sortant, celui-ci est beaucoup plus important pour les deux derniers modes de propulsion : hélice et réacteur.
Jusqu'à la fin des années 30, le moteur à explosion fut pratiquement le seul type de générateur de puissance à être utilisé en aéronautique. Couplé à une hélice, il est un excellent propulseur pour les aéroplanes dont les vitesses de vol seront faibles (inférieures à 600 km/h). On le trouvera essentiellement sous deux formes : cylindres montés en ligne ou cylindres montés en étoile. Une grande innovation consista à utiliser un compresseur puis un turbocompresseur gavant la prise d'air du moteur pour conserver une puissance suffisante aux hautes altitudes.
Afin d’augmenter le rapport poids/puissance des machines, les moteurs à explosion ont progressivement été remplacés par les moteurs à réaction dont l’élément principal est le générateur de gaz. Le développement des turbines à gaz est ensuite éclipsé par le succès des turbines à vapeur, plus efficaces à cette période. Dans les années 1930, les travaux du Roumain Henri Coandă et du Français Maxime Guillaume relancent l’intérêt pour la propulsion à réaction. Le premier moteur à réaction, ou turboréacteur, est conçu par les Allemands en 1939.
En 1937, Whittle conçoit un turboréacteur innovant : au lieu d’utiliser un moteur à pistons pour comprimer l’air, il installe une turbine en aval, exploitant l’énergie des gaz d’échappement pour entraîner le compresseur. Quasi simultanément, l’Allemand Hans von Ohain développe un moteur similaire pour la société Heinkel. En 1939, le Heinkel He-178 devient le premier avion à réaction au monde. La Seconde Guerre mondiale accélère les progrès technologiques. L’Allemagne et le Royaume-Uni se livrent une course aux performances, tandis que les États-Unis et l’URSS rattrapent rapidement leur retard après 1945.
Le début de l'histoire du turboréacteur peut être confondu avec la présentation du « turbo-propulseur » construit par le Roumain Henri Coandă au salon de l'aéronautique en 1910. Aujourd'hui, on le classerait dans la catégorie des motoréacteurs : le compresseur (centrifuge) n'est pas actionné par une turbine mais par un moteur à piston. 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, puis, privé de propulsion, atterrit brutalement et brûle partiellement. Le moteur Coandă inspire d'abord le français Maxime Guillaume, qui est le premier à déposer, le 3 mai 1921, un brevet d'invention concernant le « propulseur par réaction sur l'air », brevet qu'il obtient le 13 janvier 1922.
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 idée. En 1935, grâce à des dons privés, il construit le premier prototype de turboréacteur et le teste au banc d'essai en avril 1937. En février 1940, la Gloster Aircraft Company est choisie pour développer un avion mû par le W.1.
Von Ohain est docteur en physique diplômé en 1935 de l'Université de Göttingen en Allemagne. Le constructeur d'avions Ernst Heinkel l'embauche pour développer un nouveau type de propulsion aéronautique. 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 principe, mais différent sur les éléments internes. Heinkel a déposé un brevet pour un moteur comme celui de Von Ohain aux États-Unis en mai 1939, U2256198, inventeur M Hahn.
Tous ces premiers turboréacteurs, dont ceux de Whittle et Von Ohain, utilisent la technologie du compresseur centrifuge. Ils présentent l'inconvénient de nécessiter un moteur de grand diamètre pour pouvoir comprimer correctement l'air à l'entrée du turboréacteur, ce qui augmente le diamètre de leur fuselage et pénalise leurs performances, en particulier leur vitesse maximale. En 1940, Anselm Franz 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 série.
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 mondiale. 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. Le De Havilland Comet, premier avion commercial à turboréacteurs, décolle en 1953 aux couleurs de la BOAC.
Ces premiers chasseurs seront pénalisés par des moteurs fragiles et 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…). 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 pistons. Certains appareils sont même dotés de motoréacteurs, qui permettent d'associer un moteur à pistons avec un embryon de turboréacteur. 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.
Par la suite, le développement continu des turboréacteurs devient un enjeu majeur aussi bien militaire que civil. Conçu par McDonnell Douglas, le F-4 Phantom II est l'un des avions militaires américains les plus importants du XXe siècle et l'avion de combat occidental ayant été le plus produit depuis la guerre de Corée. Mû par deux turboréacteurs General Electric J79, il est l'un des très rares avions à être réputé pour sa durée de vie et ses aptitudes en mission. D'un point de vue civil, le De Havilland Comet est le premier avion commercial propulsé par des turboréacteurs.
Un turboréacteur fonctionne comme le propulseur à hélice sur le principe d'action-réaction réalisé dans le milieu compressible qu'est l'air ambiant et qui fournit une poussée vers l'avant en réaction à l'éjection d'une masse de gaz animée d'une certaine vitesse. Thermodynamiquement, le turboréacteur est un moteur thermique, aérobie et constitué autour d'une turbomachine à gaz. Il fait subir quatre transformations à l'air : aspiration, compression, combustion et détente-éjection.
L'air est aspiré à l'avant du moteur par l'entrée d'air. Dans un turboréacteur simple flux, tout le débit d'air aspiré traverse ensuite le compresseur. Le compresseur permet d’augmenter la pression de l’air entrant dans la turbomachine. On distingue deux types de compresseurs :
Le taux de compression global est le rapport entre la pression de sortie du ou des compresseurs et la pression d’entrée de ces mêmes compresseurs. Sur les premières générations de turboréacteurs, il n’était pas rare de trouver une quinzaine d’étages de compression. Or la vitesse de rotation d’un compresseur axial est adaptée au fonctionnement optimal des premiers étages mais elle génère des taux de compression de plus en plus faibles dans les étages suivants à mesure que l’on avance dans le compresseur. Pour augmenter le taux de compression global, il est possible d'installer deux voire trois compresseurs en série tournant à des vitesses de rotation différentes, chacun des compresseurs étant entraîné par une turbine. On parle donc de réacteur multi corps : double corps ou triple corps lorsque le générateur de gaz dispose de plusieurs attelages compresseur / turbine avec des arbres concentriques tournant à des vitesses différentes.
La chambre de combustion est le siège de la réaction chimique. La conception de cette chambre est optimisée pour obtenir le meilleur rendement possible et donc récupérer le maximum d’énergie à partir du combustible. L'air comprimé par le compresseur est mélangé à du kérosène puis enflammé. Le problème de la combustion du kérosène est l'un des plus difficiles à résoudre, car le flux d'air ne doit pas souffler la flamme lorsque l'arrivée de carburant est réduite. Il faut maintenir des pièces chaudes sur le front de flamme pour que le kérosène injecté s'enflamme. Plusieurs chambres de combustion sont disposées autour de l'arbre turbine - compresseur. En tête de la chambre est placé un brûleur. Le mélange air-kérosène est enflammé par un allumeur. La section de la zone de combustion est élargie pour disposer d'une durée de combustion suffisante.
L'injection du kérosène se fait via des pompes à pistons louvoyants à barillet. Le mélange air-kérosène est enflammé par un allumeur, et une fois la combustion établie, la flamme est auto-entretenue par la température élevée des gaz. Les températures d'entrée turbine (TET) ou température de sortie de chambre, atteignent 1873 degrés Celsius sur le CFM56 et plus de 2100 degrés Celsius sur le M88.
Une partie de l’énergie des gaz sortant de la chambre est utilisée pour faire tourner une turbine, reliée au compresseur par un arbre mécanique. La turbine transfère son énergie mécanique au compresseur, assurant ainsi son fonctionnement continu. C’est l’ensemble "Compresseur - Chambre - Turbine" qu’on appelle le générateur de gaz.
Le turboréacteur se compose ensuite d’une tuyère qui va transformer l’énergie des gaz sortant de la turbine en énergie cinétique, c’est-à-dire qui va augmenter la vitesse des gaz afin de créer le maximum de poussée. La mise en vitesse des gaz se fait dans la tuyère par transformation de l'énergie potentielle de pression totale et de température totale en énergie cinétique à la sortie du col de tuyère. Tant que la tuyère est en régime subsonique, la pression statique dans le plan de sortie est égale à la pression ambiante. Le rendement propulsif caractérise la manière dont l'énergie produite par le générateur de gaz est réellement utilisée pour la propulsion.
Il existe plusieurs types de turboréacteurs, chacun adapté à des usages spécifiques :
Dans les turboréacteurs simple flux, tout le débit d’air aspiré traverse la chambre de combustion. Ils sont généralement plus simples à fabriquer et robustes.
C’est la volonté de diminuer la consommation des turboréacteurs civils qui a conduit à la réalisation de turboréacteurs double flux. Dans un réacteur à double flux, une soufflante est placée à l’avant du compresseur. Une partie de l'air aspiré est détournée et passe autour du cœur du moteur, formant un flux secondaire froid. À la sortie, l’air froid se mélange à l’air chaud, ce qui entraîne un refroidissement et augmente l'efficacité globale du moteur.
Les turboréacteurs double-flux sont caractérisés par un paramètre, noté λ (lambda), qu'on appelle le taux de dilution. Il est défini comme le rapport du débit du flux secondaire sur le débit du flux primaire. Actuellement, le taux de dilution est compris entre λ=0.25 sur les turboréacteurs d'avion de chasse et λ=6 sur les avions de transport civils. Il devrait atteindre 10 pour des applications civiles à venir. Les turboréacteurs à double flux sont essentiels pour les avions de transport civil modernes en raison de leur meilleure efficacité énergétique et de leur réduction du bruit par rapport aux turboréacteurs simple flux.
Les turboréacteurs augmentent leur poussée en éjectant le plus de gaz possible. La postcombustion est un artifice qui a pour but d’augmenter l’énergie des gaz juste en amont de la tuyère dans le but d’augmenter fortement la poussée du moteur. On injecte du kérosène dans la tuyère qui s’enflamme directement, sans allumage, en raison de la température élevée. On observe alors un accroissement de poussée de l’ordre de 50% mais au prix d’une augmentation de consommation spécifique de plus de 100%. Les avantages de la postcombustion résident dans l'augmentation significative de la poussée, ce qui est crucial pour les avions de chasse lors de manœuvres demandant un maximum de performance.
Les turbopropulseurs offrent la solution la plus économique pour les vols court-courriers. Ils sont conçus sur une technologie très similaire aux turboréacteurs, mais une partie de l'énergie de la turbine est utilisée pour entraîner une hélice. Les turbomoteurs ont été conçus pour les hélicoptères. Ils utilisent le générateur de gaz pour entraîner une turbine de puissance qui fournit de l'énergie mécanique à un arbre de transmission.
Le statoréacteur constitue le moteur le plus simple de principe. Il est composé d'une chambre de combustion et d'une tuyère de détente. Il ne possède pas de compresseur mécanique ; l'air est comprimé par la vitesse de l'avion lui-même. Le statoréacteur ne peut pas être utilisé seul sur un avion, il faut lui adjoindre des propulseurs auxiliaires pour le décollage et les faibles vitesses.
Afin de qualifier la performance des turboréacteurs, plusieurs paramètres peuvent être utilisés :
La masse d'air absorbée dépend de la vitesse de l'air à l'entrée du réacteur. Quand cette masse augmente, on peut augmenter l'injection du kérosène, donc l'énergie injectée et par conséquent la poussée. Pour avoir un bon rendement, la tuyère de sortie doit contribuer à une détente des gaz de combustion pour abaisser la température et fonctionner le réacteur à une vitesse et altitude pour que l'énergie cinétique des gaz d'échappement soit la plus faible possible, de façon que l'énergie du carburant profite au mieux au déplacement de l'avion.
Le roulage au sol des avions à réaction est d'un rendement catastrophique du point de vue de la motorisation. Lorsqu'on étudie un turboréacteur au point fixe, cela ne veut pas dire que la vitesse d'entrée des gaz est nulle, et ce même si le turboréacteur ne bouge pas. Comme loin devant l'entrée d'air la vitesse de l'air est nulle et la pression est la pression atmosphérique, la constante vaut la pression atmosphérique.
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 économique. Tous les avions de plus de 110 places, produits par Airbus et Boeing, sont équipés de turboréacteurs. Quatre grands fabricants équipent ces avions : les Américains General Electric et Pratt & Whitney, le britannique Rolls-Royce et le français Safran Aircraft Engines.
Par ailleurs, à bord d'un avion, 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 ».
Les contraintes thermomécaniques nécessitent 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 utilisés. 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.
Le turboréacteur fait partie d'un ensemble appelé GTR ou Groupe Turboréacteur comprenant une manche d'entrée d'air qui fait partie de la cellule avion et le turboréacteur lui-même qui assure la propulsion de l'avion. Pour le vol subsonique, la manche d'entrée sera un simple divergent, c'est-à-dire qu'elle aura pour effet de diminuer la vitesse en augmentant la pression de l'air à l'entrée compresseur dès que les vitesses en jeu seront supérieures à Mach 0,5.
Au-delà de l'aviation, les turboréacteurs trouvent également des applications sur les véhicules terrestres. Le Thrust SSC, véhicule terrestre supersonique détenteur du record absolu de vitesse au sol, est propulsé par deux turboréacteurs à postcombustion développant une puissance d'environ 106 000 ch.
L'avenir de la propulsion à réaction se tourne vers des moteurs encore plus économes en carburant, plus silencieux et plus respectueux de l'environnement. L'innovation continue dans les matériaux, la conception aérodynamique et les systèmes de contrôle promet de repousser encore les limites de la performance aéronautique.
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