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propulsion à réaction.

Publié le 26/04/2013

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propulsion à réaction. 1 PRÉSENTATION propulsion à réaction, mise en mouvement d'un système provoquée par une force de poussée, créée par réaction à l'expulsion vers l'arrière d'un flux gazeux ou liquide à vitesse élevée. 2 PRINCIPE Le mouvement d'un ballon montant sous l'effet de l'expulsion soudaine de l'air est un exemple simple de propulsion à réaction. Dès l'expulsion de l'air, il se crée une dépression entre l'extrémité ouverte du ballon et l'extrémité opposée, ce qui propulse le ballon. Bien que le principe de base soit le même, un moteur à réaction ne fonctionne pas aussi simplement qu'un ballon. L'accélération du jet expulsé par le réacteur est en effet plus importante que la différence de pression. Des forces dans le moteur permettent aux gaz de circuler vers l'arrière pour former le jet. La deuxième loi de Newton (voir mécanique) montre que ces forces sont proportionnelles à l'accélération du gaz expulsé. Pour un moteur à réaction, elles sont liées au débit massique multiplié par la vitesse du jet. D'après la troisième loi de Newton, la force d'expulsion est équilibrée par une réaction, la poussée. Cette force de poussée est semblable au recul d'un fusil, qui augmente avec la masse du projectile et sa vitesse initiale. Ainsi, les moteurs à forte poussée nécessitent à la fois des débits massiques importants et des vitesses d'échappement de jet élevées, ce qui peut être obtenu en accroissant les pressions internes au moteur et en augmentant le volume du gaz au moyen de la combustion. Les dispositifs de propulsion à réaction sont principalement utilisés dans les avions ultrarapides, les avions conçus pour les altitudes élevées, les missiles et les vaisseaux spatiaux (exploration de l'espace). La source d'énergie est un combustible hautement énergétique, brûlé sous pressions élevées pour produire un grand volume de gaz et obtenir ainsi une vitesse d'échappement importante. Pour la combustion, l'oxydant peut être l'oxygène de l'air, injecté dans le moteur puis comprimé ; le véhicule peut aussi avoir des réserves de carburant, de sorte que le moteur est autonome. Parmi les moteurs qui utilisent l'air, on peut citer les turboréacteurs, les turbofans, les turbopropulseurs, les statoréacteurs et les pulsoréacteurs (voir plus bas). Les moteurs non atmosphériques sont en général appelés moteurs-fusées. 3 MOTEURS À RÉACTION Les moteurs employés en aéronautique utilisent une grande masse d'air. Celui-ci est d'abord comprimé, puis oxyde le combustible, et est finalement dilaté à travers une buse afin d'expulser le fluide à vitesse élevée. 3.1 Turboréacteur Parmi les moteurs qui fonctionnent dans l'air, les turboréacteurs sont les plus utilisés. Après l'admission de l'air dans le moteur, un ou plusieurs compresseurs, axiaux ou centrifuges, augmentent la pression de l'air, puis ce dernier pénètre dans la chambre de combustion, où il est mélangé avec le combustible vaporisé et ensuite brûlé. L'énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur est fournie par une turbine placée entre la chambre de combustion et la tuyère. En sortant de la chambre de combustion, les gaz atteignent les aubes d'une ou de plusieurs turbines et sont alors ralentis. Ils sont ensuite détendus essentiellement dans la tuyère terminale, ce qui engendre une poussée propulsant l'avion. La température à l'entrée de la turbine limite actuellement les performances d'un turboréacteur. En effet, elle ne doit pas excéder 1 100 °C en raison des caractéristiques thermiques des matériaux. Pour réduire cette température, seule une partie de l'air comprimé est brûlé. Le volume d'air est donc fractionné à l'entrée de la chambre de combustion. Une partie de l'air est mélangée avec le combustible et enflammée ; le reste est utilisé pour refroidir la turbine. Un moteur de turboréacteur à l'arrêt ne peut pas démarrer directement ; il doit d'abord être lancé par un moteur de démarrage externe. Le combustible est alors enflammé par une bougie chauffée. Une fois que le moteur est en marche, la combustion peut avoir lieu sans l'aide de bougies à étincelles. Lorsque la température de l'air ambiant augmente, la densité de l'air chaud, et donc le flux massique dans le moteur, diminuent. La poussée fournie par le réacteur décroît alors. Dans les périodes chaudes, la poussée au décollage peut être augmentée en injectant de l'eau à l'entrée du compresseur, ce qui permet de refroidir l'air par évaporation de l'eau. Dans les moteurs militaires, des vitesses ou poussées plus importantes pour le décollage et l'ascension peuvent être atteintes par postcombustion, à l'aide d'un second brûleur installé entre la turbine et la tuyère. Lors de la postcombustion, une quantité supplémentaire de combustible est ajoutée au flux d'échappement pour brûler l'oxygène qui n'a pas été utilisé dans la chambre de combustion. Ce procédé augmente à la fois le volume d'air et la vitesse du flux. La postcombustion a toutefois un faible rendement, ce qui restreint son utilisation à des situations qui nécessitent une brusque accélération. 3.2 Turbofan ou turboréacteur à double flux Le réacteur à turbofan est une version améliorée du turboréacteur, dans laquelle l'air est aspiré par un compresseur supplémentaire de grande taille, appelé soufflante. Seule une partie de l'air aspiré pénètre dans le moteur et est comprimée, la majeure partie étant déviée directement vers l'arrière du réacteur. Cet air détourné est ensuite mélangé avec les gaz très chauds sortant de la turbine, avant d'atteindre la tuyère. Un turbofan dispose ainsi d'une plus grande poussée pour le décollage et l'ascension. De plus, la dérivation d'air refroidit le moteur et diminue son niveau sonore. Plus économique et moins bruyant, le turbofan s'set rapidement imposé comme le moteur de référence de l'aviation civile. La recherche actuelle sur les turboréacteurs à simple et à double flux est consacrée pour une grande part à l'application plus efficace des compresseurs et des turbines, à l'invention de systèmes spécifiques de refroidissement à aubes qui permettraient des températures plus élevées à l'entrée de la turbine, et à la réduction du bruit du réacteur. 3.3 Turbopropulseur Il a globalement la même constitution que le turboréacteur et l'air y subit à peu près le même cycle thermodynamique. Le turbopropulseur utilise cependant une hélice pour fournir l'énergie de propulsion. Environ 90 p. 100 de l'énergie des gaz détendus est absorbée dans la partie de la turbine à gaz qui commande l'hélice ; 10 p. 100 sont utilisés pour accélérer le flux d'éjection. Ce dernier contribue donc seulement pour une petite partie à la poussée globale de propulsion. Les turbopropulseurs sont efficaces pour les avions de petite taille et de taille moyenne qui volent à des vitesses inférieures à 750 km/h. Ces réacteurs ne peuvent toutefois pas rivaliser avec les turboréacteurs à simple ou à double flux pour les grands avions et pour les vitesses supérieures. 3.4 Statoréacteur Conçu en 1911 par le Français R. Lorin, puis perfectionné ultérieurement, c'est le plus simple moteur à réaction. L'air qui arrive à l'entrée du réacteur est comprimé par la propre vitesse de l'avion qui utilise le statoréacteur. Le moteur contient des couronnes d'injection qui reçoivent le carburant. Ce dernier est calciné en présence de l'air comprimé. Les gaz émis par cette combustion sont éjectés du moteur par une tuyère, ce qui assure la propulsion de l'engin. Les statoréacteurs peuvent fonctionner à des vitesses supérieures à 320 km/h. Cependant, pour des applications militaires, ils conviennent seulement à des vitesses très élevées ou supersoniques : ils ont alors un rendement appréciable. Le statoréacteur peut également fournir des poussées nettement supérieures à celles des turboréacteurs classiques. Comme le fonctionnement du statoréacteur dépend de la compression de l'air à l'entrée du moteur, il est cependant nécessaire d'augmenter au préalable la vitesse de l'engin avant la statoréaction. Le missile français ASMP utilise un statoréacteur. 3.5 Pulsoréacteur Un pulsoréacteur est semblable à un statoréacteur. Le pulsoréacteur est cependant équipé d'une série de clapets, situés à l'avant de la chambre de combustion. Dans un pulsoréacteur, la combustion est intermittente, ou à impulsions, et non continue. L'air est admis dans le moteur par quelques clapets. La combustion est amorcée, ce qui augmente la pression et provoque la fermeture des clapets. Les gaz chauds sont expulsés par la tuyère arrière, produisent une poussée et abaissent la pression. Les clapets s'ouvrent alors et admettent à nouveau de l'air. Le cycle est ensuite réitéré. Le pulsoréacteur a été utilisé dans le missile allemand V1 pendant la Seconde Guerre mondiale. Actuellement, les moteurs-fusées et les turboréacteurs, plus efficaces, ont supplanté le pulsoréacteur. 3.6 Propulsion à flux hydraulique Les appareils à propulsion à flux ne se limitent pas à l'utilisation du gaz ; des liquides tels que l'eau peuvent aussi être utilisés. Un exemple simple d'appareil à flux liquide qui fonctionne sur le principe de réaction est le système rotatif d'arrosage de pelouse. Dès les années 1920, des ingénieurs suédois et britanniques ont effectué des essais pour développer la propulsion par flux hydraulique sur les navires. Dans un tel système, l'eau entre à l'extrémité avant du bateau, s'écoule dans des pompes à haute pression et est ensuite éjectée à l'arrière par une ou plusieurs tuyères qui produisent des flux d'eau à grande vitesse. Des pompes très efficaces et de grandes vitesses sont requises pour obtenir des flux hydrauliques compétitifs avec les autres moyens de propulsion des navires. Bien que la propulsion par flux d'eau ne se soit pas révélée efficace pour de grands bateaux, elle est actuellement employée pour certains bateaux à petite vitesse et pour la navigation de plaisance. 4 HISTORIQUE DE LA PROPULSION À RÉACTION La propulsion à réaction est connue depuis des siècles, bien que son emploi pour propulser des engins de transports soit relativement récent. Le premier moteur à réaction connu est un appareil expérimental, fonctionnant avec de la vapeur. Il est mis au point vers le IIIe siècle av. J.-C. par le savant grec Héron d'Alexandrie. Connu sous le nom d'« éolipile «, l'appareil d'Héron n'a pas d'application pratique, mais démontre qu'un flux de vapeur s'échappant vers l'arrière propulse son générateur vers l'avant. L'éolipile est constitué d'une chambre sphérique dans laquelle la vapeur peut s'échapper par des tubes courbés, et la réaction à la force d'échappement de la vapeur fait tourner la sphère. La mise au point de la turbine à vapeur est attribuée à l'ingénieur italien Giovanni Branca. En 1629, il dirige un flux de vapeur contre une roue de turbine qui, en tournant, fait fonctionner un moulin. Le premier brevet enregistré pour une turbine à gaz est obtenu en 1791 par l'inventeur britannique John Barber. En 1910, sept ans après les premiers vols effectués par les inventeurs américains Orville et Wilbur Wright, le scientifique français Henri Marie Coanda conçoit et construit un biplan propulsé par réaction. Cet avion, piloté par Coanda, décolle et vole au moyen de sa propre énergie. Coanda utilise un moteur qu'il nomme moteur à réaction. Pendant les vingt années suivantes, la turbine à gaz est davantage développée aux États-Unis et en Europe. Ainsi, en 1918, on construit un turbocompresseur de suralimentation, entraîné par une turbine à gaz d'échappement, sur des moteurs d'avion conventionnels. Au début des années 1930, de nombreux brevets sur des turbines à gaz sont attribués à des ingénieurs européens. Le brevet déposé en 1930 par l'ingénieur aéronautique britannique Frank Whittle esquisse le premier prototype moderne de la turbine à gaz. En 1935, Whittle applique son concept à la mise au point du turboréacteur W 1, qui effectue son premier vol en 1941. En 1938, l'ingénieur aéronautique français René Leduc expose à Paris un modèle de statoréacteur. Un avion à réaction, conçu par l'ingénieur allemand Hans Pabst von Ohain, et qui est entraîné par un turboréacteur à flux axial, effectue son premier vol en 1939. L'année suivante, sous la direction de l'ingénieur aéronautique américain Secundo Campini, les Italiens mettent au point un avion actionné par un moteur à turbopropulseur avec un compresseur entraîné par un moteur alternatif. En 1942, les Allemands mettent au point une nouvelle version de leur chasseur Messerschmitt 262, équipé de moteurs à réaction. Cet avion de chasse avant-gardiste (vitesse maximale de 870 km/h, plafond de 11 450 m d'altitude) pourrait assurer la suprématie aérienne à l'Allemagne nazie, mais heureusement il est principalement utilisé comme bombardier. La même année, de l'autre côté de l'Atlantique, est mis au point le premier avion à réaction américain : le Bell XP-59 ; il est actionné par le turbopropulseur General Electric 1-16, conçu à partir des principes indiqués par Whittle. Utilisant un principe exposé en 1906, le pulsoréacteur est mis au point par l'ingénieur allemand Paul Schmidt, qui dépose son premier brevet en 1931. Le V 1, qui vole pour la première fois en 1942, est actionné par un pulsoréacteur. Les premiers avions de ligne munis de turbopropulseurs apparaissent également dans le milieu des années 1940. En 1947, l'avion expérimental Bell X-1, actionné par une fusée à flux liquide munie de quatre chambres, et amené jusqu'à la stratosphère dans un bombardier, est le premier appareil supersonique embarquant un pilote. Par la suite, l'avion expérimental Douglas Skyrocket, actionné par un réacteur en complément d'une fusée à flux liquide, franchit le mur du son à basse altitude après un décollage autonome. Le premier avion de ligne à réaction, le British Comet, vole en 1952, mais son exploitation est arrêtée en 1954 après deux graves accidents. Aux États-Unis, le Boeing 707 est le premier avion de ligne à réaction. Il est testé à partir de 1954, et les vols commerciaux commencent en 1958. Les importants progrès de la propulsion à réaction dans le domaine aéronautique permettent notamment le développement des avions supersoniques, des missiles balistiques intercontinentaux et des satellites artificiels lancés par de puissantes fusées.

« 3. 3 Turbopropulseur Il a globalement la même constitution que le turboréacteur et l’air y subit à peu près le même cycle thermodynamique.

Le turbopropulseur utilise cependant une hélice pour fournir l’énergie de propulsion.

Environ 90 p.

100 de l’énergie des gaz détendus est absorbée dans la partie de la turbine à gaz qui commande l’hélice ; 10 p.

100 sont utilisés pour accélérer le flux d’éjection.

Ce dernier contribue donc seulement pour une petite partie à la poussée globale de propulsion.

Les turbopropulseurs sont efficaces pour les avions de petite taille et de taille moyenne qui volent à des vitesses inférieures à 750 km/h.

Ces réacteurs ne peuvent toutefois pas rivaliser avec les turboréacteurs à simple ou à double flux pour les grands avions et pour les vitesses supérieures. 3. 4 Statoréacteur Conçu en 1911 par le Français R.

Lorin, puis perfectionné ultérieurement, c’est le plus simple moteur à réaction.

L’air qui arrive à l’entrée du réacteur est comprimé par la propre vitesse de l’avion qui utilise le statoréacteur.

Le moteur contient des couronnes d’injection qui reçoivent le carburant.

Ce dernier est calciné en présence de l’air comprimé.

Les gaz émis par cette combustion sont éjectés du moteur par une tuyère, ce qui assure la propulsion de l’engin.

Les statoréacteurs peuvent fonctionner à des vitesses supérieures à 320 km/h.

Cependant, pour des applications militaires, ils conviennent seulement à des vitesses très élevées ou supersoniques : ils ont alors un rendement appréciable.

Le statoréacteur peut également fournir des poussées nettement supérieures à celles des turboréacteurs classiques.

Comme le fonctionnement du statoréacteur dépend de la compression de l’air à l’entrée du moteur, il est cependant nécessaire d’augmenter au préalable la vitesse de l’engin avant la statoréaction.

Le missile français ASMP utilise un statoréacteur. 3. 5 Pulsoréacteur Un pulsoréacteur est semblable à un statoréacteur.

Le pulsoréacteur est cependant équipé d’une série de clapets, situés à l’avant de la chambre de combustion.

Dans un pulsoréacteur, la combustion est intermittente, ou à impulsions, et non continue. L’air est admis dans le moteur par quelques clapets.

La combustion est amorcée, ce qui augmente la pression et provoque la fermeture des clapets.

Les gaz chauds sont expulsés par la tuyère arrière, produisent une poussée et abaissent la pression. Les clapets s’ouvrent alors et admettent à nouveau de l’air.

Le cycle est ensuite réitéré.

Le pulsoréacteur a été utilisé dans le missile allemand V1 pendant la Seconde Guerre mondiale.

Actuellement, les moteurs-fusées et les turboréacteurs, plus efficaces, ont supplanté le pulsoréacteur. 3. 6 Propulsion à flux hydraulique Les appareils à propulsion à flux ne se limitent pas à l’utilisation du gaz ; des liquides tels que l’eau peuvent aussi être utilisés.

Un exemple simple d’appareil à flux liquide qui fonctionne sur le principe de réaction est le système rotatif d’arrosage de pelouse. Dès les années 1920, des ingénieurs suédois et britanniques ont effectué des essais pour développer la propulsion par flux hydraulique sur les navires.

Dans un tel système, l’eau entre à l’extrémité avant du bateau, s’écoule dans des pompes à haute pression et est ensuite éjectée à l’arrière par une ou plusieurs tuyères qui produisent des flux d’eau à grande vitesse.

Des pompes très efficaces et de grandes vitesses sont requises pour obtenir des flux hydrauliques compétitifs avec les autres moyens de propulsion des navires.

Bien que la propulsion par flux d’eau ne se soit pas révélée efficace pour de grands bateaux, elle est actuellement employée pour certains bateaux à petite vitesse et pour la navigation de plaisance. 4 HISTORIQUE DE LA PROPULSION À RÉACTION La propulsion à réaction est connue depuis des siècles, bien que son emploi pour propulser des engins de transports soit relativement récent.

Le premier moteur à réaction connu est un appareil expérimental, fonctionnant avec de la vapeur.

Il est mis au point vers le IIIe siècle av.

J.-C.

par le savant grec Héron d’Alexandrie.

Connu sous le nom d’« éolipile », l’appareil d’Héron n’a pas d’application pratique, mais démontre qu’un flux de vapeur s’échappant vers l’arrière propulse son générateur vers l’avant.

L’éolipile est constitué d’une chambre sphérique dans laquelle la vapeur peut s’échapper par des tubes courbés, et la réaction à la force d’échappement de la vapeur fait tourner la sphère. La mise au point de la turbine à vapeur est attribuée à l’ingénieur italien Giovanni Branca.

En 1629, il dirige un flux de vapeur contre une roue de turbine qui, en tournant, fait fonctionner un moulin.

Le premier brevet enregistré pour une turbine à gaz est obtenu en 1791 par l’inventeur britannique John Barber. En 1910, sept ans après les premiers vols effectués par les inventeurs américains Orville et Wilbur Wright, le scientifique français Henri Marie Coanda conçoit et construit un biplan propulsé par réaction.

Cet avion, piloté par Coanda, décolle et vole au moyen de sa propre énergie.

Coanda utilise un moteur qu’il nomme moteur à réaction. Pendant les vingt années suivantes, la turbine à gaz est davantage développée aux États-Unis et en Europe.

Ainsi, en 1918, on construit un turbocompresseur de suralimentation, entraîné par une turbine à gaz d’échappement, sur des moteurs d’avion conventionnels.

Au début des années 1930, de nombreux brevets sur des turbines à gaz sont attribués à des ingénieurs européens.

Le brevet déposé en 1930 par l’ingénieur aéronautique britannique Frank Whittle esquisse le premier prototype moderne de la turbine à gaz.

En 1935, Whittle applique son concept à la mise au point du turboréacteur W 1, qui effectue son premier vol en 1941. En 1938, l’ingénieur aéronautique français René Leduc expose à Paris un modèle de statoréacteur.

Un avion à réaction, conçu par l’ingénieur allemand Hans Pabst von Ohain, et qui est entraîné par un turboréacteur à flux axial, effectue son premier vol en 1939.

L’année suivante, sous la direction de l’ingénieur aéronautique américain Secundo Campini, les Italiens mettent au point un avion actionné par un moteur à turbopropulseur avec un compresseur entraîné par un moteur alternatif.

En 1942, les Allemands mettent au point une nouvelle version de leur chasseur Messerschmitt 262, équipé de moteurs à réaction.

Cet avion de chasse avant-gardiste (vitesse maximale de 870 km/h, plafond de 11 450 m d’altitude) pourrait assurer la suprématie aérienne à l’Allemagne nazie, mais heureusement il est principalement utilisé comme bombardier.

La même année, de l’autre côté de l’Atlantique, est mis au point le premier avion à réaction américain : le Bell XP-59 ; il est actionné par le turbopropulseur General Electric 1-16, conçu à partir des principes indiqués par Whittle. Utilisant un principe exposé en 1906, le pulsoréacteur est mis au point par l’ingénieur allemand Paul Schmidt, qui dépose son premier brevet en 1931.

Le V 1, qui vole pour la première fois en 1942, est actionné par un pulsoréacteur.

Les premiers. »

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