Analyse technique : Les moteurs à réaction

Vous avez déjà voulu savoir comment vole et fonctionne un avion, mais vous avez été rebuté par le jargon complexe et des tonnes de maths ? Dans cette série thématique, nous vous expliquerons tout en langage clair et vous deviendrez un expert en un rien de temps !

Ce mois-ci, nous nous intéressons aux…

Moteurs à réaction !

Si la plupart des avions de World of Warplanes sont équipés d'hélices, quelques-uns des avions de rang supérieur sont équipés de moteurs à réaction (également appelés turbines à gaz). Le premier véritable chasseur à réaction fut le Messerschmitt 262, que l'on peut piloter au sein du jeu.

Naturellement, les moteurs à réaction restent la source de poussée la plus courante pour les avions modernes de tous types. Le concept de base est très simple et n'a cessé d'être perfectionné depuis 2 000 ans. Le principe repose sur la création d'une poussée vers l'avant par l'éjection d'air à haute pression. Avez-vous déjà soufflé dans un ballon avant de le lâcher sans nouer un nœud pour le fermer ? Quand vous étiez à l'école, peut-être avez-vous réalisé une expérience de « ballon-fusée » à l'aide d'un ballon, d'une paille et d'un peu de ficelle ?

L'extraordinaire ballon-fusée !

Le principe de physique qui sous-tend cette expérience est la Troisième loi du mouvement de Newton. Celle-ci affirme que les forces existent sous forme de paires : pour toute action, il existe une réaction égale et opposée. Pour être un peu plus rigoureux, quand un corps exerce une force sur un second corps, le second corps exerce simultanément une force égale en magnitude et opposée en direction à la première. Dans le cas du ballon-fusée, le premier corps est l'air et le second est le ballon. Quand l'air s'échappe de l'extrémité du ballon, il provoque un déplacement. Cette force est appelée poussée, et c'est elle qui fournit le mouvement vers l'avant nécessaire au vol.

Un engin à réaction fonctionne de manière similaire à un ballon, mais nécessite des moyens technologiques bien plus impressionnants. Il expulse de l'air à une pression et à une vitesse extrêmement élevée, créant une force égale et opposée sur le moteur lui-même. En conséquence, le moteur et tout ce qui lui est attaché (i.e., le reste de l'avion) se déplace vers l'avant. Le nom technique de cet appareil est « turbine à gaz » et sa forme la plus basique est celle du « turboréacteur ». 

Un moteur à réaction aéronautique moderne typique.

Après l'invention du vol propulsé, il ne fallut pas longtemps aux ingénieurs du monde entier pour se mettre à étudier les possibilités d'utilisation de la technologie des turboréacteurs afin d'atteindre des vitesses plus élevées avec les avions. Même avant la Seconde Guerre mondiale, les ingénieurs avaient réalisé que les hélices à piston utilisées à l'époque se rapprochaient de leur niveau de performance maximum (la limite correspondant pour les pointes des hélices à la vitesse du son, soit environ 343 m/s selon le type d'air traversé.) Pour conférer aux avions plus de puissance et leur permettre d'atteindre des altitudes plus élevés, il fallait inventer un tout nouveau système de propulsion. La solution fut le turboréacteur.

Durant les premières années du XX^e siècle, des progrès furent réalisés dans toute l'Europe, mais c'est en 1932 que le premier véritable brevet pour un turboréacteur fonctionnel fut décerné à l'anglais Frank Whittle. Environ à la même époque, l'Allemand Hans von Ohain travaillait sur ses propres modèles, indépendamment de Whittle. Le premier avion à turboréacteur au monde fut le He 178, qui vola pour la première fois en 1939.

Ce n'est que quelques années après la Seconde Guerre mondiale que les moteurs à réaction commencèrent à dominer les airs. Leur utilisation permit de développer des avions plus puissants à des fins militaires, mais ils rendirent également possibles les voyages internationaux longue distance, à la fois sur le plan pratique et économique. Ils permirent également de produire des avions de plus en plus imposants afin de remplir les cieux. Regardez par exemple la taille de l'Airbus A380, un avion à deux ponts ! Les moteurs à réaction fonctionnent également à des altitudes élevées, que les moteurs à hélices ne sauraient atteindre en raison de la rareté de l'air.

Imaginez-vous un engin pareil voler avec des hélices ?

Le moteur à réaction est une invention qui a réellement changé le monde, et qui est sous-tendue par des principes très simples.

La turbine à gaz est simplement une machine permettant d'aspirer de l'air, de le compresser puis de le projeter vers l'arrière. Le processus complet peut être résumé en quatre mots décrivant ce qui arrive à l'air quand il traverse la machine : ASPIRATION (1), COMPRESSION (2), EXPLOSION (3), SOUFFLE (4).

N'oubliez pas ces quatre mots, qui synthétisent tout ce qu'il faut savoir sur le fonctionnement d'une turbine à gaz ! Jetez un coup d'œil au diagramme ci-dessus et comparez-le avec l'image en coupe ci-dessous. Pouvez-vous voir dans quelle partie de la turbine à gaz chacune des quatre étapes se déroule ?

Vue en coupe de la turbine à gaz Rolls-Royce Trent 1000, telle qu'utilisée sur de nombreux avions de passagers modernes de grande taille. Il s'agit d'un turboréacteur à double flux.

ASPIRATION

La phase d'aspiration est la première, et désigne l'aspiration de l'air dans le moteur par l'énorme turbine située à l'avant. Cette turbine est la partie que l'on peut distinguer sur tout moteur d'avion et, quand il se trouve au sol, elle est généralement protégée afin d'éviter que des personnes ne s'en approchent trop. Cette turbine est incroyablement puissante et peut en conséquence s'avérer dangereuse pour quiconque s'en approche ! Un moteur typique comme celui du Trent aspire une tonne d'air par seconde, soit l'équivalent de tout l'air contenu dans un court de squash en moins d'une seconde. Une partie de l'air est aspirée dans la partie principale du moteur, tandis que le reste passe par des soupapes de dérivation et finit directement à l'étape « Souffle ».

COMPRESSION

Une fois à l'intérieur du moteur, l'air est comprimé à travers une série de turbines de plus en plus petites (couleur or sur l'image du Trent 1000 ci-dessus). Les turbines compressent l'air dans un espace bien plus réduit, produisant une pression extrêmement élevée. L'air à haute pression contient une énorme quantité d'énergie qui le rend, entre autres choses, sujet à détonation, ce qui nous amène à l'étape suivante.

EXPLOSION

Le carburant est aspiré dans le moteur à travers un petit tube et mélangé à de l'air à haute pression. Le mélange complet est alors enflammé. Ceci provoque une explosion contrôlée durant laquelle tous les gaz subissent une expansion massive et extrêmement rapide. La forme du moteur fait que toute la force de l'explosion est dirigée vers l'arrière.

SOUFFLE

L'étape finale ! L'air chaud propulsé par le moteur est mélangé à l'air qui a été dirigé à travers les soupapes de déviation par la turbine principale, et l'ensemble est soufflé à haute vitesse à l'arrière du moteur, créant une poussée considérable. Une partie du flux d'air est utilisée afin de faire tourner l'arbre principal du moteur et de perpétuer son mouvement, tandis que le reste de la poussée est utilisé uniquement pour créer du mouvement.

Un Junkers Jumo 004 au musée de la RAF, à Cosford, au Royaume-Uni.
Il s'agissait du moteur utilisé sur le Messerschmitt 262.

Voilà ! Ainsi fonctionne un simple turboréacteur à double flux, dans lequel la poussée est fournie uniquement par l'air expulsé. Un pur moteur à turboréacteur, comme ceux utilisés sur les premiers chasseurs à réaction de la Seconde Guerre mondiale, ne possède pas de large turbine pour aider à l'aspiration, et dépend uniquement du flux d'air qui traverse le moteur.

Une autre variante est le moteur à turbopropulseur, qui comporte une hélice attachée à un arbre de turbine qui peut être utilisé à des altitudes plus basses afin d'économiser davantage de carburant.

Les moteurs à combustion interne (ou « moteurs à pistons ») utilisent également une terminologie comparable car les processus, par certains aspects, sont similaires. Le fonctionnement des moteurs à pistons fera l'objet d'un futur article.

Bien que de nombreux moteurs à réaction modernes soient utilisées dans l'aéronautique, ils remplissent également d'autres fonctions diverses. Certains sont utilisés sur de gros navires marins afin d'en faire tourner les hélices. D'autres ont été utilisés sur des véhicules terrestres afin de tenter de battre le record de vitesse au sol. Le record du monde actuel de vitesse au sol fut réalisé en octobre 1997 au Nevada, par le véhicule Thrust SSC, qui parvint à atteindre une vitesse de presque 1228 km/h, au-delà du mur du son !

Le Thrust SSC, dominé par ses énormes moteurs à réaction.

Remarque : La majeure partie de cet article est basée sur le fonctionnement des moteurs à réaction tel que présenté par Rolls-Royce. Vous pouvez visiter leur page où vous trouverez davantage d'informations et des animations intéressantes en anglais.

Alors, vous considérez-vous déjà comme un expert ? Montez dans vos avions et volez, chers Pilotes !