- Une innovation : l’avion à réaction

   La définition même d’un avion à réaction est un avion propulsé par un moteur à réaction. Il fait son apparition durant la Seconde Guerre mondiale, et s’est d’abord imposé dans le domaine militaire dans les années 1950, pour s’étendre après au domaine civil afin de couvrir les vols longs ou moyen-courriers.

  L’avion à réaction se définit donc notamment par la présence de moteur à réaction, aussi appelé turboréacteur. Son but est de propulser le véhicule qu’il soutient. Son fonctionnement repose sur la projection d’un fluide (gaz ou liquide) vers l’arrière qui, par réaction, en transmettant une poussée de même force et de direction opposée, va propulser le véhicule vers l’avant. Ces moteurs appartiennent à la famille des moteurs aérobie (par opposition aux moteurs anaérobie), des propulseurs à réaction ayant pour spécificité d’utiliser l’oxygène contenu dans l’air comme comburant ou oxydant dans leur réaction chimique.

 

    Comment fonctionnent ces turboréacteurs ?

   Les moteurs à réaction fonctionnent selon un mécanisme complexe. Ce dernier peut cependant être schématisé de façon assez simple :

 

 

Schéma des étapes successives se déroulant dans un turboréacteur

 

   Ce schéma peut être mis en parallèle avec la constitution d’un turboréacteur, et permet de mieux comprendre le fonctionnement de ce type de moteur.

Schéma représentant les différentes parties qui composent un turboréacteur

 

   De façon simplifiée, de l’air est aspiré par l’avant du moteur puis refoulé à grande vitesse et à haute température derrière le moteur. Cette progression se déroule en quatre temps principaux : ainsi, de l’air est aspiré, puis compressé, brulé, et enfin recraché pour fournir une force propulsive.

   Tout d’abord, le compresseur est une sorte d’hélice à pales très rapprochées et nombreuses. Ces pales, en tournant aspirent de l’air dans le moteur. Grâce aux différents étages du compresseur l’air peut être comprimé et sa pression ainsi augmentée avant d’entrer dans la chambre à combustion. Le moteur suit ensuite une forme convergente afin d’accélérer l’air en provenance du compresseur.

    L’étape suivante, la combustion, consiste à brûler l’air avec du carburant pour lui fournir de l’énergie, et ainsi l’accélérer. Elle n'est possible qu'à partir d'un certain niveau de température et de pression et demande une quantité d'oxygène minimale. Dans la chambre de combustion principale d'un turboréacteur la réaction n'est pas stœchiométrique, c'est une combustion pauvre avec excès d'oxygène et avec présence de vapeur d'eau. L’air passe ensuite dans une turbine (apparente à une hélice) en rotation reliée au compresseur par l’intermédiaire de l’arbre de turbine. L’énergie produite par la combustion est utilisée en partie pour faire tourner la turbine qui, à son tour, entraîne le compresseur. Cette énergie dégagée par la combustion du carburant avec l’air est utilisée ensuite pour former un jet à haute vitesse qui s’échappe du moteur au moyen d’une tuyère.

   Ainsi, le compresseur aspire de l’air qui fait tourner la turbine qui va faire elle-même faire tourner le compresseur et ainsi de suite… Ce mouvement continu est rendu possible par l’accélération de l’air lors de la combustion, précédant l’arrivée à la turbine amont de la turbine.

 

    A quoi servent ces turboréacteurs ?

   Les réacteurs permettent aux avions d’acquérir de la vitesse et ainsi de pouvoir voler. L’utilisation des moteurs varie au court du vol. En phase de décollage, les pilotes mettent généralement plein gaz pour faire décoller l’avion le plus vite possible.

  Après le décollage, durant la montée, on procède en général à une diminution de la puissance des moteurs.

  En période de croisière, c’est à dire lorsque l’avion à atteint son altitude constante de vol, la puissance est encore réduite, afin de réduire la consommation, et aussi parce qu'une pleine puissance ne serait pas nécessaire.

  Lors de la descente, leur puissance est encore abaissée, la perte d’altitude faisant prendre naturellement de la vitesse à l’avion.

  Au moment de l’approche finale, c’est aux pilotes d’ajuster la puissance afin d’avoir une bonne pente de descente vers la piste, ainsi qu’une bonne vitesse.

  Ainsi, aujourd’hui, des moteurs puissants et économiques en carburant permettent aux avions de ligne d’atteindre de telles vitesses. Cependant, ces turboréacteurs doivent supporter des sollicitations thermiques (entre 200 et 2000°C), mécaniques et vibratoires intenses et doivent répondre à de fortes contraintes d’exploitation, et doivent donc être construits avec des matériaux adaptés à chaque zone.

 

   Quels réacteurs pour quels avions ? Les dilemmes de l’aéronautique…

  Pour répondre aux besoins du client, les réacteurs utilisés par les fabricants d’avions diffèrent en fonction de la mission de l’avion et de certains critères de taille, de poids, de distance…

  Ainsi, parmi ces critères à prendre en compte, on retrouve le nombre de passagers à transporter, la distance franchissable (vol court, moyen, long courrier), le volume de carburant, l’altitude de croisière, la masse à vide, etc.

  Par ailleurs, la construction du moteur se voient confrontée à certains  dilemmes : le réacteur doit être léger mais solide, il permet ainsi d’augmenter la charge marchande, de réduire la masse de carburant à emporter,… mais il doit aussi être sûr et fiable, ainsi que compétitif commercialement (silencieux, peu polluant, peu coûteux)

  Le dimensionnement du turboréacteur est donc la synthèse de tous ces critères et demande donc une étude très approfondie des besoins du client.

 

  Quelles forces sont exercées sur l’avion ?

Remarque : Les forces que subissent tous types d'avions, dont l'avion à réaction, sont présentées et détaillées dans la partie "Le principe de l'aérodynamisme". Ici, nous allons reprendre ces forces pour expliquer comment l'avion à réaction les combine avec ses réacteurs pour voler. Voici un schéma récapitulatif des forces que subit l'avion :

Schéma simplifié des 4 forces majeures s'appliquant à tout avion dans l'air

 

  Quand l'avion vole à altitude de croisière, à vitesse constante le poids est équilibré par la portance, et la traînée compensée par la poussée.

  Une force se caractérise par son effet, qui est de communiquer une accélération dès qu’elle est appliquée à un corps. Une accélération correspond à une variation de la valeur de la vitesse ou de sa direction. Selon la loi de Newton, la force nécessaire pour produire une accélération est proportionnelle à la masse du corps. Ainsi, pour une force donnée, l’accélération communiquée à un corps est plus faible si la masse est plus grande.

  Par ailleurs, cette loi permet aussi d’établir que pour un corps soumis à un ensemble de forces qui s’annulent, soit  le corps est immobile, soit il est animé d’une vitesse constante. Dans le cas de l’avion à réaction, il s’agit évidemment de la deuxième option : lorsque les forces de l’avion se compensent, il est soumis à une vitesse constante.

  Quand l'avion vole à altitude de croisière, il se déplace à altitude constante. Sa vitesse, qui elle aussi est constante, implique que le poids est équilibré par la portance, et la traînée compensée par la poussée. Pour que l’avion vole à une vitesse constante, la force de propulsion fournie par son moteur doit équilibrer exactement la traînée.

  Une fois en position d'équilibre la modification de l’un des paramètres entraine alors la modification de l'équilibre. En effet, en cas de réduction des gaz, la traction diminue, la traînée devient supérieure, et par conséquent, la vitesse diminue. Étant proportionnelle au carré de la vitesse, la portance diminue avec la vitesse : l'avion entame une trajectoire décroissante, entraîné par son poids. En descendant, l'avion accélère à nouveau : la portance croît à nouveau, pour dépasser le poids : l'avion remonte. En remontant, la vitesse diminue, et ainsi de suite…

  La poussée, plus particulièrement, est la conséquence d'une différence de quantité de mouvement entre l'air admis et les gaz éjectés par unité de temps, et d'une différence de pression entre le plan de sortie de la tuyère et l'infini amont.

 

 

Schéma simplifié représentant l'écoulement du vent sur une aile d'avion et les forces qui en résultent

 

  La force portance s’opposant au poids de l'avion, plus la différence de vitesse est élevée, plus cette force est importante. La poussée des moteurs, qui fait avancer l’avion, est opposée à la traînée qui ralentit l’avion.

 

    Le mur du son, un challenge de l’aéronautique ?

  Une difficulté majeure à laquelle s’est heurtée l’évolution des avions fut le passage d’une barrière mythique appelée mur du son, qui apparaît quand l’avion vole dans le domaine transsonique.
Un avion subsonique vole à une vitesse inférieure à la célérité du son, un avion supersonique vole à une vitesse supérieure à la célérité du son.

  Le son se déplace dans l’air, à environ 340 mètres par seconde, soit 1 200 kilomètres à l’heure. Lorsque les ondes sonores émises par l’avion atteignent et dépassent la vitesse du son, l’air est tellement comprimé qu’il se produit une onde de choc. Tant que l’avion vole à une vitesse supérieure à 1 200 km/h, il produit un grand « bang » supersonique.

  Le mur du son est donc le nom donné aux troubles qui étaient rencontrés par l’avion lors du passage en régime transsonique.

 

N.B. : Notons que ces vitesses sont indicatives car très dépendantes du vent. En altitude, les vents peuvent en effet atteindre 300km/h (on appelle cela les Jet Stream). Comprenez qu’avec un vent venant de l’arrière, un avion peut considérablement augmenter sa vitesse par rapport au sol !

  Les réacteurs d’aujourd’hui sont conçus pour fonctionner sous la pluie, la neige, par des températures très basses (en altitude de croisière, la température descend à environ -56°C). Les plus grands dangers pour les moteurs restent la grêle intense, les nuages de cendres ou les oiseaux, chaque année responsables d’extinctions en vol de moteurs.

 

   Petit conseil à titre préventif :

 Ne vous promenez jamais autour d’un réacteur en marche… Même lancé à 50% de sa puissance maximale, un turboréacteur pourrait vous aspirer si vous vous trouviez à moins de quinze mètres de ce dernier et ainsi vous transformer en véritable hachis parmentier. Evitez aussi de vous mettre derrière un réacteur à pleine puissance car son souffle atteint facilement une vitesse de plusieurs centaines de kilomètres par heure ainsi que des températures de l’ordre de 500°C !