Les moteurs

Comment ça marche ?

Le moteur permet de faire avancer l'avion , en s'appuyant sur le principe de l'action et de la réaction : lorsque l'on modifie la vitesse d'un objet, on subit une force en retour. Ainsi, le moteur modifie la vitesse de l'air de deux manières, pour pouvoir faire avancer l'engin :

1) en modifiant sa direction

• grâce aux ailes tout d'abord qui permettent à l'appareil de voler (cf Comment l'avion vole-t-il ?)

• grâce aux propulseurs à hélice (même principe que pour les ailes) dans lesquels les ailes tournantes sont orientées verticalement afin que la portance exercée sur celles-ci tire l'avion vers l'avant et non plus vers le haut.

2) en aspirant l'air puis en l'accélérant et en l'éjectant

• grâce à la force d'inertie, 3^e loi énoncée par Newton, " les actions que deux cops exercent l'un sur l'autre sont toujours égales et dirigées en sens opposés ". Ainsi, l'appareil en éjectant vivement l'air vers l'arrière est propulsé vers l'avant aussi rapidement ; notamment avec les turboréacteurs.

Quelles sont les technologies utilisées ? les différences entre les moteurs utlisées pour un avion supersonique et un avion subsonique ?

Les ailes d'un avion étant fixes, il faut que la portance dépasse le poids de l'appareil et donc augmenter la vitesse ; or pour pouvoir voler plus rapidement, l'engin doit être équipé de moteurs plus puissants mais d'après la 3^e loi de Newton, la trainée est accélérée pareillement à la vitesse. Ainsi on cherche à rendre les moteurs encore plus puisssants ce qui augmente encore la traînée ; créant un cercle vicieux.

Les chercheurs développent donc de nouvelles technologies pour pallier à ces inconvénients.

Supersonique

Au dela de 3000 km.h^-1, la pousée des moteurs à réaction plafonne et ne suffit plus à poursuivre l'accélération.

Les ingénieurs se sont donc tournés vers le concept du statoréacteur (ramjet), un système de propulsion atmosphérique futuriste, imaginé parl'ingénieur français René Lorin … dès 1912. Le "stato" a connu divers stades expérimentaux au cours du XX^ème siècle, mais n'a jamais dépassé cette étape. Il a été utilisé sur quelques avions expérimentaux notamment le Griffon et la série des avions Leduc qui avaient en commun une silhouette inimitable.
Adapté aux hautes vitesses (entre Mach 1 et Mach 5), il est utilisé principalement de nos jours à des tâches très spécifiques comme la propulsion de missiles.

Il ne comporte aucune pièce mobile, ce qui en fait sa particularité : il n'est constitué que d'un cylindre dans lequel le carburant brûle. Le réacteur est prévu et adapté aux grandes vitesses : l'air entre à une importante pression et rencontre le carburant qui y a été pulvérisé. Ainsi, le statoréacteur n'a en théorie aucune vitesse limite d'accélération tant qu'il reste du dioxygène dans l'air . La combustion crée une grande quantité de gaz chauds qui sont alors éjectés violemment à l'arrière.

Le statoréacteur a pu sembler le moteur idéal, en particulier pour la conquête des hautes vitesses. Il possède de nombreux avantages. L'absence de pièces mobiles, un coût plutôt faible en raison de sa simplicité de construction, mais sutout sa grande utilité pour atteindre les grandes vitesses. 

Néanmoins le statoréacteur possède des inconvénient dont le plus grands est qu'il ne peut pas fonctionner à des  vitesses inférieures à 500 km.h^-1, il est donc inadapté lors du décollage et de l'atterrissage.

De plus, il est très gourmand en carburant, ce qui alourdit l'appareil ; et lorsque l'avion dépasse une vitesse de 6000 km.h^-1 (Mach 5), la pression très importante provoque un échauffement allant à l'encontre de la stabilité de la combustion et de la résistance des matériaux utilisés. C'est pourquoi les ingénieurs ont développés des systèmes de refroidissement cryogéniques de l'air entrant dans le réacteur : le concept du super-statoréacteur.

L'hydrogène s'est donc révélé comme une solution efficace et utile en tant que source cryogénique pour refroidir le réacteur. (cf Les carburants)

Afin de permettre l'utilisation de statoréacteurs pour des vols commerciaux, les ingénieurs ont réunis les 2 technologies : celle du "stato" et celle du "turbo", utilisée pour les avions subsoniques. Ainsi, ces deux réacteurs présentent des avantages les rendant complémentaires l'un de l'autre : leur combinaison forme le propulseur Scimitar. La fonction "turbo" est utilisée lors des phases de décollage et atterrissage et la fonction "superstato" pour les vitesses supersoniques.

Subsonique

Depuis le début de l'aviation et jusqu'à la fin de la Seconde guerre mondiale, les avions possédaient des moteurs à pistons faisant tourner une hélice, qui assuraient la propulsion de l'avion. L'augmentation de la vitesse n'était pas possible : en effet, le nombre de tours par minute admissible par l'hélice, dont dépend la vitesse, était trop limité, surtout à haute altitude où le manque d'air diminue le brassage des pâles.

Le moteur à réaction ne connait pas ce problème, il permet des vitesses bien supérieures et est donc bien plus intéressant d'un point de vue économique.

Sir Frank Whittle, (1907-1996), ingénieur et officier de la RAF, est l'inventeur du moteur à réaction dont il déposa le brevet en 1930.

L'allemand Hans von Ohain (1911-1998) est aussi considéré comme l'un des pères du moteur à réaction.

Il est d'abord utilisé par les avions militaires, notamment le Messerschmitt Me-262 et le Gloster Meteor durant la Seconde guerre mondiale.

C'est durant les années 50 qu'apparaisent les premiers avions à réaction civils. Le Comets et le Boeing 707 sont les premiers avions commerciaux à réaction, bien que le Comets ait subi de nombreux accidents dus à l'instabilité de sa structure.

(1) Le ventilateur, pourvu de grandes aillettes, aspire l'air venant de l'extérieur. Une grande part de cette air va servir à la propulsion, l'autre sera utilisé pour refroidir le moteur (2).

(3) L'air admis est comprimé dans le rotor ou compresseur : c'est une sorte de tire-bouchon géant qui aspire l'air dans des chambres de plus en plus petites dans le but de le compresser.

(4) L'air sous pression arrive alors dans la chambre de combustion, où, mélangé avec le carburant (généralement du kérozène), il entre en combustion et dégage des gaz chauds qui augmentent encore la pression.

(5) En se détendant, les gaz sont violemment expulsés vers l'arrière. Par réaction (voir Comment l'avion vole-t-il ?, 4.) l'avion est propulsé vers l'avant.

(6) Sur leur passage, les gaz actionnent une turbine qui, par l'intermédiaire d'un arbre de transmission, augmente la vitesse du compresseur et ainsi la quantité d'air comprimé.