Propulsion à réaction

1. Définition :
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. HISTORIQUE:
La propulsion à réaction est connue depuis des siècles, bien que son emploi pour propulser des engins de transports soit relativement récente. Le premier moteur à réaction connu fut un appareil expérimental, fonctionnant avec de la vapeur. Il fut 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'avait pas d'application pratique, mais démontrait qu'un flux de vapeur s'échappant vers l'arrière propulse son générateur vers l'avant. L'aérolipile était constitué d'une chambre sphérique dans laquelle la vapeur pénétrait par des tubes. La vapeur pouvait s'échapper par deux tubes courbés, et la réaction à la force d'échappement de la vapeur faisait tourner la sphère.

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, fut le premier appareil supersonique fonctionnant avec 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, vola en 1952, mais son vol régulier fut arrêté en 1954 après deux graves accidents. Aux États-Unis, le Boeing 707 fut le premier avion à réaction de ligne. Il fut testé à partir de 1954, et les vols commerciaux commencèrent en 1958.

Les importants progrès de la propulsion à réaction dans le domaine aéronautique ont notamment permis le développement des avions supersoniques, des missiles balistiques intercontinentaux et des satellites artificiels lancés par de puissantes fusées.

3. 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 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. 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. Les moteurs non atmosphériques sont en général appelés moteurs-fusées.

4.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.

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.

Turbofan ou turboréacteur à double flux:

Le réacteur à turbofan est une version améliorée du turboréacteur. Seule une partie de l'air qui pénètre dans le moteur est comprimée et ensuite détournée vers une enveloppe extérieure. Cet air est ensuite mélangé avec les gaz très chauds sortant de la turbine, avant d'atteindre la tuyère. Un turbofan a une plus grande poussée pour le décollage et l'ascension, et une efficacité accrue; la dérivation refroidit le moteur et diminue son niveau sonore.
Dans certains de ces réacteurs, l'air dérivé n'est pas réintégré dans le réacteur, mais est directement expulsé. Dans ce type de moteur, seul un sixième de l'air utilisé passe dans le réacteur; les cinq sixièmes restants sont comprimés uniquement dans le premier compresseur avant d'être expulsés. Des vitesses différentes de rotation sont requises pour les parties du réacteur à haute et à basse pression. On obtient cette différence en utilisant deux combinaisons séparées turbine-compresseur, qui fonctionnent avec deux poussées concentriques. Deux étages de turbine à haute pression commandent les onze sections de compresseur à haute pression montées sur l'arbre extérieur. Quatre étages de turbine fournissent l'énergie pour le ventilateur.
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.