Turboréacteur
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[[Image:Jet engine french.svg|400px|thumb|Schéma de fonctionnement d'un turboréacteur simple corps/simple flux]]
[[Image:Turboréacteur animé.gif|400px|thumb|Schéma de fonctionnement d'un turboréacteur simple corps/simple flux]]
Le '''turboréacteur''' est un système de propulsion par réaction produite par éjection de gaz de combustion d'un carburant. Il a la particularité d'utiliser une partie de l'énergie de ces gaz pour comprimer l'air utilisé comme comburant.
== Histoire ==
Les premiers turboréacteurs ont été conçus à peu près simultanément par Sir [[Frank Whittle]] en [[Angleterre]] et par le Dr. [[Hans von Ohain]] en [[Allemagne]] dans les [[années 1930]].
Le premier turboréacteur fut construit par Whittle en [[1935]] et tourna au banc en [[1936]]. Mais ce fut von Ohain qui fit voler le premier turboréacteur sur un [[Heinkel He 178]] en [[1939]].
Les premiers [[avion]]s à réaction construits en série furent des [[Avion de chasse|chasseurs-bombardiers]] ([[Messerschmitt]] [[Me 262|Me262 Schwalbe]]) utilisés à la fin de la [[Seconde Guerre mondiale]].
Après guerre, les turboréacteurs se généralisèrent, aussi bien dans l'aviation militaire que civile, ainsi que les turbopropulseurs mais uniquement dans le civil.
Les turboréacteurs d'aujourd'hui sont des machines d'une extrême complexité. Le développement d'un nouveau moteur demande des moyens humains, technologiques et financiers considérables que seules quelques rares [[entreprise]]s possèdent dans le monde.
Si le [[rendement]] et la [[fiabilité]] de ces moteurs se sont considérablement améliorés depuis leurs débuts, leur coût est très important, et représente en général pour un avion civil le tiers du coût total de l'[[Avion|appareil]].
<ref>Lien vers l'Office Européen des Brevets : [http://v3.espacenet.com/origdoc?DB=EPODOC&IDX=FR534801&F=0&QPN=FR534801]</ref>
== Les différents types de turboréacteurs ==
=== Compresseur centrifuge (ou radial) ===
[[Image:Turbojet operation- centrifugal flow.png|200px|left|thumb|Schéma de principe]]
[[Image:Royce Goblin II cutaway.jpg|200px|left|thumb|De Havilland "Goblin"]]
Les premiers turboréacteurs, conçus à partir du prototype mis au point par Whittle, étaient munis d'un simple compresseur centrifuge mû par une turbine. Ils avaient le mérite de la simplicité (un seul étage de compression, un seul arbre reliant turbine et compresseur) mais leur faible longueur s'accompagnait d'un fort diamètre. Les premiers réacteurs anglais (De Havilland Goblin des [[De Havilland Vampire|Vampire]], Rolls-Royce Welland du [[Gloster Meteor]]) étaient conçus ainsi.
Des modèles au point laissèrent la place aux modèles à compresseur axial.
La plupart des turbines pour hélicoptères restent conçus sur ce principe qui permet des moteurs compacts.
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=== [[Compresseur axial]] ===
[[Image:Turbojet operation- axial flow.png|200px|left|thumb|Schéma de principe]]
[[Image:Junkers Jumo 004.jpg|200px|left|thumb|Jumo-004]]
Avec une meilleure maîtrise de la métallurgie furent introduits des compresseurs axiaux combinés à des aubages fixes (stators). Du fait de la moindre efficacité, ils nécessitaient plusieurs étages tournant à la même vitesse mais pouvaient supporter des vitesses de rotation nettement plus élevées.
Le premier de ce type, fut aussi le premier construit en grande série, le [[JUMO 004]] de [[Junkers]]-Motoren qui équipait le [[Messerschmitt Me 262|Me-262]].
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==== Simple et double corps ====
[[Image:Aircraft engine Curtiss-Wright J65 compressor blades.jpg|thumb|180px|left|Compresseur simple corps: Curtiss-Wright J65]]
[[Image:Rolls Royce RB.199 3.jpg|thumb|200px|left|Compresseur double corps: Turbo-Union RB-199]]
Dans les premiers turboréacteurs, turbine et compresseur formaient un unique ensemble cinématique. On parlait alors de compresseurs (et de moteurs) ''simple corps'' (ou ''simple attelage'').
* Pour accroître encore l'efficacité, le compresseur a été divisé en deux parties successives, à basse et haute pression, mues désormais par deux turbines successives haute et basse pression. On parle alors de turboréacteur '''double corps''' (ou ''double attelage''). La vitesse de rotation des deux corps est différente, nécessitant deux arbres concentriques et donc des moteurs plus longs et plus lourds. En contrepartie le rendement est nettement amélioré.
De plus les deux arbres tournent généralement dans le même sens, afin de ne pas imposer aux roulements (ou paliers) les reliant des vitesses de rotation trop importantes. Dans certains cas toutefois, ils tournent dans des sens différents, ce qui a pour avantage de ne pas cumuler les couples gyroscopiques, et de permettre un meilleur rendement aérodynamique. Par contre, l'excitation dynamique qui résulte de deux corps contra-rotatifs est fonction de la somme des régimes de rotation des deux corps (au lieu d'être fonction de la différence des régimes, dans le cas co-rotatif), donc très élevée, ce qui pose des problèmes de tenue aux vibrations.
* Tous les moteurs de nouvelle génération sont à double corps, voire à triple corps pour ceux à très fort taux de dilution (assez rare, la configuration à triple corps est la spécialité de Rolls-Royce avec sa série des Trent, moteurs pour l'aviation civile).
* Certains moteurs, tel que le [[Snecma M53|M-53]] équipant le Mirage 2000, n'ont qu'une seule turbine par compresseur.
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==== Simple et double flux ====
[[Image:Turbofan operation (lbp).png|thumb|200px|left|Double flux: à l'avant la "[[soufflante]]" <br/>en violet: turbine et compresseur HP <br/>en vert: turbine et compresseur BP]]
[[Image:Turbofan-Engine.jpg|thumb|200px|left|La [[soufflante]] d'un CFM56]]
Les moteurs sont dits à ''simple flux'' quand la totalité de l'air admis traverse le moteur et actionne les turbines.
*Les turboréacteurs à simple flux sont très bruyants et n'atteignent leur meilleur rendement qu'au-delà de [[Nombre de Mach|Mach 1]].
Bien plus économiques aux vitesses subsoniques et moins bruyants, les turboréacteurs à ''double flux'' sont apparus dans les années 1960.
Dans ces moteurs, les premiers étages du compresseur basse pression (souvent réduits à un seul qu'on appelle [[soufflante]], fan en anglais) sont de grandes dimensions pour aspirer de grandes quantités d'air. L'air pré-comprimé par la soufflante ne passe pas intégralement par le moteur, mais une partie (le flux froid) le contourne par sa périphérie jusqu'à la tuyère où il est éjecté avec les gaz chauds (flux chaud).
Cela permet, pour des vitesses modérées (en dessous de mach 1,5 environ) d'augmenter la poussée par augmentation du débit de gaz et de réduire considérablement le niveau de bruit.
La proportion d'air contournant le moteur est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Cette proportion est exprimée par le ''taux de dilution'', égal au rapport du flux froid massique (dit secondaire) sur le flux chaud massique (dit primaire).
Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique peuvent avoir un taux de dilution en dessous de 1, alors que les moteurs civils pour avions de ligne, optimisés pour des croisières autour de mach 0,8, ont des taux de dilution entre 5 et 10. De tels moteurs tirent l'essentiel de leur poussée du flux froid (80%), le flux chaud ne représentant qu'une faible part de la poussée (20%), et se rapprochent de [[turbine]]s couplées à des [[hélice]]s carénées ([[turbopropulseur]]s).
'''NB''': Il existe également des Turboréacteurs triple flux, mais ils sont peu utilisés. En effet l'augmentation de la poussée est très faible par rapport à un double flux, alors que l'encombrement augmente fortement.
{{Clr}}
=== [[Turbopropulseur]]s ===
C'est l'ensemble constitué d'une hélice mue par une turbomachine qui convertit l'essentiel de l'énergie des gaz produits en énergie mécanique. Ce n'est pas à proprement parler un moteur à réaction mais un ''turbopropulseur'' est très semblable à un turboréacteur double flux à très fort taux de dilution dont la soufflante ne serait pas carénée. Les limitations aérodynamiques des hélices limitent son utilisation à des vitesses inférieures à mach 0,7 à peu près.
* '''NOTA (Étymologie) :'''
:Le terme français ''turbopropulseur'' est en fait dérivé du mot anglais ''turboprop'' composé de ''turbo'' et de ''propeller'' (hélice) et qui signifie littéralement '''moteur à hélice entraîné par une turbine'''. L'appellation française est donc impropre puisque toute turbomachine assurant une propulsion devrait s'appeler ainsi. Quant à dire "un turbopulseur" pour désigner l'avion équipé de tels moteurs, c'est une hérésie à l'état pur. Comme dans bien des cas (exemple : transistor = récepteur radio !) le français a créé un terme parfaitement impropre à partir d'une traduction approximative.
== Autour du turboréacteur ==
=== Commande et régulation ===
Les turboréacteurs étaient commandés par une "manette des gaz" jusqu'à l'introduction sur les Rolls-Royce/SNECMA Olympus-593 du [[Concorde]] du premier système de régulation analogique. Depuis, les turboréacteurs ont peu à peu été équipés d'un système de régulation électronique pleine autorité ([[Fadec|FADEC]]), maintenant numérique, à partir des [[Pratt & Whitney]] PW2000 et [[CFM International CFM56|CFMI/CFM56-A]] notamment. Ce système s'est généralisé sur les avions commerciaux de toute taille. C'est également le cas de la totalité des avions militaires récents.
=== Post-combustion ===
La post-combustion ou "réchauffe" est un système permettant d'augmenter la puissance fournie par un turboréacteur en injectant du carburant dans les gaz éjectés. Ce système est principalement utilisé sur les avions de combat rapides, où il est en général utilisé avec parcimonie car il augmente beaucoup la consommation de carburant. {{Article détaillé|postcombustion}}
=== Entrée d'air ===
[[Image:Eurofighter Air intake.jpg|thumb|200px|Entrée d'air du chasseur [[Eurofighter Typhoon]] à lèvre inférieure mobile]]Pour assurer le bon fonctionnement d'un moteur, il est essentiel que l'écoulement de l'air en amont du compresseur soit régulier. Les entrées d'air sont donc conçues de manière à ce que, quelle que soit la manœuvre effectuée par l'avion, elles ne soient pas masquées par le fuselage ou la voilure, car dans le cas contraire, l'air ambiant n'arrivant plus avec suffisamment de pression ou étant devenu turbulent, le moteur aurait tendance à "manquer d'air" (on parle alors de ''pompage'') avec le risque d'extinction de la flamme dans la chambre de combustion que cela comporte. Par ailleurs, la pression en entrée devant être sensiblement égale pendant toutes les phases du vol (c'est-à-dire depuis la vitesse zéro jusqu'à la vitesse maximale) la géométrie de l'entrée pourra être de section variable (voir photo) : pleine ouverture au démarrage et notamment dans la figure appelée [[Cobra (aéronautique)|Cobra]] (vitesse mini, cabrage 70°) et ouverture minimale à vitesse supersonique pour freiner et réduire l'écoulement.
===[[Inverseur de poussée]]===
[[Image:Reverse.thrust.klm.fokker70.arp.jpg|thumb|200px|left|Inverseur de poussée sur Fokker 70]]
L'inverseur de poussée est un système permettant de freiner un avion en projetant vers l'avant la poussée produite par le réacteur. {{Article détaillé|inverseur de poussée}}{{clr}}
=== [[Poussée vectorielle]] ===
[[Image:Eurojet ej2000.jpg|200px|left|thumb|Tuyère orientable de l'EJ2x0 du Typhoon en vue de remotorisation à demi-vie (vers 2017)]]
Spécificité des avions militaires (intercepteurs) les plus performants, la tuyère du (ou des) réacteur est prolongée par un dispositif orientable permettant de dévier le jet et donc la direction de la poussée pour augmenter la manœuvrabilité de l'appareil. C'est le cas des prototypes russes [[Soukhoï]] [[Soukhoï Su-37|SU-37]] et [[MiG-29|MiG-29 OVT]] et des récents chasseurs américains [[Lockheed F-22 Raptor|F-22]] et [[Lockheed F-35 Joint Strike Fighter|JSF]]. Le plus récent développement (2005) est le [[Rockwell-MBB X-31]].
{{Clr}} {{Article détaillé|Poussée vectorielle}}
=== Le turboréacteur, générateur de puissance ===
À bord d'un avion, civil ou militaire, le turboréacteur n'est pas seulement un organe propulsif. Il fournit aussi toute l'énergie disponible à bord sous forme électrique, hydraulique et pneumatique et alimente le système de pressurisation et de conditionnement d'air. Le groupe moteur est ainsi souvent appelé « générateur de puissance » ou « powerplant ».
=== Le Groupe Auxiliaire de Puissance (GAP) ===
Les turboréacteurs nécessitent parfois un moteur auxiliaire pour être démarrés : le GAP (''Groupe Auxiliaire de Puissance'') ou APU (''auxiliary power unit'').
Il s'agit d'un "mini" turbomoteur, souvent dérivé d'une turbomachine d'hélicoptère, et généralement situé dans la queue de l'appareil, qui fournit l'air comprimé pour alimenter les démarreurs pneumatiques des turboréacteurs, ainsi que l'énergie électrique avant les démarrages. Le GAP peut parfois servir à la génération hydraulique en secours. Le GAP est démarré par la batterie électrique de l'avion, ou par un groupe de puissance extérieur. Le GAP peut aussi être utilisé en générateur électrique de secours, lorsque toutes les génératrices de tous les turboréacteurs sont inopérantes.
== Calcul de la poussée ==
La poussée d'un turboréacteur peut être calculée approximativement à partir de l'équation :
<math>F_{pouss\acute{e}e} = \dot{m} \times (V_{sortie} - V_{entr\acute{e}e})</math>
avec :
<math>\dot{m} =</math> Débit massique de l'air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s)
<math>V_{sortie} =</math> Vitesse de sortie des gaz de la tuyère (m/s)
<math>V_{entr\acute{e}e} =</math> Vitesse d'entrée des gaz dans le compresseur (m/s)
<math>\dot{m} \times V_{sortie}\,</math> représente la poussée de la tuyère, tandis que <math>\dot{m} \times V_{entr\acute{e}e}\,</math> correspond à la force de traînée de l'entrée d'air. Ainsi pour que le turboréacteur crée une poussée vers l'avant, il faut naturellement que la vitesse des gaz d'échappement soit supérieure à celle de l'aéronef.
== Domaine d'utilisation ==
* Les turboréacteurs sont utilisés sur tous les avions civils moyen et gros porteurs, car ils sont les seuls à pouvoir atteindre des vitesses transsoniques (entre mach 0,8 et mach 1) de manière économique.
* Les turbopropulseurs équipent en général des avions moins rapides (autour de 500 km/h) et de plus faible capacité (moins de 80 passagers) ou effectuant des voyages plus courts, les turbopropulseurs étant plus économiques sur les faibles distances (jusqu'à environ 700 km).
* Seuls les petits avions de tourisme et les [[Ultra-léger motorisé|ULM]] sont encore équipés de [[moteur à explosion|moteurs à explosion]] à [[piston]]s.
* Dans l'aviation militaire, l'utilisation du turboréacteur s'est généralisée. Elle a permis de dépasser le mur du son. Les turbopropulseurs équipent des avions d'entraînement et quelques appareils de [[transport]] [[logistique]] peu rapides, mais capables de se passer de vraies pistes d'atterrissage.
== Notes et références ==
<references />
== Voir aussi ==
* [[Efficacité d'un turboréacteur]]
* [[Turboréacteur d'avion]]
* [[Turbopropulseur]]
* [[Liste des motoristes aéronautiques]]
== Liens externes ==
{{commons|Category:Aircraft engines|Moteurs d'avion}}
* [http://www.infovisual.info/05/090_fr.html Voir un schéma détaillé d'un Turboréacteur]
* [http://www.avid.ru/ Site officiel de la société Aviadvigatel {{en}}]
* [http://avions.legendaires.free.fr/reaction.php Articles sur les propulsions à réaction dans 'Avion.legendaire.Free.fr']
===Bibliographie===
La pratique du Turbofan,R.Lamouline, Edition Lavoisier (2-85206-654-8) ou Teknea (2-87717-013-6)
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