Comment fonctionne un moteur à réaction

S’il y a 80 ans il paraissait impossible de voler à grande vitesse d’un continent à l’autre, c’est aujourd’hui chose courante. La plupart du temps, personne ne s’inquiète de savoir comment fonctionne un moteur à réaction, du moment qu’il nous maintient en l’air jusqu’à destination. Mais si vous êtes un peu curieux, nous avons toutes les réponses aux questions que vous pourriez vous poser.

Nous avons pour cela demandé à Guy Ellis, auteur de Britain’s Jet Age From the Meteor to the Sea Vixen (Amberley Publishing, 2016) et de Britain’s Jet Age From the Javelin to the VC10 (Amberley Publishing, 2016), de nous expliquer comment fonctionne un moteur à réaction.

La troisième loi du mouvement de Sir Isaac Newton

Tout le monde s’est un jour amusé à gonfler un ballon et à le relâcher pour le voir partir dans tous les sens. Comme nous le savons tous, il se déplace dans la direction opposée au flux d’air, ce qui est un exemple de propulsion dans sa version la plus rudimentaire.

Un moteur à réaction, ou turboréacteur, fonctionne sur un principe similaire. L’air pénètre dans le moteur via la buse d’entrée située sur le devant. Il est d’abord comprimé et poussé vers la chambre de combustion, où il est ensuite mélangé avec du kérosène puis enflammé. Les gaz formés par la combustion se dilatent et sont expulsés ensuite à l’arrière de la chambre. Ce mouvement vers l’arrière de l’air chauffé et dilaté exerce une force égale et opposée sur l’avion, qui est alors propulsé vers l’avant. C’est ce qu’on appelle la « poussée ». Lorsque les gaz sont expulsés, ils passent à travers la turbine, c’est-à-dire un ensemble d’hélices montées sur un arbre. Les gaz font ainsi tourner l’arbre qui à son tour permet l’entraînement du compresseur afin de permettre un nouvel influx d’air.

Le premier moteur à turbine à gaz a été breveté et construit par John Barber, à Nottingham, en 1792. Il s’agissait d’un moteur entraîné par une chaîne et doté d’un compresseur, d’une chambre à combustion et d’une turbine, le tout alimenté par du bois, du charbon ou toute autre substance inflammable. À l’époque toutefois, les matériaux thermorésistants nécessaires à la génération d’une puissance suffisante pour comprimer l’air et les gaz puis entraîner la chaîne et les autres éléments du moteur n’étaient tout simplement pas disponibles. Le Français Maxime Guillaume a rencontré le même problème lorsqu’il a voulu construire son turboréacteur à flux axial, breveté en mai 1921. Dans un article de 1926 intitulé An Aerodynamic Theory of Turbine Design, Alan Arnold Griffith a énoncé les principes d’un moteur à turbopropulsion utilisant un compresseur axial équipé de pales créant un flux d’air plus efficace.

C’est la même année que Franck Whittle a développé sa théorie consistant à utiliser des turbines à gaz pour faire voler des avions à des altitudes et des vitesses que ne pouvaient pas atteindre les moteurs à piston. Brevetée en 1930, son invention a été reprise et améliorée par l’Allemand Hans Von Ohain, qui a breveté son turboréacteur en 1936. Travaillant pour Ernst Heinkel dans le cadre d’un projet secret financé par des fonds privés, il a développé un turboréacteur qui a volé pour la première fois le 27 août 1939 sur un Heinkel He 178. C’est le capitaine Erich Warstiz qui a effectué ce premier vol, marqué par la perte du moteur peu après le décollage à cause d’un oiseau aspiré dans la buse d’entrée. C’est la première collision de l’histoire entre un oiseau et un avion à réaction.

Largement ignoré par le ministère de l’Aviation du Reich, le développement du jet a été freiné par la demande d’appareils « classiques » pendant la guerre. Moins connu, un système de turboréacteur avec soufflante a par ailleurs été utilisé pour équiper l’avion italien Caproni-Campini CC2, qui est ainsi devenu en 1937 le deuxième avion à réaction au monde à réussir son vol d’essai.

Les avions en mouvement

Le turboréacteur à compresseur centrifuge de Whittle force l’air entrant dans les chambres de compression, où il est comprimé, enflammé, chauffé puis expulsé à haute vitesse à travers les pales d’une turbine. Cette poussée inversée projette l’avion en avant, ce qui alimente le compresseur en augmentant le flux d’air. Ces types de moteurs sont robustes et relativement simples à fabriquer par rapport aux moteurs à flux axial qui, bien que fournissant des ratios de pression supérieurs et donc davantage de poussée, exigent des métaux bien plus avancés et des techniques de fabrication plus complexes. Le moteur axial comprime l’air à travers une série d’hélices situées sur le même axe et ne le fait pas passer par des compartiments entourant la chambre principale.

Outre les turboréacteurs axiaux et centrifuges, il existe quatre autres types de moteurs à réaction. Nous avons en premier les turbopropulseurs. Dans ce type de moteur, les gaz d’échappement entraînent une hélice qui s’avère plus efficace à des vitesses inférieures à 800 km/h. Ils équipent surtout les appareils plus légers ainsi que les avions de ligne court-courriers. Au fur et à mesure des avancées technologiques, le diamètre des propulseurs a été réduit, avec de multiples pales en forme de cimeterre qui augmentent le flux d’air dans le compresseur.

Viennent ensuite les turboréacteurs à double flux, qui équipent la plupart des avions de ligne modernes. Ces moteurs sont dotés d’une soufflante surdimensionnée qui aspire une grande quantité d’air qui ne passe qu’en partie dans le compresseur, la plus grande partie contournant le moteur jusqu'à la tuyère où elle est éjectée, augmentant ainsi la poussée sans nécessiter plus de carburant. Ce type de moteur offre également l’avantage d’être plus silencieux.

Le troisième type de turboréacteur a été développé spécialement pour les hélicoptères. Appelé turbomoteur à turbine libre, il permet de faire tourner les pales de l’hélicoptère à une vitesse différente du compresseur. Étant donné que ce sont les pales du rotor qui assurent la portance et le contrôle directionnel, il est important qu’elles maintiennent une vitesse constante même si la puissance supplémentaire est fournie par le moteur

Le dernier type de turboréacteur – appelé statoréacteur – est un moteur simple sans pièces mobiles. Étant donné que c’est la vitesse qui génère l’influx d’air, le décollage doit être assisté au moyen d’un système de lancement aérien ou d’une catapulte. La poussée est ensuite dépendante de l’accélération. Ce type de moteur est aujourd’hui surtout utilisé pour les systèmes à haute vitesse et combustion rapide tels que les missiles.

Les moteurs à réaction sont plus légers, ont moins de pièces mobiles, offrent une plus grande puissance et sont plus économes en carburant que les moteurs à piston. Le Supermarine Spitfire atteignait une vitesse de pointe moyenne de 590 km/h. Le premier avion à réaction britannique, le Gloster E28/39, produisait 385 kg de poussée et atteignait une vitesse maximale de 750 km/h. Le Concorde, enfin, pouvait produire une poussée de 17 260 kg par moteur, avec une vitesse de pointe 2 163 km/h.

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