Moteur à réaction et fonctionnement d’un avion

L’année dernière, nous demandions à l’auteur Guy Ellis, de nous expliquer le fonctionnement d’un moteur à réaction. Aujourd’hui, nous nous adressons à Simone Paternostro, ingénieure spatiale et membre de l’université de Nottingham, pour nous éclairer sur les principes du vol et leur application aux avions à réaction.

Les quatre forces de vol

La conception d’un avion à réaction est une chose complexe et susceptible de varier en fonction notamment du constructeur, des règles de sécurité, et des contraintes économiques. Mais quel que soit l’avion, son fonctionnement dépendra toujours des quatre forces de vol. Cet article aborde ces forces une à une et explique l’influence qu’ont la portance, la traînée, la propulsion et le poids sur un avion.

Portance

C’est le phénomène de portance – ou sustentation – qui permet à un avion de décoller. L’air qui circule sur la surface des ailes exerce une force qui permettra à l’appareil de quitter la piste de décollage. En d’autres termes, la portance résulte de la pression exercée par l’air sur les ailes de l’avion, légèrement inclinées par rapport à la ligne de l’horizon. L’augmentation de la vitesse d’écoulement sur la partie supérieure des ailes – l’extrados – combinée avec un écoulement de l’air plus faible sur la partie inférieure – l’intrados – génère une force ascendante. La puissance de la portance dépend également de la vitesse de l’avion; de sa vitesse de déplacement et de sa direction.

L'aérodynamisme Les caractéristiques aérodynamiques d’un avion, c’est-à-dire les propriétés influençant sa capacité à se déplacer dans l’air, sont essentielles, car ce sont elles qui vont renforcer ou réduire la portance et la traînée. La conception aérodynamique d’un avion prend en compte des facteurs tels que la forme et la dimension des ailes ou encore le fuselage.

Traînée

La force de trainée constitue, avec la portance, l’une des deux forces fondamentales de l’aérodynamique. Elle exprime la résistance de l’air au mouvement de l’avion. Comment ? La traînée est le fruit de l’interaction et du contact entre un corps solide – ici l’avion – et un fluide ou un gaz – dans ce cas l’air. Cette valeur dépend de la forme de l’avion (de son fuselage et de ses ailes par exemple), mais aussi de la vitesse et de la densité de l’air. La traînée exerce une pression allant dans le sens opposé du mouvement de l’avion, ce qui le ralentit si aucune force ne vient compenser cet effet.

Poids

Il s’agit de l’effet de la gravité sur l’avion. Le poids est la dernière force qui s’exerce sur l’appareil et varie selon sa masse. Elle s’applique en un point : le centre de gravité, est attirée par le centre de la Terre et s’exprime en Newton. L’avion doit évidemment être le plus léger possible afin de maintenir la consommation de carburant au minimum. Pour décoller, ce dernier doit être soumis à une portance permettant au moins de contrer son poids.

Propulsion

La propulsion est le quatrième facteur déterminant pour le bon fonctionnement d’un avion à réaction. Sur un avion, elle est obtenue en créant une force – appelée poussée – qui résulte de l'accélération d'une masse d'air dans le sens opposé du déplacement de celui-ci. C’est le moteur lui-même qui déterminera la force de propulsion qui s’exerce sur un avion. Ce principe respecte la troisième loi de Newton, qui indique que chaque action entraîne une réaction de même grandeur et de sens opposé. La poussée augmente proportionnellement à la vitesse et à la portance. Ceci explique pourquoi les avions décollent sur une piste. Ils doivent atteindre une certaine vitesse avant que la portance ne leur permette de décoller.

La propulsion et le moteur à réaction : qu’ils alimentent un Jumbo Jet 747 ou un jet privé de masse plus réduite, tous les moteurs à réaction génèrent la même force de propulsion. Une soufflante attire l’air à l’intérieur du moteur. Le compresseur (composé d’hélices montées sur un arbre) augmente ensuite la pression de l’air grâce au mouvement extrêmement rapide de ses hélices. On asperge cet air de carburant avant de l’enflammer à l’aide d’une étincelle. Le gaz, désormais en flammes, se dilate avant d’être expulsé par la tuyère située à l’arrière du réacteur. La force de l’expulsion de ce gaz vers l’arrière va propulser l’avion vers l’avant.

Ce procédé est l’application même de loi de Newton, qui stipule que chaque action entraîne une réaction de même grandeur et de sens opposé.

Ces quatre forces déterminent la capacité et les performances globales d’un avion à réaction. Elles sont toutefois loin d’être les seules propriétés nécessaires à son fonctionnement. Se limiter à ces quatre forces signifierait oublier les nombreuses autres caractéristiques essentielles à la conception d’un avion, telles que ses systèmes de commande, la stabilité ou la structure.