Moteur à réaction - Définition

Introduction

Un moteur à réaction est un moteur destiné à la propulsion d'un véhicule et reposant sur la projection d'un fluide (gaz ou liquide) vers l'arrière ; par réaction, cela produit une poussée du véhicule, de force égale et de direction opposée, vers l'avant.

Ils trouvent beaucoup d'applications dans les secteurs aéronautiques et spatiaux, ainsi que dans le secteur de la propulsion marine (hydrojet).

Propulsion à réaction

La propulsion à réaction est basée sur le principe d'action-réaction formulé par Isaac Newton.

La conservation de la quantité de mouvement du système global (véhicule + matière éjectée) implique que l'éjection de matière vers l'arrière fait avancer le véhicule. Le recul d'une arme à feu est une forme de propulsion à réaction.

Il existe deux grands types de propulseurs à réaction, en fonction de l'origine de la matière projetée en arrière :

• ceux qui projettent une matière provenant du corps de l'engin : moteur-fusée, propulsion électrique, propulsion photonique...
• ceux qui projettent une masse préalablement absorbée par le véhicule, à l'avant, et accélérée, avant d'être projetée vers l'arrière ; les différents type de moteurs à réaction (ou souvent simplement réacteurs) : turboréacteur, statoréacteur, superstato… , les hydrojets.

On distingue en outre, pour les aéronefs, les moteurs aérobies, qui utilisent l'air atmosphérique, des moteurs fusées (anaérobies), qui ne font aucun emprunt à l'extérieur. Les moteurs aérobies se retrouvent principalement sur les avions et les moteurs fusées sur les armements (missiles) et les véhicules spatiaux.

Analyse physique

La force propulsive (appelée dans ce cas poussée) est la dérivée temporelle de la quantité de mouvement ( seconde loi de Newton ) :

où :

est le vecteur force résultant sur le véhicule

et sont la masse du véhicule et son vecteur vitesse

et sont la masse éjectée et sa vitesse

est le temps.

on peut en pratique trouver des formes simplifiées de cette formule ; par exemple, pour un réacteur d'avion (en négligeant la masse de carburant consommée, très faible par rapport à la masse d'air brassée), elle devient où

, débit massique de l'air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s)

v_sortie, vitesse de sortie des gaz de la tuyère (m/s)

, vitesse d'entrée des gaz dans le moteur (m/s)

En termes d'énergie, le travail fourni par la poussée est d'autant plus productif que la vitesse du véhicule est grande et celle de l'éjectat faible (par rapport au point de départ, dont on cherche à s'éloigner). L'idéal étant que l'éjectat fasse du surplace (toute l'énergie étant alors transférée au véhicule) ; ce qui implique d'adapter en permanence la vitesse d'éjection à celle du véhicule. Ceci étant en pratique impossible, chaque moteur aura son régime de fonctionnement optimal, adapté à la vitesse de croisière du véhicule.

Types

Dans le cas le plus courant, le gaz expulsé est le résultat d'une réaction chimique contrôlée produisant un gaz à haute température qui, en se détendant dans le moteur, acquiert une grande vitesse (plus la vitesse est importante, plus la poussée est forte).

L'éolipyle de Héron d'Alexandrie est l'ancêtre des moteurs de ce type (le gaz éjecté est ici de la vapeur d'eau). Au milieu du XVIII^e siècle, le mathématicien autrichien Segner étudia un tourniquet hydraulique reposant sur le même principe de la réaction, mais exploitant une chute d'eau : sa machine annonce les turbines hydrauliques du XIX^e siècle, qui à leur tour inspireront le concept de turbomoteur.

De manière générale on peut séparer ce type de motorisation en trois catégories :

Moteur aérobie

Les moteurs aérobies utilisent l'oxygène de l'air comme comburant ou oxydant dans une réaction chimique. Ils ne peuvent être utilisés que dans l'atmosphère terrestre. Dans cette catégorie on trouve :

• Le statoréacteur
• Le pulsoréacteur et moteur à ondes de détonation pulsées
• Le turboréacteur
• Le superstato

Moteur anaérobie

Les moteurs anaérobies emportent le comburant et le carburant de la réaction chimique. Cela leur permet ainsi de pouvoir fonctionner en dehors de toute atmosphère. Dans cette catégorie figurent :

• Les propulseurs à carburant solide : les propulseurs à poudre, utilisés dans les boosters de certaines fusées ;
• Les propulseurs à carburant liquide : les moteurs-fusées, utilisés, comme leur nom l'indique, dans les fusées, mais aussi dans les missiles, les lanceurs spatiaux, ainsi que dans les satellites et certaines des sondes spatiales.

Moteur non chimique

D'autres moteurs utilisent une réaction non chimique pour la production de poussée. Bien que leur puissance reste souvent modeste, leur impulsion spécifique (plus l'ISP est grande, et moins le propulseur consomme) est bien plus importante que les moteurs chimiques. Ceux-ci procurent une accélération constante de très longue durée (permettant paradoxalement d'atteindre de grandes vitesses après une longue accélération. Ils sont utilisés pour la propulsion de sondes ou de véhicules interplanétaires. Ils sont basés sur des aspects fondamentaux de la physique. On y trouve : Les moteurs faisant appels à l'électrodynamique :

• Le moteur ionique qui peut être à grille ou à effet Hall

Les moteurs faisant appels aux propriétés des photons :

• Le moteur photonique

On pourra d'ailleurs remarquer que les propulseurs de type VASIMR font appel aux 3 aspects de la propulsion électrique.

Les moteurs faisant appels aux propriétés de la fission et (théoriquement tout du moins) à la fusion nucléaire :

• Le moteur atomique