Propulsion des aéronefs - Définition

Introduction

La propulsion, sur un aéronef, est obtenue en créant une force, appelée poussée, qui résulte de l'accélération d'une masse d'air par une hélice (entraînée par un moteur) ou par un turboréacteur.

Au début du XXI^e siècle, l'ensemble moteur à piston entraînant une hélice reste utilisé sur la quasi-totalité des avions légers (ULM, avions et hélicoptères légers). Il a été supplanté par le turbomoteur pour les hélicoptères lourds ou rapides. Le turboréacteur, apparu après la Seconde Guerre mondiale, a donné naissance à des dérivés : turbopropulseur et turbofan, utilisés sur tous les avions lourds ou rapides, civils et militaires.

Les propulseurs sont classés ci-dessous en fonction de leur taux de dilution : la proportion entre la poussée résultant de l'accélération d'air froid et d'air chaud. Ce classement a le mérite de montrer qu'un seul et unique principe est utilisé pour la propulsion, même s'il est décliné en différentes technologies. C'est pourquoi cet article inclut le moteur à hélice carénée, le statoréacteur et le pulsoréacteur qui, bien que n'ayant pas connu de développement important, s'inscrivent dans la continuité de la présentation.

Définition

La propulsion est la mise en mouvement d'un corps, obtenue en produisant une force de poussée. (Larousse)
Le propulseur d'un aéronef est un dispositif qui crée cette force de poussée.

Le moteur à piston et l'hélice

Histoire

Le moteur à piston est à l'origine de l'aéronautique. Le moteur du Wright Flyer de 1903 avait 4 cylindres en ligne. Certains des premiers avions étaient équipés de moteurs en étoile rotatifs : le vilebrequin était fixe et l'ensemble moteur + hélice était en rotation. Cette solution améliore le refroidissement mais créé un couple gyroscopique préjudiciable à la manœuvrabilité de l'avion. Les avions militaires des années 1940 utilisaient des moteurs V-12 refroidis par eau ou des moteurs en étoile à deux rangées de 7 ou 9 cylindres refroidis par air. Les avions commerciaux des années 1950 étaient équipés de ces moteurs en étoile avec jusqu'à quatre rangées de 7 cylindres pour les plus puissants (3 500 ch).
Le développement du moteur à piston de grande puissance pour l'aéronautique s'est achevé à la fin des années cinquante avec l'arrivée du turboréacteur.
Actuellement le moteur à piston n'équipe plus que les avions légers et des hélicoptères destinés aux loisirs et aux sports.

Le moteur

Le moteur à piston utilisé en aéronautique est le plus souvent un moteur thermique à quatre temps, généralement à allumage commandé. Il existe des moteurs deux temps, plus légers, utilisés par les parapentes et les ULM. Afin de diminuer le poids, le bloc est réalisé dans des alliages à base d'aluminium et le refroidissement se fait par air.

Les moteurs à deux temps sont le plus souvent des bicylindres en ligne ; on rencontre aussi des monocylindres de faible puissance et plus rarement des trois cylindres.

Les moteurs à quatre temps comportent 4 ou 6, parfois 8 cylindres disposés à plat afin de ne pas diminuer la visibilité. Les cylindres sont opposés deux par deux, ce qui permet un bon équilibrage vibratoire et réduit la longueur du vilebrequin par rapport à un moteur à cylindres en ligne. Ce sont des moteurs de grosse cylindrée unitaire ; les régimes de rotation étant modérés, de l'ordre de 2 400 à 2 700 tours/minute, les hélices sont entraînées en prise directe. La mise au point de diesels automobiles légers et puissants (à turbocompresseur) a récemment rendu possible l'adaptation de ces moteurs sur des avions légers.

La transmission

Le régime (la vitesse de rotation) élevé des moteurs deux temps impose le montage d'un réducteur mécanique. Par contre le régime plus faible des moteurs à quatre temps (2500 à 3000 tours par minute) autorise un montage d'hélice en prise directe. Les moteurs diesel récents sont des moteurs de cylindrée unitaire plus faible, à régime de rotation plus élevé, ce qui peut imposer le montage d'un réducteur entre le moteur et l'hélice.

Le propulseur

L'hélice transforme l'énergie mécanique du moteur en force propulsive. Le vilebrequin entraîne une hélice qui accélère l'air d'environ 10% en croisière (si l'avion vole à 200 km/h, la vitesse de l'air derrière l'hélice est de 220 km/h), mais beaucoup plus pendant la phase d'accélération au sol et en montée. La poussée produite par les gaz d'échappement peut s'ajouter à la traction produite par l'hélice si les sorties d'échappement sont bien orientées. Le rendement de propulsion est de l'ordre de 0,75 à 0,87 tant que la vitesse périphérique (somme de la vitesse d'avance et de la vitesse de rotation en bout de pale) reste en dessous de Mach 0,7. L'augmentation de la vitesse et de la puissance à transmettre oblige à limiter le diamètre, augmenter le nombre de pales et à faire varier le calage des pales (pas variable) en vol. Les avions légers ont des hélices bipales de 1,50 à 2 m de diamètre pour des puissances de l'ordre de 80 à 160 ch. Les plus gros moteurs à pistons ont des hélices à 4 pales, parfois 5, d'un diamètre allant jusqu'à 4,20 m (Chance Vought F4U Corsair, moteur Pratt & Whitney R-4360).