Turboréacteur - Définition et Explications

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Introduction

Turboréacteur Pratt & Whitney J58 de l'avion de reconnaissance ou de surveillance Lockheed SR-71 Blackbird.

Le turboréacteur est un système de propulsion essentiellement utilisé pour les avions. La poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air...) résulte de l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) entre l'entrée (manche à air) et la sortie (tuyère). Elle est obtenue par la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...) d'un carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme...), généralement du kérosène (Le kérosène est un mélange d'hydrocarbures contenant des alcanes (CnH2n+2) de...), dans l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) de l'air. Une partie de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) produite est récupérée par une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...) et sert à comprimer, à l'entrée du réacteur (Un réacteur peut désigner :), l'air, utilisé comme comburant (Un comburant est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d'un...).

C'est l'un des plus anciens systèmes de moteurs à réaction. L'inventeur français Maxime Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm,...) dépose dès 1921 un brevet concernant son principe. Il sera ensuite développé indépendamment par deux ingénieurs durant les années 1930, Frank Whittle (Sir Frank Whittle, né le 1er juin 1907 à Coventry et mort le...) au Royaume-Uni et Hans von Ohain en Allemagne.

Au début du XXIe siècle, le rapport coût / efficacité du réacteur le rend particulièrement attractif pour les avions de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) du haut subsonique (0,7 < Mach < 0,9), d'où son utilisation sur les avions civils des familles Airbus A3xx, Boeing B7xx, etc. Il est le seul capable de couvrir les domaines allant du subsonique au supersonique, d'où son utilisation sur les avions de combat (Dassault Rafale, Falcon F-16, etc.).

Le turboréacteur (Le turboréacteur est un système de propulsion essentiellement utilisé pour les...) actuel, souvent double-corps et double-flux, auquel est adjoint parfois la post-combustion ou un inverseur de poussée, est dérivé du turboréacteur originel mono-corps, mono-flux.

L'industrie du turboréacteur est un secteur majeur de l'aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de...) et donc un facteur important du développement économique. C'est aussi une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de pointe, grande utilisatrice de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) appliquée, et donc un facteur d'autonomie dans le domaine de la défense.

Histoire

Avant la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) Guerre mondiale : les pionniers

Le Heinkel He 178 (En août 1939, le Heinkel He 178 fut le premier aéronef au monde à voler grâce à un moteur à...), premier aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère...) conçu pour être propulsé par un turboréacteur.

Le premier avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...) à « moteur sans hélice » est construit et présenté au salon du Bourget dès 1910 par Henri Coandă. Lors d'un essai au sol, son inventeur et pilote, surpris par sa puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), coupe le moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...), mais l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) bien plus importante que celle d'un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) à hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme...) fait décoller quand même l'avion, qui, privé de propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....), s'écrase et brûle. Coandă revient à une motorisation à hélice.

Le Français Maxime Guillaume est le premier à déposer le 3 mai 1921 un brevet d'invention sous le numéro 534 801 concernant la « propulsion par réaction sur l'air », brevet qu'il obtient le 13 janvier 1922. Néanmoins, il ne sera suivi d'aucune construction, car elle aurait nécessité des avancées techniques importantes sur les compresseurs.

Les premiers turboréacteurs sont conçus à peu près simultanément mais indépendamment par Frank Whittle en Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni....) et par Hans von Ohain en Allemagne dans les années 1930. Whittle, ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) aéronautique, s'engage dans la Royal Air Force en 1928 et effectue ses premiers vols en tant que pilote en 1931. Âgé alors de 22 ans, il imagine pour la première fois un avion propulsé sans hélices et essaie sans succès d'obtenir un soutien financier de l'armée pour le développement de son idée. Il persiste alors seul dans le développement de cette motorisation et imagine l'utilisation de deux turbines, l'une à l'entrée pour amener l'air vers la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et...) et l'autre pour mélanger le carburant à l'air.

Premier prototype du E28/39, connu sous le nom de « Pioneer ».

En 1935, grâce à des dons privés, il construit le premier prototype de turboréacteur et le teste au banc d'essai en avril 1937. Le W.1, premier turboréacteur destiné à un petit avion expérimental, est livré le 7 juillet 1939 à la société Power Jets Ltd., avec laquelle Whittle est associé. En février 1940, la Gloster Aircraft Company est choisie pour développer un avion mû par le W.1. Le « Pioneer » effectue ainsi son premier vol (Le premier vol ou vol inaugural d'un avion est la première occasion pour celui-ci de prendre...) le 15 mai 1941.

Von Ohain est doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de...) en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) à l'Université de Göttingen (L’université de Göttingen (la graphie en français Gottingue est possible,...) en Allemagne. Constructeur d'avions, Ernst Heinkel (Heinkel Flugzeugwerke était une entreprise de fabrication d'avions allemande fondée par Ernst...) fait appel à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) pour développer un nouveau type de propulsion aéronautique. Répondant à l'appel, Von Ohain conçoit l'idée d'un moteur dont la combustion se fait selon un cycle continu et dépose en 1934 un brevet de moteur à propulsion similaire à celui de Whittle sur le dessin mais différent sur les éléments internes au moteur. Von Ohain fait voler le premier turboréacteur sur un Heinkel He 178 en 1939, premier aéronef conçu pour être propulsé par ce type de moteurs.

Autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la Seconde Guerre mondiale

McDonnell Douglas (McDonnell Douglas était un constructeur aéronautique américain. Il est né de la fusion entre...) F-4F Phantom II équipant la Deutsche Luftwaffe.

Les premiers turboréacteurs dessinés par Whittle et Von Ohain sont conçus sur la technologie des compresseurs centrifuges. Ces turboréacteurs présentent l'inconvénient de nécessiter un moteur de grand diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) pour pouvoir comprimer correctement l'air à l'entrée du turboréacteur. En 1940, Anselm Franz développe un turboréacteur fondé sur le principe des compresseurs axiaux, dont la section frontale est beaucoup plus restreinte et le rendement meilleur. Le Junkers (Junkers & Co est une société métallurgique allemande. Elle a été fondée en 1895 par Hugo...) Jumo 004 devient ainsi en 1944 non seulement le premier turboréacteur moderne mais également le premier produit en série.

Les premiers avions à turboréacteurs construits en série sont des chasseurs-bombardiers, tels que les Messerschmitt Me 262 (Le Messerschmitt Me 262 Schwalbe (Hirondelle), construit par la société allemande...) Schwalbe mus par des Jumo 004A, utilisés à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Leur conception est facilitée par la forme allongée et de petit diamètre des turboréacteurs axiaux. Après guerre, les turboréacteurs se généralisent, aussi bien dans l'aviation (L'aviation est une activité aérienne définie par l'ensemble des acteurs,...) militaire que civile, ainsi que les turbopropulseurs, conçus sur une technologie très similaire, pour entraîner des hélices. Les Alliés construisent un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) important de nouveaux turboréacteurs, dont « le Me P.1101 est sûrement le plus avancé ».

Le De Havilland Comet (Le De Havilland Comet est connu pour avoir été le premier avion commercial propulsé par des...), premier avion commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) à turboréacteurs, décolle en 1949 aux couleurs de la BOAC.

Ces premiers chasseurs seront néanmoins marqués par un manque cruel de puissance. Le Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935....) P-59 Airacomet, premier avion de chasse (Un avion de chasse (aussi appelé chasseur) est un avion militaire conçu pour attaquer les...) à réaction conçu aux États-Unis, n'a d'ailleurs jamais été engagé dans des missions de combat en raison de ses performances décevantes (sous motorisé, peu manœuvrable à basse vitesse (On distingue :)...). Ainsi, dès 1945, les premiers aéronefs « hybrides » font leur apparition. Ces appareils, à l'image du Ryan FR Fireball, sont en effet mus par un turboréacteur et un moteur à pistons. Par ailleurs, la recherche de vitesses toujours plus importantes sera à l'origine dans les années 1960 d'une nouvelle hybridation : un turboréacteur associé à un statoréacteur (Le statoréacteur est un système de propulsion par réaction des aéronefs, dont...). Le Nord 1500 (Le Nord 1500 Griffon II était un prototype de chasseur supersonique développé dans les années...) Griffon II fonctionne sur ce principe. Le turboréacteur fonctionne au décollage (Le décollage est la phase transitoire pendant laquelle un aéronef passe de l'état...) tandis que le statoréacteur prend le relais en croisière.

Par la suite, le développement continu des turboréacteurs devient un enjeu majeur aussi bien militaire (en termes de défense, d'attaque et de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de dissuasion) que civil. Conçu par McDonnell Douglas, le F-4 Phantom II est l'un des avions militaires américains les plus importants du XXe siècle et l'avion de combat occidental ayant été le plus produit depuis la guerre de Corée. Mû par deux réacteurs General Electric (General Electric est un conglomérat américain fondé en 1892 par la fusion d'une...) J79, il est l'un des très rares avions à être réputé pour sa durée de vie (La vie est le nom donné :) et ses aptitudes en mission. D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) civil, le De Havilland (de Havilland Aircraft Company est un constructeur aéronautique britannique fondé en 1920...) Comet est le premier avion commercial propulsé par des turboréacteurs. Lancé en 1949, il est resté célèbre pour une série d'accidents en plein vol qui a mis en évidence le phénomène de fatigue des structures dans l'aéronautique.

1950 – 1980 : la recherche de performances

Photographie d'un Lockheed F-104 Starfighter (Le Lockheed F-104 Starfighter est un chasseur à réaction américain qui a...) et du General Electric J79 qui le propulse.

La recherche de performances plus élevées en termes de poussée se concentre essentiellement sur deux voies : l'augmentation du taux de compression (Le taux de compression est une mesure de la performance d'un algorithme de compression de données...) — les compresseurs centrifuges et les premiers compresseurs axiaux atteignent difficilement un rapport de 6 — et l'augmentation de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) d'éjection. Aux États-Unis, en 1953, General Electric développe le J79, dont le compresseur comporte 17 étages, 6 des stators étant à incidence variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...). Ce dernier sera produit en 16 500 exemplaires. En 1949, Pratt & Whitney (Pratt & Whitney est le nom d'un constructeur de moteurs d'avions américain dont la production est...) développe le premier réacteur double corps qui amènera au développement du J57 militaire utilisé sur les Boeing (Boeing (nom officiel en anglais The Boeing Company) est l'un des plus grands constructeurs...) B-52 et KC-135, ainsi que les Douglas Skywarrior.

Dans le domaine civil, sous la dénomination JT3C, il sera le propulseur originel des Boeing 707 (Le Boeing 707 est un avion quadrimoteur à usage commercial et militaire développé...) et Douglas DC-8 (Le DC-8 est un avion quadriréacteur, moyen et long-courrier, construit de 1959 à 1972 par...) et sera, au total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...), produit à 21 200 exemplaires. Au Royaume-Uni, Bristol développe à partir de 1949 l'Olympus, de technologie similaire. Initialement, il fournira une poussée de 5 000 daN portée vers 6 000 en 1957, près de 8 000 en 1960 et finalement 9 000 daN. Équipé de la postcombustion, il deviendra le propulseur du Concorde (Le Concorde est un avion de transport supersonique construit par l’association de...) avec une poussée nominale de 17 240 daN.

En France, la Snecma (Le Groupe Snecma est l'ancien nom d'un ensemble intégré au Groupe Safran. Cet ensemble comprend...) développe la série des Atar, qui culminera avec le 9C à 6 400 daN, et équipera les Mirage III et 5. Enfin, l'URSS produit les Mikulin AM-5, AM-9 et RD-9 qui équipent les chasseurs MiG-19 et Yak-25. Ces réacteurs monocorps (Un monocorps (ou véhicule monocorps ; véhicule à un volume) est un véhicule dont la...) auraient été développés à partir du réacteur britannique Nene. Les bombardiers Tu-16 et le transport civil Tu-104 sont équipés de l'AM-3 développé par Mikulin qui, bien qu'utilisant la technologie monocorps, atteint près de 10 000 daN.

Le choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...) pétrolier (Un pétrolier est un navire citerne servant à transporter le pétrole ainsi que ses...)

Le General Electric TF39, l'un des premiers turboréacteurs à double flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) à haut taux de dilution (La dilution est un procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration...).

En dehors du Concorde, supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».), les avions commerciaux sont limités à des vitesses subsoniques. L'augmentation de la poussée n'est donc nécessaire que pour propulser des avions de plus en plus lourds. Après le choc pétrolier, les recherches portent sur des moteurs dont la consommation spécifique — le rapport entre la consommation de carburant et la poussée obtenue — est la plus faible possible. La concurrence se révèle très forte entre les trois principaux motoristes — Rolls-Royce au Royaume-Uni, Pratt & Whitney aux États-Unis et CFM, consortium entre l'américain General Electric et le français Snecma — et ceci d'autant plus que Boeing ou Airbus (Airbus est un constructeur aéronautique européen et également un acteur majeur dans...) laissent aux compagnies aériennes le choix du propulseur. Les développements portent donc essentiellement sur un nouveau type de turboréacteur, le turbofan ou turboréacteur à double flux, qui peut être considéré comme intermédiaire entre le turboréacteur et le turbopropulseur (Un turbopropulseur est un réacteur qui entraîne une hélice multipales (8) via un réducteur (9)....) (voir Propulsion des aéronefs). Le premier développement est réalisé par Rolls-Royce avec le Conway et un taux de dilution initial de 0,3 porté par la suite à 0,6.

La première génération de turboréacteurs à double flux à haut taux de dilution et non développés à partir d'éléments pré-existants a permis d'équiper les Lockheed C-5 Galaxy (Le Lockheed C-5 Galaxy est un avion de transport lourd de l'USAF conçu par le constructeur...) de l'US Air Force avec le General Electric TF39, qui atteignait une poussée de 19 000 daN. Ce réacteur est à l'origine du CF6, modèle civil qui se retrouve sur les DC-10, Airbus A300 (L’Airbus A300 est une famille d’avions de ligne à large fuselage construits par...) et Boeing 747 (Le Boeing 747, encore surnommé Jumbo Jet, est un avion de ligne conçu par l'avionneur...). Les deux concurrents Pratt & Whitney et Rolls-Royce suivirent avec les JT9D et RB.211, aux performances équivalentes.

Technicité accrue et moteurs complexes

Le General Electric GE90, turboréacteur à double flux et double corps.

Les turboréacteurs d'aujourd'hui sont des machines d'une extrême complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) regroupant un grand nombre de sous-systèmes. Le développement d'un nouveau moteur demande des moyens humains, technologiques et financiers considérables que seules quelques rares entreprises possèdent dans le monde : General Electric, Snecma, Rolls-Royce, Pratt & Whitney et NPO Saturn pour les plus importants. 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. Seuls les petits avions de tourisme (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée...) et les ULM sont encore équipés de moteurs à explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) à pistons.

La fabrication et l'exploitation d'un turboréacteur nécessitent des connaissances techniques parmi les plus pointues de notre époque telles que la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides...), la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...), la science des matériaux (La science des matériaux repose sur la relation entre les propriétés, la morphologie...), l'automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la...) ou encore l'acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...). D'ailleurs, à bord d'un avion, civil ou militaire, le turboréacteur n'est pas seulement un organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction...) propulsif. Il fournit aussi toute l'énergie disponible à bord sous forme électrique, hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les...) 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 ». Si le rendement et la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée...) de ces moteurs se sont considérablement améliorés depuis leurs débuts, leur coût est très important, et représente en général pour un avion civil (Les avions civils sont apparus après la Première Guerre mondiale, pour le transport du...) le tiers du coût total de l'appareil.

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