Moteur à réaction

Rendement

Un moteur à réaction est un moteur destiné à la propulsion de véhicule (majoritairement aérien, mais pas uniquement). Le principe de base repose sur la projection d'un fluide (gaz ou liquide) dans une certaine direction ; par réaction, ce fluide transmet alors une poussée au véhicule dans la direction opposée[1].

Le rapport poids/puissance très favorable de ce type de motorisation lui ouvre de nombreuses applications dans les secteurs aéronautiques (avions à grande vitesse) et spatiaux[1] ainsi que marins (hydrojet).

Un moteur Rolls-Royce RB211 équipant les Boeing 747 de la Lufthansa.
Vue frontale d'un moteur GE90 monté sur un Boeing 777.

Propulsion à réactionModifier

La propulsion à réaction est fondée 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 dans une direction crée une force dans le sens inverse. Le recul d'une arme à feu est un exemple de propulsion à réaction[a].

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 électriqueetc., et tous les moteurs à réaction anaérobies ;
  • ceux qui utilisent un fluide préalablement absorbé par le véhicule, à l'avant, et accéléré, avant d'être projeté vers l'arrière ; ce sont les différents types de moteurs à réaction (ou plus simplement réacteurs) : turboréacteur, statoréacteur, superstatoréacteur
  • Ceux qui utilisent un fluide préalablement comprimé pour l’éjecter à grande vitesse par une "tuyère" tels les ballons de baudruches ou les hydrojets.

Exemples dans la natureModifier

Propulsion à réaction d'un pétoncle effrayé par l'odeur d'une étoile de mer.

De nombreux animaux se déplacent par réaction. On peut citer les poulpes, les méduses et beaucoup de bivalves comme le pétoncle (vidéo ci-contre). La propulsion des oiseaux et chauves-souris est de même assurée par réaction (ces volatiles projettent de l'air vers l'arrière pour créer leur force d'avancement) ; d'ailleurs leur sustentation même relève du principe de réaction (leurs ailes, du fait de leur vitesse et de leur incidence, projettent de l'air vers le bas).

Exemples dans la vie de tous les joursModifier

Voler en fusée à eau.

Si l'on met de côté le fait de prendre un avion à réaction (Airbus ou Boeing, par exemple), on trouve dans la vie de tous les jours des exemples d'objets fonctionnant à réaction, avec l'avantage que ces objet font la démonstration d'une réaction froide[2]. Par exemple :

  • un ballon de baudruche (ballon de latex) gonflé se propulse vivement à réaction lorsqu'il est lâché. Avec un peu d'astuce on peut même fabriquer des fusées-baudruche qui peuvent voler droit (image ci-dessous d'une telle fusée sur son pas de tir).
  • Les fusées à eau constituent aussi un exemple de la propulsion à réaction. Elles éjectent de l'eau chassée par la pression d'air comprimé apporté par une pompe à vélo ou tout autre dispositif. Le Flyboard inventé par le Français Franky Zapata est une utilisation ludique et commerciale du principe de la réaction à eau (vidéo ci-contre).
  • La loi de l'action et de la réaction peut être prouvée (et même vécue) en pratiquant l'expérience de la barque de Tsiolkovski (animation ci-dessous). Au demeurant, chacun a pu constater que lorsque l'on se déplace vers l'avant d'une embarcation légère, cette embarcation se déplace elle-même vers l'arrière (au prorata des masses en jeu) : on sent bien que chacun de nos pas vers son avant entraîne l'embarcation vers l'arrière (action - réaction).

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Analyse physiqueModifier

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 :

  •   est le débit massique de l'air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s) ;
  •   est la vitesse de sortie des gaz de la tuyère (m/s) ;
  •   est la 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 (sa vitesse nulle ne lui donnant aucune énergie cinétique et 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.

TypesModifier

 
Domaine de vol (vitesse en mach) et rendement (Impulsion spécifique) des différents types de moteurs à réaction.

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 XVIIIe 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 XIXe siècle, qui à leur tour inspireront le concept de turbomoteur.

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

Moteur aérobieModifier

Les moteurs aérobies utilisent le dioxygène 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 :

Moteur anaérobieModifier

Les moteurs anaérobies emportent le comburant et le carburant nécessaire pour que la réaction chimique produise de la poussée en dehors de toute atmosphère. Dans cette catégorie figurent notamment les moteurs-fusées mais aussi dans les missiles, les lanceurs spatiaux, ainsi que dans les satellites et certaines sondes spatiales. On distingue les propulseurs selon le type de carburant:

Moteur non chimiqueModifier

D'autres moteurs utilisent une réaction non chimique pour la production de poussée. Bien que leur puissance reste souvent modeste, leur impulsion spécifique Isp (plus cette dernière est grande, et moins le propulseur consomme) est bien plus importante que celle des moteurs chimiques[b]. 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 trois types de moteurs selon le type de propulsion :

Les propulseurs de type VASIMR font appel aux trois aspects de la propulsion électrique.

Notes et référencesModifier

NotesModifier

  1. Dans le calcul du recul d'une arme, on fait souvent la séparation entre la balistique interne (c.-à-d. ce qui se passe lorsque la balle est encore dans le canon) et la balistique externe (quand la balle sort du canon). Mais les effets de la réaction commencent dès le début du mouvement de la balle à l'intérieur du canon.
  2. Propulsion électrique (spatial) avec différentes valeurs d'Isp.

RéférencesModifier

  1. a et b G. Pichon, « Les principes de la propulsion à réaction », sur www.avionslegendaires.net, (consulté le 6 novembre 2014).
  2. On doit constater que le commun des mortels lie le principe du moteur à réaction aux flammes qui en sortent (pour les moteurs fusées ou les réacteurs d'avion). Or la température du fluide rejeté par un moteur à réaction n'est autre qu'un sous-produit non souhaité (c'est une perte d'énergie).

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

Liens externesModifier

  • Moteurs à réaction, 1952, Gaston LAVOISIER Directeur des Études Techniques au Centre d' Enseignement Supérieur Aérien, École Militaire, Paris ( Principes, description, entretien)