propulsion à réaction

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Présentation

propulsion à réaction, mise en mouvement d’un système provoquée par une force de poussée, créée par réaction à l’expulsion vers l’arrière d’un flux gazeux ou liquide à vitesse élevée.

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Principe

Le mouvement d’un ballon montant sous l’effet de l’expulsion soudaine de l’air est un exemple simple de propulsion à réaction. Dès l’expulsion de l’air, il se crée une dépression entre l’extrémité ouverte du ballon et l’extrémité opposée, ce qui propulse le ballon.

Bien que le principe de base soit le même, un moteur à réaction ne fonctionne pas aussi simplement qu’un ballon. L’accélération du jet expulsé par le réacteur est en effet plus importante que la différence de pression. Des forces dans le moteur permettent aux gaz de circuler vers l’arrière pour former le jet. La deuxième loi de Newton (voir mécanique) montre que ces forces sont proportionnelles à l’accélération du gaz expulsé. Pour un moteur à réaction, elles sont liées au débit massique multiplié par la vitesse du jet. D’après la troisième loi de Newton, la force d’expulsion est équilibrée par une réaction, la poussée. Cette force de poussée est semblable au recul d’un fusil, qui augmente avec la masse du projectile et sa vitesse initiale. Ainsi, les moteurs à forte poussée nécessitent à la fois des débits massiques importants et des vitesses d’échappement de jet élevées, ce qui peut être obtenu en accroissant les pressions internes au moteur et en augmentant le volume du gaz au moyen de la combustion.

Les dispositifs de propulsion à réaction sont principalement utilisés dans les avions ultrarapides, les avions conçus pour les altitudes élevées, les missiles et les vaisseaux spatiaux (exploration de l’espace). La source d’énergie est un combustible hautement énergétique, brûlé sous pressions élevées pour produire un grand volume de gaz et obtenir ainsi une vitesse d’échappement importante. Pour la combustion, l’oxydant peut être l’oxygène de l’air, injecté dans le moteur puis comprimé ; le véhicule peut aussi avoir des réserves de carburant, de sorte que le moteur est autonome. Parmi les moteurs qui utilisent l’air, on peut citer les turboréacteurs, les turbofans, les turbopropulseurs, les statoréacteurs et les pulsoréacteurs (voir plus bas). Les moteurs non atmosphériques sont en général appelés moteurs-fusées.

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Moteurs à réaction

Les moteurs employés en aéronautique utilisent une grande masse d’air. Celui-ci est d’abord comprimé, puis oxyde le combustible, et est finalement dilaté à travers une buse afin d’expulser le fluide à vitesse élevée.

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Turboréacteur

Parmi les moteurs qui fonctionnent dans l’air, les turboréacteurs sont les plus utilisés. Après l’admission de l’air dans le moteur, un ou plusieurs compresseurs, axiaux ou centrifuges, augmentent la pression de l’air, puis ce dernier pénètre dans la chambre de combustion, où il est mélangé avec le combustible vaporisé et ensuite brûlé. L’énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur est fournie par une turbine placée entre la chambre de combustion et la tuyère.

En sortant de la chambre de combustion, les gaz atteignent les aubes d’une ou de plusieurs turbines et sont alors ralentis. Ils sont ensuite détendus essentiellement dans la tuyère terminale, ce qui engendre une poussée propulsant l’avion.

La température à l’entrée de la turbine limite actuellement les performances d’un turboréacteur. En effet, elle ne doit pas excéder 1 100 °C en raison des caractéristiques thermiques des matériaux. Pour réduire cette température, seule une partie de l’air comprimé est brûlé. Le volume d’air est donc fractionné à l’entrée de la chambre de combustion. Une partie de l’air est mélangée avec le combustible et enflammée ; le reste est utilisé pour refroidir la turbine.

Un moteur de turboréacteur à l’arrêt ne peut pas démarrer directement ; il doit d’abord être lancé par un moteur de démarrage externe. Le combustible est alors enflammé par une bougie chauffée. Une fois que le moteur est en marche, la combustion peut avoir lieu sans l’aide de bougies à étincelles.

Lorsque la température de l’air ambiant augmente, la densité de l’air chaud, et donc le flux massique dans le moteur, diminuent. La poussée fournie par le réacteur décroît alors. Dans les périodes chaudes, la poussée au décollage peut être augmentée en injectant de l’eau à l’entrée du compresseur, ce qui permet de refroidir l’air par évaporation de l’eau.

Dans les moteurs militaires, des vitesses ou poussées plus importantes pour le décollage et l’ascension peuvent être atteintes par postcombustion, à l’aide d’un second brûleur installé entre la turbine et la tuyère. Lors de la postcombustion, une quantité supplémentaire de combustible est ajoutée au flux d’échappement pour brûler l’oxygène qui n’a pas été utilisé dans la chambre de combustion. Ce procédé augmente à la fois le volume d’air et la vitesse du flux. La postcombustion a toutefois un faible rendement, ce qui restreint son utilisation à des situations qui nécessitent une brusque accélération.