Lorsque vous montez dans un avion, vous avez peut-être remarqué ce petit tourbillon, ou hachis blanc, au beau milieu du moteur, qui tourne lentement comme une illusion d’optique. Derrière ce tourbillon se trouve probablement la pièce d’ingénierie la plus complexe jamais conçue : Un des moteurs à réaction qui propulse votre avion.
« Il n’y a pas de contact métal sur métal. Ils peuvent fonctionner pendant des milliers d’heures – 60 000 heures – en ne dépendant que de l’air et du carburant. Les composants sont incroyablement durables », a déclaré le Dr Magdy Attia, professeur d’ingénierie aérospatiale à l’Université aéronautique Embry-Riddle.
J’ai parlé avec le Dr. Attia et James Speich, directeur du marketing pour Pratt & Whitney Commercial Engines, pour comprendre comment fonctionne un moteur à réaction.
Attia est un expert de longue date en ingénierie aérospatiale ; il a plusieurs brevets aérospatiaux à son nom ainsi qu’une longueur de bras de publications évaluées par des pairs. Il dirige également un centre de recherche sur les turbines à gaz à l’université. Speich est un ingénieur en mécanique qui travaille chez Pratt depuis 45 ans ; il s’est fait les dents en travaillant sur les premiers modèles informatiques de moteurs à réaction et sur le PW4000, le successeur du premier moteur que Pratt a conçu pour le Boeing 747. Nous en reparlerons plus tard.
Je pense que nous sommes entre de bonnes mains ici.
- Premières choses d’abord : Beaucoup d’air. Vraiment beaucoup.
- L’énergie propulsive est la clé
- Suck, Squeeze, Bang and Blow
- 53 camions UPS
- Les pales de la soufflante
- Les extrémités du ventilateur supersonique et la solution de la turbosoufflante à engrenages
- Gains d’efficacité au fil du temps
- Plus de choses à savoir
Premières choses d’abord : Beaucoup d’air. Vraiment beaucoup.
Les moteurs à réaction fonctionnent fondamentalement en aspirant de l’air, beaucoup d’air, en le mélangeant avec du carburant et en expulsant les gaz résultants à l’arrière à grande vitesse. Cela fait avancer le moteur par réaction, ainsi que l’avion qui y est attaché.
Mais ce n’est pas tout à fait ainsi que fonctionnent les moteurs à réaction actuels. En fait, la plupart de la poussée générée par un moteur à réaction moderne provient simplement du déplacement d’un incroyable volume d’air, tout à la fois, très rapidement. Pas moins de 90 % de l’air qui entre dans les moteurs passe à travers sans être mélangé au carburant et enflammé. Les pales du ventilateur à l’avant sont esclaves du cœur du moteur – et ce cœur fait faire à ces ventilateurs tout le travail lourd.
À l’aube du moteur à réaction, les avions utilisaient un type de moteur à réaction qui n’est plus fabriqué pour des utilisations commerciales : un turboréacteur, dans lequel tout l’air aspiré dans le moteur passe par son cœur. De nos jours, les avions utilisent plutôt des turbosoufflantes, qui poussent la quasi-totalité de l’air qu’elles ingèrent autour du cœur du moteur. Ils sont plus silencieux et beaucoup plus efficaces que les turboréacteurs.
Les plus gros avions de ligne en service aujourd’hui ont des moteurs à très haut taux de dérivation, où il y a un rapport élevé entre l’air accéléré à travers le moteur – contournant le noyau – et l’air allant dans le noyau du moteur lui-même. L’énorme diamètre de ces moteurs, comme ceux des Boeing 777, est dû à la nécessité d’avoir un ventilateur géant à l’avant.
Les turboréacteurs civils ont cessé de voler avec Concorde, qui a même utilisé quelque chose que l’on ne trouve que sur les chasseurs et les bombardiers supersoniques : les postcombustion – injecter littéralement du carburant dans l’échappement pour créer une énorme poussée – pour aider à accélérer au décollage et, plus tard dans le vol, pour franchir le mur du son.
Vous ne verrez pas de flammes jaillir de l’arrière des avions civils au décollage de nos jours.
L’énergie propulsive est la clé
La théorie mise en pratique avec les turbofans est quelque chose appelée efficacité propulsive. Il est beaucoup plus efficace de déplacer un grand volume d’air à des vitesses relativement plus lentes que de déplacer un petit volume d’air à des vitesses plus élevées. (Attia m’a répété cette maxime de mémoire par cœur). « En général, au décollage, 70 à 80 % de la poussée est fournie par la dérivation et environ 20 % par le noyau lui-même. Lorsque l’avion atteint l’altitude de croisière, on tend vers 95% à 100% de la poussée (étant) fournie par la dérivation », a déclaré Attia. Les turboréacteurs, comme ceux du Concorde, n’avaient aucune dérivation, ce qui les rendait très coûteux à exploiter. Pour faire rugir ce jet, les moteurs devaient brûler beaucoup de carburant.
Suck, Squeeze, Bang and Blow
« Suck, Squeeze, Bang, Blow » est la façon dont les pilotes se souviennent des différentes étapes d’un moteur.
Suck
La soufflante à l’avant aspire l’air. 10 % de cet air va dans ce que l’on appelle le « cœur » du moteur. 90 pour cent est accéléré et poussé autour du noyau.
Squeeze
L’air qui est entré dans le noyau se déplace à travers une série de petites lames tournantes attachées à un arbre appelé le compresseur. Le fait de faire tourner l’air provoque un couple, ce qui entraîne une accélération de l’air et augmente sa pression.
Bang
Le combustible est ensuite injecté dans l’air comprimé et allumé dans une chambre de combustion.
Souffle
Puis, le mélange de gaz chauds en expansion rapide passe par un autre ensemble de pales de ventilateur appelé turbine. Ces gaz sont captés par de petites pales sur la turbine, ce qui fait tourner la turbine.
C’est cette turbine qui est incroyable.
La turbine qui tourne fait tourner un arbre qui fait tourner les compresseurs et fait tourner le ventilateur tout à l’avant. Un point essentiel à retenir : tout l’intérêt du cœur du moteur est de faire tourner le ventilateur à l’avant – et non de fournir la majeure partie de la poussée elle-même.
« La turbine reconvertit l’énergie thermique générée par la combustion en énergie mécanique. Ce sont les petites pales de la turbine qui tournent, et elles sont reliées à un arbre, qui est relié au compresseur lui-même et au ventilateur », explique Attia. Cet arbre de turbine tourne à environ 20 000 tours par minute – ce qui est vraiment, vraiment rapide.
Alors, quelle quantité d’air est nécessaire pour fournir suffisamment de mouvement vers l’avant pour faire fonctionner les ailes, et pour générer de la portance ?
53 camions UPS
Un moteur à réaction typique ingère quelque 1 500 kilogrammes d’air par seconde. La densité de l’air au niveau de la mer est d’environ 1,2 kilogramme par mètre cube. Le Dr Attia a fait quelques calculs rapides pour notre bénéfice : un camion UPS typique fait 23 mètres cubes, et en conséquence, un moteur à réaction aspire le volume d’environ 53 camions UPS d’air – par seconde.
« C’est le débit massique d’air qui est la partie la plus importante de l’équation de la poussée », a déclaré Attia. Speich a abondé dans ce sens, notant que Pratt &Whitney se concentre depuis 20 ans sur l’efficacité propulsive : « pomper beaucoup d’air », comme il l’a dit.
Les pales de la soufflante
L’énergie créée par les pales de la soufflante est stupéfiante. Et chaque fabricant de moteurs semble avoir une façon colorée d’expliquer l’énergie capturée dans une seule pale. Un fabricant a déclaré que l’énergie d’une seule pale de ventilateur en fonctionnement pourrait lancer une petite voiture au-dessus d’un immeuble de sept étages. Un autre : c’est suffisant pour hisser neuf bus à deux étages (ou 13 éléphants mâles.)
Les aubes de soufflante des moteurs Pratt sont fabriquées en alliage d’aluminium haute résistance avec un bord d’attaque en titane. D’autres constructeurs de moteurs à réaction utilisent des pales creuses en titane ou des pales enveloppées de fibre de carbone. Fait amusant : les pales de la soufflante sont elles-mêmes des mini-ailes, générant de la portance.
Une chose que vous remarquez lorsque vous vous approchez du moteur, c’est à quel point les extrémités de la soufflante sont proches du boîtier du moteur. En fait, P&W les a construits avec une telle précision qu’ils frottent contre le boîtier intérieur en caoutchouc juste un peu, des millimètres, ce qui crée une petite rainure dans le caoutchouc. Les tolérances doivent être incroyablement petites.
Les extrémités du ventilateur supersonique et la solution de la turbosoufflante à engrenages
En vol, les pales du ventilateur tournent à environ 3 000 RPM. Plus haut et les extrémités du ventilateur commencent à tourner de manière supersonique, faisant une énorme quantité de bruit sous la forme d’un bourdonnement perçant. En revanche, l’arbre basse pression tourne à 12 000 tr/min et l’arbre haute pression à environ 20 000 tr/min. Alors, comment ralentir cette rotation – en passant d’un régime élevé à l’arrière du moteur à un régime plus faible à l’avant ?
Retour à la conception du moteur.
Passant juste au milieu du noyau se trouve un « arbre dans l’arbre ». Un arbre fait tourner la turbine basse pression, le compresseur basse pression et le ventilateur, que vous pouvez voir sur le schéma ci-dessus. Un autre arbre fait tourner la turbine haute pression et le compresseur haute pression. Chaque composant doit tourner à des vitesses différentes pour chaque étage.
Pour que le ventilateur à l’avant soit ralenti, « nous avons besoin de plus d’étages de basse pression pour faire tourner le ventilateur à une vitesse plus lente que l’arbre haute pression », a déclaré Speich, en faisant référence à la conception conventionnelle du moteur à deux bobines. Ces étages supplémentaires ajoutent du poids et ont un effet négatif sur le rendement énergétique.
Et c’est là qu’intervient le turbofan à engrenages, ou GTF. C’est le développement le plus important de la technologie des moteurs depuis 20 ans.
D’abord, avec le temps, P&W a compris comment fabriquer une boîte d’engrenages légère. La boîte de vitesses actuelle pèse environ 250 livres ; les premières tentatives étaient plus proches de 600 livres. L’engrenage réduit la vitesse de rotation de trois à un. Si l’arbre basse pression tourne à 10 000 tr/min, le boîtier d’engrenages agit pour réduire le ventilateur lui-même à 3 000 tr/min, mais – point crucial – sans ajouter d’autres étages basse pression. Pratt y travaille depuis que Speich a rejoint la société, et activement pendant 20 ans d’essais.
« Avec l’engrenage, vous pouvez faire tourner le ventilateur plus lentement mais laisser le reste des composants tourner à la vitesse qui est la plus efficace pour eux », a expliqué Speich. En retour, vous avez besoin de moins d’étages de basse pression – et moins de poids de composants – pour faire fonctionner le ventilateur à cette vitesse plus lente.
« L’engrenage a fait son chemin dans le moteur », a déclaré Speich. « Tous ces apprentissages… et finalement aujourd’hui la technologie a rattrapé son retard. »
Gains d’efficacité au fil du temps
Speich travaille chez P&W depuis le milieu des années 1970, et l’a rejoint juste après que P&W ait lancé le JT9D, qui a propulsé le premier Boeing 747. « Ces premiers moteurs avaient un taux de dilution d’environ 4,5 pour 1 », a déclaré M. Speich. Ils étaient également fabriqués avec des carters de soufflante en acier et des composants en acier forgé, ce qui était assez lourd.
Comparez cela au moteur GTF, qui se vante d’un rapport de dérivation de 12 à 1. Le moteur est censé offrir des gains de 15% en termes de rendement énergétique. « C’est énorme dans cet espace », a déclaré Attia avec emphase.
Speich a noté que sa société voit des gains d’efficacité supérieurs à 15%. « Je me souviens de l’époque où atteindre une augmentation de un à deux pour cent de l’efficacité du carburant était une mine d’or », a-t-il déclaré, en se remémorant sa carrière au sein de l’entreprise. Le GTF vole actuellement sur cinq plateformes : la série Airbus A320Neo, l’Airbus A220, les jets E-2 d’Embraer, l’Irkut MC-21 de fabrication russe et le Mitsubishi MRJ. (Les deux derniers ne sont pas encore en service commercial.) Vous les ferez voler aux États-Unis avec Hawaiian, Delta et Spirit, entre autres.
« Quand il s’agit d’aérodynamique, de matériaux, de structures, de physique… tout – tout cela est poussé à ses limites », a déclaré Attia. « Je pense que ce sont les machines les plus fascinantes jamais créées par l’homme. »
Et au cas où vous vous poseriez la question, le petit tourbillon au milieu du nez du moteur sert à faire savoir à quiconque – visuellement – si le ventilateur tourne ou non.
Mike Arnot est le fondateur de Boarding Pass NYC, une marque de voyage basée à New York, et un pilote privé.
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