Section 1 OCOM M232.01 – IDENTIFIER LES TYPES DE MOTEURS D’AÉRONEF

Un aéronef propulsé a besoin d’un moyen de propulsion pour vaincre la traînée et permettre aux ailes de produire une portance suffisante pour surmonter le poids.

L’hélice et le moteur à réaction ont un lien très étroit, car ils fournissant une poussée de la même façon, c.-à-d. l’accélération d’une masse d’air. L’hélice produit une poussée en agissant sur une large masse d’air, lui donnant une accélération relativement faible. Le moteur à réaction fait exactement la même chose en donnant une accélération plus intense à une plus petite masse d’air.

Les types de moteur les plus communs utilisés pour la propulsion en aviation utilisent la combustion interne et comprennent :

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur les utilisations d’un moteur-fusée, qui se trouvent aux figures A-1 et A-2.

Les plus anciens moteurs de véhicule sont les moteurs-fusées qui étaient utilisés pour alimenter les flèches à feu chinoises. Cette méthode de propulsion s’est avérée tellement efficace, avec plusieurs améliorations, qu’elle est toujours couramment utilisée de nos jours pour plusieurs applications, y compris l’exploration spatiale. Les fusées, autonomes et comportant leurs propres comburants, ont le grand avantage d’être capables de fonctionner dans une dépression telle que l’espace.

Tous les systèmes de propulsion sont réactifs, ce qui signifie qu’ils utilisent tous une réaction égale et opposée précisée par la troisième loi de Newton.

Les moteurs à pistons à combustion interne ont été créés à la fin du dix-neuvième siècle. C’est avec ce type de moteur qu’Orville et Wilbur Wright ont conçu leur engin de vol en 1903, soit un moteur à piston à quatre cylindres.

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur l’utilisation du moteur à pistons Harvard, qui se trouve aux figures A-3 et A-4.

Les moteurs à pistons sont les moteurs les plus couramment utilisés dans les véhicules. Ce sont ceux que les cadets de niveau deux étudieront plus en profondeur. De plusieurs façons, les pistons représentent le système le plus compliqué pour convertir l’énergie chimique du carburant en énergie de mouvement, mais ils se trouvent à plusieurs endroits, y compris les aéronefs, les automobiles, les bateaux et les tondeuses.

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur l’utilisation du moteur à réaction à turbine à gaz, qui se trouve aux figures A-5 et A-6. Mettre en évidence le cheminement du débit d’air et l’emplacement de la combustion dans le schéma.

Les moteurs à réaction à turbine à gaz résultent de l’amélioration d’un simple statoréacteur. Le statoréacteur est semblable au moteur-fusée à propergol liquide qui utilise l’oxygène atmosphérique pour faire brûler le carburant. Un des aspects les plus restrictifs du statoréacteur est qu’il nécessite une vitesse élevée pour fonctionner. Il ne peut donc pas commencer la combustion avant d’avoir atteint une certaine vitesse; il doit être lancé d’un véhicule en grande vitesse. Les missiles aéroportés sont l’une des quelques applications des statoréacteurs.

Toute turbine transforme l’énergie des gaz ou des liquides en déplacement, comme le flux d’échappement ou le vent, en mouvement rotatif pour tourner un arbre. Une éolienne est une turbine qui utilise l’énergie du vent pour faire tourner un arbre. Parmi les autres avantages, l’ajout d’une turbine au simple statoréacteur permet à un compresseur de produire de l’air à haute pression pour que le moteur à réaction à turbine à gaz puisse être démarré depuis une position de repos ou statique. C’est le secret du moteur à réaction à turbine à gaz moderne, qui dépend encore de l’éjection des gaz chauds pour produire la poussée. Cependant, le moteur ne peut démarrer avant que la turbine et le compresseur fonctionnent et fournissent de l’air à haute pression au moteur. Alors, même les moteurs à réaction à turbine à gaz doivent être démarrés par un moteur de démarrage.

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur l’utilisation du turboréacteur à gaz Tutor CT-114, qui se trouve aux figures A-7 et A-8.

Un moteur à réaction à turbine à gaz qui assure une poussée, sans sortie d’arbre tournant, est un TURBORÉACTEUR.

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur l’utilisation du turbopropulseur C-130 Hercules, qui se trouve aux figures A-9 et A-10.

Un moteur à réaction à turbine à gaz qui assure une poussée et entraîne une hélice est un TURBOPROPULSEUR.

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur l’utilisation du turbomoteur CH-146 Griffon, qui se trouve aux figures A-11 et A-12.

Une turbine à gaz qui entraîne un rotor d’hélicoptère est généralement un TURBOMOTEUR. Dans un turbomoteur d’hélicoptère, l’arbre d’entraînement de sortie est dissocié de l’arbre de la turbine de compresseur pour que la vitesse du moteur ne soit pas liée à la vitesse du rotor principal de l’hélicoptère.

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur l’utilisation du réacteur à double flux CC-150 Polaris (A310-300 Airbus), qui se trouve aux figures A-5 et A-6. Indiquer l’emplacement de la soufflante.

La version la plus courante du moteur à réaction à turbine à gaz est le RÉACTEUR À DOUBLE FLUX, qui est l’hybride d’un turboréacteur et d’un turbopropulseur. Le réacteur à double flux est muni d’une soufflante qui donne la poussée avec l’air de dilution, au lieu d’une hélice, venant augmenter la poussée réactive des gaz d’échappement éjectés. Cette application permet à l’aéronef d’aller plus vite que les simples hélices, tout en réduisant le bruit du moteur et en permettant à l’aéronef d’utiliser le carburant avec efficacité. La réduction de bruit et l’économie de carburant des réacteurs à double flux les rendent très efficaces pour l’aviation commerciale.

Ces trois types de moteur, soit le moteur-fusée, le moteur à réaction à turbine à gaz et le moteur à pistons, utilisent la combustion interne pour capturer l’énergie des gaz chauds en expansion dans une enceinte fermée.

Les moteurs-fusées, les turboréacteurs et les moteurs à pistons sont des moteurs à combustion interne, car ils utilisent tous la combustion de carburant pour obtenir une force provenant des gaz en expansion dans une enceinte fermée. Cependant, tous ces circuits réacteurs comportent des différences importantes qui les distinguent les uns des autres.

Présenter aux cadets un transparent ou des documents de cours portant sur la combustion, qui se trouvent à la figure B-1.

Lorsque le carburant est oxydé, il donne de la chaleur. La chaleur entraîne l’expansion des gaz qui résultent de l’oxydation. Si l’oxydation est très lente, on l’appelle simplement l’oxydation ou la rouille. Si l’oxydation se fait plus rapidement, on l’appelle plutôt la combustion. Si elle se fait très rapidement, on la nomme explosion. Toutes ces transformations sont le résultat de la combinaison chimique du carburant et de l’oxygène. La caractéristique qui les différencie est la vitesse de la combinaison moléculaire.

Présenter aux cadets un transparent ou un document de cours portant sur les emplacements de la combustion, qui se trouvent aux figures B-2 et B-3.

En capturant les gaz chauds en expansion de la combustion dans une enceinte fermée hermétiquement, telle qu’une chambre de combustion de moteur à pistons ou une chambre de combustion de moteur à réaction à turbine à gaz, l’énergie des gaz chauds peut contribuer à un travail utile. Tous les types de moteurs, présentés dans la présente, contiennent l’énergie des gaz en expansion dans une enceinte fermée hermétiquement; on dit alors qu’ils sont des moteurs à combustion interne.

Plusieurs méthodes ont été élaborées pour diriger et transmettre cette force. La plus courante est la rotation d’un arbre, tel qu’un arbre de turbine ou un vilebrequin. Cet arbre peut ensuite être utilisé pour tourner l’hélice d’un aéronef, la roue d’un compresseur d’air ou la roue d’une automobile.

Une fusée applique l’énergie des gaz en expansion de la combustion de la manière la plus directe, en les éjectant simplement pour obtenir la réaction égale et opposée. Les turbines à gaz et les moteurs à pistons appliquent l’énergie indirectement par l’entremise des mécanismes en mouvement.

Le système le plus simple pour mélanger le carburant avec l’oxygène est le système autonome du moteur-fusée et le système le plus compliqué est le moteur à combustion interne. Les moteurs à réaction à turbine à gaz se situent entre ces extrêmes.

Le moteur-fusée transporte son propre carburant et son oxygène et les mélange dans une enceinte fermée à un rythme qui produit l’énergie nécessaire à n’importe quel moment donné. Évidemment, le moteur-fusée doit démarrer avec suffisamment d’oxygène pour terminer son opération, étant donné qu’il ne peut en puiser à l’extérieur de son enceinte fermée. Le carburant et l’oxygène doivent donc être soigneusement calculés et chargés avant le lancement. Les gaz chauds en expansion qui résultent d’une explosion dans la chambre de combustion de la fusée sont expulsés derrière la fusée à haute vitesse par une tuyère. La tuyère applique la réaction égale et opposée des gaz en déplacement vers le corps de la fusée, en le projetant vers le haut.

Un moteur à réaction est semblable à un moteur-fusée. Par contre, puisque le moteur à réaction se sert de l’air pour l’oxydation, il doit prendre en considération que l’air est surtout composé d’azote et d’environ seulement 20 pour cent d’oxygène. L’obtention d’une quantité suffisante d’oxygène pour une combustion efficace dans un moteur à réaction nécessite donc que l’air soit comprimé d’une manière ou d’une autre avant que la combustion puisse avoir lieu.

Un moteur à réaction à turbine à gaz ressemble généralement à un cylindre creux où l’air est aspiré à l’avant et expulsé vers l’arrière. Ces moteurs peuvent être suspendus en dessous de l’aile de la plupart des aéronefs. Le carburant à brûler est conservé dans des réservoirs, souvent dans l’aile de l’aéronef. L’air, qui est tiré par une soufflante de compresseur dans la partie avant du moteur, contient l’oxygène qui est nécessaire à l’oxydation du carburant. Le carburant est combiné ou mélangé avec l’air sous pression et le mélange explose dans une enceinte qui s’appelle la chambre de combustion et qui est situé à l’intérieur du moteur. Comme dans une fusée, les gaz chauds en expansion sont expulsés à l’arrière du moteur par une tuyère qui applique la réaction égale et opposée des gaz en déplacement vers le corps du moteur, en le propulsant vers l’avant. Ce qui est important est la présence d’une turbine à côté de la chambre de combustion, qui utilise une partie des gaz chauds en expansion pour faire tourner un arbre. Cet arbre entraîne la soufflante de compresseur pour aspirer l’air dans le moteur. Ce système de production de propulsion s’est avéré tellement utile et fiable que plusieurs variations de la conception de base ont été créées et ont reçu des noms comme « réacteur à double flux », « turbopropulseur » et « turbomoteur ».

Les utilisations spécialisées des turbines à gaz sont examinées dans les leçons complémentaires du niveau deux.

La méthode la plus complexe pour produire l’énergie par oxydation de carburant est la plus courante. Le moteur à pistons à mouvement alternatif est utilisé dans de nombreuses applications. Dans un moteur à pistons à quatre temps, l’air est soigneusement mélangé à des gouttelettes de carburant pulvérisées et aspirées ou injectées dans des cylindres où le mélange explose pour entraîner les pistons dans un cycle d’admission, de compression, de combustion et d’échappement. Ces cycles seront examinés dans l’OCOM M232.03 (Participer à une discussion portant sur les cycles d’un moteur à pistons à quatre temps).