Comprendre les avions de ligne : Les Moteurs
Pour voler, un avion a besoin de vitesse. Cette vitesse est, sur les avions de ligne, créée grâce aux moteurs. Il faut savoir que les avionneurs (Airbus, Boeing…) ne fabriquent pas eux-mêmes les moteurs pour leurs avions, ce sont des sous-traitants spécialisés qui s’en occupent. Voici quelques exemples de motoristes célèbres :
-Rolls-Royce
-Pratt & Whitney
-General Electric
-Snecma
…
Il en existe d’autres mais ceux cités ci-dessus sont les principaux fournisseurs de turbomachines pour les avions de ligne modernes.
Les moteurs sont aussi bien utilisés pour la propulsion en l’air qu’au sol. Au roulage, les pilotes jouent sur les faibles régimes des moteurs pour faire rouler l’avion jusqu’à la piste. Il n’y a pas de moteurs sur les roues d’avion !
Au décollage, les pilotes mettent généralement plein gaz pour faire décollage l’avion le plus vite possible, mais quand la piste est longue et que l’avion est peu chargé, le décollage s’effectue souvent avec une puissance légèrement réduite, de façon à diminuer le bruit et surtout l’usure des moteurs.
Après le décollage, il y a en général une diminution de la puissance, afin d'éviter une usure rapide des moteurs.
En croisière, la puissance des moteurs est encore réduite, de façon à avoir le meilleur compromis consommation/vitesse, et de ne pas dépasser la vitesse maximale structurelle de l'avion.
Lors de la descente, il est fréquent que les moteurs soient au ralenti, la perte d’altitude faisant prendre naturellement de la vitesse à l’avion, de plus, en dessous de 3300m d’altitude, la vitesse des avions civils est limitée à 250 nœuds (environ 450km/h), gare donc aux excès de vitesse !
Lors de l’approche finale, les pilotes ajustent la puissance de façon à avoir la bonne pente et vitesse cible pour l'atterrissage.
Grace aujourd’hui à des moteurs puissants et économiques en carburant, les avions de ligne filent à des vitesses comprises entre 800 et 1000 km/h pour les avions à réaction, et de 500 à 700 km/h pour les avions à hélices.
Je rajoute que ces vitesses sont indicatives car très dépendantes du vent. En altitude, les vents peuvent en effet atteindre 500km/h (on appelle ça les JetStreams). Comprenez qu’avec un vent venant de derrière, un avion peut considérablement augmenter sa vitesse!
Les réacteurs d’aujourd’hui sont conçus pour fonctionner sous la pluie, la neige, par des températures très basses (en altitude de croisière, la température descend à environ -56°C). Les plus grands dangers pour les moteurs restent la grêle intense, les nuages de cendres ou les oiseaux, chaque année responsable d’extinctions en vol de moteurs (à l’image de l’A320 qui a amerrit sur l’Hudson… La perte de ses moteurs était du à une collision avec un banc d’oiseaux).
A titre de prévention : ne vous baladez jamais autour d’un réacteur en marche… Même lancé à 50% de sa puissance maximal, un turboréacteur pourrait vous aspirer si vous vous trouviez à moins de 15m de ce dernier, et ainsi vous transformer en véritable Hachi-Parmentier. Cela dit, vous n’auriez pas le temps de souffrir… Evitez aussi de vous mettre derrière un réacteur à pleine puissance, le souffle du réacteur atteint facilement plusieurs centaines de km/h ainsi que des températures de l’ordre de 500°C !
Voyons maintenant comment fonctionnent ces merveilleux engins :
1/Turbomoteur de base
Il y deux types de moteurs montés de nos jours sur les avions de transport :
-Le Turboréacteur. (Avions dits « à réaction »)
-Le Turbopropulseur. (Avions dits « à hélices »)
A noté que ces deux moteurs fonctionnent sur un même principe : la Turbine.
Que ce soit un turboréacteur ou un turbopropulseur, le cœur du moteur est le turbomoteur de base.
Turbomoteur de base
Pour faire simple, de l’air est aspirée à l’avant du moteur, puis elle est refoulée à grande vitesse et à haute température derrière le moteur. Concrètement, l’air est aspiré, compressée, brulée, puis enfin recrachée pour fournir une force propulsive. C’est un peu comme un sèche- cheveux.
Compresseur : C’est une sorte d’hélice à pales très rapprochées et nombreuses. En tournant, ces pales vont aspirer et compresser de l’air dans le moteur.
Convergent : Forme géométrique du compresseur destinée à augmenter la pression de l'air aspirée.
Turbine : Après avoir été brulée avec du carburant (kérosène), l’air va passer dans une turbine (sorte d’hélice, comme le compresseur) qui va se mettre en rotation. Cette turbine est reliée par un arbre au compresseur, et va donc l’entrainer dans son mouvement. Le compresseur va donc aspirer de l’air et ainsi de suite… C’est un mouvement perpétuel rendu possible par l’accélération de l’air en amont de la turbine, grâce au convergent et à la combustion.
Pour augmenter la puissance du turbomoteur, il suffit d'augmenter le débit de carburant (exactement comme sur un moteur Diesel).
Remarquez qu’un réacteur n’est autre qu’un moteur 4 temps (comme les moteurs à pistons) : Admission, compression, combustion, échappement.
Je vous propose maintenant de découvrir avec plus de précisions ces deux technologies de propulsion :
2/ Le Turbopropulseur
Contrairement à ce que beaucoup de gens pensent, les avions dit « à hélices » fonctionnent sous le même principe que les avions à réaction : L’hélice n’est pas entrainée par un moteur à pistons, mais par un turbomoteur.
Turbopropulseur
Le turbomoteur entraine en rotation un arbre, qui, au travers d’un réducteur de vitesse, va entrainer une hélice qui va propulser l’avion.
Le réducteur à un rôle très important : Il doit réduire la vitesse de rotation de l’hélice par rapport à celle de l’arbre du turbomoteur.
En effet, si l’hélice tourne trop vite, la vitesse en bout de pale de cette dernière va dépasser le mur du son, et ainsi créer des phénomènes dangereux pour le moteur et l’avion. On cherchera donc avec le réducteur à réduire de 10 à 20 fois la vitesse de rotation de l’hélice par rapport à l’arbre, et ainsi augmenter le « couple » de l’hélice.
Le couple est la « force » de rotation d’un corps tournant. L’arbre de sortie du turbomoteur à une vitesse de rotation importante, mais un couple faible. L’idée du réducteur est de faire en sorte que l’hélice est une vitesse de rotation plus faible, mais un couple plus important.
Par exemple pour une vitesse de rotation du turbomoteur de 20 000 tr/min, on aura une hélice tournant à 1500 tr/min.
L’hélice propulse l’avion à hauteur de 90%. Le petit flux d’air chaud sortant du turbomoteur a donc une force de propulsion presque négligeable.
Un turbopropulseur est toujours monté avec une hélice à calage variable. On appelle ça une hélice "constant speed". En effet, pour une même vitesse de rotation de l'hélice, le turboprop délivrera plus ou moins de couple en fonction de l'admission de carburant et de l'angle de calage des pales de l'hélice.
Avantage des turbopropulseurs par rapport aux réacteurs :
-Meilleur rendement jusqu’à environ 700km/h
-Couts d’utilisation plus faible (consommation) sur de faibles distances (moins de 1000 km)
-Meilleur robustesse.
Désavantage des turbopropulseurs par rapport aux réacteurs :
-Vitesse de l’avion limité à environ 750km/h
-Bruits et vibrations plus importantes
-Pilotage rendu un peu plus complexe par l’hélice à calage variable.
Les moteurs à piston (comme ceux des voitures) sont uniquement utilisés de nos jours pour les avions de tourisme, ou encore pour les petits avions de transport privé. En effet, les moteurs à piston sont plus lourds et leur carburant est deux fois plus cher que le kérosène.
Les avions qui utilisent des turbopropulseurs sont en général des avions de ligne court-courrier, d’une capacité maximale de 80 places.
Les plus courants sont :
Les Bombardier dash 8 :
Les ATR (made in France, cocorico!):
3/Le Turboréacteur
Le turboréacteur est apparu dans les années 1950 sur les avions de ligne. Il équipe aujourd’hui la plupart des avions de transport.
L’écrasante majorité des Turboréacteurs d’aujourd’hui sont à « Double Corps » et « Double flux ».
Pourquoi double flux ?
Nous avons vu que le turbomoteur de base ne refoulait qu’un flux d’air chaud. Les Turboréacteurs actuels refoulent eux 2 flux : un flux d’air froid (environ 150°C) et un flux d’air chaud (environ 550°C). Le flux d’air froid fournit 85% de la poussée du réacteur à basse attitude, et à 50% à haute altitude. L’avantage du double flux est la baisse très importante du niveau sonore et de la consommation de carburant par rapport à un simple flux (chaud).
Pourquoi double corps ?
Un turbomoteur de base est équipé d’un simple corps (attelage compresseur + turbine). Un turboréacteur moderne est équipé d’un double corps (2 attelages compresseurs + turbine), un corps « basse pression » et un corps « haute pression ».
Le corps haute pression (HP) est celui du turbomoteur de base. C’est lui qui va entrainer le moteur en rotation, car c’est dans le turbomoteur de base que va s’effectuer la combustion du kérosène. Le corps HP est le générateur du flux chaud.
Le corps basse pression (BP) est entrainé par une turbine placée en aval de la chambre de combustion. Son compresseur est situé au niveau de l’entrée d’air du turboréacteur. Le corps Basse Pression est le générateur du flux froid. Il est indépendant du corps Haute Pression.
Turboréacteur double corps double flux
On appelle rapport de dilution le rapport « débit d’air froid sortant » sur « débit d‘air chaud sortant ». Le but des motoristes est d’avoir le rapport de dilution le plus élevé possible.
Par exemple, si le rapport de dilution est égal à 5, cela veut dire qu’il y a 5 fois plus d’air froid qui sort du moteur que d’air chaud.
Exemples :
|
Nom du moteur |
Appareils équipés de ce moteur |
rapport de dilution |
|
P & W JT8D (1960) |
Boeing 727, Boeing 737-200… |
1 |
|
GE/Snecma CFM56 (1980) |
Airbus A320, A340, Boeing 737NG |
6 |
|
General Electric GE90 (1995) |
Boeing 777 |
9 |
|
Rolls-Royce Trent 1000 (2007) |
Boeing 787 Dreamliner |
10 |
La puissance d’un turbomoteur est exprimée est tonnes de poussée.
Exemples :
|
Nom de l’avion |
poids d’un réacteur |
Poussé par moteur |
Consommation avion |
|
Airbus A320 |
2270 kg |
10 tonnes ( 98kN) |
3000 litres/heure (pour 2 réacteurs) |
|
Boeing 777 |
8000 kg |
50 tonnes (490kN) |
9000 litres/heure (pour 2 réacteurs) |
En plus de fournir de la poussée, les moteurs fournissent également en tournant :
-de l’électricité (un peu comme l’alternateur sur les voitures)
-de l’énergie hydraulique nécessaire au déplacement des gouvernes.
-de l’air pour la ventilation, le dégivrage mais surtout pour la pressurisation de la cabine.
Les avions de ligne moderne ont tous sans exception un double flux d’air. Mais les deux flux d’air peuvent être soit mélangés (une seule sortie d’air), soit séparés (2 sorties d’air).
Double flux séparés:
Double flux mélangés:
4/Démarrage d’un Turbomoteur
Pour qu’un turbomoteur démarre, il lui faut atteindre une certaine vitesse de rotation avant de pouvoir injecter et enflammer le carburant. Comme tout moteur thermique, un turbomoteur cale s’il tourne à trop bas régime.
Un Turbomoteur dispose donc d’un démarreur ; ce dernier peut-être soit électrique, soit pneumatique.
Sur les petits turboréacteurs et les turbopropulseurs, c’est un démarreur électrique (comme sur les voitures) qui entrainera en rotation le turbomoteur.
Sur la grande majorité des turboréacteurs, c’est un démarreur pneumatique (turbine à air comprimé) qui va entrainer en rotation le corps haute pression. L’air comprimé en question est fournie par l’APU. En effet, le démarrage d’un gros turboréacteur nécessiterait un trop gros démarreur électrique, impossible à loger dans un réacteur. Par exemple, un démarreur pneumatique d’un réacteur de Boeing 747 a une puissance d’environ 350 chevaux ! (puissance d’une Porsche).
5/L’APU (groupe auxiliaire d’énergie)
L’APU est un petit turbomoteur présent sur la plupart des avions de ligne. Il est logé à l’extrême arrière de l’appareil, juste en dessous de l’empennage vertical. Ce petit turbomoteur ne sert en aucun cas à propulser l’avion, il est chargé de fournir de l’énergie électrique et pneumatique lorsque l’avion est au sol (quand les moteurs ne sont pas allumés). Quand les moteurs sont en marche, l’APU est généralement éteint (sauf en cas de défaillance des moteurs). Comme dit précédemment, l’APU fournit de l’air comprimé nécessaire au démarrage des moteurs.
Il est facile de savoir si un APU est en marche : Il émet un sifflement très aigu et rejette de l’air chaud à l’extrême arrière de l’avion. A noter que l’APU consomme du kérosène.
La quasi-totalité des APU ne peuvent pas fournir assez d’air comprimé pour le démarrage simultané des 2 ou 4 moteurs de l’avion. C’est pour cela que chaque moteur démarre l’un après l’autre…
6/ Les inverseurs de poussée
Couramment appelés « reverses », les inverseurs de poussées sont un dispositif qui permet une décélération efficace à l’atterrissage. A noter que ce dispositif sert UNIQUEMENT au sol pour freiner, jamais en l’air ! Il est facile de savoir si les pilotes utilisent les reverses à l’atterrissage : il y a une montée en régime des moteurs une fois l’avion posé sur la piste, suivit d’un freinage assez brusque.
Sur un turbopropulseur, les reverses sont tout simplement une inversion du pas des pales de l’hélice. Ainsi, au lieu de refouler de l’air derrière l’avion, l’hélice refoulera de l’air vers l’avant de l’avion, dans le but de freiner ce dernier.
Sur un turboréacteur, des éléments mobiles redirigeront le flux d’air froid et une partie du flux d’air chaud vers l’avant de l’appareil.
Pour finir ce chapitre sur les moteurs, j’aimerai vous parler de deux turboréacteurs remarquables : le GE90 et le CFM56.
Le General Electrique GE90 équipe le Boeing 777. Ce turboréacteur est le plus gros et puissant du monde. Il pèse environ 8 tonnes, et offre une poussée d’environ 50 tonnes, l’équivalent de 110 000 chevaux, soit presque 3 fois la puissance du Titanic. Il mesure 3.43m de diamètre, soit pratiquement le diamètre du fuselage de l’Airbus A320
Le CFM56 (coopération entre General Electric et Snecma) est le turboréacteur le plus vendu au monde (environ 23 000 moteurs produits). Il a fait son premier vol en 1979 et équipe aujourd’hui plus de 9700 avions à travers le monde. Il équipe entre autre l’Airbus A320, le Boeing 737NG, l’Airbus A340…
Les moteurs d’avion sont des organes sensibles, car très complexes et extrêmement chers. Le prix des moteurs sur un avion de ligne vaut environ un tiers du prix total de l’appareil.
Enfin, n’oubliez pas qu’un turboréacteur ne fait pas de « bruit »… Mais une subtile mélodie incitant au voyage et à l’évasion...
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