Moteur à réaction

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Un moteur Rolls-Royce RB211 utilisé par le Boeing 747 et dans les appareils McDonnell Douglas DC-10 de la Lufthansa.
Vue frontale d'un moteur General Electric GE90 monté sur un Boeing 777.

Un moteur à réaction est un moteur destiné à la propulsion de véhicule. Le principe de base repose sur la projection d'un fluide (gaz ou liquide) vers l'arrière, par réaction, il transmet une poussée au véhicule, de force égale et de direction opposée, vers l'avant.

Avec un rapport poids/puissance très favorable, ce type de motorisation trouve de nombreuses applications dans les secteurs aéronautiques et spatiaux, ainsi que dans le secteur de la propulsion marine (hydrojet).

Propulsion à réaction[modifier | modifier le code]

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 vers l'arrière fait avancer le véhicule. Le recul d'une arme à feu peut être assimilé a une forme de propulsion à réaction.

Il existe deux grands types de propulseurs à réaction, en fonction de l'origine de la matière projetée en arrière :

Analyse physique[modifier | modifier le code]

La force propulsive (appelée dans ce cas poussée) est la dérivée temporelle de la quantité de mouvement (seconde loi de Newton) :

\vec F = {\mathrm{d}(M \vec V) \over \mathrm{d}t} = - {\mathrm{d}(m \vec v) \over \mathrm{d}t}

où :

  • \vec F\! est le vecteur force résultant sur le véhicule
  • M\! et \vec V\! sont la masse du véhicule et son vecteur vitesse
  • m\! et \vec v\! sont la masse éjectée et sa vitesse
  • t\! 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 :

F_\text{poussée} = \dot{m} \times (v_\text{sortie} - v_\text{entrée})

où :

  • \dot{m}, débit massique de l'air passant dans le moteur, le débit du carburant étant négligeable (kg/s)
  • v_\text{sortie}, vitesse de sortie des gaz de la tuyère (m/s)
  • v_\text{entrée}, 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 (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.

Types[modifier | modifier le code]

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 aérobie[modifier | modifier le code]

Les moteurs aérobies utilisent l'oxygène 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 anaérobie[modifier | modifier le code]

Les moteurs anaérobies emportent le comburant et le carburant de la réaction chimique. Cela leur permet ainsi de pouvoir fonctionner en dehors de toute atmosphère. Dans cette catégorie figurent notamment les moteurs-fusées, utilisés, comme leur nom l'indique, dans les fusées, mais aussi dans les missiles, les lanceurs spatiaux, ainsi que dans les satellites et certaines des sondes spatiales. On distingue

  • Les propulseurs à carburant solide (propergol) : les propulseurs à poudre, utilisés dans les boosters de certaines fusées ;
  • Les propulseurs à carburant liquide (ergol)
  • Les propulseurs à carburant hybride (lithergol)

Moteur non chimique[modifier | modifier le code]

D'autres moteurs utilisent une réaction non chimique pour la production de poussée. Bien que leur puissance reste souvent modeste, leur impulsion spécifique (plus l'ISP est grande, et moins le propulseur consomme) est bien plus importante que les moteurs chimiques[1]. 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 :

  • Ceux faisant appels à l'électrodynamique comme le moteur ionique qui peut être à grille ou à effet Hall ;
  • Ceux faisant appels aux propriétés des photons comme le moteur photonique ou Voile solaire ;
  • ceux faisant appels aux propriétés des réactions nucléaires la fission et (théoriquement au moins) la fusion nucléaire dans le moteur atomique.

Les propulseurs de type VASIMR font appel aux 3 aspects de la propulsion électrique.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Propulsion électrique (spatial) avec différentes valeurs d'ISP

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]