Types de moteurs d'avion : un guide complet sur les principes et les performances

Depuis que les frères Wright ont créé les petits moteurs à pistons qui propulsaient leurs avions, les moteurs n'ont cessé d'évoluer, donnant naissance à de puissantes turbines et à des composants pour moteurs électriques.

Les avions ont toujours été équipés de moteurs, et ce depuis les tout premiers. Chacun d'eux a sa propre consommation de carburant, ses propres performances et sa propre vitesse. Un mauvais choix de moteurs peut entraîner une augmentation des coûts, une baisse des performances ou une réduction de l'autonomie. Découvrons donc les différents types de moteurs d'avion, en expliquant leur fonctionnement, leurs principaux avantages et leurs applications. Alors, continuez votre lecture !

Comprendre la classification des moteurs d'avion

Les types de moteurs d'avion sont classés en deux groupes : les moteurs aérobies et les moteurs non aérobies.

Les moteurs aérobies, tels que les moteurs à pistons , les turbopropulseurs, les turboréacteurs, les turbosoufflantes, les turbomoteurs et les statoréacteurs, aspirent l'air atmosphérique et effectuent les processus de compression, de mélange du carburant et, dernière étape, d'allumage pour produire la poussée. Ils ont besoin de leur environnement et ne sont pas opérationnels dans l'espace.

Les moteurs non aérobies, comme les moteurs-fusées, sont des moteurs d'avion équipés d'un comburant et d'un carburant, ce qui leur permet de fonctionner à haute altitude et dans l'espace. Les engins spatiaux constituent leur principale application, et leur durée de fonctionnement limitée est proportionnelle à leur forte consommation de carburant.

De plus, les moteurs peuvent également être regroupés selon le mode de propulsion. Les moteurs à pistons, électriques et turbopropulseurs sont tous entraînés par hélice, tout comme les moteurs électriques et turbopropulseurs, qui fonctionnent bien à basse et moyenne vitesse.

Pour des vitesses plus élevées et des distances plus longues, les moteurs à réaction (turboréacteurs, turboréacteurs, statoréacteurs) accélèrent l'air et les gaz d'échappement. Des moteurs électriques silencieux et sans émissions équipent actuellement des drones et des avions plus petits.

Le type de moteur d'avion à utiliser est souvent dicté par la tâche à accomplir. Destinés aux courtes distances, les moteurs électriques et à pistons sont plus performants. Pour les vols régionaux, les turbopropulseurs sont privilégiés, tandis que les avions de ligne long-courriers font appel à des turboréacteurs. Les vols supersoniques ou les voyages spatiaux nécessitent l'utilisation d'avions à réaction ou de fusées spécialisés.

Tous les cours sont conçus pour atteindre une efficacité maximale dans des conditions données. Examinons-les un par un.

Moteurs à pistons

Les moteurs à pistons ou alternatifs sont des moteurs largement utilisés comme sources d'énergie dans l'industrie aéronautique. Ils sont bien accueillis sur le marché des petits avions grâce à leur prix abordable, leur facilité d'entretien et leur fiabilité.

Principe de fonctionnement

Un moteur à pistons fonctionne de manière similaire à un moteur de voiture. Le carburant et l'air sont introduits dans le cylindre et mélangés. Un piston comprime le mélange, qui est ensuite enflammé par une étincelle. Les gaz en expansion brûlent le carburant et créent une explosion, qui force le piston à s'abaisser.

Le mouvement de va-et-vient du piston fait tourner le vilebrequin, qui entraîne l'hélice pour générer la poussée. Lorsque le moteur tourne, ce processus se répète plusieurs fois par seconde.

Modèles courants

Moteurs en ligne : cylindres disposés en une seule ligne droite. Cette configuration est étroite, mais moins efficace en termes de refroidissement.

Moteurs radiaux : cylindres disposés en cercle autour du vilebrequin. Reconnus pour leur excellent refroidissement et leur durabilité, notamment sur les avions anciens.

Moteurs à cylindres opposés horizontalement : cylindres disposés face à face. Compacts et bien équilibrés, ils sont particulièrement courants sur les petits avions modernes.

Avantages

• Réduction des dépenses d'acquisition et d'exploitation

• Des processus de réparation et d'entretien plus simples

• Économie de carburant efficace à basse vitesse et à basse altitude

Inconvénients

• Rapport puissance/poids comparativement inférieur par rapport aux moteurs à turbine

• Efficacité réduite à des vitesses et des altitudes plus élevées

Exemples d'utilisation

Le Cessna 172 et le Piper Cherokee sont des avions à moteur à pistons bien connus. Les Cessna sont largement utilisés pour les vols d'entraînement et de tourisme. Les Cherokee sont très appréciés des pilotes privés. Leur conception simple et leurs performances fiables leur assurent une présence durable dans l'aviation générale.

moteurs à turbopropulseurs

Les turbopropulseurs sont un mélange de turbines et d'hélices. Contrairement aux avions à hélices pures, ils utilisent une turbine à gaz pour entraîner une hélice, alimentée par un réacteur. Cette conception rend leur utilisation pour les avions de transport régional et intermédiaire plus efficace, car ils privilégient les performances au décollage plutôt que la vitesse.

Principe de fonctionnement

Un turbopropulseur fonctionne en aspirant l'air dans le compresseur du moteur, où il est comprimé et mélangé au carburant. Ce mélange s'enflamme dans la chambre de combustion, créant des gaz chauds à haute pression. Ces gaz font tourner une turbine, reliée à un réducteur.

Le réducteur ralentit la vitesse de rotation élevée de la turbine à un niveau permettant un entraînement efficace de l'hélice. Si une faible poussée provient des gaz d'échappement, la majeure partie de la propulsion est générée par l'hélice en rotation.

Avantages

• Excellentes performances sur piste courte, permettant l'exploitation à partir d'aéroports plus petits

• Très efficace à des vitesses de vol moyennes (environ 250 à 400 nœuds)

• Consommation de carburant inférieure à celle des jets sur les trajets courts et moyens

• Vitesse de pointe inférieure par rapport aux moteurs à réaction purs

• Le fonctionnement de l'hélice et de la boîte de vitesses peut augmenter le bruit dans la cabine par rapport aux jets

Applications

Les turbopropulseurs sont couramment utilisés dans les avions de transport régional et de transport urbain. L'ATR 72 est réputé pour les vols court-courriers en régions éloignées, tandis que le Bombardier Q400 est apprécié pour ses performances et sa fiabilité auprès des transporteurs régionaux.

turboréacteurs

Le turbomoteur est l'un des moteurs à réaction les plus innovants et les plus performants. Il permet de propulser un avion tout en créant une poussée. De plus, ces moteurs sont très avantageux pour les vitesses élevées et les poussées élevées, ce qui les rend indispensables pour les vols très rapides.

Comment ça marche

Dans le cas des turboréacteurs, l'air est aspiré dans le moteur et traité à l'aide d'un compresseur multijet. L'air haute pression ainsi obtenu est également enrichi et combiné aux gaz de combustion chauds. L'air ainsi obtenu, à haute température et sous haute pression, se dilate rapidement.

Les gaz contribuent non seulement au mouvement de la turbine du compresseur, mais aussi à la filtration. Le jet de gaz qui en résulte, se déplaçant alors à très grande vitesse, renforce la poussée de l'avion. C'est pourquoi les turboréacteurs utilisent la méthode du jet rapide pour produire la poussée.

Pour les passionnés et les apprenants, la construction ou l’étude d’un modèle de moteur à réaction peut aider à visualiser le fonctionnement de l’admission d’air, de la compression, de la combustion et de l’échappement dans un turboréacteur.

Avantages

• Obtenir et conserver la vitesse excédentaire du jet, et la vitesse supersonique, ne pose pas de problème pour les turbomoteurs.

• La structure mécanique du moteur à turbine est très simple, donc de taille compacte.

• Les avions à haut rendement sont spécifiquement adaptés aux moteurs turbo, exploitant ainsi leur taille compacte.

Inconvénients

• Les gaz d'échappement à déplacement rapide entraînent un jet de turbomoteur créant un bruit excessif.

• Les moteurs à essence sont extrêmement inefficaces à basse vitesse.

• Par rapport aux moteurs à turbopropulseurs, la vitesse n'est pas un point fort, ce qui entraîne un décrochage.

moteurs à turboréacteur

Les turboréacteurs sont désormais largement utilisés sur les avions commerciaux et militaires. Ils sont propulsés par des turbomoteurs et sont plus économes en carburant et plus silencieux, ce qui les rend adaptés aux vols courts comme longs courriers.

Comment ils fonctionnent

La partie avant des turboréacteurs à double flux est dotée d'une immense soufflante qui aspire une quantité considérable d'air. Cet air, séparé en air de dérivation, circule partiellement autour du cœur du moteur, tandis que le reste y pénètre, où il est comprimé, combiné au carburant et brûlé.

Après combustion, les gaz chauds traversent la turbine, qui entraîne également la soufflante et le compresseur. L'air de dérivation assure également le refroidissement et un silence de fonctionnement important des gaz d'échappement, tout en fournissant la poussée.

Dérivation élevée contre dérivation faible

Turboréacteurs à haut taux de dilution : sur les avions de ligne commerciaux comme le Boeing 787 et l'Airbus A350, ils exploitent au mieux la poussée de l'air de dilution. Ils sont plus économes en carburant.

Turboréacteurs à faible taux de dilution : Plus compacts et performants en termes de vitesse, ils sont courants dans les avions militaires. Ils fournissent également une poussée plus importante au cœur du moteur.

Avantages

• Économie de carburant exceptionnelle, en particulier à des vitesses subsoniques

• Moins bruyant que les turboréacteurs, donc plus compatible avec les aéroports

• Idéal pour les charges lourdes et les vols long-courriers

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Les turboréacteurs sont constitués de générateurs à forte poussée, tels que des noyaux de turbine à gaz, et de puissants ventilateurs frontaux. Chaque kit de turboréacteur offre des outils performants pour aider les modélistes à comprendre les technologies aérospatiales modernes et à réaliser de magnifiques maquettes. Avec EngineDIY, chaque kit est une exploration pratique des principes d'ingénierie, et chaque maquette construite est une œuvre d'art à terminer.

Moteurs à turbomoteur

Les turbomoteurs sont des turbines à gaz spécialisées qui alimentent un arbre plutôt que de produire une poussée. On les trouve principalement dans les hélicoptères, mais ils ont également été adaptés à certains navires et à certains groupes auxiliaires de puissance.

Comment ils fonctionnent

Les turbomoteurs partagent des éléments avec les turbopropulseurs : une turbine à gaz entraîne un arbre. Au lieu d'une hélice, cet arbre est relié au rotor d'un hélicoptère ou d'un autre engin. La majeure partie de la puissance du moteur est consacrée à la rotation de l'arbre de sortie, une petite partie étant consacrée à la poussée d'échappement.

Avantages

• Pour une puissance donnée, le moteur est léger, donc plus idéal pour une utilisation aérienne.

• Le moteur présente un rapport puissance/poids élevé, permettant aux hélicoptères de soulever des charges utiles plus lourdes.

• Fiable et efficace dans une large gamme de conditions.

Applications

Les hélicoptères modernes sont propulsés par turbomoteur, par exemple le Bell 407, qui utilise un moteur Rolls-Royce 250-C47B et le Sikorsky UH-60 Black Hawk, propulsé par deux moteurs General Electric T700.

Les hélicoptères Black Hawk sont réputés pour leur portance et leur endurance exceptionnelles, tandis que le Bell 407 est loué pour les performances fluides et efficaces du moteur Rolls-Royce 250-C47B.

Moteurs statoréacteurs

Les statoréacteurs sont conçus pour les vols à grande vitesse et offrent une propulsion simple et légère. Contrairement aux autres moteurs à réaction, ils ne comportent ni compresseur ni turbine. Ils exploitent plutôt le mouvement vers l'avant de l'avion pour comprimer l'air entrant.

Comment ils fonctionnent

La vitesse élevée de l'avion comprime l'air, qui pénètre dans l'admission du moteur par la forme de l'admission. Dans la chambre de combustion, l'air comprimé se mélange au carburant et subit une combustion, produisant des gaz d'échappement à haute pression qui s'échappent par la tuyère. La poussée est créée et le statoréacteur gagne en efficacité à mesure que l'avion accélère.

Avantages

• Des performances exceptionnelles à des vitesses supersoniques.

• Léger sans composants rotatifs

• Construction simple par rapport aux autres moteurs à réaction

Inconvénients

• La vitesse initiale nécessaire au fonctionnement doit provenir d'un booster ou d'un autre moteur

• Les vitesses subsoniques deviennent inefficaces

• Conçu uniquement pour une utilisation à grande vitesse

Cas d'utilisation

Le statoréacteur est utilisé dans le missile MBDA Meteor et est conçu pour les avions de recherche à grande vitesse et hypersoniques ainsi que pour les véhicules d'essai.

moteurs-fusées

Les moteurs-fusées sont l'un des systèmes de propulsion les plus puissants. Ils peuvent fonctionner dans l'atmosphère terrestre et dans le vide spatial. De plus, ils disposent d'un réservoir de carburant et d'un réservoir de comburant séparé. Contrairement aux moteurs aérobies, les moteurs-fusées ne dépendent pas de l'oxygène de l'atmosphère pour leur combustion.

Comment ils fonctionnent

Un propergol solide ou liquide, composé de carburant et d'un comburant, est stocké dans une chambre de combustion. Un moteur-fusée brûle ce propergol, ce qui libère des gaz extrêmement chauds et rapides. Les gaz d'échappement se dilatent et sont expulsés par une tuyère. Cette réaction produit un couple puissant et propulse la fusée, conformément à la troisième loi de Newton.

Avantages

• Un opérateur incapable d’opérer dans l’espace ou à des altitudes extrêmement élevées où l’air est présent.

• Couple de sortie extrêmement élevé attendu par rapport aux autres types de propulsion.

• Types de carburant flexibles, propulseur solide, liquide ou hybride.

Inconvénients

• L'efficacité est surpassée par une consommation de carburant élevée.

• Réserve de propergol limitée entraînant une courte durée de fonctionnement.

• En raison des coûts élevés d’exploitation et de fabrication.

Moteurs électriques pour avions

Les moteurs électriques pour avions constituent une technologie de propulsion innovante qui remplace les moteurs à combustion par des moteurs électriques. Ils transforment l'énergie des batteries et des systèmes hybrides électriques en moteurs électriques, qui entraînent les hélices et les soufflantes carénées.

Comment ils fonctionnent

Les moteurs d'avion électriques fonctionnent en stockant l'énergie dans des batteries ou via des systèmes hybrides. L'énergie électrique alimente un moteur électrique, qui à son tour fait tourner un ventilateur ou une hélice pour produire la poussée. Comparée aux moteurs à carburant, cette approche est bien plus efficace au niveau des systèmes mécaniques impliqués. Pour les apprenants, la construction d'un modèle de moteur électrique peut aider à visualiser la conversion de l'énergie des batteries en poussée.

Avantages

• Aucune émission pendant le vol, ce qui entraîne moins de dommages environnementaux.

• Moins de bruit, adapté aux vols courts et urbains.

• Moins d'entretien grâce à la réduction des systèmes mécaniques mobiles, aucune combustion et aucun carburant impliqué.

Inconvénients

• Autonomie moins efficace en raison des limites actuelles de densité énergétique de la batterie.

• Par rapport au ravitaillement, la recharge prend plus de temps.

• Diminution de la capacité limite de carburant lors du transport de batteries plus lourdes.

Exemples

Des systèmes de propulsion électrique sont déjà utilisés, par exemple le Pipistrel Velis Electro, qui est le premier avion électrique certifié au monde, et le prototype Eviation Alice, destiné aux vols régionaux et d'entraînement.

L'avenir des moteurs d'avion

À vrai dire, les objectifs de performance, d'efficacité et de durabilité des moteurs d'avion sont perfectibles. Une option envisageable est la propulsion hybride-électrique, qui associe turbines et moteurs électriques plus simples, réduisant ainsi l'empreinte carbone et les émissions à l'échelle régionale.

Les vols court et moyen-courriers peuvent être ravitaillés sans émission de carbone grâce à des piles à combustible à hydrogène non polluantes. Bien qu'il s'agisse d'une alternative sans émission de carbone, une refonte complète des stations de ravitaillement serait nécessaire. De plus, le SAF est une alternative qui peut être mise en œuvre sans modifier l'infrastructure existante, puisqu'il est compatible avec les moteurs actuels.

Les moteurs brevetés à rotor ouvert et à très haut taux de dilution peuvent déplacer de plus grandes quantités d'air à des vitesses plus basses qu'actuellement et consommeraient moins de carburant. L'intégration de toutes ces technologies permettrait donc à l'industrie du transport aérien d'améliorer considérablement son efficacité.

Conclusion

Très bien ! Il existe des turboréacteurs et des turbosoufflantes, des turbopropulseurs, des turbomoteurs, des statoréacteurs, des superstatoréacteurs, des moteurs à pistons et des moteurs électriques ; chacun a ses propres avantages. En fonction de la mission, qu'il s'agisse d'efficacité, de puissance ou de vitesse, vous pouvez choisir la meilleure option.

L'avenir de l'aviation repose sur de nouvelles technologies telles que les systèmes hybrides électriques, les piles à combustible à hydrogène et de nouveaux designs. Ces innovations transformeront les prochaines générations de vols et la manière de voyager dans les airs. Encore une fois, si vous cherchez un modèle de moteur d'avion, Enginediy est la solution idéale. Bonne chance !