Motorisation

Un avion à besoin d'un moyen d'une force de traction pour pouvoir décoller mais aussi pour maintenir son vol
et pour cela il a besoin d'un moteur (les planeurs à part)

Ce chapitre sera diviser en plusieurs partie :

• Les moteurs à piston
  
• Les Turboréacteurs
  
• Les Pulsoréacteurs
  
• Les Statoréacteurs
  
• Les moteurs fusée
  

Attention ici nous ne rentrons pas dans les détails de calcul de puissance ou de dimensionnement et certaine approximation seront faites
Sachez toute fois qu'un moteur n'est pas forcément compatible entre deux avions et que l'avionneur (celui qui construit les avions) invente son avion en fonction des moteurs qu'il peut se procurer.

Les moteurs à piston
Un moteur à pistons d'avion fonctionne comme celui d'une voiture automobile : un mélange d'air et de carburant explose dans les cylindres, provoquant le refoulement des pistons et par le truchement des bielles et des arbres d'entraînement, la rotation des hélices.



Au démarrage, il faut entraîner le moteur à l’aide d’un démarreur. L’avion est donc équipé d’une batterie. Une fois le moteur démarré, le circuit de batterie ne sert qu’à l’alimentation électrique des radios de navigation et de communication, feux et autres appareils.

Une fois lancé, le moteur à tjs besoin d’électricité pour assurer le déclenchement des étincelles dans les cylindres. Ce dispositif, appelé allumage, tire son énergie d’une magnéto (il y en a 2, par sécurité), reliée à l’arbre du moteur.

Le circuit d’allumage est doublé, chaque circuit est indépendant de l’autre. Chaque magnéto fournit l’électricité à une seule bougie par cylindre, il y a donc deux bougies par cylindre. Ce système doublé permet d’améliorer la sécurité et la combustion du mélange.

La magnéto est un organe autonome entraîné par le moteur. Ne jamais manipuler l’hélice si les magnétos ne sont pas désactivées.

Un alternateur est également entraîné par la rotation du moteur et alimente la batterie et tous les systèmes électriques de l’avion.

On appelle un moteur 4 temps, tout moteur à piston suivant ces 4 phases (temps)

–          Phase d’admission
–          Phase de compression
–          Phase de combustion
–          Phase d’échappement

L’alimentation des moteurs à explosion en carburant se fait par la carburation (ou l’injection, qui envoie du carburant sous pression : pas de givrage et alimentation dans toutes les positions).
Le carburateur permet de réaliser un mélange entre l’air et le carburant vaporisé et à le diriger vers les pipes d’admission des cylindres.

Le flotteur et le pointeau maintiennent un débit correct de carburant.

La puissance du moteur dépend du volume de mélange air-carburant aspiré. On peut modifier ce volume et donc la puissance du moteur en changeant la position du « papillon des gaz»  grâce à la manette de gaz (commande noire).
Le mélange idéal est de 1 gramme d’essence pour 15 gramme d’air (1/15). La densité de l’air variant avec la température et l’altitude, on peut régler sur la plupart des moteurs les proportions air/essence, grâce à la commande de richesse (commande rouge) (autres appellations : correcteur altimétrique, mixture ou commande de mélange).
     - Un mélange trop riche : surconsommation, empêche le moteur d’atteindre sa température normale de fonctionnement.
     - Un mélange trop pauvre : risque d’extinction du moteur et échauffement du moteur.

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Parmi les moteurs à pistons en aviation, on distingue :

1. Les moteurs en ligne :
   
2. Les moteurs en étoile :
   
3. Les moteurs à plat :
   

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   1) Les moteurs en ligne :
   

Les moteurs en ligne équipent la plus part des voitures automobiles.

On distingue des variantes :

Toutefois, le moteur en ligne droite a disparu en aviation vers 1930 pour faire place au moteur en ligne inversé. Cette disposition à l'avantage d'améliorer la visibilité du pilote vers l'avant car les moteurs droits devaient être disposés suffisamment hauts pour que l'hélice placée en bas ne touche pas le sol.
En effet, il est nécessaire de ménager un certain espace entre le sol et l'extrémité des pales de l'hélice pour éviter que celle-ci ne touche le sol quand l'avion est en ligne de vol. Cet espace s'appelle la garde de l'hélice.
De plus, si l'hélice passe trop près du sol, elle peut aussi par son souffle soulever des gravillons qui la détérioreraient.

Ainsi, avec le moteur inversé, le moyeu de l'hélice se trouve à la partie supérieure du nez du fuselage.
De même qu'il existe aussi des moteurs en V inversé.

Les moteurs en ligne, autrefois refroidis par eau, sont presque tous, aujourd'hui, à refroidissement à air comme pratiquement tous les autres types de moteurs.





   2) Les moteurs en étoile :


Le moteur en étoile se distingue des moteurs à plat ou en ligne par la disposition régulière des cylindres autour de l'axe de l'hélice.
L'avantage de cette disposition réside dans l'adoption d'un vilebrequin très court, qui ne comporte qu'un seul maneton sur lequel vient se connecter la bielle maîtresse. C'est sur cette bielle maîtresse que se connectent les deux quatre, six, etc... bielles dites secondaires.

Dans l'architecture en étoile, le nombre de cylindres est obligatoirement impair, et ce pour des raisons d'équilibrage, de régularité cyclique et de fonctionnement de l'ensemble mobile. On trouve donc des moteurs à 3, 5, 7 et 9 cylindres en étoile.
 Parfois, sur des moteurs de forte ou de très forte puissance, la configuration est en double, triple voire quadruple étoile. Dans ce cas, plusieurs rangées de cylindres sont placées en arrière de la première, chacune étant légèrement décalée par rapport à la précédente. Ce décalage facilite alors le refroidissement.


Le moteur en étoile donc peut être :
   - A simple étoile : 7 ou 9 cylindres.
   - A double étoile : l'une derrière l'autre, 14 ou 18 cylindres.
   - A quatre étoiles : 7 cylindres chacune.

Un moteur en étoile est plus simple, plus léger et moins coûteux que des moteurs en ligne ou en V.
Un autre de ses avantages réside dans la facilité de refroidissement par air des cylindres qui, par leur disposition, se trouvent tous face au vent relatif et au souffle de l'hélice. Toutefois, la surface frontale est relativement importante et porte préjudice à l'aérodynamique de l'avion, car elle augmente la surface du maître-couple.

De ce fait, le moteur en étoile est refroidi par air, chaque cylindre étant entouré d'ailettes de refroidissement. Le moteur en étoile est alors doté qu'un capot circulaire.
La distribution électrique et l'allumage des bougies se fait de façon classique à l'aide de magnétos placées à l'instar du carburateur sur la face arrière du moteur.
Les soupapes sont actionnées par l'intermédiaire de culbuteurs, eux-mêmes mus par des tiges de culbuteur qui sont entraînées par une came, de forme sensiblement circulaire, solidaire du vilebrequin.

   A noter que la grande majorité des moteurs en étoile utilisés dans l'aviation sont des moteurs à cycle à quatre temps.
De plus, au début de l'aviation, en particulier au cours de la période 1914-1918, les motoristes ont développé des moteurs en étoile rotatifs.
Sur ces moteurs rotatifs, le vilebrequin reste fixe et c'est l'ensemble du carter, cylindres et hélice, qui tourne autour de l'axe moteur. Cette configuration spéciale qui présentait certains avantages, dont un meilleur refroidissement ainsi qu'une grande régularité de fonctionnement, générait en revanche un couple gyroscopique dangereux. Ils étaient aussi délicats à mettre au point et consommaient énormément d'huile. C'est pourquoi, ils ont vite été abandonnés au profit de la configuration sans rotation de l'ensemble.





   3) Les moteurs à plat :


Le moteur à plat "Flat" est le plus récent (BMW, Potez, Continental, Lycoming).

On distingue :
   - Le Flat-Twin :
Le Flat-Twin comprend deux cylindres opposés par la base mais il n'est pratiquement pas utilisé en aviation.

   - Le Flat-Four :
Le Flat-Four comprend 4 cylindres opposés 2 à 2.

   - Le Flat-Six :
Le Flat-Six comprend 6 cylindres .

Le moteur à plat est refroidi en principe par air.
La puissance du moteur à plat peut varier de 30 à 350 CV.

A noter : les turbines des Jumo 004 et BMW 003 était équiper d'un Flat-Twin pour le démarrage de la turbine

Les Moteurs à réaction
on trouve 2 types de Moteurs à réaction :

• Les Turboréacteurs ou Réacteurs
  
• Les Turbopropulseurs
  

Les Turboréacteurs ou Réacteurs
Le réacteur fait entrer l'air via un ou plusieurs compresseurs qui augmentent sa pression avant de l'envoyer dans la chambre de combustion. Il est alors mélangé avec le carburant vaporisé et le mélange est brûlé, ce qui produit alors des gaz en expansion. A la sortie de la chambre de combustion, ces gaz passent par une ou plusieurs turbines qui actionnent elles-mêmes les compresseurs primaires. Puis ils sont naturellement éjectés par la tuyère, la détente ainsi produite créant une poussée qui propulse l'avion. C'est la raison pour laquelle on parle alors de poussée et non de puissance sur les avions à réaction. Néanmoins, au démarrage, le ou les compresseurs doivent être mis en route à l'aide d'une source d'énergie extérieure. Le combustible est ensuite enflammé par une bougie à étincelles, qui n'est plus utile une fois la combustion établie.

Il n'y a plus de mouvement alternatif mais un mouvement rotatif. Il n'y a plus de pistons mais une turbine.
En effet, en application du principe de Newton, toute action produit une réaction égale et de sens contraire. Ainsi l'éjection des gaz vers l'arrière du réacteur, projette, par réaction, l'avion vers l'avant.

Cette réaction se produit aussi bien dans le vide que dans l'air.

Ainsi, un réacteur (GTR) est essentiellement un tube avec un axe central garni d'ailettes formants plusieurs ventilateurs dits étages.
L'air, entrant par l'avant et comprimé dans les divers étages du compresseur, passe ensuite dans la chambre de combustion où le carburant enflammé porte cet air comprimé à haute température (2 000°).
Les gaz dilatés sont éjectés à grande vitesse par la tuyère de sortie en faisant tourner au passage la turbine qui, accouplée au compresseur, assure la rotation de celui-ci.

Au départ, la rotation initiale du compresseur est assurée par un démarreur électrique.
Le carburant utilisé pour le réacteur est du kérosène (pétrole lampant).

Sur un GTR, on trouve au niveau :

   - De la température :
Une diminution de la poussée de 0,5% par degré d'élévation.

   - Du contrôle du fonctionnement :
Pour le contrôle du fonctionnement, on trouve : les températures et les pressions aux différentes sections, l'indicateur de vibrations avec la poussée contrôlée par le nombre de tours N.

   - Des commandes :
On trouve la manette de poussée qui modifie le débit de carburant ce qui entraîne une variation de pression et de température.

   - De la poussée :
La poussée T est exprimée en daN. Elle est le produit de la masse d'air par son accélération :

   - De la consommation spécifique :
La consommation spécifique Cs est le rapport entre la consommation horaire et la poussée :



Les Turbopropulseurs
La turbopropulsion repose exactement sur le même principe que le réacteur, jusqu'à l'éjection des gaz. La turbine qui récupère ceux-ci après la combustion fait tourner une hélice grâce à l'énergie de propulsion créée par la détente. Comme avec certains moteurs à pistons dont le régime est trop important pour le nombre de tours hélices maximal, un réducteur permet d'éviter le passage des extrémités de pales en supersonique. L'intérêt de ce procédé est par ailleurs de pouvoir optimiser les phases du vol en agissant sur la configuration de l'hélice, plein petit pas pas pour les phases de décollage et d'atterrissage, grand pas pour la croisière.

Dans ce cas, il s'agit de turbines à hélices (GTP) .
Sur un GTP, on distingue au niveau :

   - Des commandes :
On trouve le débit de carburant et le nombre de tours avec deux possibilités : régulation tachymétrique du pas ou du carburant.

   - Du contrôle :
On trouve les températures et les pressions aux différents points du GTP, la vitesse de rotation de la turbine et du compresseur, l'indicateur de vibrations.

   - De la butée petit pas sol :
la butée petit pas sol est utilisée pour la mise en route ainsi que pour une action de freinage.

   - De l'influence de la température :
Une élévation de 1° donne une baisse de puissance de 1% avec une augmentation de 0,3% de la consommation.

Les Pulsoréacteurs
Le pulsoréacteur est doté de clapets à l'avant de la chambre de combustion. Ceux-ci sont naturellement en position fermée, maintenus par des ressorts. Ils ne s'ouvriront donc que lorsque la vitesse sera élevée, d'où la nécessité d'utiliser de longues rampes de lancement, de puissantes catapultes ou un avion largeur.

Une fois lancé, le pulsoréacteur est un moteur à 3 temps :

   - L'admission d'air par les clapets jusqu'au mélange idéal :
Le mélange idéal est constitué par 86% d'air et 14% de carburant amené par une pompe.

   - L'explosion dans la chambre de combustion :
L'éclateur est une bougie qui fonctionne en permanence . Elle est alimentée par une batterie.

   - L'éjection des gaz vers l'arrière du propulseur :
L'éjection fait avancer l'engin équipé du pulsoréacteur par réaction.

Alors, la chambre de combustion se vide, et les clapets peuvent s'ouvrir à nouveau sous l'action de la pression dynamique de l'air. L'air pénètre, le cycle recommence.
La combustion est donc intermittente.

Le pulsoréacteur porte donc à l'entrée des volets, genre stores vénitiens, qui, battant rapidement, créent un écoulement pulsatoire discontinu.
d'où un bruit typique lors de son activation

Les Statoréacteurs
Un statoréacteur est similaire à un réacteur mais il n'y a plus aucune pièce mobile, juste une simple tuyère ouverte aux deux extrémités.
Toutefois, comme la compression de l'air est obtenue par la vitesse de l'avion, le statoréacteur doit donc être lancé, par exemple, d'un avion déjà en vol.



c'est grâce à l'évolution du statoréacteur que naquit la "post-combustion" qui est une de ses application. Une mise à feu des gaz incomplètement brûlés sortant du réacteur, pour en augmenter la puissance.

Les moteurs fusée
La fusée est fermée à l'avant.

Dans ce cas l'admission d'air est inutile car, en plus de son carburant, elle emporte son propre comburant.
Souvent son "carburant" est du propergol liquide ou solide qui est un mélange d'oxygène et d'hydrogène

Propergol solide

utilisé dans les propulseurs d'aide au décolage

Propergol liquide

utilisé pour le moteur du Me 163 Komet