Les aéronefs ont besoin de poussée pour produire une vitesse suffisante pour que les ailes fournissent une portance ou une poussée suffisante pour surmonter le poids de l'aéronef pour un décollage vertical. Pour qu'un avion reste en vol en palier, une poussée doit être fournie égale et dans le sens opposé à la traînée de l'avion. Cette poussée, ou force propulsive, est fournie par un type de moteur thermique d'aéronef adapté. Tous les moteurs thermiques ont en commun la capacité de convertir l'énergie thermique en énergie mécanique par l'écoulement d'une certaine masse fluide (généralement de l'air) à travers le moteur. Dans tous les cas, l'énergie thermique est libérée à un point du cycle où la pression de travail est élevée par rapport à la pression atmosphérique.
La force propulsive est obtenue par le déplacement d'un fluide de travail (encore une fois, l'air atmosphérique). Cet air n'est pas nécessairement le même air utilisé dans le moteur. En déplaçant l'air dans une direction opposée à celle dans laquelle l'avion est propulsé, la poussée peut être développée. C'est une application de la troisième loi du mouvement de Newton. Il stipule que pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Ainsi, lorsque l'air est déplacé vers l'arrière de l'avion, l'avion est déplacé vers l'avant selon ce principe. Une interprétation erronée de ce principe est que l'air pousse contre l'air derrière l'avion, le faisant avancer. Ce n'est pas vrai. Les fusées dans l'espace n'ont pas d'air contre lequel pousser, mais elles peuvent produire une poussée en utilisant la troisième loi de Newton. L'air atmosphérique est le principal fluide utilisé pour la propulsion dans tous les types de groupes motopropulseurs d'aéronefs, à l'exception de la fusée, dans laquelle l'ensemble des gaz de combustion sont accélérés et déplacés. La fusée doit fournir tout le carburant et l'oxygène nécessaires à la combustion et ne dépend pas de l'air atmosphérique. Une fusée transporte son propre oxydant plutôt que d'utiliser l'air ambiant pour la combustion. Il évacue les sous-produits gazeux de la combustion à travers la tuyère d'échappement à une vitesse extrêmement élevée (action) et il est propulsé dans l'autre sens (réaction).
Les hélices des aéronefs propulsées par des moteurs alternatifs ou turbopropulseurs accélèrent une grande masse d'air à une vitesse relativement plus faible en faisant tourner une hélice. La même quantité de poussée peut être générée en accélérant une petite masse d'air à une vitesse très élevée. Le fluide de travail (air) utilisé pour la force propulsive est une quantité d'air différente de celle utilisée dans le moteur pour produire l'énergie mécanique nécessaire pour faire tourner l'hélice.
Les turboréacteurs, les statoréacteurs et les jets à impulsions sont des exemples de moteurs qui accélèrent une plus petite quantité d'air grâce à un changement de vitesse important. Ils utilisent le même fluide de travail pour la force propulsive qui est utilisé dans le moteur. Un problème avec ces types de moteurs est le bruit produit par l'air à grande vitesse sortant du moteur. Le terme turboréacteur était utilisé pour décrire n'importe quel moteur à turbine à gaz, mais avec les différences entre les turbines à gaz utilisées dans les avions, ce terme est utilisé pour décrire un type de turbine à gaz qui fait passer directement tous les gaz à travers le cœur du moteur.
Les turboréacteurs, les statoréacteurs et les jets à impulsions ont très peu ou pas d'utilité dans les avions modernes en raison du bruit et de la consommation de carburant. Les petits avions d'aviation générale utilisent principalement des moteurs à pistons alternatifs opposés horizontalement. Alors que certains aéronefs utilisent encore des moteurs à pistons radiaux alternatifs, leur utilisation est très limitée. De nombreux aéronefs utilisent une forme de moteur à turbine à gaz pour produire de l'énergie pour la poussée. Ces moteurs sont normalement le turbopropulseur, le turbomoteur, le turboréacteur et quelques turboréacteurs. "Turbojet" est l'ancien terme pour tout moteur à turbine. Maintenant qu'il existe tant de types différents de moteurs à turbine, le terme utilisé pour décrire la plupart des moteurs à turbine est "moteur à turbine à gaz". Les quatre moteurs mentionnés précédemment appartiennent à la famille des turbines à gaz.
Tous les moteurs d'avion doivent répondre à certaines exigences générales d'efficacité, d'économie et de fiabilité. En plus d'être économique en consommation de carburant, un moteur d'avion doit être économique en coût d'approvisionnement initial et en coût de maintenance; et il doit répondre à des exigences rigoureuses d'efficacité et de faible rapport poids / puissance. Il doit être capable de produire une puissance élevée soutenue sans sacrifier la fiabilité ; il doit également avoir la durabilité nécessaire pour fonctionner pendant de longues périodes entre les révisions. Il doit être aussi compact que possible tout en étant facile d'accès pour la maintenance. Il doit être aussi exempt de vibrations que possible et être capable de couvrir une large plage de puissance de sortie à différentes vitesses et altitudes.
Ces exigences dictent l'utilisation de systèmes d'allumage qui délivrent l'impulsion d'allumage aux bougies d'allumage au bon moment par tous les temps et dans d'autres conditions défavorables. Les systèmes d'alimentation en carburant du moteur fournissent du carburant dosé à la proportion correcte de carburant/air ingérée par le moteur, quelle que soit l'assiette, l'altitude ou le type de temps dans lequel le moteur fonctionne. Le moteur a besoin d'un type de système d'huile qui fournit de l'huile sous la pression appropriée pour lubrifier et refroidir toutes les pièces de fonctionnement du moteur lorsqu'il est en marche. De plus, il doit disposer d'un système d'unités d'amortissement pour amortir les vibrations du moteur lorsqu'il fonctionne.
Puissance et poids
La sortie utile de tous les groupes motopropulseurs d'aéronefs est la poussée, la force qui propulse l'aéronef. Étant donné que le moteur alternatif est évalué en puissance au frein (bhp), le moteur à turbine à gaz est évalué en puissance de poussée (thp):
- Thp = poussée × vitesse de l'avion (mph) / 375 mile-livres par heure
La valeur de 375 mile-livres par heure est dérivée de la formule de base de la puissance comme suit :
- 1 ch = 33 000 lb-pi par minute
- 33 000 × 60 = 1 980 000 lb-pi par heure
- 1 980 000 / 5 280 pieds dans un mile = 375 mile-livres par heure
Un cheval-vapeur équivaut à 33 000 lb-pi par minute ou 375 milepounds par heure. Dans des conditions statiques, la poussée est considérée comme équivalente à environ 2,6 livres par heure.
Si une turbine à gaz produit 4 000 livres de poussée et que l'avion dans lequel le moteur est installé roule à 500 mph, le thp est : 4 000 × 500 / 375 = 5 333,33 thp
Il est nécessaire de calculer la puissance pour chaque vitesse d'un avion, car la puissance varie avec la vitesse. Par conséquent, il n'est pas pratique d'essayer d'évaluer ou de comparer la puissance d'un moteur à turbine sur la base de la puissance. Le moteur d'avion fonctionne à un pourcentage relativement élevé de sa puissance de sortie maximale tout au long de sa durée de vie. Le moteur de l'avion est à pleine puissance chaque fois qu'un décollage est effectué. Il peut conserver ce pouvoir pendant un certain temps dans les limites fixées par le constructeur. Le moteur est rarement maintenu à une puissance maximale pendant plus de 2 minutes, et généralement pas si longtemps. Quelques secondes après le décollage, la puissance est réduite à une puissance qui est utilisée pour la montée et qui peut être maintenue plus longtemps. Une fois que l'avion est monté à l'altitude de croisière,
Si le poids d'un moteur par puissance au frein (appelée masse spécifique du moteur) est diminué, la charge utile qu'un avion peut transporter et les performances de l'avion sont évidemment augmentées. Chaque livre de poids en excès transportée par un moteur d'avion réduit ses performances. Une amélioration considérable de la réduction du poids du moteur d'avion grâce à une conception et une métallurgie améliorées a abouti à des moteurs alternatifs avec un rapport puissance / poids (poids spécifique) bien amélioré.
L'économie de carburant
Le paramètre de base pour décrire l'économie de carburant des moteurs d'avion est généralement la consommation spécifique de carburant. La consommation spécifique de carburant pour les turbines à gaz est le débit de carburant mesuré en (lb/h) divisé par la poussée (lb), et pour les moteurs à pistons, le débit de carburant (lb/h) divisé par la puissance au frein. Celles-ci sont appelées consommation de carburant spécifique à la poussée et consommation de carburant spécifique au freinage, respectivement. La consommation de carburant spécifique équivalente est utilisée pour le turbopropulseur et correspond au débit de carburant en livres par heure divisé par la puissance équivalente à l'arbre d'un turbopropulseur. Des comparaisons peuvent être faites entre les différents moteurs sur une base de consommation de carburant spécifique. A bas régime, les moteurs alternatifs et turbopropulseurs ont une meilleure économie que les moteurs purs turboréacteurs ou turbosoufflantes. Cependant, à grande vitesse, du fait des pertes de rendement des hélices,
Durabilité et fiabilité
La durabilité et la fiabilité sont généralement considérées comme des facteurs identiques car il est difficile de mentionner l'un sans inclure l'autre. En termes simples, la fiabilité est mesurée comme le temps moyen entre les pannes, tandis que la durabilité est mesurée comme le temps moyen entre les révisions.
Plus précisément, un moteur d'avion est fiable lorsqu'il peut fonctionner aux régimes spécifiés dans des attitudes de vol très variables et dans des conditions météorologiques extrêmes. Les normes de fiabilité du groupe motopropulseur sont convenues par la Federal Aviation Administration (FAA), le constructeur du moteur et le constructeur de la cellule. Le fabricant du moteur garantit la fiabilité du produit par la conception, la recherche et les tests. Un contrôle étroit des procédures de fabrication et d'assemblage est maintenu et chaque moteur est testé avant de quitter l'usine.
La durabilité est la durée de vie du moteur obtenue tout en maintenant la fiabilité souhaitée. Le fait qu'un moteur ait passé avec succès son essai de type ou d'épreuve indique qu'il peut fonctionner normalement pendant une longue période avant de nécessiter une révision. Cependant, aucun intervalle de temps défini entre les révisions n'est spécifié ou implicite dans la puissance nominale du moteur. Le temps entre les révisions (TBO) varie en fonction des conditions de fonctionnement, telles que les températures du moteur, la durée de fonctionnement du moteur à des réglages de puissance élevée et l'entretien reçu. Les TBO recommandés sont spécifiés par le constructeur du moteur.
La fiabilité et la durabilité sont intégrées au moteur par le fabricant, mais la fiabilité continue du moteur est déterminée par le personnel de maintenance, de révision et d'exploitation. Des méthodes d'entretien et de révision minutieuses, des inspections périodiques et avant vol approfondies et le strict respect des limites de fonctionnement établies par le constructeur du moteur font de la panne du moteur un événement rare.
Flexibilité d'exploitation
La flexibilité de fonctionnement est la capacité d'un moteur à fonctionner en douceur et à donner les performances souhaitées à toutes les vitesses, du ralenti à la pleine puissance. Le moteur de l'aéronef doit également fonctionner efficacement à travers toutes les variations des conditions atmosphériques rencontrées lors d'opérations étendues.
Compacité
Pour affecter la rationalisation et l'équilibrage appropriés d'un avion, la forme et la taille du moteur doivent être aussi compactes que possible. Dans les avions monomoteurs, la forme et la taille du moteur affectent également la vue du pilote, ce qui rend un moteur plus petit meilleur de ce point de vue, en plus de réduire la traînée créée par une grande zone frontale.
Les limitations de poids sont naturellement étroitement liées à l'exigence de compacité. Plus un moteur est allongé et étalé, plus il devient difficile de maintenir le poids spécifique dans les limites autorisées.
Sélection du groupe motopropulseur
Le poids spécifique du moteur et la consommation spécifique de carburant ont été discutés dans les paragraphes précédents, mais pour certaines exigences de conception, la sélection finale du groupe motopropulseur peut être basée sur des facteurs autres que ceux qui peuvent être discutés d'un point de vue analytique. Pour cette raison, une discussion générale sur la sélection des groupes motopropulseurs suit.
Pour les aéronefs dont la vitesse de croisière ne dépasse pas 250 mph, le moteur alternatif est le choix habituel du groupe motopropulseur. Lorsque l'économie est requise dans la plage de basse vitesse, le moteur alternatif conventionnel est choisi en raison de son excellent rendement et de son coût relativement faible. Lorsque des performances à haute altitude sont requises, le moteur alternatif turbo-suralimenté peut être choisi car il est capable de maintenir la puissance nominale à une altitude élevée (au-dessus de 30 000 pieds). Les moteurs à turbine à gaz fonctionnent le plus économiquement à haute altitude. Bien que dans la plupart des cas, le moteur à turbine à gaz offre des performances supérieures, le coût des moteurs à turbine à gaz est un facteur limitant. Dans la plage de vitesse de croisière de 180 à 350 mph, le turbopropulseur se comporte très bien. Il développe plus de puissance par livre de poids que le moteur alternatif, permettant ainsi une plus grande charge de carburant ou charge utile pour les moteurs d'une puissance donnée. De 350 mph jusqu'à Mach 0,8 à 0,9, les turbosoufflantes sont généralement utilisées pour les opérations aériennes. Les aéronefs destinés à fonctionner à Mach 1 ou plus sont propulsés par des turboréacteurs purs / des moteurs à postcombustion (augmentés) ou des turbosoufflantes à faible dérivation.
