Je viens de passer de Mint 21.1 à Mint 22.3 (supporté jusqu’en 2029).

L’ancienne version fonctionnait, mais quelques bugs commençaient à me saouler, en particulier avec Firefox. C’était une installation que j’avais quand-même depuis 3-4 ans.

C’est dire la stabilité du truc : on peut bosser dessus pendant des années, le système ne te lâchera pas. Les mises à jour se font, et les seules choses qui lâchent, c’est comme sur un téléphone : ces applications/logiciels qui finissent par ne pas se comprendre avec l’OS, les versions de logiciels qui commencent à ne plus être supportés (PHP7.3 devient 8.4 par exemple, ou encore Virtual Box qui merdait)

M’enfin, là je suis de nouveau tranquille pour 3 ans.

Je referais ma checklist bientôt, car elle me sert toujours. En fait, je la suis moi-même à chaque version, et je consignece qui change : https://lehollandaisvolant.net/linux/checklist/

La nouvelle version installée, Firefox était complètement planté. J’ai dû repartir sur une installation fraîche. Et même si j’ai mis toute la soirée à tout remettre comme c’était (j’ai pas encore tout à fait fini), c’est quand-même nettement plus rapide. Ça a parfois du bon de tout balancer et de recommencer de zéro.

Faudrait que je fasse une checklist Firefox d’ailleurs. Entre les add-ons à ajouter et tous les about:config à modifier, les onglets à rouvrir, les options à remettre, les icônes des add-ons est des favs à remettre, ça fait beaucoup de choses à faire.

— (permalink)

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Parmi les avions, on trouve ceux à hélices et ceux à réacteurs. On peut ainsi opposer le petit Cessna 172, à un Airbus A320.

Parallèlement, on trouve aussi des avions plus petits qu’un Airbus avec des réacteurs : citons simplement les avions de chasse, ou des avions beaucoup plus gros avec des hélices, notamment le Lockheed C-130 Hercules, un avion de transport miliaire américain, très connu (ou encore les Canadairs CL-415, bien connus).

Dans l’ensemble, on pourrait croire que les hélices appartiennent au passé, et que les turboréacteurs sont ce qui se fait de façon contemporaine. Pourtant, Airbus a sorti l’A400M Atlas en 2013… avec des hélices !

Peut-être est-ce la vitesse ? Dans ce cas, voici le projet d’un nouveau moteur d’avion de ligne qui voleront à la même vitesse qu’actuellement :

Cela ressemble bien à des hélices ! Clairement, donc, les hélices ne sont pas si dépassées que ça, ni réservées aux petits avions, ni aux faibles vitesses.

L’ensemble des raisons qui font qu’on trouve des avions avec différentes techniques de propulsion peut-être retracé à l’histoire de l’aviation dans son ensemble, ainsi qu’aux besoins et contraintes techniques du moment. Tout ce qui fait, donc, qu’on ne peut pas mettre, et qu’on ne met pas, un moteur de Cessna plus gros sur un Airbus.

Moteur VS turboréacteur

Un des points clés réside dans le système moteur plus que dans l’hélice elle-même. Une hélice de Cessna 172 n’est pas entrainée de la même façon qu’une hélice de Canadair CL-415 : sous le capot, ce n’est pas du tout la même chose !

Des limites des moteurs à hélices

Le petit Cessna mentionné plus haut utilise, comme les premiers avions remontant jusqu’à la première guerre mondiale, un moteur à pistons, pas très différent de celui des moteurs de voiture, dans le fonctionnement.

L’histoire a fait que, pour des besoins militaires, les avions avaient besoin de plus en plus de puissance, et donc des moteurs de plus en plus gros. Ces moteurs ayant beaucoup de pièces mobiles lourdes en rotation. Il se posait un important problème de couple moteur : le moteur tournant dans un sens, c’est tout l’avion qui se met à vriller dans l’autre sens. À partir d’un certain niveau, cela devenait ingérable. L’efficience, les vibrations, le bruit, l’échauffement étaient aussi des problèmes limitant la progression de cette technologie.

Enfin, l’on avait également atteint des limites des hélices.  : si l’avion vole vite, l’air arrive à haute vitesse, et l’hélice doit l’accélérer encore plus. Faire tourner l’hélice plus vite n’est pas possible indéfiniment : la pointe de l’hélice traverse alors l’air à des vitesses se rapprochant de la vitesse du son, provoquant d’importants problèmes aérodynamiques. Réduire la taille des hélices pouvait se faire, mais au détriment de la poussée. Dans l’ensemble, cette technologie était limitée à des vitesses d’environ 500 km/h.

La solution est venue juste avant la seconde guerre mondiale. En 1939 les Allemands mirent au point le Heinkel He 178 : c’était le premier avion avec un turboréacteur. Il n’entra pas en service, mais le concept fut gardé : le premier avion opérationnel était le Messerschmitt Me-262, allemand également, en 1944.

Une nouvelle méthode de propulsion : le turboréacteur

Le turboréacteur n’utilise plus des pistons, mais une turbine à gaz. L’air entre dans le réacteur de forme tubulaire, passe par un compresseur, puis dans la chambre de combustion où il est mélangé à du carburant, s’enflamme, se détend, et le gaz chaud ainsi produit est éjecté à grande vitesse par l’arrière via une tuyère, formant une poussée. Tout cela a lieu linéairement et en flux continu, le long du réacteur.

Juste avant de sortir, le gaz entraîne une turbine placée sur le même axe que le compresseur situé en amont : le compresseur comprime le gaz, fait tourner la turbine, et la turbine entraîne le compresseur en retour.

On tire alors un travail mécanique à la fois par la poussée des gaz d’échappement et par le biais de la turbine. Cette dernière est là pour entraîner le compresseur destiné à aspirer de l’air dans le réacteur de façon à le faire fonctionner de façon entretenue. Une partie de l’énergie de la turbine est également déviée pour alimenter les autres systèmes électriques, hydrauliques et même la pressurisation de l’avion.

Ceci est un réacteur à turbines, et donc un turbo-réacteur.

De façon intéressante, si la poussée produite par les gaz d’échappement ne nous intéresse pas, et que l’on veut seulement obtenir un couple moteur via la turbine, il suffit de relier l’axe de la turbine à un arbre de transmission dirigée vers une autre machine motrice. Les gaz d’échappements, ne sont plus dirigés dans une tuyère pour produire de la poussée, mais simplement rejetés.

On a ainsi formé un moteur à turbine, donc un turbo-moteur.

Ce moteur peut-être utilisé n’importe où :

• sur des chars, comme le M1 Abrams américain
• sur des hélicoptères, où le turbomoteur entraîne le rotor principal et le rotor anti-couple de façon synchrone
• sur des « voitures », comme le Thrust SSC) ;
• sur des trains à turbines
• …

Lorsque les gaz ne sont pas issus d’une combustion, mais arrivent déjà pressurisés et servent juste à produire la rotation, on a un générateur à turbine, utilisées par exemple pour produire de l’électricité dans toutes les centrales thermiques à gaz, à charbon, ou à énergie nucléaire.

Dans un avion avec l’objectif premier de produire une poussée, les turboréacteurs fonctionnent très bien : la poussée est obtenue grâce à la dilatation des gaz, et non plus avec des hélices comme avant. La taille des hélices n’est donc plus un problème et l’on peut drastiquement augmenter la vitesse des avions. La fin de la seconde guerre mondiale marqua donc le début de l’ère des avions à réaction, militaires d’abord, mais aussi civils dès 1950. Ces avions volaient plus vite, plus longtemps… au prix toutefois d’une consommation en carburant largement plus important et une pollution sonore également augmentée.

Les avions sans grand besoin de puissance ou de vitesse (le petit Cessna) continuent d’utiliser un moteur normal à piston. Mais les autres vont préférer utiliser une turbine à gaz :

• soit en l’utilisant directement comme turboréacteur (avions de chasse, avions de ligne)
• soit en l’utilisant comme turbo-moteur (avec une hélice, donc : c’est le cas du fameux Canadair CL-415, ou du C-130 Hercules américain)

Le choc pétrolier

Dans les années 1970, les deux chocs pétroliers successifs (en 1973 et 1979) ont poussé les constructeurs d’avions et de moteurs d’avions à rendre leurs machines beaucoup plus économes en carburant ; essentiellement pour une question de coûts. Encore aujourd’hui, le prix du carburant est le principal poste de dépense des opérateurs d’avions, et même une réduction de « seulement » 5 % de ces coûts constitue un avantage important sur la concurrence. Depuis les années 1990, l’aspect environnemental lié aux émissions de gaz à effets de serre est une motivation supplémentaire.

Apparition des turbo-moteurs à double flux à fort taux de dilution

Pas de panique, je vais tout expliquer.

Jusqu’alors, dans un moteur à réaction, la poussée est produite par les gaz d’échappement. L’idée est d’expulser des gaz à de très fortes vitesses, pour obtenir une poussée la plus importante possible par l’effet d’action-réaction, ou troisième loi de Newton.

Le principe de la poussée aérodynamique, dont je vous épargne l’équation, nous dit que pour obtenir plus de poussée, il faut :

• soit augmenter le débit d’air, donc propulser plus d’air ;
• soit augmenter la vitesse de sortie de cet air.

La première solution est plus avantageuse que la seconde. En effet, dans la seconde solution, on veut augmenter la vitesse des gaz, et pour cela on doit fournir à ce gaz plus d’énergie cinétique. Or, l’énergie cinétique est donnée par :

$$ E_c = \frac{1}{2} ⋅ m_g ⋅ v_g^2$$

Où :

• E_c : énergie cinétique des gaz expulsé ;
• m_g : masse des gaz expulsés ;
• v_g : vitesse des gaz expulsés.

Ce que cela dit, c’est que si l’on multiplie la vitesse des gaz par deux, alors l’énergie requise — et donc le carburant nécessaire — est multipliée par 2², soit 4 ! Ce n’est donc pas du tout ce que l’on veut.

Il faut donc se rabattre sur la première solution : augmenter le débit de gaz propulsé. Or, il n’est absolument pas exigé que ce soient des gaz d’échappement : on peut — et on va — propulser de l’air ambiant, en plus des gaz d’échappement.
Pour cela, plutôt que de tout faire passer dans le moteur et la chambre de combustion on fait passer une partie de l’air autour du réacteur :

Ici, seule la partie centrale passe dans la chambre de combustion, brûle, et propulse l’avion par son expansion thermique : c’est le flux primaire, ou flux chaud.

La partie extérieure de l’air n’est pas chauffée par la combustion. Il est juste « ventilé » par la soufflante, le gros rotor visible depuis l’avant d’un réacteur d’avion. La soufflante est entraînée par l’arbre mis en rotation par la turbine à l’arrière du réacteur, et aspire l’air dans le réacteur. Une partie de cet air constitue le flux secondaire.

On a donc deux flux, d’où le nom de réacteur à double flux.

Le fait pas forcément intuitif, c’est que ce flux secondaire représente la majeure partie de l’air ventilé : de l’ordre de 80 à 90 % ! Ce système permet d’accélérer une masse d’air beaucoup plus importante, mais moins vite. Exactement ce que l’on souhaite.
La conséquence bien pratique est que l’on produit une poussée identique avec beaucoup moins de carburant. Ce flux froid, enfin, contribue pour environ 90 % de la poussée au décollage, et environ 50 % en vol en phase de croisière.

Le rapport de la quantité d’air passant dans le flux froid sur la quantité passant dans le flux chaud constitue le taux de dilution. Un taux de dilution de 1 signifie que l’on a 50 % de l’air qui va dans le flux froid, et 50 % dans le flux chaud. Dans le cas des avions de ligne où 90 % de l’air passe dans le flux froid, on a un taux de dilution de 9 : neuf fois plus d’air passe dans le flux froid que dans le flux chaud.

Ceci explique que ces turboréacteurs portent le nom de réacteurs à double flux à fort taux de dilution.

Cas des avions de chasse

Les avions de chasse sont soumis à des contraintes techniques (vitesse, poids, poussée…) plus qu’à des contraintes économiques. Il en résulte que leurs moteurs utilisent principalement le flux chaud pour se propulser. On est en effet obligé de maintenir une vitesse d’expulsion élevée, car l’admission se fait également à haute vitesse, à cause de la vitesse de l’avion lui-même.

Dans certains cas, on peut injecter du carburant juste avant la tuyère, et après la turbine : c’est la post-combustion (ou afterburn, en anglais), capable de produire une poussée supplémentaire : ces gaz sont là pour produire de la poussée brute, vu qu’ils n’entraînent pas de turbine. La post-combustion n’est toutefois pas quelque chose que les avions de chasse peuvent utiliser tout le temps, car cela consommerait tout le carburant en quelques dizaines de minutes.

Les réacteurs des chasseurs sont des réacteurs à double flux à faible taux de dilution : la fraction de l’air passant dans le flux froid ne représente guère plus de 25 % de l’air total, soit un taux de 0,3. C’est le cas du Dassault Rafale, par exemple, qui a un taux de dilution situé autour de 0,3.

Si l’on revient aux avions de ligne : vu que leurs réacteurs à fort taux de dilution sont essentiellement des pales entourées par une nacelle et entraînées par une turbine, on les appelle aussi des réacteurs turbofan (de l’anglais), les différenciant des turbojet (ou turboréacteurs, sans flux secondaire).

Les limites de l’amélioration des turbofan

Les lois de la mécanique des fluides nous disent donc qu’il est plus efficient d’augmenter la masse d’air accélérée que d’augmenter la vitesse d’éjection des gaz. Un turbofan plus efficient est donc un turbofan plus gros avec un taux de dilution le plus important possible.

Cela explique que les réacteurs d’avions sont de plus en plus gros aujourd’hui. Ce n’est donc pas que les avions consomment plus que l’on met des moteurs toujours plus gros, mais au contraire pour qu’ils consomment moins.
Les avions, comme les gros navires portes-conteneur, sont plus efficients quand ils sont gros.

Cette augmentation des dimensions n’est pas sans de nouveaux problèmes toutefois : si les réacteurs sont plus gros, ils peinent à tenir directement sous les ailes, notamment des avions plus anciens que l’on souhaite rétrofiter avec un moteur récent.
Les constructeurs les avancent donc devant l’aile, ne pouvant les mettre réellement dessous :

D’autres adoptent une nacelle « écrasée » non-circulaire, comme le très reconnaissable CFM56-3 sur le Boeing 737-400. Le Boeing 737 est un avion plutôt ancien et très bas, mais que l’on équipe désormais tout de même de réacteurs récents, moyennant des modifications, donc.

Parmi les autres problèmes de moteurs toujours plus gros figurent : une garde au sol réduit, et donc un risque plus important d’aspirer des débris, une traînée aérodynamique accrue ou encore plus de contraintes sur les pièces tournantes : des aubes plus longues, même en tournant moins vite, voient leur extrémité se rapprocher du régime supersonique, ce qui doit être évité à tout prix.

Mais le principal problème d’un moteur plus gros, c’est son poids. Avec des moteurs plus gros, ce sont toutes les pièces qui pèsent plus lourd : des aubes, à l’arbre, à la nacelle, mais donc aussi la structure de l’aile, de l’avion en entier jusqu’au train d’atterrissage et le système de freinage. Et si tout ceci est plus gros, lourd et robuste, on perd l’avantage du moteur plus gros. C’est un exemple de cas où l’amélioration d’un composant unique n’est pas intéressant dans le contexte de l’avion complet.

Les compagnies aériennes, qui choisissent les moteurs à mettre sur leurs avions, préfèrent donc parfois rester un moteur éprouvé, plus ancien, et qu’ils connaissent, au lieu de sauter sur un moteur tout neuf qu’ils doivent apprendre à connaître, pour un gain très faible, voire nul.

Le retour des hélices ?

Pour améliorer l’efficience des turbofan, on augmente depuis quelque temps la taille des réacteurs, taille dont on commence à voir les limites.

Ceci nous amène à une idée : si l’on détourne le flux d’air pour essentiellement ventiler de l’air avec une soufflante, ne retrouve-t-on pas le principe d’une hélice ? Pourquoi ne pas garder que l’hélice, et se débarrasser du carénage ?

Ça peut semble étrange, mais c’est pourtant bien ce vers quoi l’avenir semble se tourner. Des pistes très sérieuses s’engagent sur cette voie : certains designs suppriment totalement le carénage. On se retrouve donc toujours avec un turboréacteur, mais entraînant… une hélice !

Ou presque. L’idée d’une hélice à deux, trois ou quatre pales quasiment rectiligne reste lointaine. Ceux-là ne sont pas adaptés pour les avions de ligne, et sont réservés pour des avions plus lents (Hercules, Canadairs…)

Les nouvelles hélices de turbofan sans carène se retrouvent avec une série d’aubes dont leur nombre, leur forme et leur fonction est intermédiaire entre l’hélice classique et une soufflante carénée, de façon à maintenir les avantages de la turbine carénée… sans le carénage, lourd et contraignant.

C’est le cas par exemple du design du projet RISE de CFM International, déjà mentionné plus haut :

Ceci permet d’augmenter le taux de dilution à des valeurs allant de 20 à 50, afin de réduire la consommation tout en maintenant les performances d’un turbofan en termes de vitesse de vol et de poussée nécessaire au marché actuel.

Les astuces mises en œuvres sont notamment une forme spiralée avec une extrémité largement effilée vers l’arrière, un angle d’attaque variant avec la distance au centre, et un diamètre relativement contenu, toujours pour éviter que l’extrémité passe à des vitesses supersoniques.

Les défis qui se posent alors sont liés au bruit, à l’aérodynamique (l’absence du carénage nécessite d’autres solutions pour protéger les extrémités des effets proches supersonique), mais aussi à la protection physique apportée par un carénage : dans le cas où un problème moteur engendrerait la perte d’une aube, par exemple : notamment à basse altitude avec la présence d’oiseaux, qui sont un risque réel pour tous les avions.

Ces designs-là, que l’on verra peut-être dans les décennies à venir, s’appellent des soufflantes non carénées, ou unducted fan (ou encore open rotor), et pourraient devenir le « standard » de demain.

Conclusion

L’histoire de la propulsion avionique est assez complète et passionnante. L’évolution des méthodes employées provient des défis et limites rencontrées au fil du temps.

Les hélices simples entraînées par des moteurs à piston ont rapidement montré leur limites. L’invention des turbo-réacteurs — à flux unique, au départ — ont permis de lever ces limites, au prix d’une très faible efficience.
Les turbofan (de plus en plus gros) sont bien plus efficients, et conservent l’avantage des turbo-réacteurs en matière de vitesse de vol et de production de poussée. Aujourd’hui, la recherche d’une efficience encore meilleure s’approche à nouveau à des limites : des moteurs toujours plus gros, ça fonctionne, mais de moins en moins.

L’on souhaite évidemment conserver les avantages des turboréacteurs (vitesse et puissance), mais on semble arriver à des turboréacteurs munis de soufflantes non carénées, donc comme une hélice. Bien-sûr, la forme des hélices est plus moderne que celles des premières hélices : l’on conserve les acquis obtenus dans les modèles de réacteurs de type turbofan.

Bien-sûr, dans des cas spécifiques, on reste sur certains types de moteurs :

• les petits avions restent avec les moteurs classiques à piston et des hélices
• les avions plus gros mais sans besoin de vitesse utilisent des turbomoteurs avec des hélices
• les avions de chasse utilisent des turboréacteurs à faible taux de dilution et très forte puissance (et très forte consommation en carburant).

Notons enfin un autre fait intéressant : les avions de ligne à réaction des années 1970 étaient plus rapides que les avions de ligne actuels ! Cela peut semble contre-intuitif, mais c’est pourtant le cas. Et pour cause : réduire la durée du trajet n’est plus aussi important qu’il l’était.

En 1970, le vol était du temps de perdu lors d’un voyage. Aujourd’hui, depuis son siège d’avion, on peut se divertir avec tout le catalogue audiovisuel mondial ou travailler sur son ordinateur, et même être connecté à Internet. Un voyage en avion n’est donc plus un temps perdu, mais peut être rentabilisé. À partir de ce constat, réduire les durées de vol n’est plus autant une priorité que ne l’est une empreinte carbone réduite et un billet moins cher.

Le Concorde faisait office d’une exception, évidement, mais le projet, née avant cette prise de conscience, a fini par mourir exactement pour ces raisons (l’accident du vol 4590 — l’unique accident mortel du Concorde — n’a toujours été que le clou dans le cercueil du projet). Même si certains voudraient reconstruire un projet supersonique similaire, il semble que ça ne soit que des projets de démonstration technique ou pour une clientèle d’ultra-niche, plus que pour un marché grand-public, pour lequel ce besoin n’existera probablement (plus) jamais.

Liens & références

• Turbine à gaz — Wikipédia ;
• Turbopropulseur — Wikipédia ;
• Turboréacteur — Wikipédia ;
• Turboréacteur à double flux — Wikipédia ;
• This is Why Some Aircraft Use Propellers and Others Fans – Youtube ;
• Why THIS Problem Is Holding Aviation BACK! — Youtube.

image d’en-tête de European Commission DG ECHO

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