Science & Vie N°866, Novembre 89, page 94
Américains, Soviétiques, Japonais, Britanniques et Français ont tous dans leurs cartons un projet d'avion supersonique de deuxième génération, celui qui doit remplacer et faire mieux que le Concorde. Cependant la pièce maîtresse de cet appareil, et la clé de son succès, c'est le moteur. Or, jusqu'ici, on ne savait pas grand-chose de ce moteur, sinon qu'il serait vraisemblablement « à cycle variable ». Aujourd'hui, en France, on en a une idée beaucoup plus précise.
par Serge BROSSELIN
Lorsque, au mois de mars dernier (1), nous avons révélé les grandes lignes de l'ATSF (avion de transport supersonique futur) étudié par les ingénieurs d'Aérospatiale pour succéder au Concorde, nous précisions que, si l'élaboration de la cellule était très avancée, les moteurs, eux, étaient encore « dans les limbes ». En fait, on ne savait pas si l'on utiliserait un réacteur double-flux ou un moteur à cycle VARIABLE. La Société nationale d'études et de construction de moteurs d'avions (SNECMA), après s'être penchée sur la première de ces deux solutions et avoir présenté un projet fort séduisant, le M-6743, avait plus ou moins délaissé le double-flux pour se tourner vers le cycle variable, formule à laquelle commençaient à s'intéresser les grands motoristes mondiaux.
Aujourd'hui, la situation s'est clarifiée. D'une part, il est à peu près certain que les supersoniques de seconde génération - donc l'ATSF - seront équipés de moteurs à cycle variable. D'autre part, deux ingénieurs de la SNECMA viennent de concevoir un moteur de ce type, qui, bien que susceptible d'améliorations, constitue d'ores et déjà une solide base de travail.
Avant de nous livrer à un examen détaillé de ce nouveau propulseur, voyons de quoi l'on est parti et quels itinéraires obligés on a du emprunter. Le point de départ, bien entendu, c'est le Concorde, auquel on ambitionne de donner un successeur plus performant. Or, si l'on analyse les causes de l'échec commercial du supersonique franco-britannique (lequel est équipé de quatre réacteurs Olympus simple flux), on en distingue quatre principales :
Tirant les leçons de ce quadruple constat, tous les constructeurs qui s'intéressent au supersonique de l'an 2000 en ont dressé une sorte de portrait robot répondant aux caractéristiques suivantes : l'appareil devra être capable d'emporter environ 250 passagers et de franchir sans escale des étapes de 12000km (tout en conservant une réserve de carburant pour un éventuel déroutement). Sa consommation ne devra pas dépasser 5,7kg/passager/100km, et il devra être plus silencieux que son prédécesseur. C'est à partir de ces données que les quatre grands motoristes occidentaux (Rolls-Royce, Pratt Et Whitney, General Electric et la SNECMA), de même que leurs homologues soviétiques et japonais, se sont mis au travail.
Afin de bien comprendre les problèmes que doit résoudre un motoriste, il faut savoir que tout système de propulsion doit assumer des tâches variées, dont chacune correspond à une phase de vol. Or, pour un avion supersonique, le profil d'un vol type se décompose de la façon suivante :
Au regard de cette dissection d'un vol type, disons tout de suite que ce qui était demandé aux motoristes, c'était de combler les lacunes du réacteur du Concorde dans les phases du décollage, de la montée subsonique et supersonique et de la descente. Car, pour ce qui est de la croisière, l'Olympus franco-britannique (développé conjointement par Rolls-Royce et la SNECMA), bien que conçu il y a un quart de siècle, demeure tout à fait performant.
Comment, se demandera le profane, un moteur peut-il être excellent en certaines circonstances et médiocre en d'autres ? La réponse est simple : parce que la polyvalence est incompatible avec les lois fondamentales de la thermodynamique. Lorsqu'un moteur a été optimisé pour une phase de vol bien précise (l'évolution à grande vitesse et à haute altitude, par exemple), il est automatiquement moins efficace dans les autres secteurs (le vol subsonique ou le vol à basse altitude). Certes, on peut toujours se rabattre sur une solution de compromis, mais, en ce domaine comme en bien d'autres, ce n'est pas en ménageant la chèvre et le chou que l'on parvient au meilleur résultat. En l'occurrence, au moteur le plus compétitif.
Pour apprécier le rendement d'un réacteur, les thermodynamiciens utilisent quatre critères :
Ces bases ayant été précisées, voyons maintenant ce que l'on attend d'un moteur dans les différentes phases de vol. Au décollage, ce qui importe avant tout, c'est d'arracher au plus vite l'avion du sol. Pour cela, il faut que la poussée soit la plus forte possible. Si l'on se reporte à l'équation de poussée citée plus haut P=m(Vs-Vo), on constate qu'il y a, théoriquement, deux moyens de renforcer p : soit en augmentant m, c'est-à-dire le débit massique, soit en majorant le binôme Vs-Vo par une élévation sensible du terme Vs5, c'est-à-dire de la vitesse d'éjection des gaz. Dans la pratique, c'est à la première de ces solutions que l'on se rallie, et cela pour deux raisons. En premier lieu, parce que, à poussée donnée, le rendement propulsif est meilleur quand on accélère à faible vitesse une grande quantité d'air, que lorsque l'on accélère à grande vitesse une faible quantité d'air. En second lieu, parce que le bruit au décollage est fonction de la huitième puissance de la vitesse des gaz à la sortie de la buse d'éjection. On a donc tout intérêt à minimiser le terme Vs5 et à gonfler le terme m. En résumé, au décollage ce que l'on recherche, c'est un fort débit d'air et une vitesse d'éjection raisonnable. Or, cela n'est possible qu'avec un moteur double-flux.
En croisière supersonique, phase qui occupe en moyenne les deux tiers du temps d'un vol, ce que l'on attend en priorité d'un système de propulsion, c'est une faible consommation et le maintien d'une vitesse élevée. Pour économiser le carburant, on fera évoluer l'avion le plus haut possible (entre 17000 et 18000 mètres), car, nous l'avons dit, c'est à haute altitude que son rendement aérodynamique est le meilleur ou, si l'on préfère, que sa finesse est maximale (la finesse étant le rapport du coefficient de portance sur le coefficient de traînée : Cz/Cx).
En ce qui concerne la vitesse, elle est fonction de la poussée. Mais, au niveau où se trouve l'appareil, il n'est pas question de brasser de grandes quantités d'air. On recherchera donc la forte poussée spécifique en accélérant vigoureusement une faible masse d'air. Bref, pour la croisière supersonique, le moteur idéal, c'est le simple-flux.
Venons-en à présent aux phases intermédiaires. On observe là encore que les services que l'on attend d'un moteur sont très divers, pour ne pas dire opposés. Lors de la montée, par exemple, ce qui prime, c'est la poussée, afin que l'appareil atteigne le plus rapidement possible l'altitude où son rendement aérodynamique est optimal. En vol subsonique, c'est-à-dire pendant les périodes d'attente ou en cas de déroutement, ce sont au contraire la poussée réduite et la faible consommation spécifique qui prévalent. D'autant plus que les réserves de déroutement, qui constituent en fait un « poids mort » (auquel toutefois on doit parfois la vie !), sont calculées en fonction d'un vol à l'économie, c'est-à-dire à poussée restreinte et à vitesse subsonique.
On le voit, la motorisation d'un supersonique est une affaire fort complexe. Les différentes phases de vol requièrent des modes de propulsion si dissemblables qu'en réalité ce n'est pas un, mais deux, voire même trois types de réacteurs qu'il faudrait : un simple-flux pour la croisière, un double-flux pour le décollage et un hybride des deux précédents, qui modulerait le taux de dilution lors de la montée et de la descente.
Face à ces exigences, les ingénieurs de la SNECMA envisagèrent d'abord, ainsi que nous le signalions au début de cette étude, d'équiper l'ATSF de réacteurs double-flux. Certes, il s'agissait d'un compromis, mais celui-ci était relativement avantageux dans la mesure où le double-flux offre des performances satisfaisantes au décollage et en montée, et une consommation spécifique correcte en vol supersonique. De plus, avec un tel moteur, le bruit au décollage devrait, en principe, être sensiblement moins élevé que celui du Concorde.
Cependant des études en soufflerie, menées en coopération avec l'Aérospatiale et l'ONERA (2), montrèrent que la réalisation d'un tel réacteur, pourtant simple de conception, soulevait un insoluble problème en forme de dilemme. En effet, ou bien il respectait les normes sur le bruit, mais il était alors trop gros ; ou bien il avait une taille raisonnable, mais il était alors trop bruyant.
Cela mérite une explication. Rappelons-nous que, pour diminuer le bruit, en particulier au décollage il suffit de réduire la vitesse d'éjection des gaz. En compensation, et pour avoir une poussée suffisante, il est nécessaire d'accroître la masse d'air éjectée, donc d'augmenter le débit du flux secondaire. Mais ce flux secondaire n'entre pas dans le réacteur : il circule autour de lui, canalisé par une paroi extérieure, et ne rejoint le flux primaire que dans la tuyère d'éjection. On comprendra facilement que, plus l'espace entre le réacteur et la paroi extérieure sera grand, plus la masse de flux secondaire disponible sera importante, et plus le taux de dilution (proportion de flux secondaire par rapport au flux primaire) pourra être élevé. Or, la réduction du bruit dépend précisément de l'ampleur du taux de dilution. Il s'ensuit qu'un moteur « silencieux » est forcément un moteur « ventru » (les spécialistes disent que son maître couple, c'est-à-dire son diamètre maximal, est important).
Mais ce qui est bon pour l'atténuation du bruit ne l'est pas pour l'aérodynamique. En effet, en augmentant le volume du réacteur, on augmente aussi sa masse et sa traînée (sa résistance à l'avancement). Aussi est-on souvent amené à limiter le taux de dilution pour éviter que l'« embonpoint » du moteur ne devienne trop pénalisant. C'est ce qui s'est passé avec le double-flux élaboré par la SNECMA. Son étude en soufflerie a conduit ses concepteurs à fixer son taux de dilution à moins de 0,5 (0,46 exactement). Malheureusement, un taux aussi faible ne permet pas de satisfaire aux normes édictées en matière de puissance sonore, lesquelles limitent à 108 décibels le bruit au sol et à 107 décibels celui du survol des terres. Or, avec le M-6743 (désignation officielle du double-flux de la SNECMA), les niveaux atteints étaient respectivement de 110 et 111 décibels, et il n'y avait pratiquement aucun espoir de pouvoir gagner le peu qui manquait pour être en conformité avec la réglementation internationale.
D'où ce constat en forme de nécrologie rédigé en octobre 1988 par Claude Menioux, l'un des deux « pères » du moteur à cycle variable : « Dans l'état actuel de nos connaissances, et compte tenu des trente ans de recherches au plus haut niveau scientifique qui ont été menées sur ce sujet, il y a peu d'espoir d'aboutir, pour les moteurs à double-flux, à la mise au point d'un silencieux de jet efficace, capable de fonctionner dans un environnement sévère, escamotable en croisière pour ne pas pénaliser les performances, avec une masse et un encombrement raisonnables. La seule voie praticable consistait donc à rechercher des moteurs d'une architecture nouvelle, afin de concilier deux impératifs apparemment contradictoires : faible vitesse d'éjection au décollage et faible maître couple. »
C'est précisément sur la voie de ces « architectures nouvelles » que s'était engagée la SNECMA depuis que l'impasse à laquelle conduisait le M-6743 était devenue manifeste. Et tant qu'à faire, puisqu'il fallait innover, mieux valait étudier un moteur qui ne fut plus un compromis, mais qui se montrât capable de répondre de façon adaptée aux exigences spécifiques des différentes phases de vol. C'est ainsi que le motoriste français en vint à se pencher sur le moteur à cycle variable. Aujourd'hui, deux des ingénieurs de la firme, mm Menioux et Loisy, en proposent une formule qui a le double mérite de devancer la concurrence et d'être particulièrement ingénieuse.
Ce réacteur, le MCV-99, dont les brevets viennent d'être déposés, a pour principale originalité de réunir deux moteurs dans le volume d'un seul. Comment ? En glissant la partie flux secondaire au sein même du système primaire, et non plus à la périphérie de ce dernier comme sur le M-6743. Il en résulte que le diamètre maximal (le maître couple) de l'ensemble n'excède pas celui d'un simple-flux classique .
Voyons plus en détail comment s'articulent les différents éléments. La partie monoflux débute, immédiatement derrière la bouche d'entrée d'air, par deux compresseurs : un compresseur BP (basse pression), qui commence à comprimer le fluide entrant, et un compresseur HP (haute pression) qui porte le taux de compression au voisinage de 14-15. Chacun de ces compresseurs est mu par une turbine située derrière la chambre de combustion (3).
Vient ensuite la portion la plus révolutionnaire du nouveau réacteur, celle où s'est exprimée toute l'astuce de ses inventeurs. En sortant du compresseur HP, l'air, fortement comprimé, n'occupe plus qu'un volume restreint. Il peut donc être acheminé vers la chambre de combustion par un conduit de faible section. Du fait de ce resserrement, un vaste espace libre se trouve dégagé, que les deux ingénieurs français ont mis à profit en y installant le compresseur du flux secondaire ainsi que sa turbine d'entraînement. Et pour ne pas accroître le diamètre du moteur, ils ont imaginé de faire pénétrer l'air destiné à ce flux par des entrées latérales situées à hauteur du compresseur HP.
Ainsi, en logeant l'admission et la compression du flux secondaire dans la portion ou le diamètre du système primaire est le plus faible, ils sont parvenus à réaliser un double-flux dans le volume d'un simple-flux.
Ajoutons, pour être complet, que la turbine qui anime le compresseur du flux secondaire est alimentée par de l'air prélevé sur le flux primaire, au niveau du conduit allant du compresseur HP à la chambre de combustion. Cette ponction d'environ 10 % ne pénalise pas le cycle primaire. Enfin, comme la plupart des réacteurs actuellement en service, le MCV-99 sera doté d'inverseurs de poussée, dont la fonction est de réduire la distance de roulage lors des atterrissages.
Après la description statique des différents éléments de ce nouveau moteur, dont la poussée maximale avoisinera les 25 tonnes, examinons son fonctionnement dans les diverses phases d'un vol type.
Comme on peut le constater, la grande différence entre un double-flux classique et un moteur à cycle variable réside dans le fait que le premier fonctionne selon le principe du tout ou rien (il marche en double-flux ou en simple-flux, un point c'est tout), alors qu'avec le second on peut moduler le taux de dilution et doser ainsi l'effet double-flux.
L'accélération supersonique jusqu'à la vitesse normale de croisière, c'est-à-dire le passage de Mach 1,3 à Mach 2,4, s'accompagne également d'une modification importante du cycle thermodynamique. Ce que l'on recherche alors, c'est une poussée plus forte, mais avec un débit massique plus faible (donc avec une vitesse d'éjection très élevée). Pour cette raison, à partir de Mach 1,3, le MCV-99 fonctionne en simple-flux. L'alimentation en flux primaire de la turbine secondaire est interrompue, et le clapet d'admission d'air secondaire est fermé. Pourtant le circuit secondaire n'est pas totalement privé d'air, puisqu'un autre clapet, plus grand que le précédent et situé encore plus en avant dans l'entrée d'air principale, va s'ouvrir, livrant passage à de l'air extérieur qui va traverser tout le système secondaire (mais, cette fois, sans être accéléré puisque le compresseur secondaire n'est plus entraîné par sa turbine).
Ce maintien d'un semblant de flux secondaire en régime monoflux a deux explications. Tout d'abord, à la vitesse à laquelle évolue l'avion dans cette phase de vol, il est à craindre que trop d'air ne pénètre dans le circuit primaire. En détournant une partie par le circuit secondaire, on évite tout engorgement. Ensuite, cet air dérivé remplit une mission d'utilité thermique : en effet, vu sa très basse température, il refroidit efficacement le moteur primaire, qui, très sollicité, a tendance à s'échauffer. Ajoutons que, n'étant pas accéléré, ce filet de flux secondaire, en parvenant dans la tuyère, ne modifie en rien le fonctionnement monoflux du moteur.
Dernière question : quand ce réacteur sera-t-il prêt ? Sans doute pas avant le prochain millénaire. Selon l'état-major de la SNECMA, il pourrait équiper le successeur du Concorde aux alentours de 2005.
Le réacteur à cycle variable : un double-flux dans le volume d'un simple-flux
Le flux primaire. L'air extérieur est aspiré devant le cône d'entrée (1) et comprimé par les quatre étages du compresseur basse pression (2) puis par les deux du haute pression (3). Il est admis ensuite dans les chambres de compression primaires (4) et secondaires (5) où il participe à la combustion mélange au carburant. Les gaz brûlés (flèches violettes), au volume et à la pression fortement augmentés, sortent à grande vitesse par la tuyère (6) pour fournir la poussée.
Le flux secondaire. L'air frais est soit aspiré de l'extérieur par des ouïes (7) disposées en anneaux autour de la nacelle, soit dérivé (8) par des clapets dans l'entrée d'air principale. Il est comprimé par des compresseurs différents (9) puis se mélange aux gaz brûlés sans participer activement à la combustion. A la fin de leur parcours, gaz du flux primaire et air comprimé du flux secondaire mélangés s'éjectent par la tuyère. Les turbines sont entraînerais par les gaz qui les traversent avant de s'éjecter par la tuyère, elles entraînent à leur tour les compresseurs correspondants. Ainsi, les turbines basse pression (10) entraînent les compresseurs basse pression (2), les turbines haute pression (11), les compresseurs haute pression (3), et la turbine (12) adjacente à la chambre de combustion secondaire entraîne le compresseur (9) du flux secondaire.
Au décollage, pour s'arracher le plus vite au sol, il faut une poussée maximale. Mais avec un niveau de bruit le plus bas possible, pour satisfaire aux normes en vigueur. La solution consiste à éjecter une masse de gaz la plus grande possible avec une vitesse de sortie la plus faible possible. Pour cela le réacteur fonctionne en double flux ; les flux primaire et secondaire décrits ci-dessus fonctionnant simultanément. On a donc une grande masse de gaz faiblement accélérés.
En vol subsonique (approche, attente avant l'atterrissage, ou déroutement). L'avion ayant une vitesse plus grande qu'au décollage, un surplus l'air arrive à l'admission. Ce qui permet de renforcer l'alimentation (8) du flux secondaire et obtenir une poussée accrue.
En accélération transsonique et en montée supersonique. La vitesse de l'avion a augmenté (autour de Mach 1), et donc celle de l'air à l'admission (Vo). Pour éviter une surcompression, le cône d'entrée du réacteur est avancé (12), réduisant la section d'admission. Toujours dans le même but, s'ouvrent dans l'avant de la nacelle des écopes d'où est réévaluée vers l'extérieur une partie de l'air admis (13). Une faible partie de cet air est prélevée pour alimenter le flux secondaire, alors que les ouïes en anneaux (14) sont progressivement fermées. De 1,5, le rapport flux secondaire/flux primaire tombe progressivement à 0,2. En effet, comme la vitesse de l'avion dépend de la vitesse d'éjection des gaz par la tuyère, pour atteindre les vitesses supersoniques on a progressivement inversé le choix fait pour le décollage : d'un fort débit de gaz (grands volumes) faiblement accélérés, on passe à un faible débit (petits volumes) fortement accélérés. Parallèlement, la section de la buse d'éjection (15) se resserre. Mais pour l'instant, il faut conserver un peu de flux secondaire qui participe, au niveau des chambres de combustion secondaires, à l'échange thermodynamique moteur et à la poussée. Car on ne peut encore, à ce stade tirer toute la puissance nécessaire des seuls gaz du flux primaire.
En vol supersonique, le flux secondaire est définitivement supprimé, et le réacteur fonctionne en simple flux (comme Concorde). La buse d'éjection, dans la tuyère, est à sa section minimale (15) ; la vitesse de sortie des gaz, à son maximum, emmène l'avion jusqu'à Mach 2,4. Une partie de l'air admis circule bien autour du moteur (en pointillés), mais comme fluide de refroidissement et pour éviter un engorgement du flux primaire.