| Atelier 3 — Moteurs et propulsion
Compare les moteurs à pistons (cycle 4 temps, hélice) et les turbomachines (turboréacteur simple et double flux, turbopropulseur, turbomoteur, statoréacteur). Découvre le taux de dilution, l'inverseur de poussée, le carburant aviation et les commandes moteur au cockpit — le programme § 1.3 du BIA.
1 L'hélice (Propeller)
L'hélice convertit la rotation du moteur en poussée linéaire (traction). Chaque pale est un profil aérodynamique, comme une petite aile en rotation.
Structure de l'hélice
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Moyeu (hub) | Centre de l'hélice, fixé sur l'arbre moteur |
| Pales (blades) | 2 à 6 surfaces aérodynamiques qui produisent la traction |
| Pas (pitch) | Distance théorique parcourue en une rotation (comme un pas de vis) |
| Calage (θ) | Angle de la pale par rapport au plan de rotation (10-25° typique) |
Pas fixe vs pas variable
| Hélice à pas fixe | Hélice à pas variable | |
|---|---|---|
| Principe | Calage figé à la fabrication | Calage ajustable en vol (hydraulique ou électrique) |
| Petit pas | Compromis unique | Décollage et montée — forte traction à basse vitesse |
| Grand pas | Croisière — moins de traînée, vitesse optimale | |
| Avantage | Simple, léger, fiable | Performances optimales à chaque phase de vol |
| Utilisation | Cessna 152, ULM, avions légers | Piper Saratoga, Beechcraft Baron, turboprops |
Phénomènes aérodynamiques de l'hélice
- Vrillage des pales : les pales sont vrillées de l'emplanture au bout pour compenser la différence de vitesse (le bout tourne plus vite que la base). Sans vrillage, la force serait inégale le long de la pale.
- Souffle hélicoïdal : l'air brassé par l'hélice forme une spirale qui frappe la dérive et fait tourner l'avion à gauche (sur un moteur dont l'hélice tourne dans le sens horaire vu de face). Le pilote compense avec le palonnier (pied droit).
- Hélice en drapeau : sur un avion multimoteur ou un planeur remorqué, en cas de panne moteur, on met la pale « à plat » (parallèle au flux d'air) pour éliminer la traînée. C'est la position drapeau.
- Hélices contrarotatives : deux hélices sur le même axe tournant en sens inverse, annulant le couple de réaction et le souffle hélicoïdal (exemples : Tupolev Tu-95, Antonov An-22).
Exercice 1 — L'hélice
Réponds aux questions suivantes :
- Pourquoi utilise-t-on un petit pas au décollage et un grand pas en croisière ?
- Quel phénomène fait tourner l'avion à gauche au décollage, et comment le pilote le compense-t-il ?
- À quoi sert la position drapeau d'une hélice ?
- Pourquoi les pales d'une hélice sont-elles vrillées ?
- Petit pas = forte traction à basse vitesse (comme un petit plateau de vélo, on pédale vite pour démarrer). Grand pas = peu de traînée à haute vitesse (comme un grand plateau, on avance beaucoup par tour).
- Le souffle hélicoïdal : l'air en spirale frappe la dérive et fait tourner l'avion à gauche. Le pilote compense avec le palonnier droit (gouverne de direction).
- La position drapeau place la pale parallèle au flux d'air pour éliminer la traînée en cas de panne moteur (multimoteur) ou après largage du câble (planeur).
- Le bout de pale tourne plus vite que la base (comme sur un manège). Sans vrillage, la force serait inégale : trop forte en bout, trop faible à la base. Le vrillage compense cette différence.
2 Moteur à pistons — cycle 4 temps
Le moteur à pistons est le moteur des avions légers (Cessna, Piper, Robin). Il fonctionne sur le cycle à 4 temps, identique en principe à un moteur de voiture.
Composition du moteur
| Pièce | Rôle |
|---|---|
| Cylindres (4 à 6) | Enceintes où se produisent les explosions |
| Pistons | Se déplacent de haut en bas dans les cylindres |
| Bielle | Relie le piston au vilebrequin — transforme le mouvement linéaire en rotation |
| Vilebrequin | Arbre principal en rotation qui entraîne l'hélice |
| Soupapes | Admission (entrée du mélange) et échappement (sortie des gaz brûlés) |
| Bougies d'allumage | 2 par cylindre — redondance de sécurité en cas de panne d'une bougie |
Le cycle 4 temps
| Temps | Piston | Soupapes | Ce qui se passe |
|---|---|---|---|
| ① Admission | Descend ↓ | Admission ouverte | Le mélange air + carburant entre dans le cylindre (aspiration) |
| ② Compression | Monte ↑ | Toutes fermées | Le mélange est comprimé — pression et température augmentent |
| ③ Explosion-détente | Descend ↓ | Toutes fermées | Les bougies allument le mélange → explosion → le piston est poussé vers le bas |
| ④ Échappement | Monte ↑ | Échappement ouverte | Le piston chasse les gaz brûlés hors du cylindre |
Dispositions des cylindres
Les cylindres peuvent être disposés de différentes façons :
| Disposition | Schéma | Exemple / Usage |
|---|---|---|
| En ligne | Cylindres alignés verticalement | Moteurs anciens, automobiles |
| En V | Deux rangées inclinées en V | Moteurs puissants (aviation WWII) |
| À plat (boxer) | Deux rangées horizontales face à face | Standard actuel en aviation (Lycoming, Continental) |
| En étoile (radial) | Cylindres en cercle autour du vilebrequin | Avions de la WWII (Corsair, Thunderbolt), refroidissement par air optimal |
Allumage : les magnétos
Chaque cylindre possède 2 bougies alimentées par 2 magnétos indépendants (gauche et droite). C'est un principe fondamental de redondance de sécurité en aviation : si un magnéto tombe en panne, l'autre prend le relais.
Le sélecteur de magnéto au cockpit possède 5 positions :
- OFF — moteur coupé
- LEFT — magnéto gauche seul (test)
- RIGHT — magnéto droit seul (test)
- BOTH — les deux magnétos actifs (position normale de vol)
- START — démarreur électrique (lance le moteur via un petit moteur sur batterie)
Exercice 2 — Le cycle 4 temps
Remets les étapes du cycle dans le bon ordre et réponds aux questions :
- Classe dans l'ordre : Échappement — Admission — Explosion-détente — Compression.
- Quel est le seul temps qui fournit de l'énergie mécanique ?
- Combien de bougies possède un moteur 4 cylindres d'avion, et pourquoi ?
- Pendant quel temps les deux soupapes sont-elles fermées ? (il y en a deux)
- Admission → Compression → Explosion-détente → Échappement.
- L'explosion-détente (temps 3). C'est le seul temps où l'énergie chimique du carburant se transforme en énergie mécanique. Les trois autres temps fonctionnent grâce à l'élan accumulé.
- 8 bougies (2 par cylindre × 4 cylindres). La redondance de sécurité est un principe fondamental en aviation : si une bougie tombe en panne, la seconde assure l'allumage.
- Pendant la compression (temps 2) et l'explosion-détente (temps 3). Les soupapes doivent être fermées pour maintenir la pression dans le cylindre.
3 Carburant aviation et commandes cockpit
Le carburant : Avgas 100LL
Les avions légers n'utilisent pas de kérosène (réservé aux turbines) mais de l'Avgas 100LL (100 octane, Low Lead). C'est une essence aviation à faible teneur en plomb, teintée en bleu.
| Propriété | Valeur | Conséquence pratique |
|---|---|---|
| Indice d'octane | 100 | Plus élevé que le SP95/SP98 automobile |
| Densité | 0,72 | Plus léger que l'eau → flotte au-dessus de l'eau |
| Couleur | Bleu | Identification visuelle immédiate |
Alimentation : carburateur et givrage
Le carburateur mélange l'air et le carburant avant l'admission. Il comporte un rétrécissement (venturi) qui accélère l'air mais le refroidit. Par temps humide, ce refroidissement peut provoquer la formation de glace qui bloque le papillon des gaz.
Pour éviter ce givrage, le pilote active le réchauffage carburateur : l'air passe autour du moteur (chaud) avant d'entrer dans le carburateur. Les moteurs à injection ne sont pas sujets à ce problème.
Les trois manettes du cockpit
| Couleur | Nom | Contrôle | Action |
|---|---|---|---|
| Noire | Manette des gaz (throttle) | Puissance moteur | Ouvre/ferme le papillon → plus ou moins de mélange dans le cylindre |
| Rouge (rose) | Manette de richesse (mixture) | Ratio essence/air | Appauvrit le mélange en altitude (moins d'air → moins d'essence) |
| Bleue | Manette de pas (prop pitch) | Pas de l'hélice variable | Petit pas = décollage, grand pas = croisière (absente si hélice fixe) |
La richesse et l'altitude
Au sol, le mélange air-carburant est réglé pour les conditions au niveau de la mer. En montant en altitude, il y a moins d'air (densité diminue), et donc trop d'essence par rapport à l'air disponible. On dit que le mélange est trop riche → le moteur est « noyé ».
Le pilote tire progressivement la manette de richesse (rouge) pour réduire la proportion d'essence. À l'inverse, s'il appauvrit trop, le moteur s'« étouffe » (pas assez d'essence).
Aile haute vs aile basse : l'alimentation en carburant
Sur un avion à aile haute, le réservoir est au-dessus du moteur : la gravité suffit à amener le carburant. Sur un avion à aile basse, le réservoir est sous le moteur : une pompe électrique est nécessaire pour remonter le carburant, activée notamment au démarrage et à l'atterrissage.
Exercice 3 — Carburant et commandes cockpit
Réponds aux questions suivantes :
- De quel couleur est le carburant Avgas 100LL, et quelle est sa densité ?
- Pourquoi le pilote fait-il une purge du réservoir chaque matin ?
- Quelle manette le pilote doit-il tirer en montant en altitude, et pourquoi ?
- Quel risque le carburateur présente-t-il par temps humide, et quel système le prévient ?
- L'Avgas 100LL est bleu, de densité 0,72 (plus léger que l'eau, donc il flotte au-dessus).
- La condensation nocturne dépose de l'eau au fond du réservoir (l'eau est plus lourde que le carburant). La purge évacue cette eau pour ne pas envoyer d'eau dans le moteur.
- La manette de richesse (rouge) : en altitude, l'air est moins dense → trop d'essence par rapport à l'air → le mélange est trop riche → on réduit la proportion d'essence pour rééquilibrer.
- Le givrage du carburateur : l'effet Venturi (rétrécissement) accélère et refroidit l'air, ce qui peut former de la glace sur le papillon. Le réchauffage carburateur fait passer l'air autour du moteur chaud avant l'entrée dans le carburateur.
4 Turboréacteurs (jet engines)
Le turboréacteur fonctionne sur le principe du ballon : des gaz éjectés à grande vitesse vers l'arrière propulsent l'avion vers l'avant (action-réaction). Comme le moteur à pistons, il suit les mêmes 4 phases — admission, compression, combustion, échappement — mais elles se déroulent simultanément dans des zones différentes du moteur, alignées à l'horizontale.
Turboréacteur simple flux
Architecture historique (1939, Heinkel He 178). Tout l'air passe par le cœur du moteur :
- Compresseur : des aubes en rotation compriment l'air entrant
- Chambre de combustion : le kérosène est injecté et brûlé en continu
- Turbine : les gaz chauds font tourner la turbine qui entraîne le compresseur (même axe)
- Tuyère : les gaz sont accélérés et éjectés → poussée
Turboréacteur double flux (turbofan) — le standard moderne
Un grand ventilateur (fan) à l'avant divise l'air en deux chemins :
- Flux chaud (core) : passe par le cœur du moteur (compresseur, combustion, turbine) — ne représente que 20 % de la poussée
- Flux froid (bypass) : contourne le cœur, propulsé directement par le fan — fournit 80 % de la poussée
Le taux de dilution (bypass ratio)
C'est le rapport entre le débit d'air froid (bypass) et le débit d'air chaud (core). Plus il est élevé, plus le moteur est économe et silencieux :
| Génération | Taux de dilution | Exemple |
|---|---|---|
| Années 1970 | 2-3:1 | Premiers turbofans |
| Années 1990 | 6-8:1 | CFM56 (A320, 737), GE90 (777) |
| Années 2015+ | 11:1 | CFM LEAP (A320neo, 737 MAX, A350) |
Exercice 4 — Turboréacteurs
Réponds aux questions suivantes :
- Quelles sont les 4 zones successives d'un turboréacteur simple flux ?
- Dans un double flux, quel pourcentage de la poussée fournit le flux froid (bypass) ?
- Un moteur CFM LEAP a un taux de dilution de 11:1. Que signifie ce chiffre concrètement ?
- Cite deux avantages du turboréacteur double flux par rapport au simple flux.
- Compresseur → Chambre de combustion → Turbine → Tuyère. C'est l'équivalent horizontal du cycle 4 temps : admission, compression, combustion, échappement.
- 80 % de la poussée provient du flux froid. Les 20 % restants viennent du flux chaud (le cœur).
- Le taux de dilution 11:1 signifie que pour 1 kg d'air passant par le cœur, 11 kg d'air passent par le bypass (contournent le cœur). C'est un moteur très économe.
- Moins bruyant (trois couches de vitesse atténuent le bruit) et plus économe en carburant (30 à 40 % de moins qu'un simple flux), grâce à la poussée fournie par le flux froid à basse vitesse.
5 Turbopropulseur, statoréacteur et autres moteurs
Turbopropulseur (turboprop)
C'est un réacteur qui entraîne une hélice. La turbine fait tourner un axe relié à l'hélice via un réducteur (comme les plateaux d'un vélo : la turbine tourne très vite mais l'hélice a besoin de couple plutôt que de vitesse).
| Caractéristique | Détail |
|---|---|
| Poussée | ~85 % par l'hélice, ~15 % par l'échappement des gaz |
| Sortie des gaz | Vers le bas (comme un pot d'échappement), pas dans l'axe |
| Vitesse | 300-800 km/h (avions régionaux) |
| Exemples | ATR 42/72, Bombardier Q400, Saab 340 |
Turbomoteur (turboshaft) — hélicoptères
Même principe que le turbopropulseur, mais l'arbre entraîne le rotor principal d'un hélicoptère (et le rotor anti-couple). La boîte de vitesses réductrice abaisse la vitesse de rotation. Exemple : Turbomeca Arriel (Airbus Helicopters).
Statoréacteur (ramjet)
Moteur sans aucune pièce tournante. L'air est comprimé uniquement par la vitesse de l'engin (compression dynamique). Il ne fonctionne qu'à haute vitesse (Mach 0,5 minimum, optimal au-delà de Mach 3). Utilisé principalement sur les missiles.
Pulsoréacteur
Variante du statoréacteur avec un volet à l'entrée d'air qui génère des cycles répétés de combustion (ouverture → admission → combustion → fermeture → éjection). Historiquement utilisé sur les V1 de la Seconde Guerre mondiale. Simple mais bruyant et peu efficace.
Inverseur de poussée (thrust reverser)
Dispositif qui redirige le flux des réacteurs vers l'avant pour freiner l'avion après l'atterrissage. Très efficace mais coûteux en kérosène. S'ajoute aux freins classiques et aux aérofreins (spoilers).
6 Synthèse comparative et quiz
Tableau comparatif : piston vs turbine
| Critère | Moteur à pistons | Turboréacteur (turbofan) | Turbopropulseur |
|---|---|---|---|
| Propulsion | Hélice (traction) | Éjection de gaz (réaction) | Hélice + gaz résiduels |
| Carburant | Avgas 100LL (essence) | Kérosène (Jet A-1) | Kérosène (Jet A-1) |
| Vitesse | 100-350 km/h | 800-950 km/h | 300-800 km/h |
| Altitude | ~5 000 m max | 12 000-13 000 m | ~7 500 m |
| Avion type | Cessna 172, Piper PA-28 | A320, Boeing 737/777 | ATR 72, Q400 |
| Avantage | Simple, économique | Puissant, haute altitude | Bon compromis, économe |
Exercice 5 — Étude de cas : comment un Boeing 777 freine-t-il ?
Un Boeing 777-300ER atterrit sur une piste de 3 000 m à une vitesse de 260 km/h. Décris les trois moyens de freinage dont dispose le pilote et explique dans quel ordre il les utilise :
- Quel dispositif est le plus efficace mais le plus coûteux en carburant ?
- Quels éléments sur les ailes cassent la portance pour plaquer l'avion au sol ?
- Quel système freine les roues du train principal ?
- Si la piste est suffisamment longue, quel dispositif le pilote peut-il ne pas utiliser pour économiser 80 kg de kérosène ?
- L'inverseur de poussée (reverse). Il redirige le flux des réacteurs vers l'avant. Très efficace aux hautes vitesses mais consomme ~80 kg de kérosène par atterrissage.
- Les spoilers (aérofreins / destructeurs de portance). Panneaux sur l'extrados des ailes qui se lèvent dès le toucher pour casser la portance résiduelle et transférer le poids sur les roues.
- Les freins à disque sur les roues du train principal, souvent assistés par un système anti-dérapage (antiskid) similaire à l'ABS automobile.
- L'inverseur de poussée. Sur piste longue, les freins et les spoilers suffisent. L'économie de 80 kg de kérosène par atterrissage représente une économie significative sur des milliers de vols.
Quiz — Moteurs et propulsion (10 QCU)
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