✈️ Le turboréacteur : la poussée d'un avion
Un avion avance parce que ses moteurs projettent de l'air vers l'arrière, très vite et en grande quantité : c'est le principe de l'action et de la réaction. Mais vaut-il mieux éjecter peu d'air très vite, ou beaucoup d'air lentement ? Ajoute une soufflante, augmente le taux de dilution et regarde grimper le rendement propulsif.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Dans le cœur, l'air est comprimé, chauffé dans la chambre puis détendu dans la turbine, qui ne sert qu'à entraîner le compresseur : l'énergie restante sort sous forme de jet par la tuyère.
- La poussée vaut F = qm(ve − v0) : elle dépend du débit d'air et de l'écart de vitesse entre le jet et l'avion.
- En simple flux, le jet sort à près de 1 000 m/s : beaucoup d'énergie cinétique reste dans le sillage sans faire avancer l'avion, d'où un rendement propulsif faible.
- Avec une soufflante, la même énergie accélère beaucoup plus d'air, moins vite : la poussée augmente, le rendement propulsif aussi, et la consommation spécifique baisse.
- Au point fixe (v0 = 0), la poussée est grande mais le rendement propulsif est nul : aucun travail n'est fourni à l'avion, qui n'avance pas.
Expériences à faire
- Au sol et à l'arrêt, double le débit d'air du cœur : que devient la poussée ? Et la vitesse d'éjection ?
- À 11 km et 250 m/s, compare λ = 0, λ = 5 et λ = 10 : que deviennent la poussée, ηp et la consommation spécifique ?
- Augmente T4 : la vitesse d'éjection grimpe, mais le rendement propulsif ? Pourquoi un avion de chasse accepte-t-il ce compromis ?
- Pourquoi ne pas choisir un taux de dilution de 50 ? Pense au diamètre de la soufflante sous l'aile…
- Choisis ✏️ Mes valeurs et remplace le kérosène par du dihydrogène (PCI = 120 MJ/kg) : la poussée change-t-elle ? Et la masse de carburant brûlée chaque seconde ?
La physique derrière l'animation
- Bilan de quantité de mouvement sur le moteur (tuyères adaptées) : F = qm(ve − v0) ; en double flux, F = qc[(vchaud − v0) + λ(vfroid − v0)] avec λ le taux de dilution.
- Rendement propulsif : ηp = F v0/Pjet avec Pjet = ½ qm(ve2 − v02), soit ηp = 2/(1 + ve/v0) pour un seul jet : il tend vers 1 quand ve → v0, mais la poussée tend alors vers 0.
- Rendement thermique ηth = Pjet/(qcarb PCI) et rendement global η0 = ηth ηp = F v0/(qcarb PCI) ; la consommation spécifique qcarb/F s'exprime en g/(kN·s).
- Générateur de gaz : cycle de Joule-Brayton (compression de taux δ, combustion jusqu'à T4, turbine qui fournit exactement le travail du compresseur) ; l'énergie restante est détendue dans la tuyère.
- Simplifications : air gaz parfait (cp = 1 005 J/(kg·K), γ = 1,4), rendements isentropiques 0,88 (compresseur) et 0,90 (turbine), kérosène de PCI 43 MJ/kg dont le débit est négligé, tuyères adaptées ; en double flux, partage optimal (vfroid = 0,85 vchaud) avec un rendement de transfert de 0,85. La taille de la soufflante est dessinée à titre indicatif.
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