L'évolution de l'efficacité de l'aviation commerciale

Le moteur à réaction, dans sa forme la plus simple, a été le cheval de bataille de l'aviation commerciale depuis plus de six décennies. Pourtant, le saut le plus transformateur de sa conception est venu avec le passage des turboréacteurs à faiblebypass et des premiers turboréacteurs aux moteurs à hautbypass (HBPR) qui dominent les flottes d'aujourd'hui. En déplaçant une masse d'air beaucoup plus grande autour du cœur plutôt que de le traverser, ces moteurs atteignent une réduction remarquable de la consommation de carburant par unité de poussée, une mesure qui se traduit directement par des coûts d'exploitation plus faibles, une plus longue portée et une réduction de l'impact environnemental.

Quels sont les moteurs à réaction à haut débit?

Un moteur turboréacteur à haut débit est constitué d'un grand ventilateur conduit à l'avant, entraîné par une turbine, qui accélère un grand volume d'air autour du cœur du moteur (compresseur, combustible et turbine). Le rapport de contournement (RB) est défini comme le débit massique d'air qui contourne le cœur divisé par le débit massique qui traverse le cœur. Dans un moteur à haut débit typique, ce rapport est de 5:1 ou plus; les moteurs des avions à large caisse obtiennent maintenant régulièrement des RB de 9:1 à 12:1. En revanche, les premiers moteurs à bas débit (comme ceux du Boeing 707) avaient des RB à un niveau inférieur à 2:1, tandis que les turboréacteurs purs avaient un rapport de zéro, tous les airs passant par le cœur.

Dans un moteur à haut débit, le diamètre du ventilateur peut dépasser 3 mètres (10 pieds), enfermé dans une nacelle soigneusement contournée qui minimise la traînée. L'air accéléré par le ventilateur produit la majeure partie de la poussée (habituellement 70 à 80 %), tandis que le noyau fournit la poussée restante et conduit la turbine du ventilateur. Cette division de travail donne aux moteurs à haut débit leur avantage d'efficacité : l'efficacité propulsive – la mesure de l'efficacité de la poussée du moteur se convertit en impulsion de l'aéronef – se lève lorsque la vitesse d'échappement du jet est plus proche de la vitesse de vol. En déplaçant un grand flux d'air à faible vitesse, le moteur à haut débit atteint une efficacité propulsive plus élevée qu'un turbojet ou un turbofan à bas débit, en particulier aux vitesses de croisière subsoniques typiques des avions (Mach 0.78 à 0.85).

La physique de l'efficacité énergétique

Consommation spécifique de carburant (TSFC)

Pour un niveau de poussée donné, une TSFC inférieure signifie moins de combustible brûlé. Les moteurs à haut régime atteignent des valeurs de TSFC d'environ 30 à 40 % inférieures à celles des premiers turbofans à bas régime. Par exemple, un moteur moderne comme le Rolls-Royce Trent XWB possède une TSFC d'environ 0,55 à 0,60 lb/(lbf·h) en croisière, alors qu'un JT9D (Boeing 747) de 1970 (de 0.75 à 0.80). Cette amélioration est due à plusieurs facteurs d'interaction.

Efficacité propulsive

L'efficacité propulsive (ηp) est donnée approximativement par ηp[ = 2 / (1 + Vj/V0), où V[j est la vitesse du jet d'échappement et V0 est la vitesse du vol. Pour augmenter ηp, la vitesse du jet devrait être aussi proche que possible de la vitesse du vol. Les moteurs à bas régime et les turboréacteurs ont une vitesse élevée Vj], ce qui signifie que plus d'énergie cinétique est gaspillée dans les gaz d'échappement.

Efficacité thermique

L'autre moitié de l'équation est l'efficacité thermique (ηth), qui dépend du cycle thermodynamique du noyau, en particulier du rapport de pression global (OPR) et de la température d'entrée de turbine (TIT). Les moteurs modernes à haut passage combinent des OPR très élevés (40:1 à 60:1) et des TIT proches de 2000 K, activés par des superalliages avancés et des pales de turbine monocristalline. La combinaison de ηth (convertissant l'énergie du combustible en puissance de l'arbre de noyau) et de ηp (convertissant cette puissance de l'arbre en énergie cinétique de l'aéronef) donne lieu à la faible TFC observée en service.

Principaux mécanismes d ' efficacité énergétique

Ratio de dérivation et conception du ventilateur

Le levier le plus évident est d'augmenter le ratio de contournement lui-même. Cependant, il ne suffit pas de faire augmenter le ventilateur pour le déjeuner. Un ventilateur plus grand augmente le poids, la surface mouillée et la traînée de nacelle. Les pales du ventilateur doivent également être extrêmement fortes et légères – souvent faites de matériaux composites (par exemple, General Electric=S les pales de nacelle composite de fibre de carbone sur le GE90) ou de titane creux. La conception de la lame, y compris le balayage et le maigre, est optimisée pour minimiser le bruit et maximiser l'uniformité de débit à la sortie du ventilateur.

Turbine basse pression et efficacité de base

Dans un turbofan à entraînement direct classique, la turbine LP doit fonctionner à la même vitesse que le ventilateur, ce qui est un compromis. Les turbofans enroulés éliminent ce compromis. Dans un moteur à haut régime, la turbine LP est souvent une conception à plusieurs étages avec une aérodynamique avancée et un contrôle actif de dégagement pour maintenir les dégagements de pointe pendant la croisière, réduisant ainsi les pertes de fuite.

Optimisation de la nacelle et de l'installation

La nacelle qui entoure le ventilateur n'est pas seulement une housse; c'est un composant aérodynamique qui doit réduire au minimum la traînée et gérer le flux dans le ventilateur et autour du moteur. Des caractéristiques telles que les chevrons à la sortie de la buse (bords de fuites enserrés) aident à mélanger l'échappement du cœur chaud avec l'air du ventilateur plus frais pour réduire le bruit du jet. La nacelle abrite également l'inverseur de poussée, les doublures antibruit et souvent une buse de ventilateur variable pour optimiser les performances du ventilateur dans différentes conditions de vol. Les conceptions modernes de nacelle, comme celles de l'Airbus A350, contribuent à une amélioration de 1 à 2 % de la combustion du carburant par rapport aux conceptions antérieures.

Matériaux et refroidissement

Les températures d'entrée de turbine plus élevées améliorent directement l'efficacité thermique, mais elles exigent des matériaux avancés et des systèmes de refroidissement. Les superalliages monocristallins à base de nickel, les composites céramiques à matrice (CMC) et les revêtements de barrière thermique permettent aux pales de turbine de résister à une chaleur extrême. Les passages de refroidissement internes utilisent l'air saigné du compresseur pour maintenir la température des métaux en dessous du point de fusion.

Impact sur la conception et l'exploitation des aéronefs

L'adoption de moteurs à haut pont a modifié la conception des avions de plusieurs façons. D'abord, le diamètre du ventilateur plus grand oblige le moteur à être monté plus en avant sur l'aile pour maintenir la garde au sol, ce qui déplace également le centre de gravité de l'aile et affecte les charges structurales. Deuxièmement, le poids accru du moteur (du fait de son ventilateur plus grand et de sa nacelle) doit être compensé par des matériaux de la cellule plus légers, tels que le polymère renforcé par les fibres de carbone (CFRP) utilisé dans les Boeing 787 et Airbus A350.

Sur le plan opérationnel, les moteurs à haut débit permettent aux compagnies aériennes de réduire les coûts de carburant, qui représentent généralement 25 à 35 % des dépenses d'exploitation, ce qui a un impact direct sur le prix des billets et la rentabilité de la route. De plus, la moindre empreinte sonore (à la fois perçue comme du bruit et du bruit perçu par EPNL, niveau de bruit perçu efficace) permet aux aéronefs d'opérer dans des aéroports à couvre-feux sonores stricts, comme London Heathrow ou l'aéroport John Wayne.

Exemples et données de performance dans le monde réel

Général électrique GE90 et GE9X

Le GE90, qui alimente le Boeing 777-300ER, a été l'un des premiers moteurs à atteindre un rapport de contournement supérieur à 9:1 et un diamètre du ventilateur supérieur à 3,2 m. Il a une TSFC d'environ 15 % inférieure à celle du PW4000 précédent sur le même aéronef. Le GE9X, qui a succédé, avec un ventilateur de 3,4 m et un rapport de contournement de 10:1, est censé offrir une autre amélioration de 10 % de la combustion de carburant par rapport au GE90, en partie en raison de l'utilisation de CMC et d'un RPT plus élevé (60:1).

Rouleaux-Royce Trent XWB

Le Trent XWB, exclusif à l'Airbus A350, a un ratio de contournement autour de 9,6:1 et un TSFC d'environ 0,55 lb/(lbf·h) en croisière. Il dispose d'une architecture à trois arbres (contrairement à la conception GE-S bi-arbres), qui, selon certains, offre une meilleure flexibilité dans la combinaison des régimes compresseur et turbine.

Pratt & Whitney PW1000G Turbofan en vitesse

La famille PW1000G (également connue sous le nom de PurePower) alimente l'Airbus A220 et l'A320neo, entre autres. C'est le premier turbofan à large déploiement, avec un ratio de contournement de 12:1 sur la plus grande variante. La boîte de vitesses réduit la vitesse du ventilateur à environ 60% de la vitesse de la turbine LP. Cela se traduit par une réduction de 16% de la combustion de carburant et une réduction de 50% de l'empreinte sonore par rapport aux moteurs précédents comme le CFM56.

Pour obtenir des données faisant autorité sur les performances du moteur, les lecteurs peuvent consulter la page du certificat de type EASA ou la page NASA Aviation Systems Capabilities[ pour les repères de bruit et d'émissions.

Avantages environnementaux et économiques

Un moteur à haut débit qui brûle 20 % moins de carburant par kilomètre-passe réduit l'empreinte carbone de la compagnie aérienne de la même proportion. Ceci est critique car l'aviation fait face à une pression pour obtenir des émissions nettes nulles d'ici 2050. De plus, les moteurs à haut débit produisent des émissions d'oxyde d'azote (NOx) plus faibles grâce à des combustibles à combustion maigre (par exemple TALON, Twin Annular Pre-Swirl).

Sur le plan économique, les économies de carburant par avion sur une durée de vie de 20 ans peuvent être de dizaines de millions de dollars. Pour une flotte importante, cela représente des centaines de millions. Les compagnies aériennes peuvent faire des économies aux passagers, mais les moteurs à haut débit permettent également aux compagnies aériennes d'exploiter des routes plus minces (p. ex., des vols à courte portée à corps étroit).

Développements et innovations futurs

La poursuite de rapports de contournement toujours plus élevés se poursuit, mais les ingénieurs approchent les limites pratiques : un ventilateur de plus de ~3,6 m devient trop lourd et crée des défis d'installation. La prochaine frontière peut être les moteurs à rotor ouvert (ventilateur non entraîné), qui n'ont pas de nacelle et peuvent atteindre BPR de 20:1 ou plus. Le Concept général électrique / NASA à ventilateur ouvert promet une autre réduction de 10 à 15 % de la combustion de carburant, mais le bruit et les problèmes de certification demeurent.

Bien que les batteries ne puissent pas encore correspondre à la densité énergétique du carburant à réaction, un système hybride pourrait utiliser une turbine à gaz pour alimenter un générateur qui alimente les ventilateurs électriques, permettant au noyau de fonctionner à son point le plus efficace, indépendamment de la demande de poussée. La combustion d'hydrogène et les piles à combustible sont également à l'horizon, mais elles nécessitent des conceptions de cellule et d'infrastructure entièrement nouvelles.

À court terme (les 15 prochaines années), les améliorations progressives – plus élevées en RPO, meilleurs matériaux, revêtements avancés, contrôle actif de la décharge et optimisation numérique double – donneront probablement 1 à 2 % par an de gains d'efficacité énergétique. Le turbofan à haut débit restera le moteur d'aviation commercial dominant au moins en 2040, mais son évolution est loin d'être achevée.

Conclusion

En déplaçant des volumes énormes d'air à vitesse modérée plutôt qu'un petit jet à vitesse élevée, ils obtiennent une efficacité propulsive qui a réduit la consommation de carburant de plus d'un tiers par rapport aux modèles précédents. Combinés aux progrès de l'efficacité thermique, des matériaux et de l'aérodynamique de base, ces moteurs ont permis le voyage aérien à longue distance, à faible coût et de plus en plus durable sur lequel nous comptons aujourd'hui.