Comparaison de la production de poussées dans les moteurs à réaction versus turboprops

La physique de la propulsion : les fondamentaux de la poussée

Au niveau le plus fondamental, la poussée résulte de l'accélération d'une masse d'air ou de gaz d'échappement dans la direction opposée du voyage, une application directe de la troisième loi de Newton: pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. L'expression mathématique de la poussée est donnée par F = . – _inlet[) + (p_]exit – p_inlet] × A], où . _{est le débit massique de l'air à travers le moteur, V][exit]]]][FLT:]][FLT:[FLT:][}

Dans un moteur à réaction, la poussée est générée principalement par la création d'un courant d'échappement à grande vitesse. Le moteur ingère de l'air, le compresse, ajoute du carburant et brûle le mélange, produisant des gaz chauds qui s'étendent et accélèrent par une buse. La vitesse élevée d'échappement entraîne un grand changement de vitesse par unité de masse d'air, ce qui entraîne une poussée élevée par unité de débit d'air. En revanche, un turbopropulseur utilise une turbine à gaz pour conduire une hélice, qui accélère une masse d'air beaucoup plus grande à une vitesse plus faible.

La compréhension de ces approches contrastées est essentielle pour choisir le bon système de propulsion pour un profil de mission donné. Le moteur à réaction excelle à des vitesses et altitudes élevées où sa vitesse d'échappement élevée devient un avantage, tandis que le turbopropulseur offre une efficacité propulsive supérieure à des vitesses et altitudes inférieures car il donne moins de perte d'énergie cinétique au sillage.

Moteurs à réaction : génération de poussées à grande vitesse

Cycle à turbojet

Le turbojet est la forme la plus simple d'un moteur à turbine à gaz utilisé pour la propulsion des aéronefs. L'air entre par une entrée, passe dans un compresseur où il est comprimé à haute pression, puis se déverse dans une chambre de combustion où le carburant est injecté et brûlé en continu. Le gaz à haute température et à haute pression qui en résulte se développe à travers une turbine, qui extrait suffisamment de puissance pour conduire le compresseur.

La puissance de poussée dans un turboréacteur dépend fortement de la vitesse d'échappement par rapport à la vitesse avant de l'avion. Comme le compresseur et la turbine sont conçus pour des rapports haute pression, les turboréacteurs atteignent des vitesses d'échappement qui peuvent dépasser Mach 2 au niveau de la mer et Mach 3 ou plus dans les variantes militaires après combustion. Cependant, cela a un coût : la haute énergie cinétique de l'échappement représente une perte importante d'efficacité thermodynamique, en particulier à basse vitesse de vol. Les turboréacteurs ont été largement remplacés par des turboréacteurs dans l'aviation commerciale, mais ils demeurent importants dans les avions et missiles militaires supersoniques.

Évolution du turbofan

Un turbofan ajoute un grand ventilateur conduit à l'avant du moteur, entraîné par une turbine à basse pression supplémentaire. Le ventilateur accélère une partie de l'air entrant autour du cœur (le par le débit), tandis que le reste entre dans le cœur pour être brûlé. Le rapport de contournement (RB) compare le débit massique de l'air de contournement à celui à travers le cœur. Les turbofans à haut rapport de contournement (RBP 8-12) sont communs aux avions modernes comme le Boeing 787 et Airbus A350, où le ventilateur produit environ 80 à 90 % de la poussée totale.

En accélérant une masse d'air plus grande à une vitesse inférieure à celle d'un turboréacteur pur, le moteur perd moins d'énergie dans les gaz d'échappement, ce qui réduit la consommation de carburant spécifique (SFC) tout en offrant une poussée élevée pour le décollage et la montée. L'échange augmente la surface et le poids frontaux, ce qui limite la vitesse maximale à environ 0,85–0,90 – plus rapide que les turboréacteurs turbopropulsés mais plus lent que les turboréacteurs supersoniques. Les turboréacteurs fonctionnent également efficacement à haute altitude (35 000–40 000 pi) où l'air est mince, car le ventilateur peut encore ingérer un grand volume d'air.

Production de poussées dans les moteurs à réaction : facteurs clés

• Débit de masse (=) :[ Plus d'air à travers le moteur augmente la poussée. Le rapport de pression du compresseur et le diamètre du ventilateur sont les principaux déterminants.
• Vacilité d'échappement (V_sortie):[La vitesse de sortie plus élevée augmente la poussée mais réduit l'efficacité.
• Conception du nez:[ Les buses convergentes étouffent le débit à Mach 1; les buses convergentes-divergences permettent une expansion supersonique pour les moteurs après combustion.
• Après-brûleurs:[ Le carburant supplémentaire injecté dans le conduit d'échappement augmente la poussée d'environ 50% pour les turboréacteurs, mais avec une forte pénalité de débit de carburant.

Les turbofans modernes atteignent des niveaux de poussée de 20 000 à plus de 100 000 lbf (89-445 kN). Le turbofan orienté Pratt & Whitney PW1000G, par exemple, utilise une boîte de vitesses de réduction entre le ventilateur et la turbine basse pression, permettant à la fois de fonctionner à leur vitesse optimale.

Turboprops: débit de masse élevé, poussée de vitesse faible

Core à turbine à gaz avec un hélice

Un turbopropulseur est constitué d'un noyau de turbine à gaz semblable à celui d'un turboréacteur, mais la turbine extrait la plus grande partie de l'énergie thermique de l'échappement pour tourner un arbre. Cet arbre entraîne une boîte de vitesse de réduction, qui tourne à son tour une grande hélice multi-lames à une vitesse beaucoup plus faible que la turbine, généralement 1000–2000 RPM pour les grandes hélices contre 10 000–15 000 RPM pour la turbine de puissance.

La poussée d'un turbopropulseur est fondamentalement différente d'un moteur à réaction. L'hélice accélère un volume important d'air vers l'arrière, mais la vitesse augmente modestement, généralement de 50 à 150 noeuds plus vite que le courant d'air. Comme le changement de régime est réparti sur un débit massique beaucoup plus important, le turbopropulseur réalise une poussée élevée à basse vitesse vers l'avant, ce qui le rend particulièrement efficace pour le décollage et la montée initiale.

Efficacité propulsive et rôle de l'hélice

Pour un niveau de poussée donné, accélérer une grande masse d'air à une petite augmentation de vitesse donne une valeur plus élevée η_p que d'accélérer une petite masse à une vitesse élevée. Les turbopropulseurs fonctionnent dans l'endroit où les vitesses de vol sont inférieures à Mach 0,6–0,7 (400–500 mph). À de telles vitesses, l'hélice peut maintenir un rapport d'avance élevé (vitesse de vol divisée par la vitesse de pointe de l'hélice) et éviter les pertes de compressibilité sur les extrémités de la pale.

Un autre paramètre critique est charge de disque[—détruire par unité de surface balayée par l'hélice. Les turbopropulseurs ont une charge de disque faible (environ 50–150 lb/ft2) par rapport à un turbojet haute charge de disque (en milliers de lb/ft2). La faible charge de disque produit une augmentation de vitesse plus faible dans le courant de glissement, ce qui réduit la traînée et le bruit induit.

Composants de la poussée de turbopropulsés

• Propulseur : La majeure partie de la force, générée par le levage de la lame. Les hélices à pas contrôlable (vitesse constante) optimisent l'angle de lame pour diverses phases de vol.
• Propulseur à réaction résiduel:[ Les gaz d'échappement provenant de la sortie de la turbine par une buse, ce qui contribue de 5 à 15 % à la poussée totale, plus perceptible aux réglages de puissance élevée.
• La boîte de vitesses de réduction :[ permet à la turbine de fonctionner à grande vitesse (efficace pour le cycle du gaz) tandis que l'hélice fonctionne à vitesse plus faible (efficace sur le plan aérodynamique).

Les turbopropulseurs modernes comme le Pratt & Whitney Canada PT6A et la série GE H80 produisent une puissance d'arbre de 500 à 5 000 shp (373–3 728 kW). La poussée au décollage qui en résulte peut atteindre 2 000 à 15 000 lbf (9–67 kN), selon l'aéronef. Par exemple, le turbopropulseur régional ATR 72-600 utilise deux moteurs PW127M produisant chacun 2 750 shp, générant une poussée combinée de décollage d'environ 12 000 lbf.

Comparaison directe: Jet Engine vs Turboprop Thrust

Parameter	Turbojet / Turbofan (Jet)	Turboprop
Primary thrust mechanism	High-velocity exhaust gas jet	Propeller accelerating large air mass
Exhaust velocity	800–2,000+ mph (subsonic/supersonic)	50–150 mph increase above flight speed
Mass flow processed	Moderate (core + bypass)	Very high (propeller swept area)
Specific thrust (thrust per unit airflow)	High	Low
Propulsive efficiency sweet spot	Mach 0.7–0.95 (turbofan); supersonic (turbojet)	Mach 0.2–0.6
Optimum altitude	30,000–45,000 ft	10,000–25,000 ft
Thrust specific fuel consumption (TSFC)	0.3–0.6 lbm/lbf-hr at cruise	0.45–0.7 lbm/lbf-hr (but higher at low speeds)
Noise levels	High jet noise; fan noise dominant in turbofans	Lower noise (propeller tip speed controlled)
Thrust-to-weight ratio (engine only)	5:1 to 8:1 (turbofan)	2:1 to 4:1 (including gearbox & propeller)
Typical applications	Long-range airliners, business jets, fighters	Regional airliners, cargo feeders, utility aircraft

Le tableau souligne que les moteurs à réaction dominent lorsque des vitesses élevées et des altitudes élevées sont nécessaires, tandis que les turbopropulseurs offrent une meilleure économie de carburant dans les régimes plus faibles et plus lents. Cependant, il y a chevauchement : certains turbofans modernes peuvent fonctionner efficacement à des altitudes plus basses (p. ex., les CF34 sur les avions régionaux), et les turbopropulseurs avancés comme l'Europrop TP400-D6 sur l'A400M peuvent naviguer à Mach 0.72 en poussant dans le territoire inférieur du turbofan.

Considérations avancées dans la génération de poussées

Ratio de dérivation et efficacité propulsive

Le ratio de contournement (BPR) est le paramètre de conception le plus important qui distingue les moteurs à réaction des turbopropulseurs, et même des familles de turbofans différentes. Un turbofan à haut régime (BPR > 10) se comporte presque comme un turboprop en conduit : le ventilateur fonctionne de la même manière qu'une hélice mais est enfermé dans une nacelle. La différence fondamentale est que le ventilateur fonctionne à des vitesses de pointe plus élevées (supérieures aux pointes de certains modèles) et est optimisé pour des nombres de Mach plus élevés en vol. BPR augmente, l'efficacité propulsive s'améliore, mais le moteur devient plus lourd et plus volumineux. Cette convergence a conduit à des concepts comme le rotor ouvert (ventilateur non entraîné), qui est essentiellement un turbofan à très haut débit sans conduit, offrant une efficacité de type turboprop aux vitesses de turbofan.

Le NASA Glenn Research Center fournit d'excellentes ressources éducatives sur l'efficacité propulsive et les compromis entre la propulsion par jet et par hélice. Leurs tutoriels en ligne expliquent comment l'équation d'efficacité de Froude relie directement la génération de poussée à la différence de vitesse à travers le dispositif de propulsion.

Efficacité thermique vs Efficacité propulsive

Les performances du moteur sont le produit de deux rendements : efficacité thermique[ (comment la chaleur du carburant est convertie en énergie mécanique) et efficacité propulseuse[ (comment l'énergie mécanique est convertie en poussée).Les moteurs à réaction et les turbopropulseurs ont des rendements thermiques similaires (30–35 % en croisière) parce qu'ils partagent le même cycle thermodynamique de Brayton. La différence réside dans l'efficacité propulseuse. À une vitesse de croisière typique de Mach 0,5, une hélice bien conçue peut atteindre un rendement propulseur supérieur à 85 %, alors qu'un turbofan à haute vitesse à Mach 0,8 pourrait gérer 75–80 %.

Cependant, à mesure que la vitesse de vol augmente au-delà de Mach 0,7, l'efficacité de l'hélice diminue fortement en raison des effets de compression sur les pales (les ondes de choc se forment). Le ventilateur canalisé de turbofans, avec sa plus grande solidité et son diamètre plus petit, peut maintenir l'efficacité jusqu'à Mach 0,9. De plus, à haute altitude (au-dessus de 30 000 pi), un turbofans plus élevé coule en masse à travers le noyau et le ventilateur compense pour l'air mince, tandis qu'une hélice diminue parce que la densité de l'air est plus faible et que le nombre de lames de Reynolds diminue.

Consommation spécifique de carburant (TSFC) en détail

Pour un turbofan typique en croisière, la TSFC est d'environ 0,55 lbm/lbf-h. Pour un turbopropulseur, la valeur métrique équivalente est souvent donnée comme consommation de carburant spécifique au frein (BSFC) en lbm/hp-h, car la majeure partie de la poussée passe par l'arbre de l'hélice. Pour comparer les pommes aux applications, il faut convertir la puissance de l'arbre en poussée en utilisant l'efficacité de l'hélice. À des altitudes modérées, un turbopropulseur (appelé poussée) peut être 0,45–0,50 lbm/lbf-h, soit environ 10–20 % de mieux qu'un turbofan comparable. Cet avantage se rétrécit à des vitesses plus élevées et disparaît entièrement à Mach 0,8.

Les forums Airliners.net accueillent souvent des comparaisons précises de pilotes et d'ingénieurs dans le monde réel, illustrant que pour un vol régional de 200 milles nautiques, un turbopropulseur comme le Bombardier Q400 brûle environ 40 % moins de carburant par siège qu'un avion régional comme l'Embraer E175.

Sélection du moteur droit de la mission

Les concepteurs d'aéronefs évaluent de nombreux facteurs lors du choix entre les moteurs à réaction et les turbopropulseurs :

• Longueur de l'étage:[ Sous 500 nm, les turbopropulseurs gagnent généralement en carburant. Plus de 1 000 nm, les jets sont plus efficaces dans le temps et la vitesse plus élevée réduit les coûts de l'équipage par voyage.
• altitude de croisière: Les turbopropulseurs s'élèvent autour de 25 000 à 30 000 pieds en raison de la performance de l'hélice; les avions peuvent voler à plus de 40 000 pieds, évitant ainsi les conditions météorologiques et la circulation.
• Longueur de la voie: Les turbopropulseurs ont de meilleures performances en champ court parce que l'hélice produit une poussée statique élevée (flûte à vitesse nulle) et que la capacité de tangage inverse aide au freinage.
• Nuisances sonores et vibrations de cabine: Les turbopropulseurs sont plus bruyants et plus soumis à des vibrations (bien que les conceptions modernes comme l'ATR 42/72 utilisent des hélices à six lames et l'annulation active du bruit).
• Attestation et entretien:[ Les turbopropulseurs ont généralement des coûts de révision plus faibles par heure de vol que les moteurs à réaction, en partie parce qu'ils fonctionnent à des températures et des pressions plus basses.

Par exemple, la famille ATR est un point de référence pour l'efficacité des turbopropulseurs sur les routes régionales, tandis que le Boeing 737 MAX avec ses turbofans CFM LEAP-1B est optimisé pour des missions plus longues et plus hautes.

Conclusion

Les moteurs à réaction et les turbopropulseurs génèrent tous deux une poussée en accélérant l'air vers l'arrière, en respectant la troisième loi de Newton, mais ils atteignent cette accélération par des moyens fondamentalement différents. Les turbopropulseurs, en particulier les turbofans modernes, créent des flux d'échappement à haute vitesse qui fournissent une poussée immense à des vitesses et altitudes élevées, ce qui les rend indispensables pour les avions à longue portée et à haute performance.

Les compagnies aériennes régionales, les opérateurs de fret et les pilotes de services publics apprécient la faible consommation de carburant et la capacité de court-circuit. Les compagnies aériennes qui servent des routes plus longues avec une demande de passagers plus dense choisissent la vitesse, l'altitude et le confort des passagers. La technologie de propulsion continue d'évoluer, avec les avancées dans les turbofans orientés, les concepts de rotor ouvert et les architectures électriques hybrides, la ligne entre la génération de poussées de jet et de turboprop sera encore plus floue. Pourtant, la physique sous-jacente restera : la poussée est toujours une question de changement de moment, et l'art de la conception des moteurs décide de la masse à déplacer et de la vitesse à laquelle elle se déplace.