LA PROPULSION

Rappel:

Tous les systèmes de propulsion aéronautiques et spatiaux utilisent le principe d'action et de réaction.

Ce principe nous dit ceci :

Si un objet A exerce une force sur un objet B, B exercera une force rigoureusement de même intensité en direction de A.

Exemple : Metez des patins à roulettes, et prenez un ballon, de préférence assez lourd ou une boule de bowling par exemple. Lancez le ballon ou la boule le plus violemment possible devant vous. Résultat : vous reculez.

Que se passe-t-il ? vos mains ont appliqué une force de, par exemple, 98.1 N (10Kg) sur le ballon ou la boule et vous avez donc reçu, de sa part, une force de 9.81 N (10Kg) dirigée, cette fois vers vous (donc en sens contraire), qui vous a fait reculer (les patins servant à empêcher vos pieds d'adhérer au sol pour vous laisser reculer librement).

La même chose se passe si l'on remplace le ballon par un tuyau d'arrosage (sous forte pression quand même). Sauf que, cette fois, au lieu de lancer un ballon, vous "lancez" une multitude de molécules d'eau. Une "rafale" de" ballons" hypermicroscopiques, en quelque sorte (les molécules).

La fusée est l'exemple type de la propulsion par réaction, et contrairement à une idée fausse mais tenace, elle ne marche pas en ayant son jet qui "s'appuie" sur quelque chose, mais pour bien le comprendre, il faut revenir au patineur et à son ballon.

Si vous lancez un ballon en étant sur des patins (à glace ou à roulettes, peu importe), vous reculez EN LANCANT le ballon (c'est à dire : PENDANT que votre main pousse sur le ballon pour l'accélérer) et PAS pendant qu'il traverse l'air ni quand il frappe, par exemple, le mur du fond.

Si vous aviez un million de bras pour lancer un milion de ballons en rafale, chaque ballon vous repousserait au moment du lancé, et, un observateur vous regardant de si loin que la rafale de ballon lui semblerait continue aurait tort de croire que c'est le mur du fond qui vous repousse en appuyant sur une imaginaire colonne de ballon!

Les ballons successifs ne se touchent pas, ils ne constituent pas un milieu continu, c'est pareil pour les gaz de la fusée, ils poussent la fusée PENDANT LEUR EJECTION et PAS en s'appuyant sur le sol, ou sur tout autre support extérieur!!

OOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOO

Tout est une question d'efficacité de la propulsion. Si l'on veut parvenir à réaliser "l'avion spatial", il faut pouvoir faire plus avec moins de consommation.

Il éxiste une grandeur qui détermine bien le rendement d'un moteur fusée, c'est : L'IMPULSION SPECIFIQUE (pour faire court, on écrit : ISP).

L'impulsion spécifique est le temps (en seconde) pendant lequel 1 kg de propergol donne une poussée de 1 kg (9.81 Newtons pour être précis).

Ex : le couple de propergol, oxygène liquide + hydrogène liquide, donne une impulsion spécifique de plus ou moins 400 secondes. Ce qui signifie que 1 kg de ce mélange donne une poussée de 1 kg pendant 400 secondes, ou 10 kg pendant 40 secondes, ou 100 kg pendant 4 secondes.

Aucune fusée n'emporte si peu (1 kg), mais, en gardant les proportions, cela donne : 100 tonnes de ce mélange donne une poussée de 100 tonnes pendant 400 secondes ou 1000 tonnes pendant 40 secondes etc...

Ce n'est pas mal, mais encore insuffisant pour atteindre l'espace comme on prend le bus.

Dans le domaine exclusif de la conquête spatiale, des projets de moteurs ioniques, plasmiques, nucléaires ou autres, permettant d'espérer des ISP de plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de secondes éxistent; nous y reviendront à la fin du chapitre propulsion.

La propulsion atmosphérique aussi est appelée à progresser. Dans notre exemple, même avec 12000 km/h en atmosphère, notre "avion" n'était pas convaincant.

Pourtant, la phase atmosphérique peut se révéler intéressante, du fait que l'atmosphère nous apporte le comburant gratuitement (l'oxygène de l'air), l'impulsion spécifique n'est calculée que sur la consommation de carburant, la masse de comburant étant ignorée dans le calcul.

Résultat : on obtient des impulsions spécifiques avantageuses : près de 4000 secondes pour un statoréacteur au dessus de Mach 3. Reste... à aller beaucoup plus vite, c'est là que cela devient très difficile.

Nous allons donc nous intéresser à la propulsion atmosphérique EN GENERAL en commençant, bien sûr, par la plus connue, et apparemment la plus simple : l'hélice.

LA PROPULSION PAR HELICE.

L'hélice est un dispositif rotatif, formé d'un certain nombre de pales ayant profil d'aile, qui crée une dépression devant elle et une surpression derrière elle. ET qui, comme les ailes, accélère des masses d'air (voir : comment ça vole ou: la portance). Sauf que les ailes le font de haut en bas, et les pales d'hélice, d'avant en arrière.

On peut d'ailleur considérer l'action d'une hélice, aussi bien sous l'aspect, différence de pression, que sous l'aspect accélération d'une masse d'air. Dans ce dernier cas, l'hélice étant considérée comme un dispositif qui accélère un gaz (l'air), on peut, comme pour la fusée calculer sa traction par la formule : F = débit fois vitesse d'éjection, ou plus précisément, dans ce cas : le débit multiplié par la DIFFERENCE de vitesse de l'air entre l'amont et l'aval de l'hélice. C'est encore le principe d'action et réaction, mais on est moins près du patineur lanceur de ballon que du rameur.

Comme une aile, une pale d'hélice a un profil portant :

Et, comme une aile, une pale d'hélice a un angle de calage qu'on appelle : le pas.

Comme pour une aile, si l'angle d'attaque est trop important, il y a risque de décrochage (l'angle d'attaque d'une pale d'hélice dépend du pas et de la vitesse de l'avion).

Comme pour une aile, si l'angle d'attaque est trop peu important, la portance (pour une aile), ou la traction (pour une pale d'hélice) disparait.

Le pas de l'hélice doit donc être judicieusement bien choisi, et tenir compte de la vitesse de vol, comme on peut le voir ici :

En tournant, les pales se déplacent selon Vr (vitesse de rotation). L'avion, lui, vole suivant V_d (vitesse de déplacement de l'avion). Par combinaison des vitesses lorsque l'avion est en vol (V_d non nul), les pales se déplacent réellement selon la résultante R.

Le vent relatif vient donc sur la pale suivant R, mais en sens INVERSE de la flèche (le vent relatif vient toujours en sens inverse du déplacement). Donc, si l'angle de calage au départ (le pas) est représenté par, l'angle d'attaque REEL des pales est.

On peut donc conclure que :

En (1), V_d est trop grand, ou trop petit, mais l'angle est "en dessous" de R, et tout se passe comme sur une aile dont l'angle d'attaque serait négatif (pas de portance, au contraire).

Il s'agit, ici, d'un exemple théorique, pour montrer le rapport entre le pas et la vitesse de vol.. Dans la réalité, une telle situation a bien peu de chance de se présenter. En effet, l'avion ne pourra jamais dépasser la vitesse maximum correspondant à son pas et son régime moteur. La seule façon d'y parvenir serait d'atteindre d'abord une vitesse élevée (avec le pas ad hoc), puis de réduire subitement le pas.

Les solutions pour corriger la situation (1) sont donc : soit augmenter , soit de diminuer V_d.

En (2), l'angle est le même qu'en (1), mais V_d est plus petit, si bien que l'angle est positif par rapport à R, sans pour autant être trop grand. C'est parfait.

En (3), l'angle est nettement plus grand et V_d est encore plus petit; si bien que l'angle est, cette fois beaucoup trop grand. Les pales vont, sans doute, décrocher comme une aile à trop grand angle d'attaque (voir : comment ça vole ou: la portance).

En (4), le rapport entre la valeur de , et la vitesse de vol (V_d) est de nouveau conforme au bon fonctionnement de l'hélice. ET V_d sont grands.

Pour qu'une hélice fonctionne bien, il faut un bon rapport entre le pas et la vitesse. Ce bon rapport n'est pas un chiffre, c'est une fourchette entre 2 chiffres.

Pour cela, deux choix éxistent.

Soit, une hélice à pas fixe, avec un pas, disons moyen, compatible avec une vitesse de vol nulle (pour le début du décollage), et optimisé pour une vitesse de croisière forcément limitée puisque la fourchette de fonctionnement commence à 0 km/h.

Soit une hélice à pas VARIABLE adaptable à toute situation (en 5). Dans ce cas, le pilote augmente le pas au fur et à mesure de l'augmentation de la vitesse de l'avion (et vice versa), grace à une commande agissant sur un dispositif à engrenage logé dans le moyeu de l'hélice.

On peut voir ici, l'orifice, situé au pied de la pale, dans lequel elle pivote.