21 novembre 2007
La postcombustion
La post-combustion est l'appellation du système permettant d'augmenter la puissance fournie par un turbo-réacteur [1]. Pour comprendre le fonctionnement de ce système, il faudrait comprendre au début comment un turbo-réacteur fonctionne.
Turboréacteurs: Principe de fonctionnement
A la base, un turboréacteur est un système de propulsion par réaction produite par éjection de gaz de combustion d'un carburant. Il a la particularité d'utiliser une partie de l'énergie de ces gaz pour comprimer l'air utilisé comme comburant [2]. Quand j'étais enfant, je m'amusais à remplir un ballon en air et le laisser échapper d'un seul coup. En effet, la sortie de l'air comprimé par une petite orifice (l'ouverture du ballon) produit une force de même direction mais opposée en sens à celle de l'éjection du gaz ce qui permet au ballon rempli d'air de voler quelques secondes comme une fusée jusqu'à ce que tout le gaz y échappe. A l'époque, je n'imaginais pas les éventuelles utilisations pratiques d'un tel principe basique. Le même effet que l'on observe lorsqu'on échauffe un tube à essai contenant de l'eau et fermé avec une bouchon peu solide. A près un certain temps de chauffage, la bouchon s'éjecte comme une projectile. Ceci est dû à la vapeur produite suite à l'ébullition de l'eau causant une augmentation de la pression interne du tube. Cette pression tend à échapper en augmentant la force que subit la bouchon.
Un turbo-réacteur réalise une propulsion au même titre qu'une hélice, à ceci près qu'elle se sert également d'une réaction chimique de combustion pour récupérer l'énergie en partie pour faire tourner cette hélice et en partie pour éjecter des gaz à grande vitesse. C’est un moteur à réaction qui fait avancer l’avion par réaction (par opposition à action) d'un gaz sur les parois du moteur. C’est la variation de vitesse de l’air entre l’avant et l’arrière du réacteur, due aux différentes aubes et à la combustion, qui produit la force de poussée (Fp = Q.(Vs – Ve) est la formule simplifiée de la poussée, avec Q le débit masse de l’air admis, Vs la vitesse du gaz en sortie et Ve la vitesse du gaz en entrée). On peut le considérer comme un moteur à hélice grandement améliorée. Son fonctionnement est divisé en 4 parties [3]:
Une admission: Il s'agit de la phase d'aspiration de l'air par le ou les entrées du turboréacteur.
Une compression: la masse d'air réçue est ensuite comprimée par un compresseur afin d'augmenter la pression de la masse des gaz.
Une combustion: dans la chambre de combustion, le carburant et l'air sont constamment mélangés en présence d'une flamme. La température de la masse d'air et donc sa pression augmentent donc considérablement.
Une détente: La masse des gaz chaude et hautement compressée est à la fin ejectée par une tuyère. La section limitée de la tuyère augmente la force et donc la vitesse d'échappement des gaz ce qui permet d'augmenter considérablement la poussée de l'avion.
Le turboréacteur est donc composé par plusieurs éléments:
Le ou les entrées d'air (air inlet): c'est l'entrée qui permet au turboréacteur d'aspirer l'air. Elle est généralement placée en direction du mouvement de l'avion (voir figure I).
Le compresseur (compressors): il s'agit d'une chambre de compression avec une ou plusieurs turbines qui en tournant compriment le flux d'air entrant et augmentent sa vitesse (exemples en figure II et III).
La chambre de combustion (combustion chamber): il s'agit du compartiment dans lequel le carburant est enflamé et mélangé avec l'air (voir figure II et IV).
Une zone de détente (turbine): qui permet d'abaisser la pression des gaz tout en transférant une partie de leur énergie vers l'arbre du compresseur pour le faire tourner.
Une tuyère d'éjection (exhaust nozzle): qui, par une forme évasée, continue la détente et transforme l’énergie de pression en énergie cinétique avant d’éjecter le flux d’air (voir figure II et IV).
Figure I: Prise d'air dorsale de la fameuse B2
Figure II: Schéma d'un compresseur axial
Figure III: Une coupe d'un réacteur montrant les arbres tournant de son compresseur axial
Figure IV: Principe de fonctionnement d'un turboréacteur
Il existe des turboréacteurs dits à simple flux alors que d'autres sont dits à double flux. Les turboréacteurs des figures II et IV sont à simple flux alors que ceux des figures V et VI est à double flux. En effet, les moteurs sont dits à simple flux quand la totalité de l'air admis traverse le moteur et actionne les turbines. Dans le cas où l'air empreinte deux chemins différents, le turboréacteur est donc dit à double flux. L'inconvénient des turboréacteurs à simple flux est le bruit énorme qu'ils génèrent. Ils n'atteignent un rendement satisfaisant qu'au delà de Mach 1 (*).
Dans les turboréacteurs à double flux, les premiers étages du compresseur basse pression (souvent réduits à un seul qu'on appelle soufflante, fan en anglais) sont de grandes dimensions pour aspirer de grandes quantités d'air. L'air pré-comprimé par la soufflante ne passe pas intégralement par le moteur, mais une partie (le flux froid) le contourne par sa périphérie jusqu'à la tuyère où il est éjecté avec les gaz chauds (flux chaud). Cela permet, pour des vitesses modérées (en dessous de Mach 1.5 environ) d'augmenter la poussée par augmentation du débit de gaz et de réduire considérablement le niveau de bruit. La proportion d'air contournant le moteur est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Cette proportion est exprimée par le taux de dilution, égal au rapport du flux froid massique (dit secondaire) sur le flux chaud massique (dit primaire). Il existe également des Turboréacteurs triple flux, mais ils sont peu utilisés. En effet l'augmentation de la poussée est très faible par rapport à un double flux, alors que l'encombrement augmente fortement [2].
Figure V: Un turboréacteur à double flux
Figure VI: Schéma synoptique d'un turboréacteur à double flux
Les turboréacteurs modernes sont des systèmes de plus en plus complexes. Ils peuvent contenir de nombreux sous-systèmes tels que:
Inverseur de poussée: L'inverseur de poussée est un système permettant de freiner un avion en utilisant la poussée produite par ses réacteurs. Il est souvent disponible sur les avions civils dont les avions de ligne (voir figure VII).
Système de poussée vectorielle: il s'agit d'une tuyère orientable qui peut diriger le flux vers une direction donnée. Ceci permet à l'avion de devier rapidement dans un sens donné. Ce système est disponible surtout sur les intercepteurs qui requierent une manoeuvrabilité inégaliée pour la réussite de leurs missions. Parmi les appareils qui disposent de ce système, on note F22, Su-35 et F35/JSF (voir figure IIX).
Système de régulation électronique: il s'agit d'un système de commande et de contrôle du réacteur entièrement électronique qui permet une meilleure régulation des paramètres du turboréacteur. Ce système est de nos jours, généralisé sur les avions militaires comme civils.
Système de postcombustion ou "réchauffe": un système permettant d'augmenter la puissance fournie par un turboréacteur en injectant du carburant dans les gaz éjectés. Ce système est principalement utilisé sur les avions de combat rapides, où il est en général utilisé avec parcimonie car il augmente beaucoup la consommation de carburant.
Figure VII: Inverseur de poussée d'un Fokker 70
Figure IIX: Tuyère orientable du typhoon
Dans ce qui suit, on va s'intéresser au système de postcombustion d'un turboréacteur conventionnel. La post-combustion (dite aussi PC ou réchauffe, after-burner en anglais) consiste à injecter du carburant dans un canal prolongeant la tuyère du turboréacteur (figure IX). Ce carburant se mélange aux gaz de sortie et s'enflamme spontanément à cause de leur température, produisant alors une réaction supplémentaire. Le fait de réchauffer l'air en sortie de réacteur permet d'augmenter la vitesse de sortie des gaz, et donc la poussée du réacteur. En effet, les gaz ne doivent pas dépasser Mach 1 en sortie de tuyère, sinon un phénomène sonique casserait la vitesse de sortie des gaz et ferait chuter la poussée. Réchauffer l'air a pour effet d'augmenter la vitesse du son, les gaz peuvent donc être éjectés avec plus de vitesse sans toutefois dépasser le mur du son.
Cette puissance supplémentaire est obtenue au prix d'une augmentation importante de la consommation en carburant (environ 4 à 5 fois plus importante que sans PC), du bruit et de la signature infrarouge. La post-combustion produit une flamme gigantesque en sortie des réacteurs, qui dépasse parfois la longueur de l'avion ainsi qu'un bruit effroyable [1]. Pour cela, la postcombustion est généralement utilisée lors du décollage (voir figure X, XI et XIII) ou bien pour apporter une accélération rapide lors des manoeuvres du combat (voir figure XII). Les réacteurs sont conçus pour supporter la postcombustion pour une dizaine de minutes en général, pour deux raisons principalement:
L'augmentation énorme de la consommation du carburant ce qui réduit rapidement l'autonomie et donc le rayon d'action de l'appareil, et
Pour les contraintes thermiques et structurelles qu'elle induit.
Pourtant, il existe des avions qui ont été conçus pour supporter la postcombustion pour longtemps tel que SR-71 Blackbird.
De point de vue efficacité, la postcombustion apporte jusqu'à 50% de poussée supplémentaire à l'appareil (sur les avions militaires). Pour les avions civils, l'augmentation de la poussée est de l'ordre de 30% (i.e. Concorde 27% pour chacun de ses quatre turboréacteurs). Donc en allumant la postcombustion sur tous les turboréacteurs de l'appareil, on peut obtenir une poussée additionnelle équivalente à un turboréacteur supplémentaire.
Dans la figure IIX, on montre le test de système de postcombustion du turboréacteur Pratt & Withney J58. On remarque surtout l'énorme jet de flamme produit suite à l'injection du carburant supplémentaire. La température des gaz éjectés devient donc énorme ce qui augmente la signature thermique du turboréacteur. La vitesse énorme d'éjection des gaz cause aussi énormément de bruit. Pour les avions furtifs, ces deux contraintes sont "mortelles". Pour cela, différentes solutions ont été imaginées pour diminuer la signature thermique en refroidissant les gaz lors de l'éjection et aussi minimiser le bruit de ces gaz par exemple en dirigeant le flux de façon à ce que le bruit soit dirigé vers l'arrière de l'appareil et donc minimise qu'il soit détecté dans la direction de son vol (cas du F117 Nighthawk). Dans la vidéo I, on montre le système de postcombustion de quelques avions modernes. On remarque surtout que la postcombustion est utilisé surtout au décollage et en accélération lors du vol. La vidéo II montre des essais de postcombustion d'un réacteur artisanal.
Figure IX: Test du système de postcombustion du turboréacteur Pratt & Whitney J58
Figure X: Décollage d'un F/A 18 avec la postcombustion allumée
Figure XI: Décollage d'un ancien Concorde d'air france avec la postcombustion allumée
Figure XII: Manoeuvre serrée d'un eurofighter 2000 avec la postcombustion allumée
Figure XIII: Décollage d'un tornado avec la postcombustion allumée
Figure XIV: Tuyère d'un Mig-23 montrant les anneaux d'injection de carburant de la PC (en vert)
Vidéo I: Systèmes de post-combustion sur quelques avions de chasses
Vidéo II: Post-combustion d'un réacteur artisanal
Note:
(*) Le nombre de Mach est un nombre sans dimension, noté Ma, qui exprime le rapport de la vitesse locale d'un fluide sur la vitesse du son dans ce même fluide. Par extension, lorsqu'un objet solide est en mouvement par rapport à un fluide, on peut associer à cet objet un nombre de Mach en considérant la vitesse relative de l'écoulement autour de l'objet. On dit ainsi d'un avion qu'il vole à Mach 1 si sa vitesse est égale à celle du son, à Mach 2 si sa vitesse correspond à deux fois la vitesse du son, et ainsi de suite. Il est nommé en l'honneur du physicien et philosophe autrichien Ernst Mach [4].
Références
[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/Postcombustion
[2] http://fr.wikipedia.org/wiki/Turbor%C3%A9acteur#Post-combustion
[3] http://fr.wikipedia.org/wiki/Turbor%C3%A9acteur_d%27avion
[4] http://fr.wikipedia.org/wiki/Nombre_de_Mach
14 novembre 2007
Head up display (HUD)
Dans un avion de combat, la plupart des instruments de bord tels que les instruments de vols, radar, armement, communication, etc. sont implantés à l'intérieur de l'appareil sur un tableau de bord souvent encombré (voir figure I). Dans un combat, le pilote est appelé à surveiller visuellement et minitieusement l'environnement du combat pour bien gérer le combat. Pour cela, surveiller les paramètres de l'appareil et les instruments du vol devient une charge lourde car il doit à chaque fois baisser la tête afin d'engager l'acquisition d'une cible, surveiller le radar, activer une arme ou autre. Pour cela, les ingénieurs ont inventés le système d'affichage tête haute (ATH) appelé en anglais Head up Display (HUD).
Figure I: Cockpit d'un F-16 Falcon
Le système d'affichage tête haute consiste à superposer des informations nécessaires au pilotage, à la navigation ou à la réalisation de la mission sur l’environnement extérieur. Il permet au pilote de surveiller son environnement en même temps que des informations fournies par ses instruments de bord [1].
Vidéo I: ATH d'un F-16 Falcon
Vidéo II: Démo du ATH d'un ERJ-145 LEGACY
Vidéo III: ATH d'un A320
Principe de fonctionnement
En disposant un miroir transparent entre la tête du pilote et la verrière on peut y projeter des images collimatées à l’infini (pour éviter qu'elles soient floues si jamais la tête et doncs les yeux du pilote changent de position). Ces images se superposent au paysage et permettent donc au pilote de surveiller en même temps son environnement et les données fournies par ses instruments de bord. La glace est inclinée à 45° et le champ visuel est de l’ordre de 20°. Les systèmes les plus modernes permettent la projection en plusieurs couleurs et même celle d’images de télévision [1].
Figure II: Viseur tête haute d'un F/A-18
L'ATH a été au début conçu et utilisé exclusivement sur les avions de guerre tels que les bombardiers (B1, B2, etc), les chasseurs (F14, F15, F16, F117, F18, F22, Mirage 2000, JAS Grippen, Rafale, etc.) et les avions de transport (C-130, etc.) mais il est actuellement utilisé sur certains avions civils et même dans des voitures (tel que Citroen C6) et des motocycles.
Un ATH typique est composé d'un ordinateur de bord, d'une unité de projection (Overhead Projector Unit ou OPU) et d'un combineur. Figure III ci-dessous présente une partie de l'OPU et le combineur. Les informations qui sont projetées sur l'afficheur sont élaborées à l'aide de l'ordinateur qui sert comme interface entre l'OPU et le combineur. Ces informations proviennent des différents systèmes à bord tels que le système du gestion du vol (FMS, Flight Management System), le système de référence inertiel, le système de gestion de l'armement, etc. L'ordinateur de bord effectue le formatage adéquat des informations afin qu'elles soient adaptées à l'ATH. Puis il envoie ces informations à l'OPU qui génère les rayons limineux adéquats à l'affichage de ces informations. Le combineur de sa part, est fait en verre à reflection spéciale qui reflète les rayons monochromatiques de l'OPU et demeure transparent à toutes les autres longueurs d'onde des autres rayons lumineux.
Figure III: Viseur tête haute d'un Saab 35 Draken des années 1960.
Tradutionnellement, on utilise un tube cathodique (Cathode Ray Tube ou CRT) pour générer les rayons lumineux mais avec l'évolution des technologies d'affichages, de nouvelles techniques sont utilisées telles que l'affichage à cristaux liquide.
Avec l'évolution des technologies, plusieurs nouveaux systèmes ont apparu. On cite par exemple [2]:
Enhanced Flight Vision System, EFVS: EFVS est un système d'affichage mandaté par la FAA (Federal Aviation Administration aux États-Unis) qui consiste à afficher une image réelle au pilote. En effet, une caméra infra-rouge placée au nez de l'appareil transmet au combineur une image réelle sur laquelle seront affichées les informations relatives au vol (assiète, vitesse ascentionnelle, vitesse horizontale, etc.). Ceci permet au pilote une vision plus réaliste à propos de la situation du vol et lui permet de le gérer mieux.
Synthetic Vision Systems, SVS: Ce système utilise une base de données des terrains et créet une image "réelle" correspondant au monde extérieur. Le terrain est entièrement généré à partir d'une base de données haute résolution (voir figure IV).
Figure IV: Système de vision synthétique (SVS)
Actuellement, d'autres systèmes d'affichage sont aussi utilisés conjointement avec ou au lieu de l'ATH tels que le head-mounted display (HMD) qui est un système de vision stroboscopique via une casque (figure V ci-dessous), la réalité augmentée (Augmented Reality, AR), la réalité virtuelle (Virtual Reality, VR) qui aide dans les simulations et les entrainnements des pilotes, etc.
Figure V: Head-mounted Display
Références:
[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/Affichage_t%C3%AAte_haute
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Head-Up_Display