Skynet: Science Broadway

Les interactions électromagnétiques

BroadWay — Sun, 13 Jan 2008 17:40:00 GMT

Vous avez dit "Électromagnétisme" ?

L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ électromagnétique, produit par les sources du champ que sont les charges électriques et leurs mouvements. Ce champ produit agit à son tour sur les charges [1].

Les équations de Maxwell déterminent le champ électromagnétique à partir des sources, des charges et des courants. Le champ exerce quant à lui sur la matière une action mécanique, la force de Lorentz, qui explique l'interaction électromagnétique.
L'interaction électromagnétique est une des quatre interactions fondamentales. Elle explique le comportement des objets de l'échelle atomique (comportement des électrons, des atomes et des molécules).

Domaines associés à l'électromagnétisme

L’électromagnétisme englobe différents domaines dont l'électricité, regroupant les phénomènes électriques et magnétiques suivants [1] :

L’électrostatique : Les systèmes de charges électriques à l’équilibre,
La magnétostatique : Les phénomènes créés par un courant électrique stationnaire,
L'induction magnétique : Les phénomènes magnétiques créés par un courant électrique variable,
L'électrodynamique : Les interactions dynamiques entre courants électriques,
- L’électronique : L'utilisation de tension, de courants généralement faibles et de phénomènes quantiques. L’électronique sert essentiellement pour le transfert, le contrôle et le traitement de l’information, et
- L’électrocinétique ou l'électrotechnique : L’utilisation de tensions, de courants moyens à élevés pour des applications domestiques et industrielles (chauffage, transformateurs, moteurs électriques, électrolyse, électroménager, distribution, automatisation, ...).
La radioélectricité : Les transmissions par ondes électromagnétiques.

L'interaction électromagnétique

L'interaction électromagnétique est l'interaction fondamentale dont les effets sont les plus fréquents dans la vie courante. Ainsi la quasi-totalité des phénomènes de la vie quotidienne (en dehors de la pesanteur) découle de l'électromagnétisme [2].

L'effet de l'interaction électromagnétique peut être attractif ou répulsif. Ces différences sont faciles à vérifier par les effets électrostatiques ou magnétiques (feuilles de papier, aimants, etc...).

L'interaction électromagnetique s'applique à toute particule possédant une charge électrique non-nulle. Il existe des charges électriques positives et négatives. Les particules élémentaires libres possèdent des charges électriques quantifiées, c'est à dire qu'elles ont toutes une charge électrique égale à un nombre entier de fois la charge électrique élémentaire appelée e = 1,6.10^-19 C. Un électron a une charge électrique -e et un proton une charge électrique +e. Le fait que les charges électriques soient quantifiées n'est toujours pas compris à l'heure actuelle. Les charges électriques sont additives. Le système formé par un proton et un électron (un atome d'hydrogène) a donc une charge électrique nulle. Il est donc électriquement neutre (i.e. il est insensible à l'interaction électromagnétique). Les atomes, et donc la matière ordinaire, sont ainsi électriquement neutres.

La force coulombienne dérivée des équations de Maxwell (que nous allons traiter dans un prochain article) permet de calculer les effets électrostatiques sur des charges électriques au repos. Le champ électrique créé par une charge électrique Q (en Coulomb, noté C) situé à une distance d (en mètres, noté m) est donné par :

E = 8,99.10⁹ Q/d²

La force coulombienne subie par une charge électrique q (en C) est alors :

F = q.E

On voit que le signe de F dépend du signe du produit Q.q : si les deux charges Q et q sont du même signe, l'effet est répulsif, sinon il est attractif. L'intensité de cette force est très importante. Par exemple, la force de répulsion électrostatique entre deux personnes de 80 kg situées à une distance d'1 m, si chacune de ces personnes avait un excès d'un électron sur un million, serait F = 10¹⁷ N soit la même force que le poids d'un objet de dix mille milliards de tonnes à la surface de la Terre ! Heureusement, la matière est électriquement neutre, ce qui permet de ne pas subir ce genre d'effet dans la vie courante...

La particule vecteur de l'interaction électromagnétique est le photon. Ainsi, bien plus qu'un ``grain de lumière'', ou tout simplement l'aspect corpusculaire des ondes électromagnétiques, le photon est aussi la particule de rayonnement échangée par les particules de matière lorsqu'elles interagissent par électromagnétisme. Le photon a une masse nulle, ce qui permet donc des interactions électromagnétiques à une distance infinie, bien sûr avec une diminution de l'intensité. Le photon se déplace à la vitesse de la lumière c = 299792458 m/s, ce qui semble être une tautologie mais, en fait, la lumière se déplace à cette vitesse parce que le photon a une masse nulle (dans la théorie de la relativité restreinte, une particule de masse nulle ne peut pas être au repos et doit se déplacer à la vitesse c)... Il se trouve seulement que cette vitesse universelle c a été mesurée pour la première fois avec de la lumière.

De façon plus générale, une interation électromagnétiqiue peut être définit en utilisant la force de Lorentz. En effet, la force de Lorentz désigne [3] :

où

est la Force électromagnétique ou Force de Lorentz, en newton (noté N)
est la charge de la particule, en coulomb (noté C)
est le champ électrique, en volt par mètre (noté V/m)
est la vitesse de la particule, en mètre par seconde (noté m/s)
est le champ magnétique, en tesla (noté T)

Toutes ces grandeurs sont mesurées dans le même référentiel galiléen au point où se trouve la particule.

Le cas particulier de cette force appliquée à une charge q en l'absence de champ électrique.

C'est alors la force magnétique qu'on appelle généralement force de Laplace, dont l'expression est :

où

est la vitesse de la particule chargée
est le champ magnétique

Nous en déduisons donc que la force de Lorentz, dans le cas la plus générale, est la somme de la force Coulombienne (force électrique ou interaction électrique appliquée sur la charge) et la force de Laplace (force/interaction purement magnétique).

Références

[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectromagn%C3%A9tisme

[2] http://www.cerimes.education.fr/e_doc/forces/electromagnetique.htm

[3] http://fr.wikipedia.org/wiki/Force_de_Lorentz

Une série de tutoriaux en électromagnétisme

BroadWay — Sun, 13 Jan 2008 16:56:00 GMT

L'objectif de ce blog est de présenter certains sujets scientifiques d'une façon vulgarisée et accessible aux non spécialistes du domaine traité. Loin des équations mathématiques, on peut des fois présenter mieux un phénomène et détailler ses principes. Toutesfois la plupart des fois, nous avons besoin de présenter un minimum de théorie pour pouvoir comprendre un phénomène donné.

Dans la suite, je vais essayer de présenter quelques sujets reliés au domaine de l'électromagnétisme. Dans ces sujets, je ferai de mon mieux pour simplifier le plus que possible les notions présentées.

Je compte sur vous pour toute correction, rectification ou ajout. Laissez surtout un commentaire. Merci et bonne lecture.

Le WiMAX, une technologie d'avenir...

BroadWay — Thu, 03 Jan 2008 00:36:00 GMT

La demande d'une connectivité haut-débit à Internet et aux réseaux de télécommunications en général ne cesse d'augmenter de jour en jour. L'introduction de noveaux services et les exigences des applications qui y sont reliées dont entre autres une grande bande passante et un accès temps-reél aux données d'une manière flexible, sécurisée et interopérable amène les spécialistes à penser à d'autres technologies autres que l'ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line ou Ligne numérique à débit asymétrique). Parmi les idées innovantes, on trouve le Wimax. Il s'agit en vérité d'une famille de normes, certaines encore en cours d'élaboration chantier, définissant les connexions à haut-débit par voie hertzienne. C'est également un nom commercial pour ces normes, comme l'est Wi-Fi pour 802.11 (la Wi-Fi Alliance est en cela comparable au WiMAX Forum) [1]. Le WiMAX (acronyme pour Worldwide Interoperability for Microwave Access) représente une réponse pour des connexions sans-fil à haut-débit sur des zones de couverture de plusieurs kilomètres, permettant des usages en situation fixe ou en mobilité [2].

Il s'agit d'un consortium qui s'est montée en 2003 pour permettre la convergence et l'interopérabilité entre deux standards de réseaux sans fils auparavant indépendants : HiperMAN, proposé en Europe par l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) et 802.16 proposé par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) [2]. L'interopérabilité est obtenue par les voies de la normalisation et de la certification, et est un des enjeux majeurs du WiMAX, comme elle l'a été, avec un assez bon succès, pour le Wi-Fi. C'est un enjeu d'autant plus important que WiMAX est définit pour une large bande de fréquences, de 2 à 66 GHz, dans laquelle on trouve des technologies existantes, comme le Wi-Fi, et qui autorise des débits, des portées et des usages très variés.

Cette multiplicité des bandes de fréquences visées, des débits, portées et usages possibles, est d'ailleurs le principal écueil qu'affronte le commentateur : selon l'angle choisi, WiMAX est tour à tour un simple prolongement du Wi-Fi, le cœur de réseau du Wi-Fi, ou mieux, la convergence du Wi-Fi et du réseau cellulaire de troisième génération (UMTS ou Universal Mobile Telecommunication System, dite souvent la troisième génération « 3G ») [1].

Figure I: Logo du Wimax Forum

Wimax repose sur la famille de standards IEEE 802.16. Cette famille est axé sur les travaux du groupe de travail IEEE 802.16. Parmi les standards de cette famille, on distingue IEEE 802.16d, respectivement IEEE 802.16e, qui effectue la révision des standards de base (i.e. IEEE 802.16, IEEE 802.16a et c), respectivement apporte la mobilité.

Les révisions du standard IEEE 802.16 se déclinent en deux catégories [3] :

WiMAX fixe, également appelé IEEE 802.16-2004, est prévu pour un usage fixe avec une antenne montée sur un toit, à la manière d'une antenne TV. Le WiMAX fixe opère dans les bandes de fréquence 2.5 GHz et 3.5 GHz, pour lesquelles une licence d'exploitation est nécessaire, ainsi que la bande libre des 5.8 GHz.
WiMAX mobile (en anglais WiMAX portable), également baptisé IEEE 802.16e, prévoit la possibilité de connecter des clients mobiles au réseau internet. Le WiMAX mobile ouvre ainsi la voie à la téléphonie mobile sur IP ou plus largement à des services mobiles haut débit.

A titre de comparaison:

Standard	Bande de fréquence	Débit	Portée
WiMAX fixe (802.16-2004)	2-11 GHz (3,5 GHz en Europe)	75 Mbits/s	10 km
WiMAX mobile (802.16e)	2-6 GHz	30 Mbits/s	3,5 km

Applications

Autre la couverture des zones géograpgiques inaccessibles et lointaines des zones urbaines tels que les zones rurales isolées (où le déploiment des réseaux de communications classiques est très coûteux et peu rentable), les applications du Wimax sont nombreuses. Parmi ses applications , on distingue:

couvertures classiques de hotzones : zones d'activité économique, parcs touristiques... ;

déploiements temporaires : chantiers, festivals, infrastructure de secours sur une catastrophe naturelle ;

offres triple play : données, voix, vidéo à la demande ;

gestion des transports intelligents ;

systèmes d'information géographique déportés ;

notion d'hôpital étendu ;

sécurité maritime et sécurité civile ;

...

Il est important de noter que le standard WiMAX intègre nativement la notion de Qualité de Service (souvent notée QoS pour Quality Of Service), c'est-à-dire la capacité à garantir le fonctionnement d'un service à un utilisateur. Dans la pratique, WiMAX permet ainsi de réserver une bande-passante pour un usage donné. En effet, certains usages ne peuvent pas tolérer de goulots d'étranglement. C'est le cas notamment de la voix sur IP (VOIP) car la communication orale ne peut pas tolérer de coupures de l'ordre de la seconde [3].

Références

[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/Worldwide_Interoperability_for_Microwave_Access

[2] http://www.futura-sciences.com/fr/comprendre/dossiers/doc/t/telecoms/d/wimax-haut-debit-sans-fil-de-demain_524/c3/221/p1/

[3] http://www.commentcamarche.net/wimax/wimax-intro.php3

Echelon: The secret power !

BroadWay — Wed, 26 Dec 2007 23:39:00 GMT

Depuis l’accord de coopération UKUSA conclu en 1946 pendant la guerre froide jusqu’au déploiement actuel du réseau «Échelon», ce film, très bien documenté, se penche sur le développement tentaculaire des réseaux internationaux d’interception et d’écoute des télécommunications transmises par satellite. De l’anti-terrorisme à la surveillance de ses propres citoyens, de l’espionnage militaire à l’espionnage économique de toutes les plus grosses entreprises mondiales, le système Échelon sert beaucoup plus qu’on ne veut bien le croire, ou le dire. Ses nouvelles activités, en grande partie illégales, représentent un atout majeur pour la puissance commerciale, militaire et technologique des États-Unis. Construit comme une véritable fiction, le film dénonce les moyens économiques démesurés alignés par cette véritable multinationale de renseignements dans l’interception et dans le traitement de l’information. Les révélations édifiantes de journalistes d’investigation et de cadres supérieurs d’agences de renseignements nous entraînent au cœur d’une incroyable et captivante enquête journalistique.

Vidéo I: Echelon, le pouvoir secret (Partie I)

Vidéo II: Echelon, le pouvoir secret (Partie II)

Holes In Heaven, H.A.A.R.P. and Advances in Tesla Technology

BroadWay — Thu, 20 Dec 2007 05:00:00 GMT

Traffic Collision Avoidance System (TCAS)

BroadWay — Mon, 17 Dec 2007 00:54:00 GMT

Le Traffic alert and Collision Avoidance System (TCAS) (en français, « système d'alerte de trafic et d'évitement de collision ») est un instrument de bord d'avion destiné à éviter les collisions en vol entre aéronefs [1]. Le système TCAS a été pensé suite à un accident au dessus du Grand Canyon le 30 Juin 1956 entre deux avions de compagnies aériennes américaines. A cette époque la technique ne pouvait pas suivre et il a fallut « attendre » un autre accident le 21 Août 1986 entre un DC-9 d’Aeromexico et un avion privé au dessus de Cerritos en Californie, près de Los Angeles, pour accélérer ce programme (la Federal Aviation Administration avait déjà lancé ce programme en 1981) [2].

Un système TCAS est composé de deux transpondeurs mode S et leurs antennes associées, d’un calculateur TCAS avec ces antennes, et d’indicateur. Sur la figure I et III ci-dessous, par exemple, le système TCAS est réalisée sur un indicateur de vitesse verticale instantannée IVSI.

Figure I: TCAS intégré dans l'indicateur de vitesse verticale instantannée

Comment ça marche ?

Le TCAS signale au pilote tout autre avion équipé d'un TCAS (ou d'un transpondeur en Mode C) dès qu'il est, selon les réglages effectués au préalable par le pilote, à une distance variant de moins de 2,5 à moins de 30 miles nautiques.

En cas de collision potentielle, une alerte auditive émise par le « Traffic Advisory » (TA). Ce dernier informe le pilote qu'un autre avion se trouve à proximité, en annonçant vocalement "traffic, traffic", mais ne suggère pas de manœuvre d'évitement.

Néanmoins, si la situation s'aggrave et que la collision semble imminente, un message audio et une alerte visuelle sont produits par le « Resolution Advisory » (RA), indiquant l'avion concerné et signalant l'action à effectuer par le pilote, à savoir de maintenir la trajectoire actuelle, monter, descendre ou encore surveiller la vitesse verticale. Le système est conçu de manière à ce que le TCAS de l'autre avion conseille une autre manoeuvre (il ne serait pas très intéressant que les deux avions s'évitent en montant tous deux). Bien souvent, le TCAS indique à un avion de monter et à l'autre de descendre, ce qui augmente considérablement la distance entre les deux appareils.

Quand l'alerte est terminée, le système annonce "clear of conflict" (plus de conflit).

Le TCAS est un système interrogatif, qui questionne les avions proches sur la fréquence 1030 MHz. L'avion répond ensuite sur la fréquence 1090 MHz. L'évitement de collision peut également être passif, comme par exemple le PCAS ou Portable Collision Avoidance System (système portable d'évitement de collision), qui ne fait qu'écouter les réponses des autres appareils, sans émettre. Ce système portable est typiquement utilisé dans l'aviation générale (principalement les avions d'affaire).

Figure II: Equipements nécessaires pour l'installation du TCAS

Figure III: TCAS en fonctionnement

Références:

[1] http://fr.wikipedia.org/wiki/Traffic_Collision_Avoidande_System

[2] http://serge.laforest.free.fr/principes/tcas.htm

Documentaire éducatif sur les avions de chasse

BroadWay — Sun, 16 Dec 2007 22:33:29 GMT

Vidéo I: Partie 1/3

Vidéo II: Partie 2/3

Vidéo III: Partie 3/3

Identification Friend or Foe (IFF)

BroadWay — Sat, 15 Dec 2007 01:02:00 GMT

Pendant la seconde guerre du golf (1991), plusieurs armées ont participé à cette guerre et ont utilisé différents types d'avions de guerre, bombardiers, chasseurs, reconnaissance, hélicoptères de combat, aide logistique et autres. Une question simple se pose: comment tous ces avions puissent se reconnaître amis sur le terrain du combat ?

La réponse est si simple: le système d'identification ami/ennemi (en anglais Identification Friend or Foe, IFF).

IFF est un système crypté d'identification conçu pour la commande et le contrôle. Ce système sert à identifier les avions militaires et civils auprès des militaires et aussi les contrôleurs aériens (Air Trafic Control, ATC) via un signal radio. Chaque appareil, militaire ou civil, dispose d'un transpondeur qui, en cas d'intérrogation, envoit un code spécifique à l'avion. Ce code permet d'identifier l'avion sur le radar.

En effet, IFF est un système composé par deux principaux composants (voir figure I): un interrogateur et un transpondeur. L'interrogateur est un système qui sert à interroger le transponsdeur qui à son tour, répond s'il reçoit le signal d'interrogation. En aviation civile, le radar secondaire accomplit cette mission.

Comment ça marche ?

Le système d'interrogation et le transpondeur disposent de codes de cryptage qui servent pour communiquer d'une manière sécurisée et éviter l'interception du signal. Le premier choisit le code de cryptage adéquat et envoit un signal d'interrogation. Le transpondeur reçoit le signal, le décrypte et y répond selon un des modes suivants [2]:

Mode 1: mode non sécurisé (pas d'utilisation de cryptage), pas cher utilisé généralement par les navires afin d'identifier les avions et les autres navires.
Mode 2: utilisé par les avions afin de se rapprocher des navires par mauvais temps.
Mode 3/A: mode standard utilisé aussi par les avions civils afin de relayer leurs positions aux contrôle aérien.
Mode 4: mode sécurisé et utilisé uniquement pour l'identification ami/ennemi.
Mode C: mode permettant de connaître l'altitude de l'avion.
Mode S: (Selective Interrogation) il s'agit d'un mode spécifique qui permet de récupérer des informations sur la position, l'altitude, la vitesse, etc. de l'avion.
Mode 5: un mode S crypté utilisé uniquement en domaine militaire qui permet de transmettre aussi les données GPS, son vecteur d'état (ADS-B), etc.

Figure I: Système d'identification ami/ennemi

Les transpondeurs recoivent les requêtes des systèmes d'intérrogations sur la fréquence F2=1090 MHz et répondent en utilisant la fréquence F1=1030 MHz.

Dans le cockpit, le transpondeur affiche généralement un nombre de quatre chiffre identifiant l'avion. Dans l'aviation civile, ce nombre est donné via la voie radio par le contrôle aérien au pilote de ligne qui l'assigne au transpondeur pour que l'avion soit correctement identifié sur le radar secondaire (indicatif, vitesse, cap, niveau de vol). Cependant dans certaines situations spécifiques, des codes particuliers sont utilisés. Certains des codes les plus usuels en aéronautique sont cités à la suite:

0000: escort militaire,
7777: interception militaire,
7500: tentative de détournement (Hijack),
7600: avion en panne des instruments de télécommunications,
7700: avion en stituation d'urgence.

Références

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Identification_friend_or_foe

[2] http://www.tscm.com/iff.pdf

An inconvenient truth !

BroadWay — Fri, 23 Nov 2007 23:29:00 GMT

Le document original a été malheureusement effacé du serveur. Pour cela, j'ai cherché une version équivalente que vous trouvez dans les vidéos suivantes... C'est Al-Gore, un politicien américain qui participe à une compagne de sensibilisation à propos de la "crise du climat". Il présente ses points de vue dans la seconde vidéo aux parlementaires français lui interrogeant à propos de "la vérité qui dérange" !

Au secours de la planète ... sinon nos enfants ne trouveront pas où ils vivront !

Liens externes

http://www.changement-climatique.fr/

N.B.: le propriétaire de ce blog n'assume aucune responsabilité à propos du contenu des liens externes proposés.

Mise à jour: 16 Décembre 2007

La postcombustion

BroadWay — Thu, 22 Nov 2007 04:43:00 GMT

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