Qu'est-ce que la propulsion ?

La propulsion désigne l'action ou le processus utilisé pour appliquer une force permettant de modifier le mouvement d'un objet en translation. Dérivé du latin propellere, où pro signifie « en avant » et pellere signifie « mettre en mouvement», nous utilisons la propulsion pour traverser une pièce, conduire une voiture, piloter un avion et lancer une fusée dans l'espace.

La troisième loi de Newton, aussi connue comme le principe d'action-réaction, qui stipule que « toute action exercée par un objet sur un autre entraîne une réaction équivalente de sens opposé », permet de bien comprendre le phénomène de propulsion. Ainsi, lorsque vous marchez, votre pied exerce une force contre le sol, et le sol exerce en retour une force contre votre pied. Selon la deuxième loi de Newton, puisque le sol a une masse largement supérieure à la vôtre, vous avancez. De la même manière, dans un moteur-fusée, le gaz est détendu par combustion et expulsé à des vitesses supersoniques, ce qui provoque une force exercée dans la même direction et de sens opposé sur la fusée. 

Composants d'un système de propulsion

Les systèmes de propulsion se composent de deux parties. La première est une source d'énergie mécanique, et la seconde est un propulseur qui convertit cette énergie en force propulsive. 

Pour une voiture fonctionnant à l'essence, la combustion de l'essence représente la source d'énergie, tandis que le moteur thermique, la transmission et les roues constituent le système de propulsion. Dans le cas d'une voiture électrique, le potentiel électrique stocké dans les batteries représente la source d'énergie, tandis que le moteur électrique, la transmission et les roues constituent le système de propulsion. On emploie souvent le terme de « carburant » pour désigner la source d'énergie, et le terme « moteur » pour désigner le propulseur dans lequel l'énergie est convertie en force. 

Les ingénieurs utilisent ces principes fondamentaux de la propulsion pour concevoir des systèmes de transport qui permettent le déplacement des véhicules sur terre, sur et sous l'eau, dans les airs, ou encore dans l'espace. La taille et la masse du véhicule, ainsi que le milieu dans lequel il se déplace, déterminent souvent le type de propulsion utilisé. 

Les systèmes de propulsion sont composés de sous-systèmes permettant d'accéder à la source d'énergie mécanique ou de la stocker, d'un propulseur et d'un système de contrôle permettant d'ajuster les forces produites. Autrefois, la plupart des systèmes de propulsion n'utilisaient qu'une seule source d'énergie et un moyen de convertir cette énergie en force. Cependant, pour obtenir une meilleure efficacité, les nouvelles technologies utilisent désormais des systèmes de propulsion hybrides qui combinent des moteurs à combustion chimique et à combustion interne avec un potentiel électrique stocké dans des batteries et des moteurs électriques.

La plupart des systèmes de propulsion créent une force propulsive par l'intermédiaire de l'un des quatre propulseurs suivants : membres, roues, hélices ou poussée. 

Roues

Une roue en contact avec une surface fixe permet de convertir une force de rotation en force linéaire, en poussant l'objet auquel la roue est fixée vers l'avant. La force de rotation, appelée couple, peut être créée grâce à divers types de moteurs.

Hélices

Une hélice est un appareil attaché à un arbre de rotation et se compose de plusieurs aubes fines et disposées de telle sorte qu'elles forment une spirale hélicoïdale, ce qui permet d'exercer une force sur l'air ou sur l'eau. La force résultante qui s'applique sur les aubes crée un mouvement vers l'avant. Une hélice peut être aussi grande que le rotor d'un hélicoptère, ou aussi petite que les aubes d'un drone. Les hélices utilisées dans les applications marines sont parfois appelées « vis ». 

Propulseurs

Lorsque le mouvement d'un fluide de travail, un gaz ou un liquide, est accéléré, il exerce une force linéaire appelée poussée. La plupart des applications utilisent la chaleur issue de la combustion pour créer une poussée. Dans les applications marines, l'action d'une turbine sur l'eau permet de convertir le couple en une accélération centrifuge canalisée en un flux axial, ce qui crée une poussée. Une poussée peut être créée en appliquant un champ électrique à un gaz ionisé ou à un plasma. 

Voici une liste des types de systèmes de propulsion les plus courants :

Moteurs à combustion interne (MCI)

En ce qui concerne les véhicules automobiles, marins et aériens, le type de propulsion le plus utilisé par l'homme reste les moteurs à combustion interne. La source d'énergie est la combustion d'hydrocarbures. La combustion de l'essence, du diesel ou du gaz naturel génère un gaz sous pression qui pousse contre les pistons pour créer une force linéaire. Un vilebrequin convertit ensuite la force linéaire en une force de rotation pour entraîner une roue ou une hélice. 

Moteurs à turbines de puissance ou à turbine à gaz

Une turbine de puissance, également appelée turbine à gaz, utilise les gaz en expansion provenant de la combustion comme source d'énergie pour entraîner un ou plusieurs rotors de turbine, créant ainsi des forces de rotation qui entraînent une hélice ou une roue. Les moteurs à turbine à gaz sont couplés à des hélices dans les avions turbopropulseurs, à des rotors dans les hélicoptères, et à des hélices ou à des vis dans les navires et les bateaux. Les moteurs à turbine à gaz peuvent également propulser des véhicules lourds et imposants tels quel des locomotives ou des chars. 

Moteurs électriques

Les moteurs électriques sont de plus en plus employés pour remplacer les forces de rotation créées par les moteurs à pistons et à turbines. La source d'énergie utilisée par un moteur électrique est une forme de potentiel électrique. Il s'agit généralement d'un bloc-batterie, d'une pile à hydrogène ou d'une ligne de transmission. Le passage d'un courant électrique à travers un électroaimant crée une force attractive qui s'exerce sur un autre électroaimant ou sur un aimant permanent afin de générer un couple. Un arbre transfère ensuite le couple aux roues ou aux hélices. 

Moteurs à réaction aérobie

La propulsion par réaction reste la forme la plus efficace et la plus courante de propulsion aéronautique. Chaque type de moteur à réaction se compose d'un compresseur qui crée de l'air à haute pression et d'une chambre de combustion qui mélange le carburant avec l'air et le brûle, créant ainsi une poussée. La plupart des moteurs à réaction comprennent également une section de turbine qui extrait l'énergie des gaz en expansion afin de générer le couple utilisé pour comprimer l'air entrant, ou entraîner une hélice carénée, appelée ventilateur.

Voici les types les plus courants de moteurs à réaction aérobie :

Turboréacteur : Les premières formes de propulsion par réaction ne se composaient que d'une étape de compression, d'une chambre de combustion et d'une turbine utilisée pour entraîner les compresseurs. Elles utilisent la poussée comme propulseur. 

Turboréacteur à double flux : Pour augmenter l'efficacité d'un turboréacteur, une section de turbine supplémentaire à l'arrière du moteur entraîne une hélice pourvue de nombreuses aubes à l'avant du moteur. C'est ce qu'on appelle un turboréacteur à double flux. La plupart des avions de ligne modernes font appel à des turboréacteurs à double flux à haut rendement, dans lesquels un ventilateur faisant office d'hélice génère la majeure partie de la force propulsive, qui ne réside plus essentiellement sur la poussée issue de la combustion. 

Statoréacteur : Dans les statoréacteurs, les compresseurs rotatifs d'un turboréacteur standard sont remplacés par une entrée d'air dont la forme permet une réduction de sa section transversale, comme un entonnoir, ce qui a pour effet de forcer la compression de l'air à l'avant du moteur. Les principales applications des statoréacteurs sont les véhicules aérospatiaux qui ont besoin d'atteindre des vitesses supersoniques. L'air circulant dans un statoréacteur standard est ralenti à des vitesses subsoniques avant d'entrer dans la chambre de combustion. Dans un superstatoréacteur, ou statoréacteur à combustion supersonique, le flux supersonique introduit dans la chambre de combustion permet au moteur de fonctionner à des vitesses plus élevées. 

Moteurs à réaction à postcombustion : Un moteur à postcombustion est doté d'une chambre de combustion supplémentaire ajoutée à l'arrière de la section où se trouve la turbine d'un turboréacteur traditionnel. Le carburant est pulvérisé dans le flux d'échappement et enflammé, créant ainsi une pression considérable et une poussée supplémentaire. Les moteurs à postcombustion permettent aux avions d'atteindre des vitesses supersoniques, de fournir une poussée supplémentaire pour le décollage, ou de générer une poussée immédiate pour que les avions puissent réaliser des manœuvres d'urgence pendant le combat. 

Propulsion de fusée

La propulsion de fusée utilise une réaction chimique pour créer des gaz à très haute pression qui sont ensuite convertis en poussée. Les moteurs-fusées se composent d'un système de carburant pour fournir du carburant et un oxydant, d'une chambre de combustion pour enflammer le carburant et l'oxydant afin de produire les gaz à expansion rapide, et d'une tuyère permettant de convertir la pression en poussée, ou en quantité de mouvement, dans une direction donnée. 

Il est possible de classer les moteurs-fusées en fonction du carburant, solide ou liquide, qu'ils utilisent : 

Moteurs-fusées à carburant liquide : Un moteur-fusée à propergol liquide brûle un oxydant liquide, généralement de l'oxygène liquide, avec un carburant composé d'hydrogène liquide, de kérosène ou de méthane. Le carburant est acheminé vers la chambre de combustion par gravité, accélération, pression ou turbopompes. Des tuyères sont fixées à des ouvertures dans la chambre de combustion afin de convertir le gaz en expansion en une poussée dans une direction donnée. Le contrôle du carburant et de l'oxydant permet d'ajuster la poussée produite, ou de commander l'allumage et l'arrêt du moteur. Pour les propulseurs utilisés lors des manœuvres des engins spatiaux ou des missiles, les moteurs-fusées à carburant liquide sont particulièrement adaptés, car ils permettent un réglage précis de la force produite. 

Moteurs fusées à carburant solide : Les moteurs-fusées à propergol solide utilisent un mélange d'oxydant solide et de carburant solide, appelé « poudre ». La poudre est moulée à l'intérieur d'une enveloppe cylindrique traversée sur toute sa longueur par un canal central cylindrique, appelé « chambre de combustion ». Les premières fusées à carburant solide utilisaient de la poudre à canon. De nos jours, la poudre se compose de nombreux produits chimiques complexes. Les deux propulseurs de la navette spatiale de la NASA sont les moteurs-fusées à carburant solide les plus célèbres. De nombreux systèmes d'armement utilisent des moteurs-fusées à carburant solide en raison de la longue durée de conservation du propergol. Cependant, les moteurs-fusées à carburant solide sont difficiles à arrêter et à redémarrer, et la quantité de poussée produite ne peut être contrôlée qu'en ajustant la géométrie de la tuyère. 

Moteurs-fusées hybrides : Les moteurs-fusées à propergol hybride utilisent un carburant solide et un oxydant liquide ou gazeux. L'oxydant, généralement de l'oxygène liquide ou du peroxyde d'hydrogène, est injecté dans la chambre de combustion cylindrique qui traverse le cylindre sur toute sa longueur. Comme le débit de l'oxydant peut être démarré, arrêté et ajusté pendant le fonctionnement, les moteurs-fusées hybrides offrent plus de flexibilité que les moteurs-fusées à carburant solide. 

Machines à vapeur

Les machines à vapeur sont les premiers systèmes de propulsion mécanique à avoir été développés par l'homme. La combustion est utilisée comme source de chaleur pour faire bouillir de l'eau, créant ainsi de la vapeur à haute pression. La vapeur sous pression pousse ensuite contre un ou plusieurs pistons pour créer une force linéaire. Une manivelle convertit la force linéaire en force de rotation, appelée couple, qui entraîne une roue ou une hélice qui joue le rôle de propulseur. 

Turbines à vapeur

Une façon plus efficace d'extraire l'énergie de la vapeur consiste à utiliser son expansion à travers une turbine plutôt que de pousser un piston. La turbine sous pression pousse contre les aubes aérodynamiques d'un ou plusieurs rotors, convertissant la pression en une force de rotation reliée à des roues ou à une hélice par l'intermédiaire d'un arbre de transmission. Actuellement, les machines à vapeur ne sont utilisées que dans des applications marines, dans lesquelles la source de chaleur est un réacteur à fission nucléaire. 

SWap-C

Les ingénieurs cherchent à réduire la taille et le poids des systèmes de propulsion tout en fournissant la quantité de puissance requise. Ils doivent également faire en sorte de limiter les coûts au minimum. Cette combinaison d'objectifs souvent contradictoires est appelée SWap-C, et cet acronyme signifie « taille, poids, puissance et coût ». 

L'expérience, la simulation et les tests sont les principaux outils utilisés par les ingénieurs pour faire face à ces compromis. La simulation, en particulier, est bien adaptée pour tester différents matériaux, optimiser la géométrie, mais aussi prédire et maximiser la puissance produite par un système. Par exemple, les équipes de conception des moteurs à turbine utilisent le logiciel Ansys Mechanical™ pour optimiser la forme des structures statiques et rotatives. Par la suite, le logiciel Ansys Fluent® leur permet d'optimiser l'énergie produite par la combustion, ainsi que la forme aérodynamique de l'entrée, des aubes rotatives et statiques, et des tuyères. 

Pour faciliter ce processus tout en incluant le facteur de coût dans les études, il est important d'utiliser un outil d'optimisation de la conception robuste (RDO) comme le logiciel Ansys optiSLang®, qui permet d'examiner objectivement l'optimisation du système d'un point de vue physique, et d'établir un lien entre la simulation et l'outil de conception assistée par ordinateur (CAO) utilisé pour définir la géométrie à l'aide de paramètres. 

Durabilité

Après avoir répondu aux exigences du SWaP-C, les ingénieurs doivent s'assurer que leurs conceptions sont suffisamment durables pour les applications auxquelles elles sont destinées. Non seulement les exploitants du système de propulsion veulent minimiser les coûts d'entretien et les temps d'arrêt, mais ils doivent également éviter les défaillances. Prenons l'exemple d'un système actuel de propulsion à moteur électrique utilisé dans les locomotives des trains à grande vitesse. Si le système de propulsion électrique d'un train tombe en panne, cela peut se traduire par un manque à gagner considérable pour l'opérateur, et occasionner d'importants retards pour les usagers. De plus, si le système de propulsion tombe régulièrement en panne, leurs marges déjà faibles vont encore diminuer. La durabilité peut s'avérer encore plus importante lorsque les fournisseurs optent pour un service d'abonnement pour leurs systèmes de propulsion, comme Rolls-Royce le propose à ses clients d'avions de ligne. 

Dans les applications aérospatiales, la défaillance des systèmes de propulsion peut être catastrophique, voire mortelle. C'est la raison pour laquelle les employés des entreprises qui conçoivent et fabriquent des systèmes de propulsion aérospatiale représentent une part importante des utilisateurs d'outils de simulation. Ils passent beaucoup de temps à examiner les charges structurelles et thermiques, ainsi que les vibrations, pour s'assurer que les contraintes mécaniques sont conformes aux normes autorisées, et que les composants du système ont une durée de vie acceptable en fatigue.

Efficacité et émissions

Lors du développement des premiers systèmes de propulsion, l'unique objectif était de générer le mouvement d'un véhicule afin de transporter des passagers, une cargaison ou une charge utile jusqu'à la destination souhaitée. Aujourd'hui, les exploitants se soucient également de l'efficacité de leurs moteurs et des émissions produites. De nombreuses entreprises adoptent des objectifs d'émissions nettes nulles pour réduire leur empreinte carbone. L'évolution de l'efficacité des moteurs et des turbines semble confirmer cette tendance. Les premiers MCI à essence avaient un rendement inférieur à 4 %, mais celui des modèles actuels s'approche désormais de la valeur limite théorique d'environ 40 %. 

Étant donné que la plupart des systèmes de propulsion utilisent la combustion pour créer de la chaleur, les émissions représentent également une source de préoccupation. La conception de systèmes plus efficaces permet de réduire la quantité de carburant brûlée. Les taux de compression, les températures de combustion et les choix de carburant contribuent également aux émissions, et les ingénieurs doivent optimiser soigneusement chaque aspect de leur conception pour réduire les émissions de carbone et d'autres polluants. 

Les différents types de propulsion et leurs applications diverses continuent d'évoluer rapidement. Les ingénieurs se concentrent principalement sur l'amélioration des approches existantes et éprouvées, afin d'exploiter au maximum les forces propulsives permettant de mettre un véhicule en mouvement. Cependant, de nouvelles technologies de propulsion sont aussi en cours de développement. 

Systèmes de propulsion hybrides

Le développement d'applications combinant plusieurs systèmes de propulsion, connus sous le nom de systèmes de propulsion hybrides, suscite actuellement un grand intérêt, et des applications pratiques sont en cours de fabrication. La prolifération des véhicules hybrides rechargeables en est l'exemple le plus évident. L'aviation commerciale mène actuellement de nombreuses recherches sur l'utilisation de solutions de propulsion hybride-électrique et hybride à hydrogène pour les avions. La propulsion de fusée hybride gagne également en popularité pour le lancement, les applications de défense et les propulseurs de manœuvre orbitale.

Propulsion de fusée nucléaire

La propulsion de fusée nucléaire permet de remplacer la combustion chimique apportant de la chaleur au fluide de travail par un réacteur nucléaire. Le développement de cette technologie date des années 1960, et le tout premier logiciel d'analyse par éléments finis Ansys a été mis au point pour ce programme de recherche. La NASA envisage à nouveau d'utiliser cette technologie pour assurer la propulsion des missions entre la Terre et Mars qui requièrent une poussée considérable. 

Systèmes de propulsion à cycle combiné basé sur une fusée (RBCC) ou sur un turboréacteur (TBCC)

Les chercheurs étudient la possibilité de combiner un superstatoréacteur avec un turboréacteur ou une fusée. La fusée ou le turboréacteur accélère le véhicule à une vitesse suffisamment élevée pour que le statoréacteur puisse fonctionner. Les TBCC semblent plus adaptés pour les vitesses supersoniques les plus basses, et des recherches sur les RBCC sont en cours pour obtenir de meilleures performances. 

Ressources connexes