Du moteur à pistons au turbofan

Un moteur d'avion doit fournir une force propulsive sans imposer une masse excessive. Dans un moteur à pistons, la combustion déplace des pistons qui entraînent un vilebrequin, puis une hélice. Celle-ci accélère une masse d'air vers l'arrière ; la réaction pousse l'avion vers l'avant. Le moteur produit une puissance mécanique, tandis que l'hélice la transforme en poussée. Distinguer ces deux étapes permet de comprendre pourquoi un gain de puissance ne donne pas automatiquement un gain proportionnel de vitesse. La résistance aérodynamique, le rendement de l'hélice et la masse de l'installation interviennent ensemble.

Le Flyer de 1903 emporte un moteur à quatre cylindres réalisé par Charlie Taylor avec les frères Wright. Une transmission par chaînes entraîne deux hélices. Le succès tient à l'ensemble moteur, transmission, hélices et cellule, non au seul groupe propulseur. Les frères Wright travaillent notamment la forme des pales comme celle d'ailes tournantes. À l'époque des pionniers, alléger le moteur tout en assurant son refroidissement et son alimentation demeure une difficulté centrale. Les progrès se mesurent aussi à la capacité de répéter les vols, pas seulement à quitter le sol une fois.

Le moteur rotatif, illustré par les Gnome, possède des cylindres qui tournent avec l'hélice autour d'un vilebrequin fixe. Cette disposition favorise le refroidissement et offre un rapport puissance-masse intéressant pour les premiers avions. Elle entraîne aussi des contraintes de lubrification et des effets gyroscopiques qui influencent le pilotage. Il ne faut pas le confondre avec le moteur en étoile à cylindres fixes. Dans ce dernier, le vilebrequin tourne tandis que les cylindres restent attachés au carter : une différence mécanique essentielle malgré leur silhouette circulaire commune.

Pendant l'entre-deux-guerres, les moteurs en étoile refroidis par air équipent de nombreux transports, dont le Douglas DC-3. Les moteurs en ligne ou en V, souvent refroidis par liquide, offrent d'autres compromis de forme et d'installation ; le Merlin du Spitfire en fournit un exemple connu. Aucun agencement ne résume à lui seul le progrès. Suralimentation, carburants, métallurgie et hélices à pas variable augmentent les possibilités des moteurs à pistons. En altitude, le compresseur de suralimentation aide à compenser la raréfaction de l'air, mais sa présence ajoute des organes et des contraintes thermiques.

Le turboréacteur modifie la chaîne de conversion. Un compresseur comprime l'air, du carburant brûle dans une chambre de combustion, puis les gaz traversent une turbine et une tuyère. La turbine prélève l'énergie nécessaire au compresseur ; l'écoulement accéléré contribue à la poussée. Contrairement au cycle intermittent des cylindres, la combustion est continue en fonctionnement normal. Le compresseur, la chambre et la turbine forment un système étroitement couplé. Obtenir un moteur utile exige donc davantage que de produire un jet : les composants doivent fonctionner ensemble sur une plage de régimes et résister aux températures.

Frank Whittle au Royaume-Uni et Hans von Ohain en Allemagne développent indépendamment des turboréacteurs dans les années 1930. Le Heinkel He 178 vole le 27 août 1939 avec un moteur conçu par von Ohain. Le Gloster E.28/39 vole avec un moteur Whittle en 1941. La guerre accélère les programmes, jusqu'à l'emploi opérationnel du Messerschmitt Me 262 en 1944. Les premiers réacteurs souffrent notamment d'une durée de vie limitée et d'une consommation élevée. Leurs performances à grande vitesse ne doivent pas masquer les difficultés de fabrication, les matériaux disponibles et les exigences nouvelles imposées à l'entretien.

Après la guerre, le transport commercial adopte progressivement la turbine. Le Comet entre en service en 1952 avec des turboréacteurs. Le jet permet de voler plus vite et plus haut que les transports à pistons usuels, mais son intérêt dépend de la longueur des étapes, du carburant et de l'exploitation. Les premiers avions à réaction ne remplacent donc pas immédiatement tous les appareils à hélice. L'histoire de la propulsion rejoint ici celle des réseaux : une solution technique doit correspondre aux distances desservies, aux pistes et à la capacité des ateliers.

Le turbopropulseur utilise une turbine à gaz pour entraîner principalement une hélice, généralement par un réducteur. Le Vickers Viscount entre en service commercial en 1953 et illustre cette autre voie. Les ATR 42 et 72 montrent sa persistance sur les liaisons régionales. À des vitesses modérées, l'hélice accélère une grande masse d'air avec une augmentation de vitesse relativement faible, ce qui favorise le rendement propulsif. Aux vitesses plus élevées, les phénomènes de compressibilité aux pales deviennent contraignants. Le turbopropulseur n'est donc ni un moteur à pistons modernisé, ni une étape simplement dépassée par le jet.

Le turbofan ajoute une soufflante entraînée par la turbine. Une partie de l'air traverse le cœur, tandis qu'une autre le contourne. Le taux de dilution est le rapport du débit massique contournant le cœur au débit qui le traverse. Il ne désigne ni une proportion de carburant, ni directement une proportion de poussée. Le flux secondaire, souvent appelé froid par opposition aux gaz de combustion, a néanmoins reçu de l'énergie de la soufflante. Les moteurs à faible dilution précèdent la diffusion des grandes soufflantes civiles ; le double flux n'apparaît donc pas soudainement avec les gros porteurs.

Le Boeing 747, mis en service en 1970 avec le Pratt & Whitney JT9D, marque l'essor commercial des moteurs à fort taux de dilution. Le General Electric CF6 et le Rolls-Royce RB211 appartiennent aussi à cette génération. Pour le vol subsonique, accélérer davantage d'air moins fortement améliore le rendement propulsif et réduit certaines sources de bruit par rapport aux jets rapides des premiers réacteurs. Mais une soufflante plus grande augmente aussi les dimensions de la nacelle, sa masse et sa traînée. Le choix d'un moteur reste un compromis d'intégration, non la recherche d'un taux de dilution maximal sans autre condition.

L'amélioration du cœur repose notamment sur la compression et sur les températures admissibles devant la turbine. Superalliages, refroidissement des aubes et revêtements thermiques permettent aux pièces de fonctionner dans un environnement sévère. Ces gains ont des limites : chaleur, efforts centrifuges et cycles successifs sollicitent les composants. Certaines architectures séparent plusieurs corps tournant à des vitesses différentes ; d'autres ajoutent un réducteur entre turbine et soufflante. Il n'existe donc pas une architecture unique du turbofan. Les choix cherchent à adapter chaque composant à son travail tout en maîtrisant masse, consommation et complexité mécanique.

La régulation numérique FADEC commande le moteur et surveille ses limites à partir des informations des capteurs. Elle ne supprime ni les inspections ni l'usure. Le dossier maintenance complète ainsi l'histoire des performances par celle du suivi en service : examen des pièces, recherche d'endommagements et respect des durées de vie prescrites. Enfin, rendement amélioré et absence d'émissions ne sont pas synonymes. Les moteurs brûlant du carburant restent associés à des rejets et à des effets climatiques. Le dossier décarbonation traite cette question distincte, sans faire du turbofan l'aboutissement inévitable de toute propulsion aéronautique.