La thermodynamique de la propulsion par réaction

Comprendre la thermodynamique de la propulsion par réaction, ses principes fondamentaux, les cycles thermodynamiques comme le cycle de Brayton et le rôle crucial de la tuyère.

La thermodynamique de la propulsion par réaction

La propulsion par réaction est une technologie qui est au cœur de nombreux systèmes de transport modernes, tels que les avions à réaction et les fusées spatiales. Le principe fondamental repose sur la troisième loi de Newton : pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. Cet article explore les principes thermodynamiques derrière cette forme de propulsion.

Principe de base

En thermodynamique, la propulsion par réaction utilise des fluides (généralement des gaz) qui sont chauffés et accélérés pour générer une poussée. La poussée résulte de l’expulsion rapide de ces gaz dans la direction opposée à celle du mouvement désiré. La formule générale pour la poussée (F) peut être donnée par :

\[ F = \dot{m} \cdot v_e + (P_e – P_0) \cdot A_e \]

où:

\( \dot{m} \) est le débit massique du fluide.

\( v_e \) est la vitesse d’éjection.

\( P_e \) est la pression à l’extrémité de la tuyère.

\( P_0 \) est la pression extérieure.

\( A_e \) est la section de la tuyère.

Cycle thermodynamique

Les moteurs à réaction utilisent généralement le cycle de Brayton, également connu sous le nom de cycle à pression constante. Voici les étapes principales de ce cycle :

Compression : L’air est comprimé par un compresseur, augmentant ainsi sa pression et sa température.

Combustion : Le combustible est injecté et enflammé, ce qui augmente la température du mélange air-combustible.

Expansion : Les gaz chauds se détendent en passant à travers une turbine, produisant du travail pour entraîner le compresseur. Les gaz continuent de se détendre et sont expulsés par la tuyère, générant une poussée.

Échappement : Les gaz sont évacués à grande vitesse dans l’atmosphère, produisant la poussée selon le principe de la troisième loi de Newton.

La tuyère

La tuyère est une composante cruciale pour la propulsion par réaction. Elle convertit l’énergie thermique des gaz en énergie cinétique. Deux types de tuyères sont couramment utilisées :

Tuyère convergente : Augmente la vitesse des gaz en abaissant leur pression et leur température.

Tuyère convergente-divergente : Utilisée principalement dans les moteurs fusées pour augmenter encore plus la vitesse des gaz en les faisant passer par une section convergente, puis divergente.

Rendement thermodynamique

Le rendement thermodynamique d’un moteur à réaction est une mesure de son efficacité à convertir l’énergie chimique du combustible en énergie mécanique et, finalement, en poussée. Il est influencé par des facteurs comme la température de la chambre de combustion et l’efficacité du compresseur et de la turbine.

La formule du rendement thermique (\eta) du cycle de Brayton peut être exprimée par :

\[ \eta = 1 – \left(\frac{T_1}{T_2}\right)^{\gamma – 1 / \gamma} \]

où :

\( T_1 \) est la température initiale de l’air.

\( T_2 \) est la température après compression.

\( \gamma \) est le coefficient adiabatique (rapport des capacités thermiques).

Conclusion

La thermodynamique de la propulsion par réaction repose sur des principes bien établis et des cycles thermodynamiques spécifiques. Comprendre ces principes aide non seulement à concevoir des moteurs plus efficaces, mais également à améliorer les performances globales des systèmes de propulsion modernes.