ANNEXE Moteurs à turbines

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1 ANNEXE Moteurs à turbines
HISTORIQUE DE LA THERMOPROPULSION

2 HISTORIQUE DE LA THERMOPROPULSION
LES PREMIERS BREVETS LES ANNEES 20, A LA RECHERCHE DU RENDEMENT LES BREVETS ET PROTOTYPES DES ANNEES 30 1937 : LES PREMIERS TURBOREACTEURS LE «COUP DE POUCE» DE LA SECONDE GUERRE MONDIALE CONVERSION VERS LE CIVIL LA RENAISSANCE AERONAUTIQUE DE LA FRANCE DU BMW 003 A L’ATAR 101 TURBOMECA

3 LES PREMIERS BREVETS A la fin du 19e siècle, la mode est au ballon et à l’hélice, en littérature comme en technique. Cependant, le 26 octobre 1863, l’académie des sciences reçoit communication d’un appareil mû par un système propulsif à réaction. L’auteur de la communication, Jean DE LOUVRIER, inventeur français né à Combebisou, dépose le brevet n° , sous le nom d’Aéronave. Ce brevet décrit ce qui peut être considéré comme le premier moteur à réaction du monde. Malheureusement la technique du moment ne permet pas sa réalisation.

4 Brevet De Louvrier : vue de dessus vue en coupe

5 En 1872, l’Allemand STOLZE dessine une « turbine à air chaud » qui est essayée entre 1900 et 1904, mais sans succès. A cette époque déjà, elle comporte un compresseur axial entraîné par une turbine à réaction. La première turbine à réaction, conçue pour servir de moteur à un avion, sera une turbine à vapeur mise au point par l’Anglais HARDGRAVE, en 1896. En France, les travaux sur les turbines à gaz débutent en LEMALE fonde la société des turbomoteurs et dessine une turbine en acier au nickel. Celle-ci résiste jusque 450°C. En 1907, ARMENGAUD et ESNAULT-PELTERIE déposent des brevets sur les « turbines à explosion », à combustion intermittente (de type pulsoréacteur). Ces machines ont un très faible rendement (pratiquement nul) à cause de la faible pression du mélange gazeux.

6 Brevet Esnault Pelterie :

7 Brevet Armengaud :

8 En 1908, Etienne LORIN est le premier à faire breveter un motoréacteur constitué par d’un moteur à pistons à plusieurs cylindres, dont les gaz d’échappement se détendent dans une tuyère pour produire directement l’énergie cinétique Le rendement propulsif est très mauvais à cause de la vitesse élevée des gaz d’échappement.

9 En 1909, MARCONNET fait breveter deux types de propulseurs :
Un système comprenant un compresseur ROOTS entraîné par un moteur, une chambre de combustion à pression constante et une tuyère divergente. Un système à combustion intermittente. A chaque allumage du mélange air/carburant, la pression ferme la chambre de combustion via un clapet à l’entrée. Les gaz en expansion produisent une dépression dans la chambre, qui permet l’aspiration d’une nouvelle quantité d’air, et ainsi de suite. Marconnet est donc reconnu comme l’inventeur du pulsoréacteur.

10 En 1909, BARBEZAT essaie la turbine KARAVODINE à quatre chambres à explosion de 230 cm3 dotée d’une turbine de Laval de 1500 mm La puissance développée, à 1000 tr/mn et 80 kg/h d’air, atteint 2,1 ch pour une consommation de 2,24 kg/ch/h.

11 La « turbine à explosion » est vite abandonnée au profit de la turbine dite « à combustion permanente » étudiée par DE LAVAL (ingénieur Suédois). Une chambre de combustion de ce type est construite en 1910, par LEMALE. Les essais sont un succès et LEMALE en déduit le résultat suivant : Le rapport du travail de compression sur le travail disponible augmente avec la diminution de la température de combustion et atteint 1 pour une température de 700°C. Malgré tout, les premières turbines à gaz ont un rendement pratiquement égal à 0. Il faudra attendre les résultats des travaux sur la compression pour entrevoir une solution : études sur les compresseurs axiaux en 1905, par PARSONS études sur les compresseurs centrifuges en 1902, par RATEAU.

12 En 1913, LORIN dépose le brevet du principe du statoréacteur
En 1913, LORIN dépose le brevet du principe du statoréacteur Dans ce dispositif, un diffuseur à l’entrée transforme une partie de la pression dynamique en pression statique. Ensuite, une combustion à pression constante augmente l’énergie calorifique. L’expansion des gaz se fait dans une tuyère.

13 En 1914, le brevet n° de MELOT présente un dispositif de tuyère à réaction par effet de trompe Essayé pendant la guerre et perfectionné en 1920, ce dispositif offre un rendement thermique de 20%.

14 En 1917, MORIZE propose un éjecteur à effet de trompe, ressemblant au dispositif de MELOT, mais nettement amélioré Un compresseur entraîné par un moteur à pistons envoie de l’air dans la chambre de combustion.

15 LES ANNEES 20, A LA RECHERCHE DU RENDEMENT
En 1921, GUILLAUME dépose un brevet (n° ) qui définit la conception technologique du turboréacteur simple flux, telle qu’on la connaît encore aujourd’hui. Dans ce dispositif, la compression se fait par un compresseur entraîné par une turbine à gaz multi-étage. Le réacteur est démarré par une magnéto lancée par manivelle. Une soupape de démarrage logée dans le réservoir injecte le carburant à l’entrée de la chambre de combustion annulaire. Un deuxième injecteur de fonctionnement prend ensuite le relais.

16 Schéma du turboréacteur de GUILLAUME

17 ODIER réalise, au cours des années 20, un turbomoteur à compresseur rotatif tournant à 6000 tr/mn, entraîné par une turbine à trois étages, avec injection partielle dans les deux premiers étages. Ce moteur avait une masse d’environ 400 kg. MELY essaya, au banc, une turbine à gaz, à trois chambres de combustion. Tournant à tr/mn (vitesse maximale tr/mn), cette turbine à gaz développait une puissance nominale de 500 ch, pour une masse estimée à 250 kg (soit 0,5 kg/ch). En 1928, le Hongrois A. FONO proposait un propulseur à réaction pour aéronefs volant à haute altitude. L’Anglais HARRIS étudia une tuyère à réaction alimentée par un compresseur centrifuge entraîné par un moteur à pistons (brevet anglais n° ).

18 En 1930, Maurice ROY effectue des recherches théoriques sur « le rendement et les conditions de réalisation des systèmes motopropulseurs à réaction ». Il propose le schéma général suivant :

19 LES BREVETS ET PROTOTYPES DES ANNEES TRENTE
En 1930, Franck WHITTLE (GB) dépose le brevet anglais n° relatif à un turboréacteur simple flux, composé d’un compresseur axial multi-étages suivi d’un compresseur centrifuge, de chambres de combustion tubulaires, d’une turbine mono-étage et de tuyères d’échappement séparées. En 1930, LEDUC dépose un premier brevet de statoréacteur pur présentant une veine convergente – divergente ne fonctionnant que par la pression dynamique. Il a donc réinventé le statoréacteur de LORIN de 1913. En 1932, Henry COANDA dépose, en France, le brevet n° d’un système de propulsion par réaction comportant des brûleurs logés dans des entrées d’air. EN 1910, COANDA avait réalisé le premier avion à motoréacteur qui n’a jamais volé.

20 Avion à motoréacteur de COANDA de 1910

21 Détails du motoréacteur de COANDA de 1910
En 1933, LEDUC dépose un nouveau brevet de statoréacteur avec aspiration de la couche limite dans l’entrée d’air.

22 En 1933, le Suédois LYSHOLM MILO dépose, aux USA, le brevet de deux turbomoteurs (un turbopropulseur et un turboréacteur) comprenant un compresseur centrifuge multi-étages, une chambre de combustion annulaire inversée et une turbine axiale multi-étages.

23 Il décrit également un turboréacteur simple flux et double corps en annexe à son brevet. Un de ses turbomoteurs, développant 800 ch, fut construit par la société suédoise Ljungström-Bofors. Il tourna au banc en 1935, mais ces essais n’eurent aucune suite. En 1934, l’ingénieur Italien CAPRONI fait enregistrer en France le brevet (n° ) d’un système de propulsion à réaction dans lequel les gaz s’échappaient à travers un tube de Venturi. L’aboutissement de cette idée donna naissance à l’avion CAPRONI-CAMPINI propulsé par un motoréacteur. Le propulseur était constitué d‘un compresseur centrifuge à deux étages, entraîné par un moteur à pistons en étoile de 900 ch, d’une série de conduits de mélange débouchant dans une chambre de combustion annulaire (postcombustion), d’une tuyère à aiguille, le tout logé dans le fuselage de l’avion. Le premier vol de l’avion CC2 eut lieu en Avril 1940.

24 Avion à motoréacteur Caproni - Campini
En 1935, deux Allemands, le physicien VON OHAIN et son assistant l’ingénieur HAHN brevettent un turboréacteur simple flux composé d’un compresseur centrifuge, d’une chambre de combustion annulaire à retour située autour de l’entrée d’air du compresseur et d’une turbine centripète. En 1936, Franck WHITTLE (GB) dépose deux brevets en Suisse concernant des dispositifs de turboréacteurs double flux.

25 En 1938, LEDUC dépose encore un brevet concernant cette fois une turbine à gaz à rotor unique dans lequel s’effectue la compression, la combustion et la détente.

26 En 1939, René ANXIONNAZ de la société RATEAU dépose un brevet (n° ) concernant un propulseur à réaction pour avion. Il y est fait mention d’un by-pass permettant à l’air prélevé à un étage intermédiaire du compresseur de ne pas traverser la chambre de combustion et la turbine, afin d’augmenter le rendement. Le premier moteur de ce type tourne au banc chez Métro Vickers en Grande Bretagne en 1943.

27 1937 : LES PREMIERS TURBOREACTEURS
SENSAUD DE LAVAUD, savant, chercheur et technicien de grande renommée met au point, en 1937, le premier turboréacteur français. Etudié en collaboration avec les ingénieurs BRUNET et PRIMET, ce petit turboréacteur comporte : un compresseur centrifuge à 12 aubes ; un diffuseur de sortie à 60 aubes ; une chambre de combustion annulaire ; une turbine axiale à 72 aubes, et une tuyère à effet de trompe. Tournant à tr/mn, il développe une poussée de 100 daN pour une masse d’environ 50 kg, ce qui constitue une excellente performance.

28 Le seul ennui important rencontré lors de la mise au point est la mauvaise tenue des 2 roulements à billes dont la durée de vie n’excède pas les 10 mn de fonctionnement.

29 Par suite de l’occupation, et sous la pression des Allemands, le contrat de production n’est pas appliqué et les pièces du moteur sont enterrées par les ouvriers dans leur jardin. Après la guerre, Edouard PRIMERT récupère le turboréacteur pour le donner au musée de l’air. En 1937 toujours, tourne pour la première fois au banc d’essai en Grande Bretagne, le prototype WU de Franck WHITTLE, réalisé selon ses brevets posés au début des années 30. Construit par la British Thomson Houston, il comporte un compresseur centrifuge à double entrée, une longue chambre de combustion enroulée autour du moteur et une turbine axiale dont l’enceinte et les roulements sont refroidis par eau. Après plusieurs tentatives d’essais, il fournit une poussée de 200 daN pour une masse d’environ 250 kg. Cette conception technologique sera retenue par la suite par les constructeurs Rolls Royce et De Havilland.

30 Turboréacteur expérimental WHITTLE WU Le développement en sera laborieux. Un moteur de vol, le W1A, redessiné par Power Jets, sera cependant mis au point pour équiper un avion expérimental Gloster E28/39 en Il est cette fois équipé de chambres de combustion tubulaires inversées.

31 Premier vol du W1A sur Gloster E28/39 le 15 Mai 1941

32 A quelques mois d’intervalle et toujours dans la même année, un autre prototype tourne chez HEINKEL en Allemagne, selon les brevets de Pabst VON OHAIN. Il s’agit d’un turboréacteur à compresseur centrifuge entraîné par une turbine centripète et fournissant une poussée de 130 daN, le He S-1. La chambre de combustion annulaire à flux dévié de 90° est alimentée à l’hydrogène. Après de nombreuses difficultés, on réussit tout de même à alimenter la chambre avec de l’essence sur le deuxième prototype He S-2. Un an plus tard, une version à poussée accrue (450 daN pour 360 kg), le He S-3 est également à l’essai. A l’issue d’une campagne d’essais intensive au sol de plusieurs mois, les essais en vol ont lieu sur un banc volant Heinkel He 118. Le moteur n’assure pas le décollage, ni l’atterrissage. Ce sera un second prototype du He S-3b qui effectuera le vol historique du 27 Août 1939 sur un monomoteur Heinkel He Ce turboréacteur ne sera jamais construit en série.

33 Turboréacteur HEINKEL He S-3b Il tourne à tr/mn pour un débit d’air de 20 kg/s. Sa tenue mécanique est précaire et il fonctionne sans régulation.

34 L’avion du vol du 27 Août 1939

35 LE “COUP DE POUCE” DE LA SECONDE GUERRE MONDIALE
Suite aux premiers prototypes de la fin des années 30, ce sont les Allemands qui vont gagner la bataille du développement. Ils seront les premiers à faire voler un avion équipé d’un turboréacteur en 1939 (les Anglais n’y parviendront qu’en 1941). Cependant, les deux adversaires se retrouveront au poteau en 1944 et mettront l’un et l’autre en service deux redoutables chasseurs, le Meteor britannique et le Messerschmidt allemand. Après la déclaration de la guerre, HEINKEL active le développement de son moteur He S-3b de forme révolutionnaire. Il l’équipe d’une chambre annulaire (version He S-8) et atteint 700 daN de poussée, puis il fait étudier une nouvelle veine par l’ingénieur MÜLLER. Compresseur axial (5 étages), chambre tubo-annulaire (11 tubes à flamme), la poussée progresse : le He S-30, en 1942, développe 900 daN, le He S-11, en 1944, 1200 daN.

36 Mais les rendements restent mauvais, les crédits manquent
Mais les rendements restent mauvais, les crédits manquent. Aucune de ces versions ne sera lancée en série. Trois autres constructeurs sont en effet désignés par le Ministère de l’Air Allemand, pour équiper des avions de guerre à réaction : Messerschmidt, BMW et Junkers. Chez Junkers, les bureaux d’études, sous la direction d’ingénieurs comme WAGNER, MÜLLER et FRANZ (devenu après la guerre directeur technique chez Lycoming USA jusqu’à sa retraite), dessinent le JUMO Le prototype est mis au banc en octobre 1940 et donne 600 daN de poussée; dès 1941, il monte à 800 daN. Premier vol en 1942 sur banc volant Messerschmidt 210, puis sur le chasseur bimoteur Messerschmidt Le premier moteur de série, 004D, tourne au banc en 1943 avec 930 daN de poussée. Il sera produit à 5000 exemplaires pour équiper l’Arado 234 et le Messerschmidt 262.

37 Turboréacteur Junkers JUMO 004

38 Avions équipés du turboréacteur Junkers JUMO 004
Avions équipés du turboréacteur Junkers JUMO Messerschmidt Arado 234

39 Chez BMW, c’est en 1938 que débute, sous la direction de l’ingénieur OESTRICH (devenu directeur technique de la SNECMA de 1950 à 1960 et père de la famille ATAR), l’étude d’un turboréacteur à flux axial, le BMW 003 Le premier prototype comporte un compresseur axial (6 étages), une chambre annulaire (16 injecteurs) et une turbine axiale à aubes creuses refroidies. Il tourne au banc en décembre 1940 et ne développe qu’une poussée de 200 daN par suite d’un mauvais rendement. Un nouveau compresseur à 7 étages est adopté et la poussée atteint 500 daN. Après élimination de certains problèmes (vibrations, ruptures d’aubes, …), la version 003-A est équipée d’une régulation type Junkers et développe 800 daN de poussée à 9000 tr/mn. Sa durée de vie est de 20 heures. Les essais en vol ont lieu, sur banc volant Ju 88, fin 1943 et sur Arado 234 en mars 1944 avec la version 003-C de 900 daN.

40 750 moteurs seront produits jusque la fin de la guerre pour équiper le Heinkel He-162

41 En Grande Bretagne, les motoristes, et notamment ROLLS ROYCE, misent sur la technologie centrifuge pour le compresseur. Il est considéré comme facile à fabriquer, économique, léger et posant moins de problèmes de pompage et d’instabilité. La société POWER JETS, créée en 1936, développe entre 1940 et 1943, avec la participation de la British Thomson Houston et de Rover, une famille de moteurs expérimentaux dérivés du prototype de WHITTLE, dont les poussées s’échelonnent entre 400 et 1000 daN. Un moteur, le W1A, est mis au point pour un premier vol sur le Gloster E28/39, le 15 mai Cependant, dès 1940, ROLLS ROYCE propose à Power Jets de lancer le développement d’une version industrielle du moteur de WHITTLE, le W2B. Un prototype tourne au banc en 1942 pour une poussée de 550 daN. Avec cette expérience, ROLLS ROYCE met au point le WELLAND (WR1) qui réussit un essai type de 100 heures en avril 1943 à la poussée de 725 daN. La présérie est lancée en 1944.

42 Le WELLAND comporte un compresseur centrifuge à double entrée, une turbine axiale et des chambres tubulaires inversées. En 1944, la poussée atteinte est de 870 daN, avec un nouveau compresseur et de nouvelles aubes de turbine. Sa durée de vie était de l’ordre de 180 heures.

43 Le DERWENT, de même classe que le WELLAND, tourne au banc en juillet 1943 et développe 905 daN de poussée. Les chambres sont tubulaires à écoulement direct.

44 Le premier vol du Derwent a lieu en 1944 sur Gloster Meteor IV.

45 Pour répondre, début 1944, au cahier de spécifications émis par le Ministère de l’Air britannique pour un turbomoteur de la classe des 1800 daN de poussée pour une masse de 1000 kg, ROLLS ROYCE propose le fameux NENE, dérivé du DERWENT, dont la série fut lancée en août Testé au banc, il donne daN de poussée pour une masse de 745 kg Premier vol en juillet sur Gloster E1/ Il équipera le Vickers « Viking » et le De Havilland « Vampire ».

46 Le turboréacteur Rolls Royce NENE

47 En 1944, ROLLS ROYCE réalise le turbopropulseur TRENT de 1000 ch dérivé du turboréacteur DERWENT. Essayé en vol en septembre 1945, sur un bimoteur Gloster Meteor modifié, ce turbopropulseur servira de base au développement du DART lancé en Celui-ci sera lancé en grande série dès 1948 pour le quadrimoteur Vickers Viscount.

48 Un turbopropulseur de 3000 ch, le CLYDE, développé par ROLLS ROYCE sera expérimenté en Il comporte un compresseur axial de 9 étages suivi d’un compresseur centrifuge, une chambre à 11 tubes à flamme, une turbine axiale haute pression et une turbine libre entraînant l’hélice à travers un réducteur Son développement sera arrêté en 1947, mais la technologie du compresseur axial du CLYDE sera à la base de celle de l’AVON.

49 Le premier turboréacteur soviétique connu est le VRD-2, essayé au banc par Lyulka en 1943, à la poussée de 700 daN. Un autre tuboréacteur, le TR-1, de 1300 daN de poussée aurait fait sa première rotation fin Ces machines n’ayant pas atteint un niveau de mise au point suffisant en 1944 pour envisager leur production en série, le Control Aero Engine Institute lance, sous la direction de l’ingénieur KHALSHCHEVNIKOV, l’étude d’un accélérateur identique au système développé par les italiens CAMPINI – CAPRONI. Sur la base d’un tel système, Sukkoï et Mikoyan – Gourevitch réalisent simultanément deux avions expérimentaux qui effectuent leur premier vol respectivement en mars et en avril Malgré des résultats encourageants (le MIG I-250 atteint la vitesse de 825 km/h à 8000 m) les deux appareils sont accidentés et détruits.

50 Sukkoï SU-5 avec accélérateur KHALSCHEVNIKOV En 1945, à l’issue du conflit mondial, l’URSS va bénéficier de la récupération du matériel de guerre allemand. Dès 1946, le BMW 003 et le JUMO 004 germaniques sont développés sous la direction du constructeur soviétique SHVETSOV. Ils portent les dénominations respectives M 003 (1200 daN) et M 004-H (1700 daN)

51 Entre 1947 et 1948, les Soviétiques n’étant pas en mesure de répondre par eux-mêmes aux besoins de leur aviation en propulseurs, ils s’adressent au gouvernement britannique qui leur fournit 30 Rolls Royce DERWENT V de 1600 daN et 22 NENE de 2050 daN. La fabrication sous licence de ce dernier est également négociée. Le constructeur CHELOMEY le produira à partir de 1950 sous la dénomination M 45 (2270 daN). A partir de 1949, le premier « gros » turboréacteur soviétique, le M 012 (ex JUMO 012) voit le jour : 3000 daN et 4000 avec PC. Un dérivé du BMW 018, le M 018 (3600 daN) est également mis au point.

52 Les soviétiques poursuivent le développement de turbopropulseurs allemands sous la désignation M 022 (4600 ch) et M 028 (7000 ch). En Suède, l’ingénieur LYSHOLM propose un propulseur mixte comprenant un compresseur centrifuge entraîné par une turbine à 6 étages et un moteur à pistons Pegasus. Le système est essayé en 1942 mais reste sans suite (115 daN de poussée pour une masse de 100 kg). Nommé ingénieur chez Svenska Flygmotor pendant la guerre, il lance l’étude d’un turboréacteur, le P15-54 qui tourne au banc en 1947, à la poussée de 1500 daN et sera développé jusqu’à 1800 daN. Les essais seront stoppés en 1946, date à laquelle le Svenka Flygmotor acquiert la licence du DE HAVILLAND « GOBLIN » (RM.1), puis celle du D.H. « GHOST » (RM.2). Ces moteurs équiperont les premiers avions à réaction suédois, le SAAB-21R (1er vol mars 1947) et le SAAB-29 (1er vol septembre 1948).

53 CONVERSION VERS LE CIVIL
A la fin du conflit mondial, la Grande Bretagne met en place les structures industrielles qui vont permettre, assez rapidement, de construire les premiers « jets » civils. Rolls Royce est le principal support dans le domaine des moteurs, bien que d’autres vocations de « motoristes aéronautiques » vont se préciser ou naître en Angleterre. C’est le cas de METROPOLITAN VICKERS dont le nom est lié à celui du SAPPHIRE, moteur dont la société lança l’étude en 1946, mais dont le développement fut transféré fin 1947 à AMSTRONG SIDDELEY, qui le construisit en série. A l’origine, les études de base (1938) concernent un turbopropulseur à compresseur axial de 10 étages, le B10. Jugé trop complexe et trop lourd, son développement fut abandonné au profit du F2, un turboréacteur de 820 daN de poussée.

54 Les essais au banc débutèrent en décembre 1941, le premier vol sur banc volant Avro Lancaster eut lieu en juin Les dernières versions du F2, à 1700 daN de poussée, sont connues sous le nom de BERYL. En adaptant au générateur de gaz F2 une soufflante arrière, la METRO VICKERS conçut et essaya, entre 1943 et 1945, le premier double flux connu au monde (version F3) La poussée atteinte pour une masse de 1000 kg fut de 2000 daN.

55 De son côté, la société DE HAVILLAND AIRCRAFT Co. Ltd
De son côté, la société DE HAVILLAND AIRCRAFT Co. Ltd. oriente les activités de sa division moteur vers les techniques de propulsion par réaction directe à partir du printemps Elle développe un turboréacteur à compresseur centrifuge (technologie proche de celle du moteur de WHITTLE), le GOBLIN, puis une version plus puissante, le GHOST. Le GOBIN fut testé au banc en avril 1942 à la poussée de 940 daN. Il effectua son premier vol sur Gloster Meteor en mars 1943, à la place du Whittle W2B retardé à la suite de nombreux incidents. Les versions ultérieures fournirent des poussées allant de 1230 à 1600 daN. La version GOBLIN II fut lancée en série vers la fin de 1945 pour le DH 100 Vampire, chasseur monoplace qui fut le premier avion à franchir 805 km/h au printemps 1944, en Grande Bretagne et aux Etats Unis.

56 Le De Havilland « Goblin II » monté sur DH 100 « Vampire »

57 Le turboréacteur GHOST, dérivé du GOBLIN, était une version plus puissante du GOBLIN, avec un nouveau compresseur centrifuge à entrée axiale et seulement 10 chambres de combustion tubulaires (le GOBLIN en avait 16). Le prototype tourna au banc en août 1945 à la poussée de 1800 daN. Développé d’abord en version militaire pour le chasseur Sea Venom, il fut lancé en version civile en 1947 (2270 daN) pour le COMET.

58 AMSTRONG SIDDELEY se lance, en novembre 1942, dans le développement des turbomachines. A partir des études du docteur GRIFFITH sur les compresseurs axiaux, un prototype est mis au point en mars 1943, le ASX « SARAH ». Le premier vol a lieu en 1945, sur banc volant Avro Lancaster et la poussée atteinte est de 1180 daN. A partir de l’ASX, Amstrong Siddeley réalise le turbopropulseur PYTHON, dont le prototype donnait une puissance de 3500 ch au banc en 1945.

59 Vue générale du PYTHON Un turbopropulseur plus petit, de la classe des 1000 ch, avait été également lancé en 1945, le MAMBA. Il tourna au banc en avril 1946 à la puissance de 1010 ch. Un nouveau turboréacteur, l’ADDER, lancé en 1947, commença ses essais au banc fin 1948 à la poussée de 475 kg. C’est de ce moteur que fut dérivée la famille des turboréacteurs VIPER.

60 Bilan sur les turbomachines en 1947
Les premiers turboréacteurs mis en service se caractérisent par leur rusticité. Ce sont des simple flux, simple corps, construits autour de deux types de compresseurs (axial ou centrifuge). La technique du compresseur centrifuge sera abandonnée, tout au moins pour les turboréacteurs de forte poussée, car elle conduit à des dimensions diamétrales trop grandes, incompatibles avec les contraintes aérodynamiques des avions. A noter, cependant, que le premier turboréacteur double flux a déjà tourné en Grande Bretagne (1943, Metro Vickers F3) et qu’aux USA, Westinghouse vient de mettre au point un turboréacteur à post combustion (1947, J34-22). Sur le plan technologique, l’emploi et l’usinage de matériaux à hautes caractéristiques mécaniques et thermiques ne sont même pas encore envisagés. Les premiers alliages utilisés, à base de fer, limitent à °C les températures de fonctionnement dans les parties chaudes du moteur. De plus, le taux de compression est modeste. Il en résulte que le rendement thermopropulsif des turbomachines réalisées est faible.

61 Caractéristiques générales des moteurs de l’époque :
Malgré de premiers résultats modestes, tant en terme de rendement thermodynamique que d’aérodynamique de la veine, les premières turbomachines de l’époque ont des performances qui leur permettent de supplanter très rapidement les moteurs à pistons. C’est surtout sous l’aspect de la fiabilité des turbomachines que les plus grands progrès restent à faire. Les durées de vie sont insuffisantes (une centaine d’heures environ), notamment les chambres de combustion ont une très mauvaise tenue, de même que les aubes de turbine malgré les limitations thermiques imposées (le refroidissement de ces aubes n’est qu’au stade d’avant projet). Caractéristiques générales des moteurs de l’époque : Poussées : de l’ordre de 2500 daN Consommations spécifiques : entre 1,1 et 1,5 kg/daN.h Débit d’air : de 25 à 45 kg/s Taux de compression : de 4 à 6 Température devant turbine : 700 à 850°C Rapports poids/poussée : 0,35 à 0,6 kg/daN Diamètre maxi : 1000 mm

62 LA RENAISSANCE DE L’AERONAUTIQUE FRANCAISE
Fin 1944, le gouvernement français décide de nationaliser le motoriste GNOME & RHONE qui devient la Société Nationale d’Études et de Construction de Moteurs d’Aviation (SNECMA). A cette époque, la SNECMA n’a pas encore d’expériences dans le domaine des turbomachines. Au printemps 1945, une mission technique est envoyée auprès des motoristes anglais pour examiner trois turboréacteurs disponibles et susceptibles d’équiper un chasseur français : - le De Havilland GHOST (2270 daN) ; - le Rolls Royce DERWENT (1630 daN) ; - le Rolls Royce NENE (2270 daN). C’est ce dernier qui est retenu pour être construit sous licence par Hispano Suiza et équiper les chasseurs Dassault « Ouragan ».

63 La renaissance aéronautique de la France repose sur deux sociétés ayant déjà une expérience dans le domaine des moteurs, Rateau-Anxionnaz et Socema-CEM. Malheureusement, les techniques d’avant guerre s’avérant être dépassées, celles-ci les conduisent assez rapidement à l’impasse. Trois autres sociétés participent activement, avec plus de succès, à la renaissance aéronautique, la toute jeune SNECMA, TURBOMECA et HISPANO-SUIZA. Sur la base de ses études et brevets, la société RATEAU put réaliser le premier turboréacteur double flux français. Un prototype, le SRA-1 fut construit et mis au banc en septembre Il atteignit une poussée de 1250 daN, puis 1600 daN en février 1947, au cours d’un essai de réception.

64 Le SRA-1 comportait une soufflante à 4 étages solidaire d’un compresseur haute pression à 12 étages, 9 tubes à flamme situés autour du compresseur et une turbine à 2 étages. La température en entrée turbine était de 780°C. D’un faible rendement (comme tous les moteurs étudiés avant guerre), le SRA-1 fut abandonné en 1948.

65 Après avoir abandonné les applications aéronautiques pendant quelques années, RATEAU développa en 1951, sur fonds propres, un nouveau turboréacteur, le SRA 101 de 3300 daN de poussée. Il proposa ensuite la version SRA 301, turboréacteur double flux avec post combustion de 4000 daN de poussée. N’ayant pu obtenir, pour ces études, de contrats de l’état, RATEAU les abandonna pour se consacrer uniquement à sa vocation initiale, la production de turbocompresseurs.

66 A la SOCEMA, une équipe dirigée par l’ingénieur Destival avait travaillé secrètement, en 1941, à la réalisation sous licence CEM d’un turbopropulseur baptisé « Turbine à Gaz pour Autorail » (TGA) pour camoufler aux occupants l’objectif réel des études. Le premier moteur de ce type, le TGA-1 bis qui ne put cependant être mis au banc d’essais qu’en 1947, développait une puissance de 2000 ch.

67 La TGA-1 bis comportait un compresseur axial de 15 étages, une chambre de combustion annulaire avec des injecteurs à contre courant et une turbine à 4 étages. La température en entrée turbine atteignait 600°C. Dérivé de ce moteur, le turboréacteur TGAR 1008 tourna au banc à la poussée de 1900 daN.

68 Comme dans le cas des turboréacteurs RATEAU, les TGA de la SOCEMA, étudiés au début de la guerre, avaient encore des rendements très bas. Tous leurs développements furent abandonnés en 1948 au profit des moteurs plus performants de l’après guerre, développés en France essentiellement par la SNECMA et TURBOMECA.

69 Dans le but de réaliser des turbomachines de conception simple, d’un bon rendement et se situant dans une gamme de puissance leur assurant de bonnes possibilités d’utilisation, une étude démarre à la SNECMA en 1946, sous la direction de l’ingénieur en chef Michel GARNIER avec une équipe de techniciens provenant de chez RATEAU. Le moteur, désigné TA 1000, de la classe des 5000 ch de puissance, est destiné à un projet d’avion de transport de la SNCASE. Conçu comme turbopropulseur à deux arbres, il comporte un compresseur centrifuge suivi d’un compresseur axial à 10 étages, une chambre de combustion « à retour » à 12 tubes à flamme, une turbine à 2 étages et une turbine de travail à 1 étage entraînant deux hélices contrarotatives, via un réducteur. Trois prototypes sont lancés, mais par suite de l’abandon du programme avion, l’étude est stoppée en 1949.

70 Le TA 1000 En 1947, un nouveau turbopropulseur, plus petit, est lancé, le TB 1000 de la classe des 2000 ch de puissance. Huit prototypes sont commandés et le premier moteur tourne au banc en été 1950 à la puissance de 1000 ch. Fin 1951, un essai contractuel est effectué à la puissance totale équivalente de 1520 ch. En janvier 1952, la nouvelle version TB 1000A atteint la puissance équivalente de 2000 ch soit 1750 ch sur l’arbre.

71 Le TB 1000 comprend un compresseur axial à 9 étages, une chambre de combustion à 6 tubes à flamme, une turbine à 2 étages en porte à faux, une tuyère d’éjection fixe et un réducteur à pignons droits entraînant l’hélice. En dépit de résultats encourageants, l’étude est stoppée en 1952 par manque de crédits après plus de 1000 heures d’essais en fonctionnement et par décision du gouvernement de se consacrer uniquement aux moteurs militaires. D’autre part, le TB 1000 était un concurrent direct du Rolls Royce DART.

72 Un projet de turboréacteur double flux à soufflante arrière, basé sur les brevets Rateau / Anxionnaz, est démarré mi Il doit donner naissance à un turboréacteur à utilisation civile offrant une poussée au décollage de 60% supérieure et une consommation spécifique égale à la moitié de celle d’un moteur monoflux similaire. Le générateur retenu comprend : une directrice d’entrée à calage variable ; un compresseur centrifuge solidaire d’un compresseur axial à 10 étages ; une chambre de combustion à 12 tubes à flamme ; une turbine à 2 étages ; une soufflante arrière indépendante à 4 étages de turbine dont les 2 derniers portent à leur périphérie les aubes de soufflante ; une section de sortie réglable par virole profilée. Cette solution de soufflante à stator à calage variable fut reprise par GENERAL ELECTRIC en 1957 pour son CJ

73 Ce double flux est calculé pour fournir une poussée de 900 daN à m (vitesse de vol à 900 km/h) et 3280 daN au décollage, une consommation spécifique de 0,93 kg/daN.h en croisière et de 0,51 kg/daN.h au décollage. Soumis aux mêmes contraintes budgétaires que le TA 1000, ce projet de double flux, très en avance pour l’époque, est purement et simplement abandonné.

74 DU BMW 003 A L’ATAR 101 Le Dr. Hermann OESTRICH, directeur technique de l’usine BMW de Berlin-Spandau, a conçu et réalisé le BMW 003 de 800 daN de poussée (techniquement supérieur aux moteurs anglais et au JUMO 004) et assuré la production de 450 exemplaires avant la fin du conflit. Parallèlement, il a développé deux nouveaux moteurs : le turboréacteur BMW 018 de 3400 daN de poussée, le turbopropulseur BMW 028 de 6570 ch de puissance, pratiquement terminé au montage en mai 1945. En 1945, le Dr OESTRICH et ses proches collaborateurs constituent un groupe de techniciens à la pointe de la propulsion par réaction qui intéresse au plus au point les alliés. Pour soustraire l’usine de BMW (matériels et personnels) de Stassfurt en Saxe à l’occupation soviétique, les Américains l’ont transférée à Milbertshoffen près de Munich. En contre-partie, le Dr. OESTRICH constitua un bureau technique chargé de rédiger des rapports sur le développement des turbomachines.

75 Les Anglais ont surtout récupéré des éléments importants du laboratoire de recherche BMW et ont vaguement envisagé de transférer le Dr. OESTRICH et ses collaborateurs en zone anglaise, mais faute de moyens de transport l’opération est abandonnée. Des techniciens français déportés (STO), spécialistes des moteurs ont travaillé pendant la guerre dans l’usine de BMW. Après leur libération et connaissant le Dr. OESTRICH, il lui demandèrent s’il aimerait continuer ses recherches en France. En accord avec ses principaux collaborateurs, celui-ci prit contact avec les autorités françaises qui lui soumirent un projet de contrat de collaboration d’une durée de 5 ans le nommant directeur technique d’un important groupe de développement à installer en France. Après un séjour forcé en Grande Bretagne, pour interrogatoires, et un refus catégorique à la proposition américaine de collaboration, les responsables français décident de soustraire le Dr. OESTRICH à la surveillance des Américains.

76 Il est transféré, avec son équipe, dès septembre 1945, à l’usine DORNIER de Rickenbach, près de Lindau sur le lac de Constance, en zone d’occupation française. Là, sous l’égide d’une direction française, le Dr. OESTRICH est rapidement rejoint par quelques 185 spécialistes, en grande partie ses anciens collaborateurs, mais également des techniciens de JUNKERS, DAIMLER-BENZ, HIRTH, VDM (hélices), ARADO et DORNIER. L’unité ainsi constituée reçoit la désignation de : ATelier Aéronautique de Rickenbach, dont les premières lettres donnent naissance au sigle « ATAR ». Dès octobre 1945, le bureau OESTRICH, sous contrat du Ministère de l’Air, démarre l’étude d’un nouveau turboréacteur d’une poussée de 1700 daN, basé en grande partie sur la technologie et l’expérience du BMW 003 et conforme aux spécifications françaises. Ce turboréacteur est désigné ATAR 101 V (Versuch = prototype).

77 L’ATAR 101 V

78 Caractéristiques de l’ATAR 101 V :
Poussée au sol : 1700 daN Vitesse de rotation : 8050 tr/mn Débit d’air : 46 kg/s Taux de compression : 4,6 Masse totale : 850 kg Température en entrée turbine : 650°C Consommation spécifique : 1,3 kg/daN.h Rendement compresseur : 0,82 Rendement turbine : 0,78 Rendement combustion : 0,9 Compresseur axial à 7 étages Chambre de combustion annulaire à 20 injecteurs Turbine à 1 étage de 53 aubes en alliage nickel-chrome Tuyère de type à section variable par déplacement d’un corps central (aiguille) Diamètre : 1200 mm Longueur totale : 4350 mm

79 Début 1946, le groupe OESTRICH (groupe « O »), encore installé à Rickenbach, propose l’étude d’une version agrandie par homothétie de l’ATAR 101, mais avec un compresseur de 9 étages et une turbine de 2 étages. C’est l’ATAR 103, il est prévu pour une poussée de 4000 daN, une consommation spécifique de 1,03 kg/daN.h et une masse estimée de 2000 kg, il est considéré à l’époque comme le plus puissant turboréacteur. Par manque de projets d’avion, l’étude est abandonnée en 1948, mais reprise par la suite sous la forme du VULCAIN 104 qui tournera au banc en mai 1952. A partir de juin 1946, le transfert du groupe « O » en France est effectué. Les études débutent à Decize, dans la Nièvre, le 8 août Le groupe est rattaché à la Société des Aéroplanes Voisin, filiale à 90% de la SNECMA puis intégré à la SNECMA le 15 juin Le Dr OESTRICH sera directeur technique de la SNECMA de 1950 à 1960.

80 La mise au point de l’ATAR 101 V s’étale de 1947 à 1951
La mise au point de l’ATAR 101 V s’étale de 1947 à En automne 1949, les deux premiers moteurs de la présérie 101 A0 sont essayés au banc. En janvier 1950, ils totalisent 1000 heures d’essais et en avril, la poussée de 2700 daN est atteinte. Le 10 novembre 1950, le moteur ATAR 101 A0 effectue son premier vol sur banc volant B-26 « Marauder ». La version 101 B est homologuée en février 1951 à la poussée de 2400 daN et la SNECMA reçoit commande de 50 moteurs de cette version. Le premier vol sur avion monomoteur AMD Ouragan 01 équipé d’un ATAR 101 B2, de 2600 daN, a lieu en décembre 1951, époque à laquelle un moteur ATAR 101 A0 atteint la poussée de 3000 daN, préfigurant la version 101 D. Les différents développements des turboréacteurs ATAR vont se succéder pendant un quart de siècle :

81 ATAR 101 B1 de 2400 daN pour 910 kg, livré en 1951
ATAR 101 B1 de 2400 daN pour 910 kg, livré en Consommation spécifique 1,09 kg/daN.h et débit d’air 48 kg/s

82 ATAR 101 C de 2800 daN pour 920 kg, monté sur « Mystère II » (1952)

83 ATAR 101 D2 de 2800 daN, monté sur « ATAR volant P2 » (1953) Consommation spécifique 1,09 kg/daN.h, débit d’air de 52 kg/s

84 ATAR 101 D3 de 3000 daN, monté sur Leduc 022, Gerfaut et Barouder
ATAR 101 D3 de 3000 daN, monté sur Leduc 022, Gerfaut et Barouder. Consommation spécifique 1,1 kg/daN.h (1953)

85 ATAR 101 D3 de 3000 daN, monté sur Leduc 022, Gerfaut et Barouder.

86 ATAR 101 E3 de 3500 daN (1955), monté sur Griffon et Vautour

87 ATAR 101 E5 de 3700 daN (1955), monté sur Coléoptère C450

88 ATAR 101 G2 de 4400 daN avec post combustion (1956), monté sur Mirage 01, Mystère IV B, Super Mystère B2, Durandal et Gerfaut.

89 ATAR 8 C de 4400 daN (1959), monté sur Étendard IV M

90 ATAR 9 C de 6000 daN avec post combustion (livré en 1961), monté sur Mirage III

91 ATAR 9 K 50 de 7200 daN avec post combustion (livré en 1973), monté sur Mirage F1.

92 TURBOMECA La société TURBOMECA a été créée en 1938 par Joseph SZYDLOWSKI, pour étudier et fabriquer des compresseurs de suralimentation de moteurs à pistons. Tout de suite après la guerre, TURBOMECA reprend ses études du compresseur PV 19 B pour le moteur Hispano Suiza 12 Z et un peu plus tard, un turbocompresseur d’essai de suralimentation pour moteur à pistons, puis le compresseur Super S. Mais l’ère du moteur à pistons tire à sa fin. En juin 1946, un groupe d’une centaine d’ingénieurs et techniciens allemands, parmi lesquels le Dr. ECKERT et W. SYRING, provenant de la société DAIMLER BENZ, arrivent à PAU, dans le but de réaliser, à la demande du Ministère, un turboréacteur de la classe des 7000 daN de poussée, désigné B Un compresseur axial d’étude, B-502, comprenant deux étages à stator réglable est réalisé. Il préfigure celui du gros moteur.

93 Jugeant par la suite le projet trop ambitieux, la société TURBOMECA l’abandonne fin 1947 et la plupart des techniciens allemands retournent dans leur pays. Ceux qui restent, participent avec J. SZYDLOWSKI à la réalisation d’une famille de petites turbines à gaz, devenu le cheval de bataille de la société. A la même époque, en 1947, le ministère de l’air demande alors à TURBOMECA d’étudier un petit turbomoteur pour l’entraînement d’un alternateur de bord avec une puissance de 60 ch, à 4000 m d’altitude. Cette turbine à gaz voit le jour en 1948 sous le nom de TT782. Après quelques modifications, elle est baptisée « OREDON », du nom d’un lac pyrénéen. L’OREDON est une turbine à gaz d’une puissance de 100 ch. portée à 140 ch. pour une masse totale, réducteur et équipements compris, de 75 kg. Elle comprend un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire et une turbine axiale à deux étages.

94 Moteur OREDON

95 L’OREDON est homologué en 1950 après un essai officiel de 150 heures
L’OREDON est homologué en 1950 après un essai officiel de 150 heures. Sa licence de fabrication est cédée en 1951 aux USA à la société FAIRCHILD. Ce succès constitue un véritable tremplin et le point de départ de toute une famille de turbomachines, depuis les turbines industrielles jusqu’aux turboréacteurs en passant par les turbomoteurs et les turbopropulseurs. Dès que la turbine à gaz TT782 a tourné, J SZYDLOWSKI demande de la transformer en turboréacteur par suppression du réducteur et des accessoires à l’avant et d’un étage de turbine à l’arrière, et par adjonction d’une tuyère. Ce réacteur ne pèse que 42 kg. Après deux ans de développement, en utilisant les éléments de l’OREDON, il peut atteindre 110 daN de poussée. Nommé PIMENE, il est homologué en Il est monté sur le planeur FOUGA CM8 « SYLPHE » avec succès.

96 Moteur PIMENE Le PIMENE comprend un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire, une turbine axiale à un étage et une tuyère.

97 De la version de 140 ch. de l’OREDON sont dérivés :
Les deux turbomachines OREDON et PIMENE forment les chefs de fil de toute une gamme de moteurs qui voient le jour entre 1950 et De la version de 110 daN du PIMENE sont dérivés : le PALAS de 160 daN, le MARBORE de 300 daN, le MARBORE II de 400 daN, le MARBORE IV de 480 daN. De la version de 140 ch. de l’OREDON sont dérivés : l’ARTOUSTE de 280 ch, l’ARTOUSTE II de 400 ch, le turboréacteur double flux ASPIN de 200 daN, le turboréacteur double flux ASPIN II de 380 daN. Les générateurs d’air comprimé PIMEDON et PALOUSTE sont à leur tour des dérivés des OREDON et des ARTOUSTE.

98 Turboréacteur PALAS Le PALAS comprend un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire, une turbine axiale à un étage et une tuyère. Il est homologué en 1951 et mis en vol sur FOUGA Cyclope II.

99 Turboréacteur MARBORE Le MARBORE comprend un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire, une turbine axiale à un étage et une tuyère. Premiers essais en vol en juin 1951 sur FOUGA Gemeaux II. Il équipera les FOUGA CM 170 et 175.

100 Turbopropulseur ARTOUSTE L’ARTOUSTE comprend un compresseur centrifuge, une chambre de combustion annulaire et une turbine axiale à deux étages. Premiers essais en vol en juillet 1953 sur SIKORSKY S52. Il équipera, entre autres, les SA 316 Alouette.

101 Turboréacteur double flux ASPIN L’ASPIN comprend une soufflante axiale mono-étage équipée d’aubes d’entrée orientables et entraînée par un corps haute pression via un réducteur. Premiers essais en vol fin 1951 sur FOUGA Gemeaux IV. Sans applications, il donne naissance, quinze ans plus tard à l’AUBISQUE.

102 En turbopropulseur, on trouve :
Le développement de la technique d’un compresseur axial suralimentant le compresseur centrifuge permet le lancement de la deuxième génération des moteurs TURBOMECA. En turboréacteur, on trouve : le GABIZO de 1100 daN, le GOURDON de 640 daN, l’ARBIZON de 250 daN. En turbopropulseur, on trouve : l’ARTOUSTE III de 600 ch, le BASTAN de 650 ch, le TURMO III de 750 ch, l’ASTAZOU de 400 ch. Aujourd’hui encore, TURBOMECA fait partie des constructeurs de premier plan dans le domaine des petites turbomachines, seul ou en coopération.

103 Turboréacteur GOURDON : Quoique ne possédant pas un aussi beau palmarès que le GABIZO, le GOURDON, turboréacteur de 640 daN de poussée réalisé en 1955, à partir d’un MARBORE par adjonction d’un compresseur axial de suralimentation, fut seulement produit sous licence en grande série par la firme américaine CONTINENTAL AVIATION, sous la désignation J 69 T 29, pour équiper les engins cible RYAN Firebee. Turboréacteur ARBIZON : Ce fut un réacteur PALAS suralimenté, de 250 daN de poussée, qui commença ses essais en Il ne devint opérationnel que 14 ans plus tard sous une forme développée à partir du TURMO, l’ARBIZON III, 390 daN de poussée, destiné à l’engin cible mer-mer Otomat.

104 Turbopropulseur ARTOUSTE III L’ARTOUSTE III eut un grand succès sur ALOUETTE III et fit l’objet de commandes importantes (2459). Cette turbine permit à l’ALOUETTE II de battre le record du monde d’altitude toutes catégories (10984 m le 13 juin 1953).

105 Turbopropulseur BASTAN Dérivé de l’ARTOUSTE III, le BASTAN fait ses premiers essais en août Premier vol en septembre 1958 sur BEECHCRAFT PD 18 S. Il fut consacré en France et à l’étranger sur le NORD 262 (1962) et le GUARANI brésilien (1962).

106 Turbopropulseur TURMO III Le TURMO est dérivé du réacteur PALAS suralimenté, il est de type à turbine libre. Premiers essais au banc en juin Il fut développé en 1960 pour équiper le Super Frelon, le Breguet 941 et le Puma.

107 Turbopropulseur ASTAZOU L’ASTAZOU a été lancé en vue de créer une nouvelle famille de turbines à gaz, suralimenté par compresseur axial, mais de taille plus petite que la famille ARTOUSTE ou BASTAN. Les différentes versions volèrent sur BEECH Marquis, DORNIER Do 27, PILATUS Porter, HP Jetstream, …