TURBINES
POUR AEROMODELES La
dernière limite Les
avions à hélice ont commencé à tomber aux oubliettes dès l'apparition des premiers avions à réaction. Pourtant, il ne fait aucun doute que les avions à hélice continuent d'occuper un créneau bien précis de l'aviation sportive et du transport, dans certaines limites. Mais leurs performances restent limitées, puisqu'ils atteignent rarement des vitesses supérieures à 700 km/heure. II est fort probable que, compte tenu de leur faible coût et de leur simplicité, les hélices aient encore de beaux
jours devant elles. Pourtant, la technologie s'oriente de plus en plus vers l'emploi de turbines.
Les aéromodélistes ont toujours éprouvé de grandes difficultés à reproduire à échelle (et avec une certaine fidélité) des modèles originaux équipés de turbines. Dans un article consacré aux
"ducted fans", nous avions abordé les dernières "trouvailles" permettant de simuler - de manière plus ou moins satisfaisante - ce type de propulsion. De fait, les moteurs spéciaux et les avancées technologiques considérables de ces dernières années ont fait que les ducted fans restent un bon moyen de reproduire une maquette d'avion à réaction.
Pourtant, même le meilleur des ducted fans n'est qu'un "vulgaire" moteur à explosion fonctionnant de manière classique (et n'émettant aucun son
particulier) ou à moteur électrique. II y a toujours eu (et j'espère que ce sera encore longtemps le cas) des modélistes qui souffrent de voir leur modèle émettre un son différent de l'original et adopter un autre mode de fonctionnement. 
En vol, le bruit émis par les avions à turbine est incomparable. Leur vitesse est très élevée.
Définition
d'une turbine
Voilà pourquoi on entend régulièrement parler dans le milieu du modélisme de turbines miniatures.
Une turbine est une sorte de moteur à combustion interne, mais radicalement différent des moteurs à explosion classiques. Pour résumer, disons qu'une turbine rappelle le turbocompresseur d'une voiture, si ce n'est que pour la faire tourner, elle dispose de sa propre chambre de combustion intégrée au compresseur, en lieu et place d'un moteur à explosion. Dans une turbine, un compresseur rotatif comprime l'air dans une chambre de combustion où pénètre en continu le carburant pulvérisé (les explosions ne sont pas discontinues, comme dans le cas d'un moteur de voiture). Les gaz chauds (ou, plus exactement, leur énergie) font tourner une turbine d'échappement, laquelle entraîne à son tour (via un axe) le compresseur dont nous avons parlé plus haut. Ce qui nous intéresse, c'est le résultat final (la poussée), laquelle est générée par l'expansion thermique et l'énergie cinétique des gaz
d'échappement. 
1)
La conception du cône d'échappement (qui doit supporter des
températures de plus de 600°) joue un rôle capital dans le rendement de
la turbine. 2)
Prototype de turbine du fabricant britannique Perkins, avec démarrage à
moteur électrique et alimentation au kérosène. Elle n'est pas encore
commercialisée.
Difficultés
liées à l'élaboration des turbines miniatures L'élaboration d'une turbine pose une série de problèmes qui sont d'autant plus aigus que le dispositif est petit. Une turbine requiert un certain régime de fonctionnement. Celui-ci sera inversement
propor-
tionnel au diamètre de la turbine. La taille constitue donc un facteur critique et les tolérances seront d'autant plus petites que l'on approchera du seuil limite des possibilités actuelles. On rencontre également des problèmes de résistance des matériaux (à 120.000
tpm, la force centrifuge n'est pas négligeable...). À toutes ces difficultés vient s'en ajouter une autre (la plus importante, selon moi): plus un moteur (quel qu'il soit) est petit, plus son rendement est faible. En effet, la proportion de puissance absorbée par les frottements et d'autres facteurs est d'autant plus importante que le moteur est petit. Un
peu d'histoire
En réalité, faire l'historique des turbines utilisées en modélisme se résume à bien peu de choses: il y a un peu plus de dix ans encore, personne n'était parvenu à élaborer une turbine commerciale de ce type, même si quelques prototypes artisanaux existaient déjà. Si je me souviens bien, Kavan avait présenté un
prototype de turbine à l'occasion de la foire de Nuremberg, il y a une quinzaine d'années de cela. J'ignore si elle fut jamais opérationnelle; en tout cas, son prix était astronomique. À la même époque, un groupe de passionnés britanniques férus de mécanique et emmenés par Gerry Hackman dessinèrent, construisirent et firent voler un aéromodèle propulsé par une turbine à gaz. Des revues spécialisées en firent l'écho. Le projet fut ensuite abandonné. J'ai l'impression que l'objectif n'était d'ailleurs pas de l'exploiter commercialement. 
A
droite, tous les accessoires, vannes et mécanismes de contrôle qui
accompagnent les turbines actuelles et qui leur permettent de démarrer de
manière automatique. Turbines
commerciales
II y a une bonne dizaine d'années, rien de plus n'aurait pu être dit sur les turbines destinées au modélisme.
C'est peu après que j'au eu l'occasion d'assister à l'essai de la première turbine véritablement commerciale: la JPX 240. II s'agissait d'un produit français, lequel était, cela dit en passant, extrêmement cher (près de vingt mille francs de l'époque). Sa manipulation était extrêmement délicate, puisqu'elle fonctionnait au propane et nécessitait une source d'air comprimé pour sa mise en marche. Malgré ces inconvénients, elle était performante - sa poussée était de cinq kilos - et parfaitement capable de faire voler un avion de taille moyenne.
Vu le succès rencontré par la JPX, une série d'autres turbines spéciales pour aéromodèles virent progressivement le jour. De chimères inaccessibles, ces machines sont devenues totalement fonctionnelles et fiables, même si elles ne s'adressent pas encore au grand public. Aujourd'hui, on trouve des associations internationales qui regroupent des passionnés de turbines, et des revues spécialisées qui traitent uniquement de ce sujet.
Des meetings sont organisés où sont présentés les modèles qui utilisent ce genre de propulsion.
En Europe, des concentrations d'avions à turbine sont organisées régulièrement; elles jouissent d'une popularité
grandissante. Parmi les concepteurs de turbines, signalons Jesus Artés, un Catalan à qui l'on doit un large éventail de turbines de toutes
tailles, et notamment celle qui, au moment ou j'écris ces lignes, est considérée comme la plus petite du marché (de la taille d'une canette). 
1)
Vue frontale de l'impulseur d'air avec ses pales. L'élément noir au
premier plan est un petit moteur électrique destiné à la mise en marche
du système. 2)
Les premières turbines fonctionnaient au gaz, ce qui nécessitait
l'emploi de grosses bonbonnes. Modes
de fonctionnement
Voyons à présent comment fonctionne une turbine dans la pratique. Nous le disions, une turbine est un dispositif de précision. Son installation sur le modèle doit être effectuée avec un maximum de précautions, l'objectif étant d'éviter toute vibration parasite susceptible d'endommager le système. La sortie des gaz chauds (près de
600°) doit être immédiate, faute de quoi nous perdrons une bonne part de la poussée (sans parler du risque de voir le modèle prendre feu).
Les premières turbines étaient alimentées au propane, ce qui rendait nécessaire l'emploi d'un réservoir
spécial en acier inoxydable capable de supporter le gaz sous pression. Depuis six ou sept ans, la tendance est à l'emploi de carburant liquide, comme le kérosène des réacteurs commerciaux. L'arbre de la turbine tourne sur des roulements spéciaux à très haute vitesse élaborés en matériaux
céramiques. La lubrification est assurée, soit par de l'huile mélangée au carburant, soit par de l'huile injectée directement dans les roulements via une pompe indépendante. La consommation d'huile n'est pas négligeable (522
cc/minute). L'huile excédentaire est brûlée dans la chambre de combustion de la turbine. L'accélérateur
Pour "accélérer" une turbine, on joue sur la quantité de carburant qui y est injectée. Pour ce faire, on fait appel à une pompe spéciale (non indispensable sur les turbines à
gaz pour lesquelles on utilise une simple vanne). Toutefois, pour que la turbine fonctionne correctement et ne soit pas noyée, ni bloquée, la quantité de carburant injecté doit être adaptée à une série de critères, comme la température interne, le régime, la position de l'accélérateur, etc. Pour que cette adéquation soit
possible, l'injection est régulée via une centrale électronique qui est connectée à la turbine par une série de capteurs de pression et de température. Dans certains cas, les paramètres de l'injection peuvent être modifiés. Quoi qu'il en soit, pour le commun des mortels qui ne conçoit pas lui-même ses turbines, mieux
vaut se fier aux réglages définis par le fabricant. Après tout, c'est ce que nous faisons s'agissant de l'injection ou de la carburation de notre voiture... La centrale remplit également d'autres fonctions visant à faciliter le démarrage de la turbine ou à limiter son régime maximal. Sur la
TX, l'accélérateur permet, en cas d'urgence, de mettre le moteur en
"surrégime" pendant quelques secondes, ce qui se traduit par une augmentation considérable de la puissance. 
Sur
la plupart des turbines actuelles, une prise permet de brancher la centrale qui régule l'injection de carburant. Le câble est connecté à la bougie pour le démarrage.
Le
démarrage
La mise en route d'une turbine n'est pas une mince affaire. II faut faire tourner le moteur à haut régime, injecter la quantité adéquate de carburant et générer une étincelle dans la chambre de combustion. Sur la
JPX, on lançait la turbine avec de l'air comprimé à 10 bars provenant d'une bombonne de plongée. Ce système, vous l'aurez imaginé, posait quelques problèmes... Les
turbines actuelles utilisent d'autres systèmes. Le plus intéressant est le démarreur électrique: un petit moteur, solidaire avec l'arbre, accélère la turbine jusqu'à ce qu'elle atteigne le régime nécessaire. Pour l'anecdote, le même Jesus Artés nous a montré un jour comment faire démarrer une turbine avec un sèche-cheveux modifié...
Une fois que la turbine tourne à son régime de démarrage, la centrale injecte le carburant; une bougie spéciale produit des étincelles dans la chambre de combustion (déjà saturée de carburant); après une première explosion, la turbine démarre, en principe, sans hésiter. La turbine doit monter en température (le temps nécessaire est spécifié par le fabricant). Quoi qu'il en soit, la centrale ne nous laissera pas accélérer tant qu'elle n'aura pas détecté le niveau de température prévu. Il est amusant de constater que l'extérieur de la turbine ne chauffe pas davantage qu'un radiateur domestique, alors que le jet de gaz est à plus de 400-500°.
1)
Prototype de turbine, cette fois à prédominance de fibre de carbone. 2)
Application originale d'une turbine à carburant liquide : l'entraînement
d'un rotor d'hélicoptère ... Autre
turbine et principe de fonctionnement différent On parle également d'une autre "sorte" de turbine, nommée
"Pulsoréateur" qui n'est en fait qu'un moteur fonctionnant à l'essence et à l'air, dont le fonctionnement s'apparente au chalumeau puisque l'on injecte manuellement ce mélange (air/essence) dans une chambre de combustion : en enflammant ce dernier, on provoque une inflammation continue que l'on canalyse dans un tuyère de taille importante.
L'inconvénient de ce système, outre le son bruyant et grave, c'est qu'il ne possède pas de régulation des gaz, et demande une mise en oeuvre immédiate. Le modèle sera propulsé à 300 km/h.
L'avantage par rapport aux "turbines miniatures" (micro-réacteurs) est peut être le prix, moins élevé du à la simplicité de ce système.
Dans cet article, nous ne parlons que de la turbine "autonome" nommée également
"microréacteur" ou "turboréacteur miniature", car étant plus silencieuse (de nos jours, il
vaut mieux ...) et plus réaliste, elle devient de plus en plus populaire contrairement à ce système pourtant simpliste. Modèles
et puissances
Comme nous le disions, on trouve aujourd'hui un vaste choix de turbines commerciales. Si l'envie vous titille, comment faire votre choix? Les grandes marques proposent en général plusieurs modèles, fort similaires mais de formats différents. Logiquement, les modèles plus grands fournissent davantage de poussée. On en trouve qui génèrent des poussées de plus de 30 kilos. Nous le disions au début de cet article, plus la turbine est petite, plus les tolérances doivent être réduites. Le modèle
d'Artés (celui qui a la taille d'une canette) est un
prodige d'ingénierie, puisqu'il fournit une poussée de plus de 3 kilos... Je ne suis pas expert en turbines, mais à la lecture des catalogues, j'ai
l'impression que la conception des turbines les plus populaires est généralement très bonne, car elles donnent toutes des rendements similaires. Comme le montrent les images, on trouve dans les meetings, des modèles franchement spectaculaires, construits en fibre de carbone ou autre alliage exotique. Beaucoup de ces modèles, malheureusement, ne dépassent pas le stade de simple prototype et ne seront jamais distribués dans le commerce. 
1) Turbine au
kérosène avec ses accessoires et ses sondes.
2)
Sur un mécanisme dont les éléments peuvent tourner à plus de 120.000
tpm, l'usinage doit être impeccable. Un
avion à réaction ?
Comment fonctionne un avion propulsé par une turbine? Actuellement, on trouve dans le commerce toutes sortes de turbines
et autant d'avions spécialement adaptés à ce type de propulsion. Nous l'avons vu, le système de démarrage est très simple sur les turbines actuelles, et il le sera encore davantage avec la généralisation du démarrage électrique. Une fois la turbine lancée, la première chose que remarque un vieux modéliste comme moi, c'est le son émis. On dirait une turbine réelle, en plus doux. Une véritable musique céleste pour tous les amoureux de mécanique. Quand on accélère, l'avion prend de la vitesse beaucoup plus lentement qu'un modèle classique, mais de façon constante. Lorsque l'avion est en vol (surtout s'il est équipé d'un train rentrant), l'impression de réalisme est totale. Ces modèles atteignent des vitesses époustouflantes (300 km/heure pour les meilleurs) et émettent un bruit assourdissant. La technique de pilotage, s'agissant de
"ducted fan" consiste à maintenir une vitesse constante et à négocier des virages très larges. Les manoeuvres doivent être effectuées en douceur. La turbine prend quelques secondes avant de remonter en régime. Attention, donc: soyez prévoyant et planifiez vos manoeuvres pour ne pas vous retrouver sans poussée au moment le moins opportun... |
