Comptes Rendus Mécanique (CRM)

Conor Maguire

Les traces de Denis Papin dans la poussière de l’histoire

Axel Vincent-Randonnier

Comptes Rendus
Mécanique
Axel Vincent-Randonnier
Propulsion aéronautique : études expérimentales de la combustion
Volume 352, Numéro spécial S1 (2024), p. 55-59
En ligne depuis le 15 novembre 2024
Numéro publié le 15 novembre 2024
Numéro spécial :Hommage à Denis Papin
Rédacteur en chef invité : Bruno Chanetz (Office national d’études et de recherches
aérospatiales (ONERA), BP80100, 91123 Palaiseau Cedex, France)
https://doi.org/10.5802/crmeca.263
Cet article est publié sous la licence
Creative Commons Attribution 4.0 International.
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
C EN T R E
MER S ENN E
Les Comptes Rendus. Mécanique sont membres du
Centre Mersenne pour l’édition scientifique ouverte
www.centre-mersenne.org — e-ISSN : 1873-7234
Comptes Rendus. Mécanique
2024, Vol. 352, Numéro spécial S1, p. 55-59
https://doi.org/10.5802/crmeca.263
Article de recherche / Research article
Hommage à Denis Papin / A tribute to Denis Papin
Propulsion aéronautique : études
expérimentales de la combustion
Aeronautical propulsion: experimental combustion
studies
Axel Vincent-Randonnier ,a
a ONERA, Département de Multi-Physique pour l’Énergétique, Toulouse, France
Courriel : axel.vincent@onera.fr
Résumé. Hors aviation légère, l’essentiel de la propulsion aéronautique repose sur la mise en œuvre des
turbomachines dont les performances énergétiques et environnementales ne cessent de s’améliorer. Après
avoir rappelé les principes et domaine de fonctionnement de ce type de moteur ainsi que les problématiques
rencontrées dans l’étude de la combustion, nous évoquerons les moyens déployés à l’Office National d’Études
et de Recherche Aérospatiale (ONERA) pour accompagner les efforts de développement et d’optimisation des
motoristes. Les essais récemment réalisés avec un nouveau concept d’injecteur fonctionnant à l’hydrogène
ont ainsi permis une réduction drastique des niveaux d’émissions d’oxydes d’azote par rapport à un moteur
fonctionnant au kérosène.
Abstract. Apart from light aviation, the majority of aeronautical propulsion relies on the implementation of
turbomachinery, whose energy and environmental performances are continuously improving. After recalling
the principles and operational scope of this type of engine, as well as the issues encountered in the study
of combustion, we will discuss the resources deployed at the National Office for Aerospace Studies and
Research (ONERA) to support the development and optimization efforts of engine manufacturers. Recent
tests conducted with a new hydrogen-powered injector concept have drastically reduced nitrogen oxide
emissions compared to a kerosene-powered engine.
Mots-clés. Propulsion aéronautique, Combustion aérobie, Turbomachines, Moteurs, Émissions polluantes.
Keywords. Aeronautical propulsion, Air breathing combustion, Turbomachinery, Engines, Pollutant emis-
sions.
Manuscrit reçu le 5 avril 2024, révisé le 11 juillet 2024, accepté le 4 juillet 2024.
La machine à vapeur inventée par Denis Papin est une machine qui convertit une source d’éner-
gie (originellement chimique) en énergie thermique, et transfère la chaleur produite à un fluide,
l’eau, qui passe alors de l’état liquide à l’état gazeux. Ce changement d’état s’accompagne d’une
forte expansion du fluide conduisant, dans un espace confiné, à une augmentation de pression
(conversion d’énergie thermique en énergie mécanique).
ISSN (électronique) : 1873-7234 https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/mecanique/
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Figure 1. Schémas de principe des turboréacteur (a), turbopropulseur (b) et turbomoteur
(c), d’après wikipedia.
À l’instar de la machine à vapeur, un moteur d’aéronef convertit une source d’énergie chi-
mique en énergie thermique par combustion puis en énergie mécanique (quantité de mouve-
ment), les gaz émis à très haute température étant soit accélérés au moyen d’une tuyère pour
propulser directement l’aéronef, soit utilisés pour actionner une hélice (ou un rotor dans le cas
des hélicoptères).
Parmi les différences notables entre ces deux machines, on remarque que dans le cas de la
machine à vapeur, les fonctions de conversion chimique/thermique et thermique/mécanique
ont lieu dans des espaces séparés alors que dans le moteur d’aéronef, elles sont réunies en un
même lieu : la chambre de combustion. En outre, la montée en pression dans la machine à vapeur
est essentiellement due au changement d’état de l’eau tandis que dans le moteur d’aéronef, elle
est le fait de l’expansion des gaz par chauffage à des températures généralement supérieures.
À titre de comparaison, pour une pression de chambre/réservoir de 1 MPa et en négligeant les
pertes, il faudra une puissance d’environ 170 kW afin de vaporiser environ 66 g·s−1 d’eau dans
la machine à vapeur (température d’ébullition autour de 450 K) et générer une poussée m·v de
100 kg·m·s−1. Dans le moteur d’aéronef, la même poussée peut être obtenue en brûlant 1,7 g·s−1
d’hydrogène, 4,1 g·s−1 de méthane ou 4,9 g·s−1 de kérosène dans 136 g·s−1 d’air.
Les moteurs d’aéronefs les plus répandus aujourd’hui sont le turboréacteur (avions de ligne
moyen ou long courrier), le turbopropulseur (avions régionaux) et le turbomoteur (hélicoptères)
dont les schémas de principe sont représentés en figure 1.
Tous trois reposent sur le concept de la turbine à gaz pour lequel l’air qui alimente le moteur
est comprimé au moyen d’un compresseur avant d’entrer dans la chambre de combustion où
l’on injecte le combustible qui, une fois qu’il a brûlé avec l’air entraine la turbine avant que le
mélange de gaz brûlés ne soit libéré dans l’atmosphère. On notera que, contrairement aux mo-
teurs thermiques automobiles présentant des cycles (remplissage de la chambre de combustion
avec de l’air et du carburant, fermeture de la chambre et compression, allumage/explosion du
mélange, détente et évacuation des gaz brûlés), ces moteurs d’aéronef, une fois allumés, fonc-
tionnent continument, l’air et le carburant alimentant une flamme stable qui ne s’éteindra qu’à
la fermeture de l’arrivée de carburant, lors de l’arrêt du moteur.
Dans les turboréacteurs modernes, le taux de compression peut atteindre un facteur 40 ou 50,
ce qui signifie que, pour de l’air ingéré à une pression de 0,1 MPa et 288 K (condition de décollage
avec une atmosphère standard), la pression dans la chambre de combustion atteint 4 à 5 MPa.
La phase de compression de l’air s’accompagne de sa montée en température (autour de 923 K
pour un taux de compression de 40). À l’altitude de croisière des avions de lignes (environ 10 ou
11 km d’altitude), la pression ambiante chute à 25 kPa et la température à 217 K, ce qui amène
la pression et la température de l’air en entrée de chambre de combustion autour de 1,2 MPa
et 700 K.
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Figure 2. Domaine de fonctionnement des principaux moyens d’essais dédiés à l’étude de
la combustion dans les foyers de turbomachines.
Ce sont ces conditions de fonctionnement que l’on doit pouvoir reproduire dans nos foyers
d’essais pour étudier la combustion dans des conditions représentatives du fonctionnement
des moteurs réels. Pour cela, l’ONERA dispose de plusieurs moyens d’essais [1] sur les sites de
Palaiseau en Île-de-France et du Fauga-Mauzac près de Toulouse.
Ils permettent de couvrir l’ensemble du domaine de vol des aéronefs, du ralenti au plein gaz
(décollage) en passant par le régime de croisière et le cas particulier du rallumage en haute
altitude, lorsque le carburant, très froid, peine à se pulvériser et à se vaporiser. Ces bancs
d’essais sont pour la plupart équipés d’accès optiques permettant ainsi la mise en œuvre de
nombreux diagnostics. La figure 2 présente les domaines de fonctionnement des principaux
bancs d’essais de l’ONERA utilisés pour l’étude de la combustion aérobie dans les foyers de
turbomachines.
Les études qui sont menées au sein de ces installations ont pour objet de caractériser/mesurer
les écoulements (vitesse, température), la pulvérisation du carburant par les injecteurs, la stabi-
lité de la combustion ou l’efficacité des techniques de refroidissement des parois internes de
la chambre, sans oublier le contrôle des niveaux d’émissions polluantes. C’est en effet dans la
chambre de combustion que le combustible réagit avec l’oxygène de l’air pour produire des gaz
brûlés, essentiellement du dioxyde de carbone (CO2) et de la vapeur d’eau (H2O), mais aussi des
espèces minoritaires polluantes comme les oxydes d’azote (essentiellement NO et NO2, couram-
ment réunis sous le vocable NOx ), le monoxyde de carbone (CO), des composés organiques vo-
latils (COV) et des particules de suies que l’on trouve souvent mentionnées PM10, PM2,5, PM1 ou
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Figure 3. Banc MICADO (a) équipé de plusieurs diagnostics optiques (on note la présence
de 4 caméras en bas à gauche), mesure de champ de vitesse par imagerie de particules (b)
et vue du foyer en fonctionnement montrant en fausses couleurs le spray de kérosène (en
jaune) et la flamme (en rouge) (c).
PM0,1 (PM est l’acronyme anglais de particulate matter et le chiffre qui suit désigne le diamètre
maximal en µm des particules considérées).
Ces particules de suie sont des agrégats issus d’hydrocarbures imbrûlés majoritairement
constitués d’Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (ou HAP), molécules comportant
plusieurs cycles benzéniques (les molécules dérivées du benzène sont appelées composés
aromatiques).
Les particules de suies sont surtout produites lorsque le moteur fonctionne à pleine puissance,
de même que les NOx , alors que le CO, fruit d’une combustion incomplète, se forme plutôt à
bas régime. L’art des motoristes consiste donc à trouver le meilleur compromis entre efficacité,
sobriété, minimisation de l’empreinte environnementale, sans évidemment sacrifier la sécurité.
L’ONERA les épaule dans cette tâche grâce à ses équipes mettant en œuvre des moyens d’essais,
de diagnostic et de simulation numérique avancés.
La figure 3 présente une vue d’un banc d’essais, le banc MICADO (acronyme de « Moyen d’In-
vestigation en Combustion Aérobie à l’aide de Diagnostics Optiques »), accompagnée d’exemples
de diagnostics.
Récemment, dans le cadre d’un projet national portant sur la décarbonation du transport aé-
rien par substitution de l’hydrogène aux carburants fossiles, l’ONERA a mis en œuvre l’ensemble
de ces compétences et moyens pour concevoir, optimiser, réaliser un nouveau système d’injec-
tion à très faibles émissions. Celui-ci a été testé avec succès et caractérisé au banc MICADO
fin 2022 [2]. La figure 4 présente des visualisations de la combustion aux différents régimes de
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Figure 4. Visualisation d’une flamme d’hydrogène générée par un injecteur à très faible
niveau d’émissions.
fonctionnement. Ces essais ont permis de démontrer la validité du concept proposé en mesu-
rant des niveaux d’émission d’oxydes d’azote inférieurs à 10 ppm sur un large domaine de fonc-
tionnement moteur. Ce concept a en outre fait l’objet d’une demande de dépôt de brevet inter-
national conjointe avec le partenaire industriel.
Références
[1] A. Cochet, V. Bodoc, C. Brossard, O. Dessornes, C. Guin, R. Lecourt, M. Orain, A. Vincent-Randonnier, « ONERA test
facilities for combustion in aero gas turbine engines, and associated optical diagnostics », AerospaceLab J. (2016),
no 11, article no. 1.
[2] J. L. Ruan, A. Vincent-Randonnier, G. Pilla, C. Irimiea, « Development of innovative low NOx hydrogen-fueled burner
for aeronautic applications », in TurboExpo 2023, American Society of Mechanical Engineers, Boston, 2023, GT2023-
100453.


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