Comment diriger un avion?

Le moyen de diriger une voiture, ou tout autre moyen de transport terrestre est simple, en tournant les roues, on appui directement sur le sol, ce qui modifie la trajectoire du véhicule. Mais pour un avion? Physiquement, il n’est en contact qu’avec l’air… Comment peut-on alors le diriger?

Les ailerons.
Tout d’abord, principe de fonctionnement d’un aileron: L’aileron est une partie mobile situé en général sur le bout de l’aile (cas N°1)Lorsqu’on agit dessus, il pivote autour de son axe (cas N°2 et 3). En pivotant, il peut soit augmenter le bombage de l’aile, et donc la portance (cas N°2), soit diminuer le bombage de l’aile et donc, la portance (cas N°3).

Un avion est équipé d’ailerons et de gouvernes (voir article précédent). Ces éléments ne servent pas seulement à faire joli, ou à faire des pannes potentielles, ils servent surtout à diriger l’appareil dans les airs. Nous allons voire comment agissent les différents éléments aérodynamiques mobiles dont les avions de ligne sont équipés (exemple avec un ATR 42):
En rouge: La gouverne de profondeur. Elle gère l’inclinaison de l’avion. Lorsqu’on tire sur la commande de profondeur dans le cockpit, la gouverne pivote vers le haut. Cela provoque une dépression sous le stabilisateur, et une surpression au dessus. L’arrière de l’avion est alors « aspiré » vers le bas, ce qui cabre l’appareil. Cela provoque l’augmentation de l’angle d’incidence et l’élévation de l’appareil (Schéma 1).
Lorsqu’on pousse sur la commande de profondeur, l’inverse se produit (Schéma 2).
En jaune : la gouverne de direction.
Son fonctionnement est plus intuitif. Le pilote agit dessus grâce au palonnier (qui agit également sur l’angle du train d’atterrissage avant). Le palonnier, ce sont les deux pédales situées sous les pieds du pilote. Elle sert à donner du lacet à l’avion.

Comme pour tous les autres ailerons de l’avion, la pression provoqué d’un coté de l’aile, couplé à la dépression crée de l’autre coté induit le mouvement a l’avion.

En vert, les volets de direction. En effet, pour faire tourner un avion, il ne suffit pas de lui donner du lacet. Un virage réussi est la combinaison d’un mouvement de roulis et d’un mouvement de lacet. Le roulis est obtenu par une action sur la commande, a droite pour incliner l’avion sur la droite, ou à gauche pour avoir du roulis sur la gauche. Les volets de direction sont situés en bout d’aile, et agissent toujours de façon opposée et symétrique.

Enfin, en bleu, les volets hypersustentateur fonctionnent en ajoutant de la surface et du galbe à l’aile. Lorsque l’avion est a faible vitesse et qu’il à besoins de beaucoup de portance, ils sont sortis et baissés au maximum. Lorsque l’avion est en vitesse de croisière et que la trainée est plus pénalisante, ils sont en position rentrée.

How to control an airplane?

Control a car, or any terrestrial transportation device is simple, just have to turn the wheel, we push directly on the ground, this modify the trajectories of the vehicle. But for an airplane? Physically, it is in contact only with air… Then, how can we control it?

The winglets.
First of all, working principle of a winglet: The winglet is a mobile part situated on the end of the wing (cas N°1).
When we made it work, it turns around its axes (Cas N°2 and 3). When it turn, it can increase the wing profile, and so, the aerodynamic lift (cas N°2), or decrease the wing profile, and so, the aerodynamic lift (cas N°3).

An airplane is equiped with winglets and steering drift (see precedent article). These devices are not here only to made new failure, or to be decorative, it used to control the airplane in the sky. We will see how works the differents aerodynamic mobile elements whom the airplane are equiped. (exemple with an ATR 42):

In red: the deep steering. It’s run the slope of the airplane. When we pull on the deep steering commande in the cockpit, the deep steering winglets goes up. It made a depression under the wing, and a surpression above it. The rear of the airplane is then sucked down: the airplane attitude is nose up. It provokes the increase of the incidence angle and the rise of the airplane (Schéma 1).
When we push on the deep steering command, the opposite occurs (Schéma 2).

In yellow: The drift steering.
Its work is more intuitive. The pilot made it work with the Palonnier (Sorry, I’m not sur it is an English words… It’s also acts on the angle of the landing gear before). The palonnier, are the two pedals situated under the feet of the pilot. It serves for done a movement of lace to the plane.

Like for all the other winglets of the airplane, the pressure done on one side of the wing copled to the depression done on the other side made a movement of the airplane.

In green, the direction winglets. Indeed, to made turne a plane, done it some lace didn’t be sufficient. A successes corner is the addition of a lace movement and a roll movement. The roll movement is obtain by pushing the command on right to incline it on right, and on left to incline it on left. The direction winglet are situated at the end of the wings, and always work symmetrically opposed.

Lastely, in blue, the hypersustentateur winglets. It’s work by adding some area and some curve to the wing. When the airplane is at low speed and need a lot of aerodynamic lift, it is out and down at the maximum. When the airplane is at is cruise speed and altitude and the aerodynamic drag is more penalize, it is in position into.

Definitions

Définition.

Afin d’être sûr de savoir de quoi nous parlons, je vais maintenant définir les différentes parties d’un avion.
1) Dôme radar. Tous les avions de lignes modernes sont équipés à l’avant dans le nez d’un dôme radar. Il permet de protéger le radar qui assure la navigabilité, la détection des conditions météo, …
2) Le cockpit. Situé à l’avant, c’est l’endroit ou sont centralisées toutes les commandes de l’avion, et d’où les pilotes peuvent contrôler l’avion.
3) Porte de la soute à bagage.
4) Soute à bagage. Sur un petit avion tel que celui-ci, une partie de l’habitacle est occupée par la soute à bagage. Sur des avions plus gros, la soute est plus souvent située sous le plancher des passagers.
5) Fuselage et cellule passager. Le fuselage est la partie extérieure de la cabine.
6) Hélice. Elle est couplée au moteur, et assure la propulsion de l’avion.
7) Nacelle. La nacelle est l’élément de carrosserie qui contient le moteur de l’avion. Son rôle est multiple : elle assure l’isolation du moteur et sa protection, mais c’est aussi par elle que le moteur est fixé sur l’aile.
8) L’aile de l’avion.
9) Les ailerons de direction.
10) Volets de compensation. Ils feront l’objet d’un article ultérieurement. Leur rôle est d’aider la manœuvre des éléments de direction de l’avion.
11) Spoiler hypo sustentateur, dit aérofreins. Ils servent à diminuer la vitesse de l’avion et à briser la portance, surtout utilisé lors de l’atterrissage.
12) Spoiler Hypersustentateur, ou volets principaux. Ils servent à augmenter la surface de l’aile et la portance de l’aile à faible vitesse.
13) Stabilisateur horizontaux. Ils servent à assurer l’équilibre en tangage de l’avion.
14) Gouverne de profondeur. Elles servent à contrôler l’assiette de l’avion.
15) Porte de la cellule passager. C’est la porte utilisée pour monter à bord de l’avion.
16) Train d’atterrissage principal.
17) Train d’atterrissage avant.
18) Empennage, ou dérive. Elle sert à stabiliser l’avion en lacet.
19) Gouverne de direction. Elle sert à diriger l’avion en lacet.
20) Hublot.
21) Tube Pitot et prise d’air dynamique. Ces particularités feront l’objet d’un article ultérieurement. Leur rôle est de donner les informations aux instruments.


















Definition.

To be sure to know what we speak about, i will now define the different parts of an airplane.
1) Radar dome. All the modern airliner are equipped on the nose of a radar dome. It premise to protect the radar who insure the navigability, the weather condition detection, …
2) The cockpit. Situated on the front, it’s the area where are centralised all the commands of the airplane, and from the pilot can control the airplane.
3) Luggage locker door.
4) Luggage locker. In a small airplane like this one, a part of the habitacle is serviced for the luggage locker. On bigger airplane, this is more often under the passenger floor.
5) Fuselage and passenger cell. The fuselage is the exterior parts of the cabin.
6) Propeller. It is coupled to the engine and insures the airplane propulsion.
7) Nacelle. The nacelle is the element of body which contains the engine of the plane. Its get multiple role: it insures the insulation of the engine and its protection, but it is as well by it as the engine is fixed on the wing.
8) Wing.
9) Direction winglet.
10) Compensation winglet. It will be the object of an article later. Its role is to help the operation of direction element of the airplane.
11) Hypo sustentateur spoiler, or airbrake. It’s used to decrease the airplane speed, and break the aerodynamic lift, used essentially during the landing operation.
12) Hypersustentateur spoiler, or principal winglets. Used to increase the wing area and the aerodynamic lift when the speed is low.
13) Stabilizer horizontal. They serve for insuring the balance in reeling of the plane.
14) Deep steering. They serve for controlling the plate of the plane.
15) Door of the passenger cell. It is the door used to go aboard on the plane.
16) Main landing gear.
17) Front landing gear.
18) Rudder or drift. It serves for stabilizing the plane in lace.
19) Drift steering. It serves for steering the plane in lace.
20) Windows.

21) Tube Pitot and dynamic air inlet. These peculiarities will be the object of an article later. Their role is to give the informa

Comment un avion vole?

Comment un avion vole-t-il?

Un avion vole grâce à la portance développée par ces ailes. Cette portance est crée par plusieurs facteurs.
Le premier: la dépression crée au dessus de l’aile.
Prenons une aile d’avion, et coupons là en son milieu, de l’avant vers l’arrière (figure 1).

Ce que l’on peut constater, c’est que le profile de l’aile est asymétrique.

Maintenant, observons en soufflerie ce qui se passe autour de notre profile (figure 2):

On constate que l’aile divise le flux d’air qui lui arrive dessus en deux flux différent. Le premier passe en dessous et ne subit pas spécialement de perturbation.
Par contre, le second, qui passe au dessus, est largement dévié du chemin le plus court et décrit une courbe. Cette courbe peut s’apparenter à une diminution de section d’un tube. Comme nous le montre l’effet Venturi (application de la loi de Bernoulli), ceci à pour effet d’augmenter la vitesse du flux d’air supérieur, et de créer une dépression qui aspire l’aile, et l’avion complet C’est la portance. Plus la vitesse de l’avion est élevée, plus la dépression est importante, et plus la portance est élevée.

Incidence.
L’angle d’incidence est l’angle que forme l’aile de l’avion avec le flux d’air (figure 3):

Quand cet angle augmente (vitesse faible et altitude constante, montée, …), la portance augmente (La trainée aérodynamique qui ralenti l’avion aussi…). En effet, en plus de l’augmentation de la dépression, le flux d’air inferieur vient cette fois au contact de l’aile qui le dévie. Ce contact crée une surpression qui ajoute de la portance. Cette deuxième source de portance est néanmoins largement inférieure à la portance due à la dépression (Figure 4).

Attention toutefois, car passé une valeur de 15 à 20°, le flux d’air supérieur ne reste pas collé à l’aile. Il se produit alors des turbulences sur le dessus de l’aile qui casse la portance et augmente la trainée (figure 5).






Note: depuis que cet article à été écrit, j'ai écris un complément que vous trouverez ici: http://my-airliner.blogspot.com/2011/07/portance.html


How does an airplane can fly?

An airplane can fly Thanks to the aerodynamic lift developed by these wings. This aerodynamic lift is creating by several factors.
The first one: the depression creates above the wing.
Let us take a wing of plane, and cut in its middle there, of the front towards the back (figure 1).

What we can notice, it is that profiles of the wing is asymmetric.

Now, let us observe in blower what takes place around our profile (figure 2):

We notice that the wing divides the airflow on two different airflow.
The first one goes under the wing and didn’t be perturbed.

On the other hand, the second, who passes above, is widely deviated from the shortest road and described a curve. This curve can be similar to a decrease of section of a tube. As shows to us the effect Venturi (application of the law of Bernoulli), this have for effect to increase the speed of the superior airflow, and to create a depression which sucks up the wing, and the complete plane: It is the aerodynamic lift. The more the airplane speed is fast, the more the depression is important, and the more the aerodynamic lift is high.

Incidence.
The angle of incidence is the angle made by the airplane wing with the airflow (figure 3):

When this angle increase (slow speed with constant altitude, lift …), the aerodynamic lift increase (the air drags who retain the airplane also…). Indeed, besides the increase of the depression, the airflow to inferior of the wing comes this time to the contact of the wing which diverts it. This contact creates an overpressure which adds of the aerodynamic lift. This second source of aerodynamic lift is nevertheless widely lower than the aerodynamic lift due to the depression (Figure 4).

Careful however, because crossed a value from 15 to 20°, the superior airflow does not remain stuck on the wing. There are then turbulences on the superior side of the wing, what is break the aerodynamic lift and increase the air drags (figure 5).

Note that since I've write this article, I've published complementary informations that you can find here: http://my-airliner.blogspot.com/2011/07/portance.html

Les plus legers que l'air.

Edit important: Une erreur de calcul à été relevée dans cet article... Celà ne change pas le fond, mais attention tout de même! Pensez à consulter le commentair!

Comment ça vole?

Les plus légers que l’air.

Pourquoi parle t’on de plus léger que l’air? Après tout, dégonflé et rangé, un ballon et sa nacelle restent très lourds…
C’est parce qu’en condition d’utilisation, le ballon est gonflé par un gaz plus léger que l’air qui l’entoure. L’ensemble est alors plus léger que l’air.
Ce gaz peut être de l’air chaud, de l’hélium, notez tout de même que l’on évite l’hydrogène depuis la fin des années 30 et la catastrophe du Hindenburg…

Comment devient-on plus léger que l’air? Tout simplement grâce à Archimède, ou plutôt grâce à la poussée qui porte son nom. Pour rappel, tout corps plongé dans un liquide et déplaçant un certain volume de ce liquide reçoit en contre partie une poussée verticale dirigée vers le haut égale au poids du volume ainsi déplacé. Dans le cas du ballon, le liquide, c’est l’air.

Pour résumer, quand on déplace de l’air, il lutte pour reprendre sa place. Si l’ensemble qui à poussé l’air est plus dense (plus lourd pour un même volume), alors la poussée d’Archimède est insuffisante, et l’objet reste au sol. Si au contraire l’objet est moins dense, alors la poussée devient plus importante que le poids. L’objet décolle.

Mise en situation: Prenons un individu normal, dans la moyenne de la population : moi.
Je déplace environ 75 litres d’air (0,75Mm3), c’est le volume de mon corps (si si…. Même sans rentrer le ventre!). A 20°c, la densité de l’air est d’environ 1,199 Kg/m3.
Ce qui veut dire que je déplace moins de 90 grammes d’air… Cela veut dire que mon corps subit une poussée verticale dirigée vers le haut de 90g… Insuffisant toutefois pour espérer s’envoler…

Partie « scientifique »:
En remplissant mon ballon d’hélium (densité 0,178Kg/m3), il me faut un ballon d’environ 740 litres pour contrer mon poids. En effet, 740 litres d’hélium pèsent 13,72kg, alors que 740 litre d’air à 20° pèsent 88,72 Kg... Comme ces deux masses occupent le même volume, et Archimède faisant le reste, mon poids est vaincu par la différence entre le poids de l’hélium et le poids d’air…
En remplissant avec de l’air à 100°C (densité 0,766Kg/m3), il me faut un ballon d’environ 1740 litres pour contrer mon poids. En effet, 1740 litres d’air à 100° pèsent 133,28kg, mais déplacent 208,62Kg d’air à 20°...
Dernier exemple, avec l’hydrogène, le volume de mon ballon ne sera plus que de 680 Litres (soit 6Kg d’hydrogène qui déplacent 88 Kg d’air à 20°)

On peut facilement calculer le volume du ballon en fonction de la charge et du gaz à utiliser:

1) Poser la masse que l’on veut soulever: On va l’appeler P (En Kg) Attention, ne pas négliger le poids du ballon lui-même, et de son équipement!

2) Calcul de la masse d’air déplacée en fonction du volume du ballon:
Poids de l’air déplacé = Pa (En gramme)
Masse volumique = Mv (En Kg/m3)
Volume = V (en m3)
On à: Pa = Mv x V
Comme j’ai mis mon poids en Kg, je divise par 10 pour retrouver ici aussi des Kg…

Pa = (Mv x V) / 10

3) Calcul de la masse de gaz en fonction du volume:
Même formule, même volume, il faut juste penser à changer Mv, et à poser Pg (poids de gaz) au lieu de Pa…

4) P = Pa - Pg.
Soit

V = (10 x P) / (Mvair – Mvgaz)

V est le volume de notre ballon (m3).
P est le poids de la charge (Kg).
Mvair est la masse volumique de l’air à 20° (Kg/m3)
Mvgaz est la masse volumique du gaz dans le ballon (Kg/m3)







Warning! Important edit: A calculation error as occured in my article below... Think to consult the commentaries to correct it.

How does it can fly?

Lighter than the air.

Why do we spoke about air lightest? Finally, not inflated, a hot air balloon with it’s nacelle are very heavy…
That’s because during the use, the hot air balloon is inflated with a gaz lightest than the ambient air. Then, the combinations is lightest than air.
This gaz can be hot air, helium, … Note that is none employed since the end of the 30’s and the Hindenburg catastrophe…

How to become lightest than air? Simply thank to Archimède, or thank to the phenomena who’s got is name. For remind, for all corps putted into a liquid and who displace a certain volume of this liquid will receipt a vertical push directed on the top, and equal to the liquid volume displaced mass. In case of ours balloon, the liquide is air.
To resume, when air is displaced, it try to take back its area. If the density of the thing who has taken the area is more important, then, the Archimedes push is not sufficient, and the objects stay on the ground. Opposite case, if the density of the object is less, then, the push is more important than the weight, and the object is take off.

Overview: Take a normal individual, in the middle of the population: me.
The air volume I displace is nearly 75 Litres (0,75Mm3), this is my body volume (YA ya…. Even without bringing in the stomach!). At 20°c, the air density is nearly 1,199 Kg/m3.
It means that my body displaces less than 90 grams of air… So, my body receipt a vertical push of 90g directed on the top. Not sufficient to flight, I think…

“Scientific” explanation:
If I take my balloon, and fill it with helium (density 0,178Kg/m3), I need a balloon nearly 740 litres to flight, because 740 litres of helium weight is 13,72kg, while 740 litre of air at 20° weight is 88,72 Kg... The two mass get the same volume, Archimedes do the work, my weight is loosed by the weight difference between the air and the helium.
If we take hot air (density of air at 100°: 0,766Kg/m3), I need a balloon nearly 1740 litres to flight. Indeed, 1740 litres of air at 100° weight is 133,28kg, but it displaces 208,62Kg of air at 20°...
Last example with hydrogen, my balloon volumes will be only 680 Litres (Or 6Kg of hydrogen who take the place of 88Kg of air at 20°)

We can easily calcule the balloon volume in function of the weight we need to transport, and the gaz we want to use:

1) Determine the weight we want to carry out. Call it P (In Kg). Don’t forget the balloon and equippement weight!

2) Calcul the displaced air mass in function of the balloon volume:
Air displaced weight = Pa (In grams)
Volume mass = Mv (En Kg/m3)
Displaced volume = V (en m3)
We’ve got: Pa = Mv x V
My weight is in Kg, so, to simplificate, I divide by 10 to refound Kg…

Pa = (Mv x V) / 10

3) Gaz mass calcul in function of the volume:
It’s the same, just have to think to change Mv, and replace Pa by Pg (Gaz weight)…

4) P = Pa - Pg.

So:

V = (10 x P) / (Mvair – Mvgaz)

V is the volume of ours balloon (m3).
P is the charge weight (Kg).
Mvair is the volumic mass of the air at 20° (Kg/m3).
Mvgaz is the volumic mass of the gaz in the balloon (Kg/m3).

Turbojet engine

Embraer 170.

Le turboréacteur inventé par Charles Louvrié (brevet déposé en 1863) à du attendre Aout 1939 et le Henkel HE 178 avant de voler pour la première fois. Le 18 Aout 1942, Messerschmitt fit voler le ME 262, premier avion de série (plus de 1400 exemplaires produits) à exploiter un turboréacteur. Trop bruyant, trop gourmand, après une courte apogée dans les années 60, ce moteur fut abandonné par l’aviation civile, malgré des capacités intéressantes à très haute vitesse comme l’ont prouvés le Concorde et les applications militaires (Le Lockheed SR71 BlackBird est l'avion à turboréacteurs le plus rapide: il est capable d’atteindre Mach 3,5 soit plus de 4000 km/h!).

Petit schéma de principe pour comprendre ce qu’est un turboréacteur:


Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par le compresseur B. Du carburant est injecté et enflammé en C. L’énergie produite est récupérée par la turbine D. Les gaz sont ensuite expulsés dans la tuyère E. A noter : l’air chaud qui sort de la tuyère ne se mélange pas avec l’air froid de l’extérieur du moteur (des fluides de températures différentes se mélangent toujours difficilement), mais il se crée une zone de forte turbulence à la frontière entre les deux flux. En plus de nuire à la performance de l’avion, ces turbulences produisent énormément de bruit.

Le cas de la post combustion: sur certains moteurs à très haute performances, on injecte du carburant dans la tuyère E. Cela à pour effet d’augmenter encore les performances du moteur, Mais la consommation d’un moteur en mode postcombustion est catastrophique.

Ici, un Fokker 100 à Saint Exupery.

Here, an Fokker 100 in Lyon Saint Exupery.

La solution qui fut trouvée pour rendre ces moteurs moins bruyants et plus économe fut le turboréacteur à double flux, ou turbofan.
Le bruit étant en grande partie provoqué par la détente des gaz en sortie de réacteur, on ajoute une grosse hélice carénée (fan en anglais) devant pour « envelopper » les gaz d’échappement, et augmenter la poussée (et donc le rendement).
Fonctionnement:

Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par la soufflante B. Une partie de cet air est éjecté directement en C pour produire jusque 80% de la poussée pour un avion civile. Pour le fonctionnement de la turbine D, voir au dessus. En effet, pour simplifier, le turboréacteur à double flux n'est qu'un turboréacteur auquel on aurait ajouté un compresseur supplémentaire de grande taille, la soufflante. A noter tout de même que l’arbre principal est divisé en trois parties, ce qui permet trois vitesses de rotation différentes. Le cône E n’est pas un artifice inutile : il permet de lisser le flux et permet casser et ralentir les lignes de flux supersonique, ce qui évite des turbulences. De plus, le flux chaud est entouré par le flux froids. Deux flux de température différente ne se mélangent toujours pas, mais cela permet de réduire fortement les turbulences, et donc, le bruit produit.
Pour ce genre de moteur, on parle de taux de dilution. C’est le rapport entre le flux froid massique (dit secondaire) qui est généré par la soufflante, et le flux dit chaud massique (dit primaire) qui sort de la turbine. Ce taux est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique peuvent avoir un taux de dilution en dessous de 1, alors que les moteurs utilisés pour propulser les avions civils, optimisés pour des croisières autour de 900Km/h ont des taux de dilution allant de 5 à 10.


747's 3rd engine.

Moteur N°3 d'un 747.


The turbojet engine was invented by Charles Louvrié (copy right in 1863). It needs to wait August 1939 with the Henkel HE 178 before to fly for first time. On 1942, August, the 18th Messerschmitt do the first flight of the ME 262, first serial airplane (more than 1400 built) to use a turbojet engine. Too noisy, too gourmand, after a short highlight during the 60’s, this engine was abandoned by civilians airplane, even if it can have interesting capacities on very high speed, like proved by Concorde and military applications (The Lockheed SR71 BlackBird is still the fastest turbojet engine airplane: it can fly at Mach 3,5 or more of 4000 km/h!).
Little scheme to understand how it works:


The air flow come on the engine in A and is sucked up and comprimed by the compressor B. Some fuel is injected and burned in C. The power delivered is got back by the turbine D. Then the gaz are expulsed by the nozzle E. To be noted: the hot flow that goes out the nozzle didn’t mix with the cold flow outside of the engine (different temperatures fluids cannot mix them easy), but a strong turbulence area is created on the frontier of the two flows. It decreases the airplane performance, and also made a lot of noise.

The post combustion case: on certain high performance engine, some fuel is injected on the nozzle E. It increase the performance of the engine, but the consumption in post combustion mode is very heavy.

CRJ100 turbofan.

Turbopropulseur double flux d'un CRJ100.

The solution founded to made these engines less noisy and more economic was the double flow turbojet engine, or turbofan.
The bigest part of the noise is due to the gaz detente on the nozzle exhaust. So, we add a big fan in front of the engine to « wrap » the exhaust gaz, and increase the engine performance.
Work:

The air flow come in to the engine in A, and is sucked and comprimed by the fan B. A large parts is directly ejected by C to product to 80% of the engine push for a civilian airplane. For the turbo jet engine D, see fonctionnement behind. In fact, to simplify, the double flow turbojet engine is only a turbojet engine for who we add a supplementary big compressor, the fan. To be précised: the principal driveshaft is divised in tree parts, it permise to obtain tree different speed. The cone E is not an inutile device : it permit to break and slow down the supersonic flow line, and avoid turbulence, so noise and bad work. Other point: the hot flow is surrounded by the cold flow. Two flow with different temperature still not mix, but it reduce strongly the turbulence, and so, the noise…
For this kind of engine, we speak about dilution rate (I don’t know if the English expression is really this one!). It is the relationship betwen the mass of the cold flow generated by the fan and the mass of the hot flow generated by the turbojet. This rate is variable between the engine. More the airplane is destined to have low speed, more this rate will be hight. The military engine, optimised for supersonic flight can have a dilution rate under 1, wihle the engine use on airliner, optimised to flight 900Km/h as dilution rate near 5 to 10.

Turbojet engine number 3 and 4.

Turbopropulseur double flux N° 3 et 4 d'un 747.

Turboprop: What it is and how does it work?

Qu’est ce qu’un turbopropulseur et comment ça marche?

Parler de turbopropulseur est un abus de langage. En effet, le mot vient de l’anglais « turboprop » qui est l’assemblage de turbo (pour la turbine) et propeller (pour l’hélice). Ainsi, nous comprenons que ce moteur est l’assemblage d’une turbine et d’une hélice.
L’idée de l’utilisation des turbopropulseurs remonte en 1939, aux U.S.A. quand J. Northrop débuta l'étude d’une turbine à gaz en remplacement du moteur à explosion pour propulser des avions. Mais en 1944, le turboréacteur fut mis au point avec succès avec le Messerschmitt ME262. La turbine à gaz fut donc oubliée au profit du turboréacteur pour alimenter l'hélice: Le turbopropulseur était né. Le premier turbopropulseur à atteindre le banc d'essai était le Rolls-Royce Trent en mars 1945. Il fut couramment utilisé sur tous type d’avions avant de céder la place au turbopropulseur à simple, puis à double flux. Un peu tombé en désuétude, il est de nouveau fortement sollicité de nos jours pour les avions de transport régionaux, de capacité réduite, ou les hélicoptères afin de répondre aux défis majeurs du rendement économique et des normes environnementales toujours plus serrées.
L’inconvénient de cette motorisation est qu’un appareil ainsi équipé est limité en vitesse par son hélice. La formation des ondes de choc sur les hélices est connu depuis les années 20, en effet, des recherches avaient été déjà faites sur des hélices tournant à grande vitesse. La vitesse de l'air frappant hélice est due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. A mesure que ces deux vitesses augmentent, l'extrémité des pales subies des ondes de choc transsoniques, ainsi à 800 km/h, un tiers de la longueur des pales est touché par ces ondes, diminuant l’efficacité de 50%! Il est couramment admis que cette vitesse est le plafond de vitesse pour un avion à hélice (même si le F-84 H atteindra tout de même 1050 km/h soit pratiquement Mach 1!) Le turbopropulseur est donc employé généralement sur des avions dont la vitesse n'excède pas 500 à 600 km/h, tels que les avions de tourisme ou les appareils de capacité réduite. On utilise aussi le turbopropulseur sur les hélicoptères. Il est intéressant de noter que c'est ce même phénomène qui limite la vitesse des hélicoptères à 400Km/h car l'hélice, en position horizontale, subit plus de contrainte.

Détail du fonctionnement :

Une partie de l’air poussé par l’hélice A pénètre dans le moteur en B. Ce flux est comprimé par le compresseur C.
Le flux arrive ensuite dans la chambre de combustion à flux inversé D, dans laquelle il est mélangé au carburant. Un système d’allumage provoque la combustion du mélange.
L’énergie ainsi crée est utilisée de deux façons :
-Elle entraine les turbines E qui transmettent une forte puissance et un régime de rotation élevé mais un faible couple au réducteur F. Celui-ci transforme cette énergie en forte puissance, régime de rotation modéré mais couple élevé.
-Elle fournie entre 10 et 15% de la poussée du moteur par échappement par la tuyère G.

What is a Turboprop, and how does it work? Turboprop is the assembly of a turbine and a propeller. The idea to use turbine engine to actione a proppler is borne on the U.S.A. in 1939, when J. Northop begin the studie of a gaz turbine to replace the traditional piston engine to propulse the airplane. But in 1944, the turboreacteur was succesfully built with the Messerschmitt ME262. So, the gaz turbine was forget and replaced by the turboréacteur to entrain the proppler: the turbopropulseur was born. The first one was the Rolls-Royce Trent in march 1945. It was largely used in all airplane type before to be replaced by a simple Flux, then to a double flux turbopropulseur. Forget during the 60's, it is strongly asked today for small and regional airplane, or for the hélicoptères in order to responde to the defial of the economical return and to the environmental law stronger every year. The less of thi kind of motor is that speed of the airplane equiped with it is limited by it's proppler. The formation of shock waves on the proppler is knew since the 20's, some research have proved that the air who strike the proppler turning at heavy fast is due to the rotation of the proppler, and also to the airplane speed. due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. As these two speeds increase, the extremity of pales undergone by transsoniques shock waves, so, at the speed of 800 km/h, one on three of the pales lenght is touched by these waves, this cause the lost of 50% of the efficacity! It's often admetted that this speed is the maximum speed for a proppler airplane (even if the F-84 H as reach 1050 km/h, nearly the sound wave speed!) The turbopropulseur is so generaly used on airplanes who dont go faster than 500 to 600 km/h, like tourism or small airplane. It's also used on helicopters. It is interessting to constate that it is the same phénomena who limite the helicopters speed to 400Km/h, because the proppler in horisontal position sudden more forces.

Working details:

One parts of the air flow pushed by the proppler A go in the engine by the open B. This air flow is comprimed by the compressor C. The flow arrived in the inversted stream combustion chamber D, in wich one it is mixed with carburant. Then, an ignition device burn this mix. The power delivred is used pf two manners:

-It made turn the turbines E, who transmitted a strong power and a hight regime of rotation but a low torque to the reducer F. This one is changing this energy in high power, low regim rotation, but hight torque.

-It furnish near 10 and 15% of the engine with the exhaust by the nozzle G.