thumb|Test sur banc d'essai de la version CECE du moteur RL-10. Une tuyère (tuyère propulsive dans le domaine de l'astronautique) est un conduit de section droite variable placé à l'arrière d'un moteur produisant des gaz de combustion chauds qui permet de transformer l'énergie thermique de ceux-ci en énergie cinétique. Pour atteindre cet objectif et en fonction du contexte de mise en œuvre, une tuyère peut être convergente, divergente ou une combinaison de ces deux formes (tuyère de Laval). On trouve notamment des tuyères à l'arrière des moteurs à réaction équipant les avions et sur les moteurs-fusées propulsant les missiles et les lanceurs.
Principe de fonctionnement
L'objectif d'une tuyère est d'augmenter l'énergie cinétique du fluide qui la traverse, c'est-à-dire sa vitesse, en transformant son énergie interne c'est-à-dire sa pression/température en déplacement.
Le principe de fonctionnement d'une tuyère repose sur les propriétés des gaz lorsqu'ils circulent aux vitesses subsoniques et supersoniques. Lorsqu'un gaz circule à une vitesse subsonique dans un tuyau dont le diamètre se rétrécit, sa vitesse augmente. La vitesse du gaz ne peut toutefois pas dépasser celle du son (Mach 1). En effet en régime d'écoulement supersonique (vitesse supérieure à la vitesse du son) le comportement du gaz s'inverse : pour que sa vitesse augmente, il faut que le diamètre du tuyau augmente. Ce comportement des gaz repose sur le principe d'accélération des gaz décrit par l'équation d'Hugoniot :
S est l'aire de la section droite du conduit, v la vitesse et M le nombre de Mach
Une tuyère peut être convergente, divergente ou à la fois convergente et divergente : Une tuyère convergente permet d'accélérer des gaz circulant à des vitesses subsoniques. Si la pression est suffisante, la vitesse peut atteindre Mach 1 à la sortie de la tuyère, mais elle ne peut dépasser cette valeur. Une tuyère divergente permet d'accélérer des gaz qui sont déjà à vitesse supersonique à l'entrée de celle-ci. Une tuyère convergente et divergente (tuyère de Laval) dont les caractéristiques sont développées ci-dessous.
Cas de la tuyère de Laval thumb|Schéma d'une tuyère montrant la conversion de pression et température du gaz éjecté en vitesse dans une tuyère de Laval.
Une tuyère de Laval permet d'accélérer des gaz d'une vitesse subsonique jusqu'à une vitesse supersonique en combinant les deux effets décrits ci-dessus. Les gaz sont accélérés jusqu'à Mach 1 dans la section convergente de la tuyère puis ils sont accélérés au-dessus de Mach 1 dans la section divergente. Une tuyère de Laval comporte donc trois sous-ensembles : le convergent le col où le diamètre de section est minimum le divergent qui peut être en forme de cône ou de cloche ou peut être constitué par les aubes dans le cas d'une turbine à gaz.
Vitesse des gaz expulsés : cas d'un moteur-fusée
La conversion de l'énergie interne en énergie cinétique est d'autant plus efficace que la vitesse des gaz expulsés est élevée. Dans le cas d'un moteur-fusée, les gaz sont produits par la combustion d'ergols dans des conditions de pression élevée. La vitesse des gaz expulsés se calcule en utilisant l'équation suivanteRichard Nakka's Equation 12.Robert Braeuning's Equation 1.22. :
avec : = Vitesse des gaz à la sortie de la tuyère en m/s= Température à l'entrée de la tuyère= Constante universelle des gaz parfaits= Masse molaire du gaz en kg/kmol= = Indice adiabatique= Capacité thermique du gaz à pression constante= Capacité thermique du gaz à volume constant= Pression du gaz en sortie de tuyère= Pression du gaz à l'entrée de la tuyère
La vitesse résultante peut être optimisée à travers trois paramètres : La température dans la chambre de combustion Le rapport entre la pression en entrée et en sortie de tuyère Les types d'ergols brûlés (masse moléculaire des gaz de combustion)
Exemples
Le seul de ces paramètres qui dépend des caractéristiques de la tuyère est le rapport de pression. On peut illustrer son influence dans le cas d'un moteur brûlant un mélange oxygène/hydrogène avec une pression interne de 115 bars (cas du moteur Vulcain 2 d'Ariane 5) : avec un = 1,2 la vitesse des gaz chute d'environ 14 % si la pression en sortie est de 5 bars au lieu de 1 bar.
En pratique les vitesses des gaz brûlés s'inscrivent dans les fourchettes suivantes : à pour des moteurs-fusées à monergol liquide à pour des moteurs-fusées à ergols liquides à pour des moteurs à propergol solide
Les différences de vitesse d'éjection sont liées aux choix d'ergols (réactions chimiques plus ou moins exothermiques et donc températures plus ou moins élevées), à la pression dans la chambre de combustion, au cycle de combustion choisi (plus ou moins de perte) et à la longueur du divergent (détente des gaz optimale).
Domaines d'application des tuyères
Les tuyères trouvent plusieurs types d'application : La tuyère du moteur à réaction d'un avion ou du moteur-fusée d'une fusée contribue à la force propulsive ou force de réaction par la détente de gaz chauds produits par la combustion d'ergols. Dans le cas d'une turbine à gaz, les gaz produits par la combustion permettent de mettre en rotation l'arbre d'un alternateur qui fournit de l'électricité. L'énergie du fluide est transformée en énergie mécanique. Les aubes jouent le rôle de divergent. Le fluide peut être l'eau d'un barrage amené par une conduite sous pression élevée ou la vapeur du circuit secondaire d'un réacteur nucléaire porté à température/pression très élevée. Le principe de la tuyère est également utilisé sur les buses pièces centrales des injecteurs ou des pulvérisateurs.
Tuyère de moteur-fusée Rôle et fonctionnement de la tuyère d'un moteur-fusée
Le moteur-fusée est le système de propulsion que les fusées utilisent pour accélérer à des vitesses hypersoniques tout en pouvant fonctionner dans le vide c'est-à-dire sans avoir à puiser le comburant dans l'atmosphère. Des ergols stockés à bord brûlent dans une chambre de combustion et les gaz produits sont accélérés par une tuyère de Laval. Ils produisent une poussée qui accroît la vitesse de la fusée en application de la loi sur la conservation de la quantité de mouvement. La tuyère joue un rôle central dans l'efficacité de cette propulsion en convertissant l'énergie thermique et la pression des gaz résultant de la combustion en énergie cinétique. Les gaz sont éjectés à une vitesse atteignant à m/s tandis que la température et la pression chutent fortement entre la chambre de combustion et la sortie du divergent de la tuyère. L'accroissement de la vitesse des gaz dans le divergent est d'autant plus importante que le rapport est grand entre le diamètre du col et le diamètre de la sortie du divergent. Ce rapport de section prend des valeurs comprises entre 40 et 300 pour des raisons expliquées ci-dessous. La poussée est optimale lorsque la pression des gaz à la sortie de la tuyère est égale à la pression ambianteD. Marty . Les tuyères de premier étage qui doivent fonctionner à pression ambiante sont relativement courtes, car le gaz ne doit pas être sur-détendu tandis que celles des étages qui fonctionnent dans le vide sont très allongées. La tuyère du moteur du premier étage fonctionne dans des conditions de pression externe très différentes entre l'allumage du moteur (pression atmosphérique proche de 1 bar) et son extinction (quasi vide). Sa forme est donc un compromis. Le divergent de forme idéale est de grande longueur or celle-ci a un impact direct sur la masse du lanceur. Pour limiter l'encombrement, la tuyère des moteurs-fusées des étages supérieurs peut être en partie déployable. Les poussées nécessaires pour propulser une fusée sont énormes : elles peuvent atteindre pour les moteurs-fusées à ergols liquides et pour les propulseurs à propergol solide. Pour obtenir de telles poussées, les pressions et les températures sont portées aux limites de ce que peuvent supporter les matériaux au contact des gaz chauds. La conception d'une tuyère repose largement sur la mise au point de techniques de refroidissement et la sélection de matériaux adaptés. Toute la force propulsive d'une fusée s'applique sur la tuyère, ce qui génère des contraintes mécaniques maximum au niveau du col. De façon imagée, on peut dire que tout le poids de la fusée (pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes) repose uniquement sur le col de la tuyère.
Tuyère adaptée : les compromis
Pour qu'une tuyère d'un moteur-fusée contribue de manière optimale à l'accélération des gaz (tuyère adaptée), il est nécessaire que sa longueur soit adaptée à la pression du milieu extérieur. Plus la tuyère est longue plus la pression sera basse en sortie. Les divergents des moteurs propulsant les étages supérieurs des lanceurs doivent être particulièrement longues, car la pression externe est quasi nulle et au niveau du sol, la tuyère doit être plus courte pour ne pas se retrouver en sous-détente des gaz. La longueur de la tuyère entraîne un allongement du lanceur et donc un alourdissement de la structure ce qui est préjudiciable aux performances globales. Les pressions du milieu extérieur varient rapidement au cours du vol et la longueur des tuyères est donc un compromis pour obtenir la meilleure efficacité possible. Une tuyère de moteur-fusée propulsant de premier étage est amenée à fonctionner dans des conditions de pression externe très différentes : celle-ci est de 1 bar au lancement, mais quasi nulle lorsque le moteur s'éteint. La géométrie de la tuyère ne peut s'adapter aux variations continues de la pression externe. Le choix effectué est sous détendre les gaz en sortie du divergent c'est-à-dire que sa pression est supérieure à celle de l'air ambiant sur la majorité du temps de fonctionnement de l'étage. Ceci permet de disposer d'une tuyère courte et donc de diminuer la masse du lanceur. Toutefois au moment de la montée en puissance du moteur-fusée avant le décollage et à l'extinction du moteur les gaz produits sont temporairement en sur-détente ce qui crée un décollement des flux pouvant endommager la tuyère au décollage et générer des poussées non symétriques au décollage comme à l'extinction.
thumb|center|upright=3|Régimes de fonctionnement d'une tuyère de moteur-fusée en fonction de l'écart entre la pression des gaz en sortie du divergent et la pression extérieure ambiante. De gauche à droite : 1 Sous-détente des gaz en sortie de divergent : la pression ambiante est inférieure à la pression des gaz 2 Tuyère adaptée : égalité de la pression des gaz en sortie et de la pression ambiante (régime optimal) 3 Sur-détente des gaz en sortie du divergent 4 Sur-détente importante des gaz en sortie du divergent avec décollement du flux le long de la paroi du divergent
Forme du divergent thumb|Comparaison des sections de tuyère de moteur-fusée de type : 1 - TIC : Tuyère idéale tronquée 2 - TOC Tuyère en coquetier. La forme du divergent doit être telle que sa paroi se confond avec la ligne de courant de l'écoulement des gaz expulsés. Ce profil se calcule généralement en résolvant les équations d'Euler en particulier en utilisant la méthode des caractéristiquesD. Marty . Dans le cas des tuyères utilisées dans le domaine des jets de plasma, les températures et donc les viscosités très élevées nécessitent le recours à la résolution des équations de Navier-StokesJohn Gary Landry, "Nozzle Flow with Vibrational Nonequilibrium", Rapport NASA-CR-199948, 1995 . Le profil optimal est celui d'un cône dont le demi-angle au sommet est de 15°. Afin de raccourcir la longueur du divergent et ainsi de réduire la longueur du lanceur et donc sa masse deux solutions sont mises en œuvre Sutton et Biblarz : La tuyère idéale tronquée (TIC) est une tuyère dont le profil suit la courbe optimale, mais qui est amputée de son extrémité. Dans le cas du moteur Vulcain, le fait de tronquer de 2/3 le profil idéal (longueur de au lieu de ) entraîne une perte de poussée limitée à 3 %.