RAFALE : Le réacteur M88 - RAFALE : The omnirole fighter

Le turboréacteur M88 du Rafale

Du régime ralenti à plein gaz en moins de 4 secondes !

Développé et produit par Safran Aircraft Engines (Ex SNECMA), le M88 équipe le Rafale depuis qu’il a remplacé le General Electric F-404 du démonstrateur Rafale A en 1989. Son premier vol sur Rafale A remonte au 27 février 1990 (461^e vol du démonstrateur). Très compact, ce moteur offre une poussée de 51 (plein gaz sec) à 75kN (PC max) et offre un rapport poussée masse élevé, tout en préservant une importante capacité d’accélération, passant de ralenti à PC max en moins de 4 secondes.

Le saviez-vous ? En comparaison avec le réacteur Atar 9K50 du Mirage F1, le M88 est 45% plus léger, 40% plus court et son rapport poussée / masse est 88% supérieur.

Conception modulaire et hautes températures

Sa conception modulaire (21 modules) permet une remise en service très rapide, et ne nécessite pas d’essais complémentaire au banc, simplement un test d’étanchéité.

Les températures devant turbine atteignent 1577°C en moyenne et 1977°C en pointe. Pour résister à de telles contraintes, le constructeur utilise des matériaux ultra-réfractaires (alliages monocristallins). Chacune des 60 aubes de turbine mesure 5 cm de long et pèse 250 grammes. Elle supporte une force centrifuge de 25 tonnes à l’arrachement, travaille à 300°C au dessus de sa température de fusion et développe 500 ch de puissance.

L’aérodynamique des parties tournantes permet d’optimiser le rendement et réduire les distorsions dans le compresseur basse pression. En effet, pendant les phases de combat, l’avion peut évoluer à de très fortes incidences ou angles de dérapage. Il en résulte des écoulements d’air fortement perturbés qui peuvent entraîner des décrochages du compresseur.

Sa chambre de combustion, très courte, permet une remarquable compacité du moteur. Les techniques d’injection aérodynamiques du carburant et le refroidissement des parois par convection en double paroi ont pu réduire sa taille.

La postcombustion dispose d’accroche flammes radiaux similaires au F-414 de fabrication américaine. De même, le canal de postcombustion dispose d’un système de refroidissement qui augmente la durée de vie de l’ensemble.

Des évolutions constantes

Fin 2010, le M88-4E obtient sa qualification et les livraisons débutent fin 2011. Ce modèle visant à allonger la durée de vie du réacteur, de même que les intervalles d’inspection. les modifications portant sur le compresseur haute pression et la turbine haute pression. Le programme ECO, quant à lui, s’acheve en 2007 et permet une réduction des coûts d’exploitation, tout en accroissant le taux de disponibilité. L’assemblage du réacteur est réalisé sur le site Safran de Villaroche.

En mai 2012, le M88-E4 devient le nouveau standard. Des modifications portent sur 20% du moteur : rotor et stator des parties hautes pression impliquant des intervalles d’inspection allongés. Le TAC (Tactical Air Cycle ^(*)) passe de 2500 à 4000 cycles (désormais similaire aux moteurs des F-18 et F-16). Les pièces qui exigent le plus de maintenance gagnent 60% de potentiel supplémentaire. ^(*) nombre “d’impulsions sur la manette des gaz” que l’on peut donner à un moteur entre chaque inspection.

Pour un appareil de combat, sa performance à pouvoir démarrer sur des terrains en haute altitude est bien souvent de la plus haute importance. En Chine, par exemple, l’aéroport de Daocheng se trouve à 4441 mètres d’altitude. En conséquence de marchés à l’export potentiellement concernés par ce type de performance, le développement de nouveaux injecteurs débute en 2013. Associés au démarreur Rubis III, ces injecteurs, dit “enrichis”, doivent subir toute une série d’évaluations :

Interruption au décollage (décélération rapide).
Haute pression et haute température.
Endurance à pleine charge (régime post combustion).
Consommation.

En mai 2024, Safran Aircraft Engines assemble le 700^e réacteur M88.

Données techniques du M88-2

Turboréacteur double corps, double flux Turbine BP refroidie à 1 étage
Compresseur BP à trois étage avec calage variable sur la directrice d’entrée (carter d’entrée)
Chambre de post-combustion de type radial
Compresseur HP à 6 étages (dont 3 avec aubes fixes à calage variable)
Tuyère convergente multi-volets à section variable
Chambre de combustion annulaire
Régulation numérique à pleine autorité redondante (FADEC)
Turbine HP refroidie à 1 étage • Maintenance modulaire (21 modules)
Poussée avec PC (kN) : 75 (son potentiel de croissance est de 20%)
Poussée sans PC (kN) : 50
Consommation : de 0,8 à 1,7 kg/daN.h, soit jusqu’à 212 kg/mn en pleine charge PC.
Débit d’air (kg/s) : 65
Taux de compression : 24,50
Taux de dilution : 0,3
Masse : 897 kg (1500 kg pour le M-53 du Mirage 2000)
Longueur : 3538 mm – Diamètre : 696 mm
Température d’Entrée Turbine : 1577°C (1850 K)
La chambre de combustion mesure 25 cm

Fiche technique M88

En haute altitude, le Rafale consomme moins à pleine PC que le Typhoon sans sa post combustion

A 50% de puissance, le Rafale croise à Mach 0,9 avec un emport d’armement complet, et ce, durant des missions de 7 heures. Au ralenti, le M88 consomme 12kg/min (17 pour un M53 de Mirage 2000). Source.

Les aubes de turbines atteignent 15000 tours / min et la température de leur bord d’attaque supporte 1400 à 1500 °C. Pour résister à de telles contraintes, celles ci sont réalisées via 200 opérations complexes sur 4 à 6 mois. Creuses, ces pièces sont refroidies par de l’air circulant à l’intérieur et ressortant par des micro-trous. Elles sont réalisées en alliage monocristallin monograin et permettent ainsi d’éviter le phénomène de fluage (allongement de la pièce).

40% du réacteur sont réalisés par Safran, 60% sous traités. Il est composé de 1500 pièces principales et 100.000 pièces au total. Sa réalisation nécessite 18 mois via 2500 à 3000 emplois.

Principaux sous-traitants du M88

Aubert & Duval (alliages métalliques, dont N18 à base de Nickel)
Erasteel (alliages métalliques)
Aircelle / Safran Nacelles (pièces en composites)
Herakles / Safran Launchers / Safran Ceramics (tuyères en composites thermostructuraux)
Sagem / Safran Electronics & Defense (calculateur)
Hispano-Suiza / Safran Transmission Systems (transmission de puissance)
Labinal Power Systems / Safran Electrical & Power (Câblages)
Techspace aero / Safran Aero Booster (compresseur haute pression)

Le Groupe Auxiliaire de Puissance

Un groupe auxiliaire de puissance (APU) permet à l’appareil de “rouler en 90 secondes” sans recourir à une quelconque assistance.

L’APU fournis généralement une importante puissance électrique, pneumatique ou mécanique.

La société Microturbo assemble cet APU, le Rubis 3. D’une puissance de 6kVA, son débit d’air est de 0.9 kg/s.

Un mode mécanique ou pneumatique assurent le transfert de puissance pour le démarrage du moteur principal. Pour cette raison, le Rubis 3 est couplé au système de démarrage ATS-305 fournissant 126 kW de puissance sur arbre avec un débit d’air de 1.1 kg/s. Source

La transmission M88 / Rafale

Safran Transmission Systems développe et produit cet ensemble complexe composé :

du support d’équipements moteur (Engine Mounted Accessories Drive) sur lequel sont montés le bloc hydro-mécanique principal, le bloc hydro-mécanique post combustion et le groupe de lubrification,
et du relais d’accessoires avion (Aircraft Mounted Accessories Drive) entraînant les équipements de génération de puissance.

Un arbre d’entraînement capable de tourner à grande vitesse relie les deux boîtiers.

Equipé de lames flexibles, l’arbre d’entraînement Hispano-Suiza est sans équivalent en ce qui concerne la tolérance à l’endommagement et la résistance en fatigue. Source