Institut d’histoire des Conflits Contemporains 

Centre d’Histoire de l’Aéronautique et de l’Espace

  

Commémoration des anniversaires des premiers vols

du premier avion à réaction français : 

SO-6000 Triton (11 novembre 1946)

du premier vol du Mirage III (17 novembre 1956)

du premier vol du Mirage F-1 (23 décembre 1966)

 

 

 

LES TURBORÉACTEURS ATAR DES MIRAGE III ET F-1

Jean CALMON [1]

 

 

            Introduction

            Les turboréacteurs ATAR sont universellement connus et utilisés. Chacun sait maintenant qu'il s'agit d'une très longue famille de moteurs dont les fondements de la conception remontent à 1945.

            Limiter notre propos aux seules versions équipant les Mirage III et F-1 serait tronquer une histoire étonnante et priver le lecteur d'informations lui permettant de mieux saisir le pourquoi d'une telle longévité couronnée d'un succès exceptionnel.

            Nous allons donc suivre la généalogie de ces turboréacteurs qui ont contribué très directement à la célébrité des avions Mirage de la Société des Avions Marcel Dassault-Bréguet Aviation.

            Dans le domaine des moteurs, des choix précis se firent en France entre 1945 et 1955 consistant à mobiliser tout l'appareil technique et industriel, dans le cadre d'un programme de Défense Nationale, pour la réalisation de turboréacteurs de moyenne puissance destinés à assurer la propulsion des avions militaires vers des vitesses supersoniques.

ATAR 101 V-A-B – Naissance d'une famille de turboréacteurs

            Immédiatement après la fin de la dernière guerre mondiale, les pourparlers initiés par le ministre de l'Air français avec le Dr. H. Oestrich aboutirent à la conclusion d'un contrat de développement d'un nouveau turboréacteur basé sur la technologie du B.M.W. 003 et l'expérience acquise par les spécialistes allemands.

            Un groupe de 120 ingénieurs et techniciens réunis par M. Oestrich (groupe 0) s'installa non loin de Lindau aux abords du lac de Constance et constitua l'Atelier Aéronautique de Rickenbach (ATAR) où l'étude d'un nouveau turboréacteur d'une poussée de 1 700 kgp, conforme aux spécifications, fut entreprise dès octobre 1945.

            La conception visait un moteur simple, léger, de surface frontale réduite et capable d'améliorations ultérieures. La technologie adoptée pour ce moteur était à la hauteur de l'objectif. Tout le compresseur – disques, aubes et carter – était en alliage léger, la turbine munie d'aubes creuses en tôle était capable d'endurance dans un flux gazeux de 800°C et la tuyère comportait une aiguille centrale mue par un vérin hydraulique pour assurer une variation continue de la section. L'entraînement des équipements était installé dans l'un des bras du carter d'admission.

            En juin 1946, les premières liasses de plans nécessaires au lancement de la fabrication des prototypes furent adressées à la S.N.E.C.M.A. également chargée des essais. La même année, le groupe « 0 » fut rattaché à la société des Aéroplanes Voisin et transféré à Decize. Je rappellerai que c'est également en 1946 que furent créés les Essais en Vol de la S.N.E.C.M.A.

            L'année 1947 fut marquée par les essais des composants principaux : compresseur, chambre de combustion, turbine, puis le premier prototype 101 V1 fut mis au banc d'essais à Melun-Villaroche et la première rotation eut lieu le 26 mars 1948.

            Le 5 avril 1948, la poussée de 1 700 kgp à 7 500 tr/mn était obtenue ; dix jours plus tard, elle atteignait 2 200 kgp sur le deuxième prototype 101 V2.

            La même année, un essai d'endurance de 50 heures était réussi avec le prototype 101 V4 tandis que 350 heures étaient accumulées sur le moteur 101 V1 à des poussées de 1 800 à 2 200 kgp.

            Fin 1949 un essai de 150 heures, selon conditions OACI, était réussi. Le véritable travail de développement du moteur ATAR allait pouvoir commencer.

            Dans la variante 101 A, une nouvelle directrice d'entrée chargeant davantage le premier étage et une modification mineure du redresseur de sortie diminuant les pertes permettent de consolider la poussée de 2 200 kgp.

            Avec la version 101 B, le rapport de pression est encore augmenté par une meilleure charge aérodynamique des aubages.

            Dans la chambre de combustion, les brûleurs à cônes cèdent la place aux brûleurs en étoile et les fragiles buses multiples d'amenée d'air secondaire sont remplacées par des lumières de dilution.

            La roue de turbine est marquée par l'abandon des aubes refroidies en tôle, qui avaient bien permis antérieurement des températures élevées avec un matériau peu noble, mais dont la fabrication industrielle n'était pas assez fiable, malgré la mise au point d'un procédé de soudage spécial. Les travaux engagés par les métallurgistes sur les alliages réfractaires au nickel-chrome permettent au début de 1950 de fournir un alliage avec lequel on peut passer aux aubes pleines et vrillées de surcroît. La température devant turbine est portée à 845°C et le rendement de la turbine est nettement amélioré.

            Bien entendu, les essais de moteurs complets – 1 000 heures de fonctionnement au banc sol totalisées en deux ans avec les moteurs ATAR – apportent leur lot de mauvaises surprises. Les plus marquantes sont les ruptures des aubes mobiles du 1^er et du 7^ème étage du compresseur par fatigue vibratoire. Les améliorations aérodynamiques de la directrice d'entrée, en évitant les décollements, permettent de réduire l'intensité de l'excitation du premier étage tandis que l'on fait appel au remède devenu classique de changement de la fréquence propre des aubes mobiles par épaississement du profil à la base pour résoudre le problème du 7^ème étage.

            Les essais en vol sur avion porteur B-26 Marauder permettent, dès l'automne 1950, d'explorer le comportement de l'ATAR en altitude et de commencer à fixer les lois de régulation. À la suite de ces mises au point, la variante 101 B accomplit l'essai de Type à une poussée de 2 400 kgp début 1951. Vient ensuite la consécration du premier vol sur avion monomoteur, un Ouragan, le 5 décembre 1951.

            Sur le plan structurel des bureaux d'études ATAR, l'année 1950 marque aussi un changement notable. Le groupe « 0 » est incorporé à la S.N.E.C.M.A. et M. Oestrich en devient le directeur technique.

ATAR 101 C-D-E-F-G – Les premières productions de série

            Avec les perspectives d'équipement de la nouvelle série des chasseurs Dassault Mystère IIC de l'armée de l'Air française, les variantes 101 C puis D sont lancées dans la continuité des développements amorcés au cours des années précédentes. Des installations modernes pour composants et moteurs complets sont édifiées sur le Centre d'Essais de Villaroche. Les niveaux de poussée de 2 800 kgp puis de 3 000 kgp sont atteints par de nouveaux perfectionnements apportés surtout au compresseur et une augmentation du diamètre de la turbine. La version 101 D-3 est équipée d'une tuyère originale à striction aérodynamique, la variation de section étant obtenue par injection modulée d'air comprimé sur le pourtour.

            Une nouvelle étape importante est franchie par l'adjonction d'un étage en avant du compresseur 101 D calculé avec une augmentation de débit ajustée à l'élévation de pression pour conserver les conditions à l'entrée de l'ancien étage de tête. Cette ingénieuse méthode de gavage fournit, en commun avec une turbine de diamètre légèrement augmenté à meilleur rendement, déjà préparée sur la version précédente 101 D, la part essentielle de la poussée augmentée jusqu'à 3 500 puis 3 700 kgp de l'ATAR 101 E.

            Le rapport de pression du compresseur poursuit aussi, corrélativement, sa marche ascendante, ce qui permet, avec des rendements élémentaires accrus, d'atteindre des consommations spécifiques se situant désormais à 20 % en dessous du niveau des premiers moteurs ATAR. Comme la masse n'a pratiquement pas changé depuis les premières versions et que la température d'entrée de la turbine a bénéficié des progrès des nouveaux alliages réfractaires, la S.N.E.C.M.A. devance en 1954 la concurrence avec l'ATAR 101 E5 offrant la plus forte poussée par unité de masse. Ce moteur dispose d'une tuyère variable à deux paupières.

            Les qualités du moteur sont vérifiées jusqu'au-delà de 15 000 m sur un SO-30 Bretagne. Le moteur 101 E est le propulseur des bombardiers bi-moteurs SO 4050 Vautour qui seront construits à 140 exemplaires. Les turboréacteurs ATAR qui équipent par ailleurs de nombreux avions prototypes en France sont hissés, grâce au travail accompli, au rang de propulseurs de grande puissance quasi exclusifs pour l'armée de l'Air. Par ailleurs, l'exportation des avions équipés d'ATAR commence.

            Les dimensions réduites et la remarquable poussée massique des réacteurs ATAR permettent, dans ces années-là en France, l'expérimentation en vol de plusieurs types de combinés turbostatos sur Leduc 022 et Griffon 02, ainsi que des travaux approfondis, spécialement à la S.N.E.C.M.A., sur la propulsion des avions à envol et atterrissage vertical (ATAR volant puis Coléoptère C450). Une tuyère à striction, puis à déviation aérodynamique du jet facilite l'adaptation de l'ATAR à ces formules.

            La post-combustion ou réchauffe est traitée comme un élément d'adjonction au moteur de base tant pour le canal que la régulation.

            C'est ainsi que de la variante 101 D dérive la version expérimentale 101 F et de la variante 101 E la version 101 G construite en série pour la motorisation du Super Mystère B2.

            La détermination des dimensions du canal communes aux deux versions est faite avec beaucoup de prudence en se fixant un nombre de Mach modéré au droit des stabilisateurs et une charge calorifique par unité de volume aussi faible que possible, dans les limites du logement disponible dans le fuselage du Super Mystère B2.

            Il faut souligner que la régulation du moteur à section de tuyère variable est bien préparée pour accueillir la réchauffe et permettre la mise en service opérationnel d'une post-combustion pilotée, en avance sur celles de toute la concurrence alors limitées à un fonctionnement en tout ou rien. Un régulateur hydromécanique de post-combustion est adjoint au régulateur principal.

            Les essais au banc aboutissent à la qualification de l'ATAR 101 G à la poussée 4 400 kgp en 1955. Les comparaisons avec le moteur concurrent Rolls-Royce Avon RA 21 sont menées jusqu'aux essais en vol et démontrent la supériorité du mariage Super Mystère B2/ATAR 101 G.

ATAR 9 B-C – Le moteur des Mirage III

            Si le moteur du prototype Mirage III 01 fut un ATAR 101 G décrit précédemment, les appareils de série mondialement connus sont équipés de la version ATAR 9. Tout comme l'ATAR 101 G, cette variante est à post-combustion, le moteur de base étant un ATAR 8. Avec ces versions 8 et 9, on aborde une nouvelle étape dans l'architecture et l'évolution de la famille ATAR.

            L'ATAR 8 est dérivé du 101 E5 par une nouvelle opération de gavage qui a augmenté la capacité de débit de 15 % sans augmentation du diamètre maximal du moteur. Un pas décisif est franchi dans l'augmentation du rendement de la turbine qui comporte désormais deux étages entraînant un compresseur à rapport de pression de 5,8, soit une majoration de l'élévation de pression de plus de 20 %, avec des modifications mineures des huit étages de la version précédente. Il nous paraît intéressant de souligner les avantages d'une telle technique de développement en termes de délai, de coût de programme et de facilité d'introduction des nouvelles versions en série. Le résultat de ces changements bien délimités, appuyés sur des bases bien expérimentées et sur des nombreux raffinements aérothermodynamiques et technologiques est une augmentation de 20 % de la poussée sans réchauffe et une réduction de 7 % de la consommation spécifique. Les Dassault Etendard IV embarqués sont les premiers avions à mettre en valeur ces nouvelles qualités. Ces moteurs sont, après des milliers d'heures de fonctionnement, toujours en service à l'heure actuelle dans l'Aéronavale.

            À noter également les deux paliers arrière du compresseur et de la turbine dotés d'un système original de lubrification à mélange d'air et d'huile pulvérisée perdue, qui autorise durablement et avec des consommations très faibles des températures de roulements supérieures à 300°C.

            Parallèlement, et pour permettre la pleine mise en valeur des avions supersoniques de la nouvelle génération du constructeur Marcel Dassault, le système de réchauffe est repensé en vue d'en augmenter le taux et la stabilité à haute altitude. Avec la technique des anneaux brûleurs, adoptés ensuite par tous les autres motoristes, l'ATAR 9B de 6 000 kgp est, à nouveau, avec un rapport poussée/masse de 4,4, le propulseur supersonique le plus léger du monde et fournissant la plus forte poussée frontale, qualité essentielle pour le vol en haut supersonique alors unanimement recherché.

            Les nouvelles conditions d'utilisation des ATAR 9 sont aussi préparées par un important travail d'adaptation de la technologie. Le rotor de compresseur est conçu comme un assemblage tout acier au bénéfice de l'augmentation de l'endurance aux températures du vol bisonique.

            Un travail particulièrement coordonné entre l'aérodynamique du compresseur et le système de régulation permet l'optimisation de l'ensemble du système propulsif pour répondre à la très grande variété des situations rencontrées dans le domaine de vol très élargi.

            Le dessin simple et robuste des ATAR 8 et 9 avec neuf étages de compression sans géométrie variable, a naturellement posé aussi quelques problèmes ardus pour son adaptation aéromécanique aux régimes partiels. Depuis le début des années 50, la S.N.E.C.M.A. a identifié et caractérisé les manifestations pernicieuses du décollement tournant affectant les compresseurs à mesure qu'est augmentée leur charge par étage. Des lois d'écoulement particulièrement adaptées aux étages de tête, alliées à une loi de régulation appropriée aux charges partielles du moteur et associées à des fréquences propres d'aubes mobiles convenables, permettent un compromis satisfaisant sans altérer aucune des qualités majeures du moteur.

            Après des essais en vol sur Armagnac, puis sur Super Mystère B4, l'ATAR 9B permet au Mirage III A 01 de faire son premier vol en mai 1958, puis d'atteindre Mach 2 en palier en octobre de la même année.

            La production de la version 9C suit de très près celle du 9B et débute en 1962. Ses qualités en vol supersonique sont améliorées par l'enclenchement automatique d'une survitesse provoquant une augmentation de poussée de 9 % à Mach 2. De plus, la tuyère à section variable est redessinée pour prendre une configuration multivolets qui autorise une meilleure adaptation de l'écoulement autour de l'arrière-corps de l'avion et une reprise plus rationnelle des efforts dus à la pression majorée du vol supersonique.

            L'intégration du turboréacteur ATAR à la cellule du Mirage III est particulièrement réussie et permet au Mirage III d'être le meilleur avion de combat polyvalent de sa génération. Cette affirmation est justifiée par une comparaison effectuée, au bénéfice du client australien, à l'aide de deux avions Mirage, l'un équipé d'un ATAR 9C, l'autre de la plus récente version de l'époque de l'Avon, le RA-24 de Rolls-Royce, plus puissant au sol et à rapport de pression double de celui de l'ATAR. Cette nouvelle confrontation résulte à nouveau en une victoire indiscutable du Mirage/ATAR pour un ensemble de missions, y compris le convoyage. Convaincue par les travaux en cours que l'ATAR 9 possède encore des marges de développement ultérieur, l'Australie acquiert la licence de construction de l'ATAR 9C. Ses Mirage III O sont toujours en service aujourd'hui.

            Une nouvelle version directement dérivée de la cellule du Mirage III et toujours équipée de l'ATAR 9C sort des usines à la fin de 1967 : le Mirage 5 où une partie de l'équipement électronique a été remplacée par du carburant pour accroître l'autonomie de vol.

            Au-delà de la réussite technique, les ATAR 9B et 9C constituent donc une grande réussite commerciale. Au cours des années qui suivent, les Mirage III et 5/ATAR sont mis en service dans une vingtaine de pays et la licence de fabrication est vendue à 4 pays. Plus de 2 000 moteurs de ces versions seront construits.

ATAR 9K50 – Le moteur des Mirage F-1

            Bien avant 1955, la S.N.E.C.M.A. avait décidé d'orienter ses recherches dans le domaine des compresseurs transsoniques vers des applications industrielles par un compromis satisfaisant entre un grand débit spécifique, un rapport de pression élevé par étage et un rendement comparable à celui des étages subsoniques. Ainsi, un compresseur de recherche avait réalisé en 1957 un rapport de pression nominal de 1,42 en un seul étage pour un débit spécifique de 162 kg/m2.s, valeurs remarquables pour l'époque. Ces résultats confirmés par ceux de toute une série de compresseurs de recherche conduisent à proposer en 1960 une poussée accrue de 10 % obtenue en grande partie par la substitution, à encombrement frontal inchangé, de deux étages de tête transsoniques aux étages subsoniques des ATAR 9C. On peut du même coup supprimer la directrice d'entrée et réduire ainsi pertes et masse. Le débit d'air total se trouve augmenté de 6,5 % et le rapport de pression passe à 6,2 contre 5,7 précédemment. Avec une poussée de 6 700 kgp et une poussée frontale de 8 300 kgp/m2, l'ATAR 9K était le propulseur idéal du nouveau bombardier nucléaire bimoteur Mirage IV dont la mission de base comportait, entre autres, plus d'une heure de vol continu à Mach 2,2.

            Afin de donner au système d'armes Mirage IV le rayon d'action le plus grand possible en vol supersonique, les ingénieurs d'E.L.E.C.M.A., Division Electronique de la S.N.E.C.M.A., développent un correcteur électronique de température d'entrée de la turbine. En première mondiale, ce dispositif permet de fonctionner en permanence à la température maximale de 920°C en évitant que les petites imprécisions de la régulation hydromécanique fassent perdre environ 30°C sur le cycle, ce qui éloignerait le moteur de la consommation de carburant optimale en vol supersonique, réchauffe allumée.

            L'ATAR 9K subit des essais d'homologation très sévères au banc d'altitude dans des conditions de vol simulé proches de la réalité avec une très grande proportion de pleine charge à grand Mach de vol. Toutes ces épreuves sont brillamment réussies dans des délais très courts et le Mirage IV entre en formation dans l'armée de l'Air française en 1965. Ces moteurs ont par la suite accompli chacun des milliers d'heures en service en donnant pleine satisfaction à l'utilisateur.

            Le Mirage F-1 01 qui effectue son premier vol le 23 décembre 1966 est motorisé par un ATAR 9K13 de 6 700 kg de poussée. Il s'agit d'une variante des moteurs des bombardiers stratégiques Mirage IV. Le développement du 9K50 commence l'année suivante.

            Le compresseur est encore amélioré et adapté à un rapport de pression plus élevé et les aubes de turbine des deux étages redessinées ont un meilleur rendement, avec une température de fonctionnement accrue du fait qu'elles étaient réalisées par coulée de précision au lieu d'être forgées.

            Par ailleurs, l'ATAR 9K50 se distingue des versions précédentes par :

- une régulation en température et vitesse entièrement automatique ;

- un dispositif enclenchant une survitesse de rotation dès que le nombre de Mach est supérieur à 1,4 ;

- un dispositif augmentant la poussée en réchauffe à des altitudes supérieures à 9 000 m ;

- un système de secours huile et régulation assurant le fonctionnement du moteur en cas de panne des dispositifs principaux ;

- une protection contre le décrochage.

Le premier ATAR 9K50 tourne au banc en 1968 à la poussée de 7 000 kgp avec réchauffe (4 900 kgp sans réchauffe) et le premier vol sur Mirage F-1 02 date de 1969.

Les objectifs de performances retenus en 1966 ont été atteints et ce moteur est produit en série depuis 1973.

Le 9K50 équipe non seulement le Mirage F-1, mais également le Mirage 50 qui utilise une cellule Mirage III.

En décembre 1985, le 1 000^ème turboréacteur 9K50 est sorti de chaîne à Villaroche.

Ce serait tronquer malencontreusement l'histoire d'une famille exemplaire que de ne pas consacrer quelques minutes au 8K50, la dernière version des ATAR qui propulse les avions embarqués Super Etendard de la Marine Nationale.

Contrairement à ce qui s'était jusqu'alors pratiqué, ce moteur sans post-combustion, de 5 000 kgp de poussée, dérive du 9K50 et ce, avec une section de tuyère fixe ! Mis au banc en mai 1973, l'ATAR 8K50, comparé au 8C des Etendard, a immédiatement fait prévaloir un gain de poussée pour une consommation spécifique réduite. Il est entré en service en 1978. Aboutissement de la famille ATAR, ce moteur démontre, s'il en était encore besoin, l'extraordinaire potentialité d'un concept simple, prospectif et réaliste.

En conclusion

Depuis les essais du premier moteur ATAR en 1948 et sur une période de 25 ans, la poussée a été multipliée par trois pour une surface frontale et une masse à peine augmentées. Avec réchauffe, la poussée de l'ATAR 9K50 est 4,25 fois celle de l'ATAR 101 V. Les tableaux récapitulent toutes les versions du moteur ATAR en rappelant les dates des premiers essais au banc, ils rappellent les différents types d'avions équipés de ces moteurs : ainsi 11 appareils ont été produits en série tandis que 15 bancs volants, appareils expérimentaux et prototypes, ont évolué avec des moteurs ATAR comme première propulsion.

Onze records du monde, ainsi que plusieurs premières performances françaises, ont été établis par des pilotes français aux commandes d'avions propulsés par des moteurs ATAR.

Aujourd'hui plus de 5 000 moteurs ATAR sont sortis d'usine, équipant les armées de l'Air de vingt-huit pays sur les cinq continents et accumulant plus de 5 millions d'heures de vol. La conception de ces moteurs comportent des innovations qui ont constitué autant de premières mondiales pour des moteurs produits en série et à deux reprises, 101 E5 puis 9B, le moteur ATAR a présenté le rapport poussée/masse le plus élevé.

Depuis cette époque, les méthodes de conception ont été considérablement raffinées. La S.N.E.C.M.A. s'est affirmée comme l'une des quatre sociétés ou groupes de sociétés capable de développer et produire complètement un moteur pour avions de combat, avec la famille M-53 qui a pris la suite de la famille ATAR et maintenant le départ de la nouvelle famille des moteurs M-88.

De plus, et ceci est nouveau par rapport à la période dont j'ai parlé, la S.N.E.C.M.A. est devenue le troisième fournisseur de moteurs d'avions commerciaux du monde occidental, derrière General Electric et Pratt & Whitney.