Pourquoi placer les moteurs des avions sous les ailes?

Lorsque vous marchez dans un aéroport ou apercevez les avions à basse altitude, vous remarquerez que pour certains aéronefs, les moteurs sont montés sous les ailes, alors que pour d'autres, ils sont situés à l'arrière et pratiquement collés au fuselage (le corps de l'avion). Je ne sais pas trop si vous vous êtes une fois demandés pourquoi cela, mais dans cet article, nous allons examiner les principales différences entre ces deux configurations, voir leur impact sur les performances de l'avion et aussi son design.
Pour que vous compreniez mieux ou pour que ce ne soit pas confus pour vous, nous allons attaquer chaque type à part, et après je vais vous parler d'un avion un
peu particulier pour la forme de ses moteurs, le B737.

Avions avec engins montés à l'arrière
L'un des premiers avantages de cette configuration est qu'il y a moins de bruit dans la cabine. En effet, la majorité du bruit vient des gaz chauds rejetés à l'arrière de moteurs via les turbines. Mais pour le cas des moteurs placés derrière l'avion, vous comprenez facilement que le bruit est derrière les passagers, surtout que l'avion avance dans l'autre sens. Donc en cabine, il n'y a pratiquement pas de bruit.
De plus, comme les moteurs sont assez hauts par rapport au sol, ils sont moins susceptibles aux F.O.D (Foreign Objects Damage). Cela veut dire que ces moteurs ont moins de chance d'absorber des débris au sol qui pourrait endommager les engins. Cette particularité leur permet de pouvoir utiliser le reversal thrust pour reculer tout seul (particulièrement aux Etats Unis), pendant que les autres avions doivent attendre des pushbacks pour cette manœuvre. Le pushback
et le thrust-reverse sont expliqués ici.
C'est pourquoi c'est le type de configuration privilégié pour les jets privés, les avions d'affaires, pour les hommes d'Etat... où le confort est vraiment une priorité. Le problème est qu'avec cette configuration, le fuselage arrière doit être renforcé vu qu'il doit supporter plus de poids. De plus, comme ils sont éloignés du
centre de gravité, ils ont un moment de force sur l'avion dont il faut faire attention. Il a tendance à faire tanguer l'avion (monter - descendre)
C'est pourquoi généralement pour ce type d'avion (le md80 ou le Boeing 717 par exemple), vous remarquerez que les ailes sont ramenés un peu en arrière et l'avant parait plus long.

Un jet privé, type Bombardier BD-700 Global

L'autre soucis est le pompage du carburant. Le kérosène est toujours situé dans les ailes, alors que les moteurs sont plus loin des ailes comparé au cas
des moteurs placés sous les ailes. De plus, dans cette configuration, ils sont placés en haut des ailes, donc il faut une bon fonctionnement et une redondance du système de pompage pour pouvoir alimenter les moteurs.
En plus, avec les moteurs placés en arrière en haut du fuselage, les concepteurs sont plus ou moins dans l'obligeance de changer la configuration de l'empennage
horizontal pour adopter un empennage en T comme on l'appelle. Le problème est qu'il devient difficile de contrôler l'avion en cas de stall (le mot est en anglais, c'est plus ou moins une sorte de turbulence), un phénomène qui est d'ailleurs plus observé pour ce type d'avions.

Modèle d'avions à empennages horizontaux en T

Avions avec engins placés sous les ailes
Ici le grand avantage est que les moteurs sont faciles d'accès pour les maintenances au sol, puisqu'ils sont plus bas dans cette configuration.
En plus, il y a possibilité de placer des moteurs de très grande taille. Avec le développement des performances des engins turbofans, les moteurs deviennent de plus en plus grands, et cela c'est pour avoir un plus grand ratio de bypass. Si vous ne comprenez pas ces termes ce n'est pas grave, il y a un
article précédent qui en parle largement, que je vous invite d'ailleurs à allez lire pour plus d'informations sur les types de moteurs d'avions et leur mode de fonctionnement.
C'est vraiment la hauteur de train d'atterrissage qui limite parfois la taille des moteurs d'avions. Malheureusement, on ne peut pas non plus trop allonger la
hauteur du train d'atterrissage pour des raisons d'intégrité.

échelle de comparaison d'un moteur turbofan

Un autre avantage est que si on veut un avion qui fonctionne avec plusieurs moteurs, il est plus facile de les placer sous les ailes que derrière les avions. Vous n'imaginez pas par exemple 4 ou 6 moteurs confinés derrière un avion. Par contre, c'est un projet plus aisé si on veut les mettre sous les ailes, voyez l'airbus A380, le A340, le Boeing 747 ou le fameux Antonov AN 225 par exemple.

Le précédent plus gros porteur au monde avec 6 moteurs; il est appelé Mrya en ukrainien
Le seul modèle développé a été détruit durant la guerre ukrainienne

Aussi, cette configuration aide à rappeler les saumons des ailes vers le bas pendant la sustentation (le saumon c'est l'extrémité de l'aile, appelé
wingtip en anglais). Les moteurs sous les ailes permettent aussi d'éviter ce qu'on appelle en aéronautique wing flutter. En fait, tout élément qui n'est pas trop flexible, quand il se déplace dans un environnement, ici l'air peut être soumis à des vibrations plus ou moins intenses et incontrôlables. Les ailes, surtout pour le cas des planeurs sont très souvent exposées à ce phénomène, et il peut aller jusqu'à désintégrer l'élément.

Le phénomène aérodynamique Wing Flutter sur une aile d'avion capturé par un passager à bord

De plus, en cas d'incendie moteur par exemple, vu que les moteurs placés sous les ailes sont assez éloignés du fuselage, cela ne sera pas immédiatement
dangereux pour les passagers. Mais en même temps, cette position éloignée entraîne des problèmes de maniabilité de l'avion. La trainée induite par une panne moteur aura un moment plus important vu que les engins sont éloignés du centre de gravité de l'avion. Cela va causer un lacet très important dans la direction de ce moteur et le pilote devra activement faire face, d'autant plus qu'il va induire beaucoup d'asymétries de vol.
Le lacet est l'un des trois mouvements de l'avion dans l'espace, on l'appelle en anglais YAW. C'est le mouvement gauche droite de l'avion dans le plan horizontal.
Côté contrôle de l'avion, avec cette configuration, quand le pilote augmente la puissance des moteurs, l'avion a tendance à cabrer (monter), et quand il diminue la puissance des moteurs, l'avion a tendance à piquer (le nez veut pointer vers le bas). Cela amène le pilote à pousser un peu le manche quand il augmente la puissance s'il veut garder la même assiette (angle entre l'horizontal et la ligne de fois de l'avion). Mais c'est l'effet contraire pour les avions où les moteurs sont placés à l'arrière et en haut du fuselage. Il faut tirer le manche quand on augmente le régime des moteurs car cette manœuvre fait piquer l'avion.

Les différents mouvements d'un avion dans l'espace. En français:
Yaw: lacet; Pitch: tangage; Roll: roulis

Cas du B737
Une des raisons pour lesquelles le Boeing 737 est facilement reconnaissable, est la forme particulièrement bizarre de ses réacteurs. Alors que les moteurs des avions ont une forme arrondie pour des questions d'aérodynamisme, celui du B737 est légèrement plat à la base. Les ingénieurs ont même dû modifier la morphologie du moteur en déplaçant les éléments du bas (puits à huile et autres) vers les côtés. En fait, à la base, les moteurs avaient un diamètre plus petit et n'avaient pas cette forme. Boeing a révolutionné l'industrie à l'époque en développant des moteurs placés sous les ailes. Avant cela, les avions de ligne à l'époque (md80, B717, B727, etc) avaient tous des engins montés à l'arrière du fuselage. Ce qui fatiguait les agents de maintenance. Boeing a donc décidé de développer un avion avec un train d'atterrissage plus bas, et des moteurs placés sous les ailes. Cela a eu pour conséquence de faciliter énormément les opérations de maintenance au sol (changer les huiles très vite, checker l'état du moteur avant décollage), et il était désormais de charger les bagages dans la soute, étant arrêté à terre vu que l'avion est très bas. Très vite, le B737 ne durait plus au sol dans les aéroports et cela revenait moins cher aux compagnies qui l'exploitaient (Pour votre gouverne, les compagnies aériennes payent pour chaque minute de stationnement sur le tarmac)
Le problème est survenu quand il a fallu remplacer les moteurs par d'autres de nouvelle génération, plus performants et plus gros vu que le secteur aérien
devenait plus prospère et qu'il fallait transporter plus de passagers sur de plus longues distances. Leur diamètre dépassait la hauteur du train d'atterrissage. Les ingénieurs ont donc dû les aplatir par le bas pour qu'ils puissent adhérer. Mais de nos jours, sur le modèle amélioré, le B737 Max, les engins sont plus performants et n'ont plus cette forme

Un moteur du Boeing B737-800 de la compagnie aérienne Ryanair