Moteur à réaction prérefroidi - Precooled jet engine

Le moteur à réaction prérefroidi est un concept qui permet d' utiliser des moteurs à réaction avec turbomachines , par opposition aux statoréacteurs, à des vitesses élevées. Le prérefroidissement restaure une partie ou la totalité de la dégradation des performances du compresseur du moteur (en empêchant le calage rotatif/l'étouffement/le débit réduit), ainsi que celle du générateur de gaz complet (en maintenant une élévation de température de la chambre de combustion significative dans une limite de température fixe de la turbine), ce qui empêcherait autrement le vol avec des températures élevées du vérin.

Pour des vitesses de vol plus élevées, le prérefroidissement peut comporter un échangeur de chaleur refroidi par carburant cryogénique avant que l'air n'entre dans le compresseur. Après avoir gagné de la chaleur et s'être vaporisé dans l'échangeur de chaleur, le combustible (par exemple H 2 ) brûle dans la chambre de combustion . Le prérefroidissement à l'aide d'un échangeur de chaleur n'a pas été utilisé en vol, mais il devrait avoir une poussée et une efficacité significativement élevées à des vitesses allant jusqu'à Mach 5,5. Les cycles des moteurs à réaction prérefroidis ont été analysés par Robert P. Carmichael en 1955. Les moteurs prérefroidis évitent le besoin d'un condenseur à air car, contrairement aux moteurs à cycle à air liquide (LACE), les moteurs prérefroidis refroidissent l'air sans le liquéfier .

Pour des vitesses de vol inférieures, le prérefroidissement peut être effectué avec une injection de masse, connue sous le nom de WIPCC (refroidissement par précompresseur par injection d'eau). "Opération Skyburner", qui a remporté un record du monde de vitesse avec un McDonnell Douglas F-4 Phantom II , et le Mikoyan Ye-266 ( Mig 25 ). Les deux ont utilisé un spray eau/alcool pour refroidir l'air en amont du compresseur.

Le prérefroidissement (ainsi que l'injection d'eau dans la chambre de combustion) est utilisé aux vitesses de vol les plus basses, c'est-à-dire au décollage, pour augmenter la poussée à des températures ambiantes élevées.

Avantages et inconvénients de l'utilisation d'échangeurs de chaleur de prérefroidissement

L'un des principaux avantages du pré-refroidissement est (comme le prédit la loi des gaz parfaits ) pour un rapport de pression global donné , une réduction significative de la température de refoulement du compresseur (T3), ce qui retarde l'atteinte de la limite T3 à un nombre de Mach plus élevé. Par conséquent, les conditions du niveau de la mer (débit corrigé) peuvent être maintenues après le pré-refroidisseur sur une très large plage de vitesses de vol, maximisant ainsi la poussée nette même à haute vitesse. Le compresseur et les conduits après l'admission sont soumis à des températures beaucoup plus basses et plus constantes, et peuvent donc être constitués d'alliages légers. Cela permet de réduire le poids du moteur, ce qui améliore encore le rapport poussée/poids.

L'hydrogène est un combustible approprié car il est liquide à des températures profondément cryogéniques, et sur sa plage utile, il a une capacité thermique spécifique totale très élevée , y compris la chaleur latente de vaporisation, supérieure à celle de l'eau.

Cependant, la faible densité de l' hydrogène liquide a des effets négatifs sur le reste du véhicule, et le véhicule devient physiquement très volumineux, bien que le poids sur le train d'atterrissage et la charge alaire puissent rester faibles.

L'hydrogène provoque un affaiblissement structurel dans de nombreux matériaux, connu sous le nom de fragilisation par l'hydrogène .

Le poids du prérefroidisseur s'ajoute au poids du moteur, réduisant ainsi son rapport poussée/poids .

Le passage de l'air d'admission à travers le pré-refroidisseur augmente la traînée d'admission, réduisant ainsi la poussée nette du moteur et donc le rapport poussée/poids.

Selon la quantité de refroidissement requise, malgré sa capacité thermique élevée, il peut être nécessaire de plus d'hydrogène pour refroidir l'air que ce qui peut être brûlé avec l'air refroidi. Dans certains cas, une partie de l'excès d'hydrogène peut être brûlée dans un statoréacteur avec de l'air non refroidi pour réduire cette inefficacité.

Contrairement à un moteur LACE, un moteur prérefroidi n'a pas besoin de liquéfier l'oxygène, donc la quantité de refroidissement est réduite car il n'est pas nécessaire de couvrir la fusion de l'oxygène et une baisse de température totale plus petite est requise. Cela réduit à son tour la quantité d'hydrogène utilisé comme dissipateur de chaleur, mais incapable d'être brûlé. De plus, un condenseur n'est pas nécessaire, ce qui permet un gain de poids.

Historique du prérefroidissement à l'aide d'échangeurs de chaleur

Robert P. Carmichael a conçu en 1955 plusieurs cycles de moteur qui utilisaient de l'hydrogène liquide pour prérefroidir l'air d'admission du moteur avant de l'utiliser comme carburant.

L'intérêt pour les moteurs prérefroidis a vu le jour au Royaume-Uni en 1982, lorsqu'Alan Bond a créé une conception de moteur-fusée à air prérefroidi qu'il a appelé SATAN. L'idée a été développée dans le cadre du projet d' avion spatial HOTOL SSTO et est devenue la Rolls-Royce RB545. En 1989, après l'arrêt du projet HOTOL, certains des ingénieurs du RB545 ont créé une société, Reaction Engines Ltd, pour développer l'idée dans le moteur SABRE et l' avion spatial Skylon associé .

En 1987, N Tanatsugu a publié « Etude analytique d'un avion spatial propulsé par Air-Turbo Ramjet avec refroidisseur d'air d'admission ». partie de l' étude japonaise ISAS (maintenant JAXA ) sur un Air-Turbo Ramjet (ATR, plus tard ATREX après l'ajout d'un cycle d'expansion) destiné à propulser le premier étage d'un avion spatial TSTO . ATREX a été remplacé par les études sur les turboréacteurs prérefroidis (PCTJ) et les turboréacteurs hypersoniques. Un moteur d'essai de combustion d'hydrogène prérefroidi à l'azote liquide a été piloté à Mach 2 au champ de recherche aérospatial de Taiki en septembre 2010.

Voir également

Les références

  1. ^ A b c d Sloop, John (1978). L'hydrogène liquide comme carburant de propulsion, 1945-1959 (NASA SP-4404) (PDF) . Nasa.
  2. ^ Mehta, U., J. Bowles, J. Melton, L. Huynh et P. Hagseth (février 2015). "Accès à l'espace d'assistance au refroidissement du pré-compresseur à injection d'eau" (PDF) . La Revue Aéronautique . 119 (1212) : 145-171 – via nas.nasa.gov.
  3. ^ "F-4 Phantom Modern Combat Aircraft 1", Bill Gunston, Ian Allan Ltd. 1977, ISBN  0 7110 0727 6 , page 19
  4. ^ Sweetman, Bill (1983). Vol à grande vitesse (page 129) . Archives Internet. Londres ; New York, NY : Jane's.
  5. ^ Kobayashi, H et Taguchi, H et Kojima, Takayuki et Harada, K et Okai, K et Hongoh, M et Arai, T et Sato, T (6 octobre 2011). Etat de développement du turboréacteur hypersonique pour le vol Mach 5 à la JAXA (IAC-11.C4.5.1) . 62e Congrès international d'astronautique 2011, IAC 2011. 8 . Le Cap, Afrique du Sud. pages 6655–6659.CS1 maint : utilise le paramètre auteurs ( lien )