Scramjet - Scramjet

Opération Scramjet en.svg

Un scramjet ( statoréacteur à combustion supersonique ) est une variante d' un moteur à réaction statoréacteur à respiration aérienne dans lequel la combustion a lieu dans un flux d' air supersonique . Comme dans statoréacteurs, une combustion supersonique repose sur grande vitesse du véhicule pour comprimer l'air entrant de force avant la combustion (donc ram jet), mais alors qu'un statoréacteur décélère l'air à subsoniques vitesses avant la combustion en utilisant des cônes de choc, une combustion supersonique n'a pas de cône de choc et ralentit le flux d'air utilisant des ondes de choc produites par sa source d'inflammation à la place d'un cône de choc. Cela permet au scramjet de fonctionner efficacement à des vitesses extrêmement élevées.

Histoire

Avant 2000

Le Bell X-1 a atteint le vol supersonique en 1947 et, au début des années 1960, les progrès rapides vers des avions plus rapides suggéraient que les avions opérationnels voleraient à des vitesses « hypersoniques » en quelques années. À l'exception des véhicules spécialisés de recherche sur les fusées comme le X-15 nord-américain et d'autres engins spatiaux propulsés par fusée , les vitesses maximales des avions sont restées stables, généralement comprises entre Mach  1 et Mach  3.

Au cours du programme américain d'avions spatiaux, entre les années 1950 et 1960, Alexander Kartveli et Antonio Ferri étaient partisans de l'approche scramjet.

Dans les années 1950 et 1960, une variété de moteurs scramjet expérimentaux ont été construits et testés au sol aux États-Unis et au Royaume-Uni. Antonio Ferri a démontré avec succès un scramjet produisant une poussée nette en novembre 1964, produisant finalement 517 livres-force (2,30 kN), soit environ 80% de son objectif. En 1958, un article analytique discutait des avantages et des inconvénients des statoréacteurs à combustion supersonique. En 1964, les Drs. Frederick S. Billig et Gordon L. Dugger ont déposé une demande de brevet pour un statoréacteur à combustion supersonique basé sur la thèse de doctorat de Billig. Ce brevet a été délivré en 1981 suite à la levée d'une ordonnance de secret.

En 1981, des tests ont été effectués en Australie sous la direction du professeur Ray Stalker dans l'installation d'essais au sol T3 de l'ANU.

Le premier essai en vol réussi d'un scramjet a été réalisé dans le cadre d'un effort conjoint avec la NASA, au-dessus de l'Union soviétique en 1991. Il s'agissait d'un scramjet à double mode axisymétrique alimenté à l'hydrogène développé par l'Institut central des moteurs d'aviation (CIAM), Moscou à la fin 1970, mais modernisé avec un alliage FeCrAl sur un missile SM-6 converti pour atteindre les paramètres de vol initiaux de Mach 6,8, avant que le scramjet ne vole à Mach 5,5. Le vol scramjet a été effectué en captivité au sommet du missile sol-air SA-5 qui comprenait une unité expérimentale de support de vol connue sous le nom de « Hypersonic Flying Laboratory » (HFL), « Kholod ».

Puis, de 1992 à 1998, 6 essais en vol supplémentaires du démonstrateur de scramjet à grande vitesse axisymétrique ont été menés par le CIAM en collaboration avec la France puis avec la NASA . Une vitesse de vol maximale supérieure à Mach  6,4 a été atteinte et le fonctionnement du scramjet pendant 77 secondes a été démontré. Ces séries d'essais en vol ont également permis de mieux comprendre les commandes de vol hypersoniques autonomes.

Progrès dans les années 2000

Conception d'artiste d'un jet noir sans ailes avec un profil de nez pointu et deux stabilisateurs verticaux voyageant haut dans l'atmosphère.
Conception d'artiste du NASA X-43 avec scramjet attaché au dessous

Dans les années 2000, des progrès significatifs ont été réalisés dans le développement de la technologie hypersonique, notamment dans le domaine des moteurs à réaction.

Le projet HyShot a démontré la combustion scramjet le 30 juillet 2002. Le moteur scramjet a fonctionné efficacement et a démontré la combustion supersonique en action. Cependant, le moteur n'a pas été conçu pour fournir une poussée pour propulser un engin. Il a été conçu plus ou moins comme un démonstrateur technologique.

Une équipe britannique et australienne conjointe de la société de défense britannique Qinetiq et de l' Université du Queensland ont été le premier groupe à faire la démonstration d'un scramjet fonctionnant dans un test atmosphérique.

Hyper-X a revendiqué le premier vol d'un véhicule propulsé par un scramjet produisant de la poussée avec des surfaces de manœuvre aérodynamiques complètes en 2004 avec le X-43A . Le dernier des trois tests scramjet X-43A a atteint Mach  9,6 pendant une brève période.

Le 15 juin 2007, la Defence Advanced Research Project Agency ( DARPA ), en coopération avec l'Australian Defence Science and Technology Organization (DSTO), a annoncé un vol scramjet réussi à Mach  10 utilisant des moteurs de fusée pour propulser le véhicule d'essai à des vitesses hypersoniques.

Une série d'essais au sol de scramjet a été réalisée à l' installation d'essais Scramjet à arc chauffé de la NASA à Langley (AHSTF) dans des conditions de vol simulées de Mach  8. Ces expériences ont été utilisées pour soutenir le vol HIFiRE 2.

Le 22 mai 2009, Woomera a accueilli avec succès le premier vol d'essai d'un avion hypersonique en HIFiRE (Hypersonic International Flight Research Experimentation). Le lancement était l'un des dix vols d'essai prévus. La série de vols fait partie d'un programme de recherche conjoint entre la Defense Science and Technology Organization et l'US Air Force, désigné sous le nom de HIFiRE. HIFiRE étudie la technologie hypersonique (l'étude du vol dépassant cinq fois la vitesse du son) et son application aux lanceurs spatiaux avancés propulsés par scramjet ; l'objectif est de soutenir le nouveau démonstrateur Boeing X-51 scramjet tout en constituant également une base solide de données d'essais en vol pour le développement de lancements spatiaux à réaction rapide et d'armes hypersoniques à "frappe rapide".

Progrès dans les années 2010

Les 22 et 23 mars 2010, des scientifiques australiens et américains de la défense ont testé avec succès une fusée hypersonique (HIFiRE). Il a atteint une vitesse atmosphérique de "plus de 5 000 kilomètres par heure" (Mach  4) après avoir décollé de la zone d'essai de Woomera dans l'arrière-pays de l'Australie-Méridionale.

Le 27 mai 2010, la NASA et l' US Air Force ont fait voler avec succès le X-51A Waverider pendant environ 200 secondes à Mach  5, établissant un nouveau record mondial de durée de vol à vitesse hypersonique. Le Waverider a volé de manière autonome avant de perdre de l'accélération pour une raison inconnue et de se détruire comme prévu. Le test a été déclaré réussi. Le X-51A a été transporté à bord d'un B-52 , accéléré à Mach  4,5 via un propulseur à poudre, puis a allumé le moteur Scramjet Pratt & Whitney Rocketdyne pour atteindre Mach  5 à 70 000 pieds (21 000 m). Cependant, un deuxième vol le 13 juin 2011 s'est terminé prématurément lorsque le moteur s'est brièvement allumé à l'éthylène mais n'a pas réussi à passer à son carburant principal JP-7 , n'atteignant pas sa pleine puissance.

Le 16 novembre 2010, des scientifiques australiens de l' Université de Nouvelle-Galles du Sud à l'Académie des forces de défense australiennes ont démontré avec succès que le flux à grande vitesse dans un moteur scramjet naturellement non brûlant peut être allumé à l'aide d'une source laser pulsée.

Un autre test X-51A Waverider a échoué le 15 août 2012. La tentative de faire voler le scramjet pendant une période prolongée à Mach  6 a été interrompue lorsque, seulement 15 secondes après le début du vol, l'engin X-51A a perdu le contrôle et s'est brisé en tombant. dans l'océan Pacifique au nord-ouest de Los Angeles. La cause de la panne a été imputée à une dérive de commande défectueuse.

En mai 2013, un X-51A WaveRider sans équipage a atteint 4828 km/h (Mach  3,9) au cours d'un vol de trois minutes au moteur scramjet. Le WaveRider a été largué à 50 000 pieds (15 000 m) d'un bombardier B-52, puis accéléré à Mach  4,8 par un propulseur à poudre qui s'est ensuite séparé avant que le moteur scramjet du WaveRider n'entre en vigueur.

Le 28 août 2016, l'agence spatiale indienne ISRO a effectué avec succès un test d'un moteur scramjet sur une fusée à deux étages à combustible solide. Des moteurs scramjet jumeaux ont été montés à l'arrière du deuxième étage d'une fusée - sonde à deux étages à combustible solide appelée Advanced Technology Vehicle (ATV), qui est la fusée-sonde avancée de l'ISRO. Les deux moteurs scramjet ont été allumés lors du deuxième étage de la fusée lorsque l'ATV a atteint une vitesse de 7350 km/h (Mach  6) à une altitude de 20 km. Les moteurs scramjet ont été mis à feu pendant une durée d'environ 5 secondes.

Le 12 juin 2019, l'Inde a effectué avec succès le premier vol d'essai de son avion de démonstration sans équipage Scramjet développé localement pour un vol à vitesse hypersonique depuis une base de l' île Abdul Kalam dans la baie du Bengale vers 11 h 25. L'avion s'appelle Hypersonic Technology Demonstrator Vehicle . Le procès a été mené par l' Organisation de recherche et de développement pour la défense . L'avion constitue un élément important du programme du pays pour le développement d'un système de missile de croisière hypersonique .

Progrès dans les années 2020

Le 27 septembre 2021, la DARPA a annoncé le vol réussi de son avion scramjet Hypersonic Air-breathing Weapon Concept .

Principes de conception

Les moteurs Scramjet sont un type de moteur à réaction et dépendent de la combustion de carburant et d'un oxydant pour produire une poussée. Semblables aux moteurs à réaction conventionnels, les avions à propulsion scramjet transportent le carburant à bord et obtiennent le comburant par ingestion d'oxygène atmosphérique (par rapport aux fusées , qui transportent à la fois du carburant et un agent oxydant ). Cette exigence limite les scramjets à la propulsion atmosphérique suborbitale, où la teneur en oxygène de l'air est suffisante pour maintenir la combustion.

Le scramjet est composé de trois composants de base : une entrée convergente, où l'air entrant est comprimé ; une chambre de combustion, où le combustible gazeux est brûlé avec de l' oxygène atmosphérique pour produire de la chaleur ; et une tuyère divergente, où l'air chauffé est accéléré pour produire une poussée . Contrairement à un moteur à réaction typique, tel qu'un turboréacteur ou un turboréacteur à double flux , un scramjet n'utilise pas de composants rotatifs en forme de ventilateur pour comprimer l'air ; au contraire, la vitesse réalisable de l'avion se déplaçant dans l'atmosphère provoque la compression de l'air dans l'entrée. En tant que tel, aucune pièce mobile n'est nécessaire dans un scramjet. En comparaison, les turboréacteurs typiques nécessitent plusieurs étages de rotors de compresseur rotatifs et plusieurs étages de turbines rotatives , qui ajoutent tous du poids, de la complexité et un plus grand nombre de points de défaillance au moteur.

En raison de la nature de leur conception, le fonctionnement du scramjet est limité à des vitesses quasi hypersoniques . Comme ils manquent de compresseurs mécaniques, les scramjets nécessitent l' énergie cinétique élevée d'un flux hypersonique pour comprimer l'air entrant dans des conditions opérationnelles. Ainsi, un véhicule propulsé par scramjet doit être accéléré à la vitesse requise (généralement environ Mach  4) par d'autres moyens de propulsion, tels qu'un turboréacteur, un canon à rail ou des moteurs de fusée. Lors du vol du Boeing X-51A propulsé par un scramjet expérimental , l'engin d'essai a été élevé à l'altitude de vol par un Boeing B-52 Stratofortress avant d'être relâché et accéléré par une fusée détachable jusqu'à près de Mach  4,5. En mai 2013, un autre vol a atteint une vitesse accrue de Mach  5,1.

Alors que les scramjets sont conceptuellement simples, la mise en œuvre réelle est limitée par des défis techniques extrêmes. Le vol hypersonique dans l'atmosphère génère une traînée immense, et les températures trouvées sur l'avion et dans le moteur peuvent être beaucoup plus élevées que celles de l'air environnant. Le maintien de la combustion dans le flux supersonique présente des défis supplémentaires, car le carburant doit être injecté, mélangé, enflammé et brûlé en quelques millisecondes. Alors que la technologie des scramjets est en cours de développement depuis les années 1950, ce n'est que très récemment que les scramjets ont réussi le vol propulsé.

Schéma comparatif des différentes géométries des sections de compression, combustion et détente d'un turboréacteur, d'un statoréacteur et d'un scramjet.
Les régions de compression, de combustion et de détente des : (a) turboréacteurs, (b) statoréacteurs et (c) moteurs à jets multiples.

Principes de base

Les Scramjets sont conçus pour fonctionner en régime de vol hypersonique, hors de portée des turboréacteurs, et, avec les statoréacteurs, comblent l'écart entre le rendement élevé des turboréacteurs et la vitesse élevée des moteurs-fusées. Les moteurs basés sur les turbomachines , bien que très efficaces à des vitesses subsoniques, deviennent de plus en plus inefficaces à des vitesses transsoniques, car les rotors de compresseur trouvés dans les turboréacteurs nécessitent des vitesses subsoniques pour fonctionner. Alors que le flux des vitesses transsoniques aux faibles vitesses supersoniques peut être ralenti dans ces conditions, le faire à des vitesses supersoniques entraîne une augmentation considérable de la température et une perte de la pression totale du flux. Vers Mach  3-4, les turbomachines ne sont plus utiles et la compression de type bélier devient la méthode préférée.

Les statoréacteurs utilisent les caractéristiques à grande vitesse de l'air pour littéralement « pousser » l'air à travers un diffuseur d'entrée dans la chambre de combustion. Aux vitesses de vol transsoniques et supersoniques, l'air en amont de l'entrée n'est pas capable de s'écarter assez rapidement et est comprimé à l'intérieur du diffuseur avant d'être diffusé dans la chambre de combustion. La combustion dans un statoréacteur a lieu à des vitesses subsoniques, similaires à celles des turboréacteurs, mais les produits de combustion sont ensuite accélérés par une tuyère convergente-divergente à des vitesses supersoniques. N'ayant pas de moyens mécaniques de compression, les statoréacteurs ne peuvent démarrer à l'arrêt, et n'atteignent généralement pas une compression suffisante jusqu'au vol supersonique. L'absence de turbomachines complexes permet aux statoréacteurs de faire face à l'élévation de température associée à la décélération d'un écoulement supersonique à des vitesses subsoniques, mais cela ne va pas plus loin : à des vitesses quasi hypersoniques, l'élévation de température et les inefficacités découragent la décélération moteurs statoréacteurs.

Les moteurs Scramjet fonctionnent sur les mêmes principes que les statoréacteurs, mais ne ralentissent pas le flux à des vitesses subsoniques. Au contraire, une chambre de combustion scramjet est supersonique : l'entrée ralentit le débit jusqu'à un nombre de Mach inférieur pour la combustion, après quoi il est accéléré jusqu'à un nombre de Mach encore plus élevé à travers la buse. En limitant la quantité de décélération, les températures à l'intérieur du moteur sont maintenues à un niveau tolérable, tant du point de vue des matériaux que de la combustion. Même ainsi, la technologie scramjet actuelle nécessite l'utilisation de carburants à haute énergie et de schémas de refroidissement actifs pour maintenir un fonctionnement soutenu, en utilisant souvent de l' hydrogène et des techniques de refroidissement régénératif .

Théorie

Tous les moteurs Scramjet ont une admission qui comprime l'air entrant, des injecteurs de carburant, une chambre de combustion et une tuyère de poussée divergente . Parfois, les moteurs comprennent également une région qui agit comme un support de flamme , bien que les températures de stagnation élevées signifient qu'une zone d'ondes focalisées peut être utilisée, plutôt qu'une pièce de moteur discrète comme on le voit dans les moteurs à turbine. D'autres moteurs utilisent des additifs pyrophoriques , tels que le silane , pour éviter l'extinction. Un isolateur entre l'admission et la chambre de combustion est souvent inclus pour améliorer l'homogénéité de l'écoulement dans la chambre de combustion et étendre la plage de fonctionnement du moteur.

L'imagerie par ondes de choc de l'Université du Maryland utilisant l'imagerie de Schlieren a déterminé que le mélange de carburant contrôle la compression en créant une contre-pression et des ondes de choc qui ralentissent et compriment l'air avant l'allumage, un peu comme le cône de choc d'un Ramjet. L'imagerie a montré que plus le débit de carburant et la combustion étaient élevés, plus les ondes de choc se formaient devant la chambre de combustion, ce qui ralentissait et comprimait l'air avant l'allumage.

Image générée par ordinateur du stress et des ondes de choc subies par un véhicule aérien se déplaçant à grande vitesse
Image de dynamique des fluides numérique (CFD) du NASA X-43A avec scramjet attaché à la face inférieure à Mach  7

Un scramjet fait penser à un statoréacteur . Dans un statoréacteur typique, l'afflux supersonique du moteur est décéléré à l'entrée à des vitesses subsoniques, puis réaccéléré à travers une tuyère à des vitesses supersoniques pour produire une poussée. Cette décélération, qui est produit par une normale choc , crée un total pression perte qui limite le point de fonctionnement supérieure d'un moteur statoréacteur.

Pour un scramjet, l'énergie cinétique de l'air libre entrant dans le moteur scramjet est largement comparable à l'énergie libérée par la réaction de la teneur en oxygène de l'air avec un carburant (par exemple l'hydrogène). Ainsi la chaleur dégagée par la combustion à Mach  2,5 représente environ 10 % de l'enthalpie totale du fluide de travail. Selon le carburant, l' énergie cinétique de l'air et le potentiel de dégagement de chaleur de combustion seront égaux aux alentours de Mach  8. Ainsi, la conception d'un moteur scramjet consiste autant à minimiser la traînée qu'à maximiser la poussée.

Cette vitesse élevée rend plus difficile le contrôle du débit au sein de la chambre de combustion. L'écoulement étant supersonique, aucune influence en aval ne se propage dans le flux libre de la chambre de combustion. L'étranglement de l'entrée de la tuyère n'est pas une technique de contrôle utilisable. En effet, un bloc de gaz entrant dans la chambre de combustion doit se mélanger au carburant et disposer de suffisamment de temps pour s'amorcer et réagir, tout en traversant de manière supersonique la chambre de combustion, avant que le gaz brûlé ne soit détendu à travers la tuyère de poussée. Cela impose des exigences strictes sur la pression et la température du flux, et nécessite que l'injection et le mélange de carburant soient extrêmement efficaces. Les pressions dynamiques utilisables se situent dans la plage de 20 à 200 kilopascals (2,9 à 29,0 psi), où

q est la pression dynamique du gaz
ρ ( rho ) est la densité du gaz
v est la vitesse du gaz

Pour maintenir le taux de combustion du carburant constant, la pression et la température dans le moteur doivent également être constantes. Ceci est problématique car les systèmes de contrôle du flux d'air qui faciliteraient cela ne sont pas physiquement possibles dans un lanceur scramjet en raison de la grande plage de vitesse et d'altitude impliquée, ce qui signifie qu'il doit se déplacer à une altitude spécifique à sa vitesse. Étant donné que la densité de l'air diminue à des altitudes plus élevées, un scramjet doit monter à une vitesse spécifique au fur et à mesure qu'il accélère pour maintenir une pression d'air constante à l'admission. Ce profil de montée/descente optimal est appelé "chemin de pression dynamique constante". On pense que les scramjets pourraient fonctionner jusqu'à une altitude de 75 km.

L'injection et la gestion du carburant sont également potentiellement complexes. Une possibilité serait que le carburant soit pressurisé à 100 bars par une turbopompe, chauffé par le fuselage, envoyé à travers la turbine et accéléré à des vitesses plus élevées que l'air par une tuyère. Les flux d'air et de carburant sont croisés dans une structure en forme de peigne, ce qui génère une grande interface. Les turbulences dues à la vitesse plus élevée du carburant entraînent un mélange supplémentaire. Les carburants complexes comme le kérosène ont besoin d'un long moteur pour achever la combustion.

Le nombre de Mach minimum auquel un scramjet peut fonctionner est limité par le fait que le débit comprimé doit être suffisamment chaud pour brûler le carburant et avoir une pression suffisamment élevée pour que la réaction soit terminée avant que l'air ne sorte par l'arrière du moteur. De plus, pour être appelé scramjet, le flux comprimé doit toujours être supersonique après la combustion. Ici, deux limites doivent être respectées : Premièrement, puisque lorsqu'un flux supersonique est comprimé, il ralentit, le niveau de compression doit être suffisamment faible (ou la vitesse initiale suffisamment élevée) pour ne pas ralentir le gaz en dessous de Mach  1. Si le gaz dans un scramjet passe en dessous de Mach  1, le moteur "s'étouffera", passant à un flux subsonique dans la chambre de combustion. Cet effet est bien connu des expérimentateurs sur les scramjets car les ondes provoquées par l'étouffement sont facilement observables. De plus, l'augmentation soudaine de la pression et de la température dans le moteur peut entraîner une accélération de la combustion, entraînant l'explosion de la chambre de combustion.

Deuxièmement, le chauffage du gaz par combustion provoque une augmentation de la vitesse du son dans le gaz (et une diminution du nombre de Mach) même si le gaz circule toujours à la même vitesse. Forcer ainsi la vitesse d'écoulement de l'air dans la chambre de combustion sous Mach  1 est appelé "étouffement thermique". Il est clair qu'un scramjet pur peut fonctionner à des nombres de Mach de 6 à 8, mais dans la limite inférieure, cela dépend de la définition d'un scramjet. Il existe des conceptions de moteurs dans lesquelles un statoréacteur se transforme en un scramjet sur la  plage de Mach 3 à 6, appelés scramjets bimodes. Dans cette plage cependant, le moteur reçoit encore une poussée importante de combustion subsonique de type statoréacteur.

Le coût élevé des essais en vol et l'indisponibilité des installations au sol ont entravé le développement des scramjets. Une grande partie des travaux expérimentaux sur les scramjets a été entreprise dans des installations cryogéniques, des tests de connexion directe ou des brûleurs, dont chacun simule un aspect du fonctionnement du moteur. En outre, les installations viciées (avec la capacité de contrôler les impuretés de l'air), les installations de stockage chauffées, les installations à arc et les différents types de tunnels de choc ont chacune des limitations qui ont empêché une simulation parfaite du fonctionnement du scramjet. Le test en vol HyShot a montré la pertinence de la simulation 1:1 des conditions dans les tunnels de choc T4 et HEG, malgré des modèles froids et un temps de test court. Les tests NASA- CIAM ont fourni une vérification similaire pour l'installation C-16 V/K du CIAM et le projet Hyper-X devrait fournir une vérification similaire pour le Langley AHSTF, CHSTF et 8 pi (2,4 m) HTT.

La dynamique des fluides computationnelle n'a atteint que récemment une position permettant de faire des calculs raisonnables pour résoudre les problèmes de fonctionnement des scramjets. La modélisation de la couche limite, le mélange turbulent, l'écoulement diphasique, la séparation des écoulements et l'aérothermodynamique des gaz réels continuent d'être des problèmes à la pointe de la CFD. De plus, la modélisation de la combustion à cinétique limitée avec des espèces à réaction très rapide telles que l'hydrogène sollicite fortement les ressources informatiques. Les schémas de réaction sont numériquement rigides et nécessitent des schémas de réaction réduits.

Une grande partie de l'expérimentation scramjet reste classifiée . Plusieurs groupes, dont l' US Navy avec le moteur SCRAM entre 1968 et 1974, et le programme Hyper-X avec le X-43A , ont revendiqué des démonstrations réussies de la technologie scramjet. Étant donné que ces résultats n'ont pas été publiés ouvertement, ils restent non vérifiés et une méthode de conception finale des moteurs scramjet n'existe toujours pas.

L'application finale d'un moteur scramjet est susceptible d'être associée à des moteurs pouvant fonctionner en dehors de la plage de fonctionnement du scramjet. Les scramjets bimodes combinent combustion subsonique et combustion supersonique pour un fonctionnement à des vitesses inférieures, et les moteurs à cycle combiné à base de fusée (RBCC) complètent la propulsion d'une fusée traditionnelle avec un scramjet, permettant d'ajouter un oxydant supplémentaire au flux scramjet. Les RBCC offrent la possibilité d'étendre la plage de fonctionnement d'un scramjet à des vitesses plus élevées ou à des pressions dynamiques d'admission inférieures à ce qui serait autrement possible.

Avantages et inconvénients des scramjets

Avantages

  1. Ne doit pas transporter d'oxygène
  2. Aucune pièce rotative ne rend sa fabrication plus simple qu'un turboréacteur
  3. A une impulsion spécifique plus élevée (changement de quantité de mouvement par unité de propergol) qu'un moteur de fusée ; pourrait fournir entre 1000 et 4000 secondes, tandis qu'une fusée fournit généralement environ 450 secondes ou moins.
  4. Une vitesse plus élevée pourrait signifier un accès moins cher à l'espace à l'avenir

Refroidissement et matériaux spéciaux

Contrairement à une fusée qui passe rapidement principalement verticalement dans l'atmosphère ou à un turboréacteur ou statoréacteur qui vole à des vitesses beaucoup plus basses, un véhicule à respiration aérienne hypersonique suit de manière optimale une "trajectoire déprimée", restant dans l'atmosphère à des vitesses hypersoniques. Comme les scramjets n'ont que des rapports poussée/poids médiocres, l'accélération serait limitée. Par conséquent, le temps passé dans l'atmosphère à une vitesse supersonique serait considérable, peut-être 15 à 30 minutes. Semblable à un véhicule spatial rentrant , l'isolation thermique serait une tâche redoutable, avec une protection requise pour une durée plus longue que celle d'une capsule spatiale typique , bien que inférieure à celle de la navette spatiale .

Les nouveaux matériaux offrent une bonne isolation à haute température, mais ils se sacrifient souvent dans le processus. Par conséquent, les études prévoient souvent un "refroidissement actif", où le liquide de refroidissement circulant dans toute la peau du véhicule l'empêche de se désintégrer. Souvent, le liquide de refroidissement est le carburant lui-même, de la même manière que les fusées modernes utilisent leur propre carburant et oxydant comme liquide de refroidissement pour leurs moteurs. Tous les systèmes de refroidissement ajoutent du poids et de la complexité à un système de lancement. Le refroidissement des scramjets de cette manière peut entraîner une plus grande efficacité, car de la chaleur est ajoutée au carburant avant son entrée dans le moteur, mais entraîne une complexité et un poids accrus qui pourraient finalement l'emporter sur les gains de performances.

Performances du véhicule

L'impulsion spécifique de divers moteurs

Les performances d'un système de lancement sont complexes et dépendent fortement de son poids. Normalement, les embarcations sont conçues pour maximiser la portée ( ), le rayon orbital ( ) ou la fraction massique de la charge utile ( ) pour un moteur et un carburant donnés. Il en résulte des compromis entre l'efficacité du moteur (masse de carburant au décollage) et la complexité du moteur (masse sèche au décollage), qui peuvent être exprimés par les éléments suivants :

Où :

  • est la fraction massique à vide et représente le poids de la superstructure, du réservoir et du moteur.
  • est la fraction massique du combustible et représente le poids du combustible, du comburant et de tout autre matériau consommé pendant le lancement.
  • est le rapport de masse initial et est l'inverse de la fraction massique de la charge utile. Cela représente la charge utile que le véhicule peut livrer à une destination.

Un scramjet augmente la masse du moteur par rapport à une fusée, et diminue la masse du carburant . Il peut être difficile de décider si cela entraînera une augmentation (qui serait une augmentation de la charge utile livrée à une destination pour un poids constant du véhicule au décollage). La logique derrière les efforts de conduite d'un scramjet est (par exemple) que la réduction de carburant diminue la masse totale de 30%, tandis que l'augmentation du poids du moteur ajoute 10% à la masse totale du véhicule. Malheureusement, l'incertitude dans le calcul de tout changement de masse ou d'efficacité d'un véhicule est si grande que des hypothèses légèrement différentes pour l'efficacité ou la masse du moteur peuvent fournir des arguments tout aussi bons pour ou contre les véhicules à propulsion scramjet.

De plus, la traînée de la nouvelle configuration doit être prise en compte. La traînée de la configuration totale peut être considérée comme la somme de la traînée du véhicule ( ) et de la traînée de l'installation du moteur ( ). La traînée d'installation résulte traditionnellement des pylônes et du flux couplé dû au jet moteur, et est fonction du réglage des gaz. C'est ainsi qu'on l'écrit souvent :

Où:

  • est le coefficient de perte
  • est la poussée du moteur

Pour un moteur fortement intégré au corps aérodynamique, il peut être plus pratique de considérer ( ) comme la différence de traînée par rapport à une configuration de base connue.

Le rendement global du moteur peut être représenté par une valeur comprise entre 0 et 1 ( ), en fonction de l' impulsion spécifique du moteur :

Où:

  • est l'accélération due à la gravité au niveau du sol
  • est la vitesse du véhicule
  • est l' impulsion spécifique
  • est la chaleur de réaction du combustible

L'impulsion spécifique est souvent utilisée comme unité d'efficacité pour les fusées, car dans le cas de la fusée, il existe une relation directe entre l'impulsion spécifique, la consommation de carburant spécifique et la vitesse d'échappement. Cette relation directe n'est généralement pas présente pour les moteurs à respiration aérienne, et donc l'impulsion spécifique est moins utilisée dans la littérature. Notez que pour un moteur à respiration aérienne, les deux et sont fonction de la vitesse.

L'impulsion spécifique d'un moteur de fusée est indépendante de la vitesse, et les valeurs communes sont comprises entre 200 et 600 secondes (450  s pour les moteurs principaux de la navette spatiale). L'impulsion spécifique d'un scramjet varie avec la vitesse, diminuant à des vitesses plus élevées, commençant à environ 1200  s, bien que les valeurs dans la littérature varient.

Pour le cas simple d'un véhicule à un étage, la fraction massique de carburant peut être exprimée comme suit :

Où cela peut être exprimé pour le transfert en orbite en une seule étape comme :

ou pour vol en palier à partir d' un lancement aérien ( vol de missile ) :

Où est la gamme , et le calcul peut être exprimé sous la forme de la formule de gamme Breguet :

Où:

Cette formulation extrêmement simple, utilisée aux fins de la discussion suppose :

  • Véhicule à une étape
  • Pas de portance aérodynamique pour l'élévateur transatmosphérique

Cependant, ils sont vrais généralement pour tous les moteurs.

Exigences de propulsion initiales

Un scramjet ne peut pas produire une poussée efficace à moins d'être accéléré à grande vitesse, autour de Mach  5, bien que, selon la conception, il puisse agir comme un statoréacteur à basse vitesse. Un avion à décollage horizontal aurait besoin de turboréacteurs conventionnels , de turboréacteurs ou de moteurs-fusées pour décoller, suffisamment gros pour déplacer un engin lourd. Il faudrait également du carburant pour ces moteurs, ainsi que toutes les structures de montage et systèmes de contrôle associés au moteur. Les turboréacteurs à double flux et les turboréacteurs sont lourds et ne peuvent pas dépasser facilement environ Mach  2-3, donc une autre méthode de propulsion serait nécessaire pour atteindre la vitesse de fonctionnement du scramjet. Cela pourrait être des statoréacteurs ou des fusées . Ceux-ci auraient également besoin de leur propre alimentation en carburant, de leur structure et de leurs systèmes. De nombreuses propositions appellent à la place à un premier étage de propulseurs à poudre larguable , ce qui simplifie grandement la conception.

Tester des difficultés

Contrairement aux installations de systèmes de propulsion à réaction ou à fusée qui peuvent être testées au sol, les tests de conception de scramjet utilisent des chambres d'essai hypersoniques extrêmement coûteuses ou des lanceurs coûteux, qui entraînent tous deux des coûts d'instrumentation élevés. Les tests utilisant des véhicules de test lancés se terminent très généralement par la destruction de l'élément de test et de l'instrumentation.

Désavantages

  1. Tests et développements difficiles / coûteux
  2. Exigences de propulsion initiales très élevées

Avantages et inconvénients des véhicules orbitaux

Propergol

Un avantage d'un véhicule à respiration aérienne hypersonique (généralement scramjet) comme le X-30 est d'éviter ou au moins de réduire le besoin de transporter de l'oxydant. Par exemple, le réservoir externe de la navette spatiale contenait 616 432,2 kg d' oxygène liquide (LOX) et 103 000 kg d' hydrogène liquide (LH 2 ) tout en ayant un poids à vide de 30 000 kg. Le poids brut de l' orbiteur était de 109 000 kg avec une charge utile maximale d'environ 25 000 kg et pour sortir l'ensemble de la rampe de lancement, la navette a utilisé deux propulseurs à poudre très puissants d'un poids de 590 000 kg chacun. Si l'oxygène pouvait être éliminé, le véhicule pourrait être plus léger au décollage et peut-être transporter plus de charge utile.

D'un autre côté, les scramjets passent plus de temps dans l'atmosphère et nécessitent plus d'hydrogène pour faire face à la traînée aérodynamique. Alors que l'oxygène liquide est un fluide assez dense (1141 kg/m 3 ), l'hydrogène liquide a une densité beaucoup plus faible (70,85 kg/m 3 ) et prend plus de volume. Cela signifie que le véhicule utilisant ce carburant devient beaucoup plus gros et donne plus de traînée. D'autres carburants ont une densité plus comparable, comme le RP-1 (464 kg/m 3 ) JP-7 (densité à 15 °C 779-806 kg/m 3 ) et la diméthylhydrazine asymétrique (UDMH) (793,00 kg/m 3 ).

Rapport poussée/poids

L'un des problèmes est que les moteurs Scramjet devraient avoir un rapport poussée/poids exceptionnellement faible d'environ 2, lorsqu'ils sont installés dans un lanceur. Une fusée a l'avantage que les moteurs ont de très hauts taux de poussée poids (~ 100: 1), tandis que le réservoir pour maintenir l'oxygène liquide se rapproche d' un rapport en volume d'environ 100: 1 également. Ainsi une fusée peut atteindre une fraction massique très élevée , ce qui améliore les performances. En revanche, le rapport poussée/poids projeté des moteurs scramjet d'environ 2 signifie qu'un pourcentage beaucoup plus important de la masse au décollage est moteur (en ignorant que cette fraction augmente de toute façon d'un facteur d'environ quatre en raison de l'absence d'oxydant à bord). De plus, la faible poussée du véhicule n'évite pas nécessairement le besoin des turbopompes hautes performances coûteuses, encombrantes et sujettes aux pannes que l'on trouve dans les moteurs-fusées conventionnels à carburant liquide, car la plupart des conceptions de scramjet semblent être incapables d'atteindre des vitesses orbitales en mode respiration aérienne, et par conséquent, des moteurs de fusée supplémentaires sont nécessaires.

Besoin de propulsion supplémentaire pour atteindre l'orbite

Les Scramjets pourraient être capables d'accélérer d'environ Mach  5-7 à environ quelque part entre la moitié de la vitesse orbitale et la vitesse orbitale (la recherche X-30 a suggéré que Mach  17 pourrait être la limite par rapport à une vitesse orbitale de Mach  25, et d'autres études mettent le limite supérieure de vitesse pour un moteur scramjet pur entre Mach  10 et 25, selon les hypothèses faites). Généralement, un autre système de propulsion (très typiquement, une fusée est proposée) devrait être nécessaire pour l'accélération finale en orbite. Étant donné que le delta-V est modéré et que la fraction de charge utile des scramjets est élevée, des fusées à faible performance telles que des solides, des hypergoliques ou de simples propulseurs à carburant liquide pourraient être acceptables.

Les projections théoriques placent la vitesse maximale d'un scramjet entre Mach 12 (14 000 km/h ; 8 400 mph) et Mach 24 (25 000 km/h ; 16 000 mph). À titre de comparaison, la vitesse orbitale à 200 kilomètres (120 mi) en orbite terrestre basse est de 7,79 kilomètres par seconde (28 000 km/h; 17 400 mph).

Rentrée

Le dessous résistant à la chaleur du scramjet sert potentiellement de système de rentrée si un véhicule à un étage en orbite utilisant un refroidissement non ablatif et non actif est visualisé. Si un blindage ablatif est utilisé sur le moteur, il ne sera probablement pas utilisable après la mise en orbite. Si un refroidissement actif est utilisé avec le carburant comme réfrigérant, la perte de tout le carburant pendant la combustion en orbite signifiera également la perte de tout refroidissement pour le système de protection thermique.

Frais

La réduction de la quantité de carburant et d'oxydant n'améliore pas nécessairement les coûts car les propulseurs de fusée sont comparativement très bon marché. En effet, on peut s'attendre à ce que le coût unitaire du véhicule soit bien plus élevé, car le coût du matériel aérospatial est d'environ deux ordres de grandeur supérieur à celui de l'oxygène liquide, du carburant et du réservoir, et le matériel scramjet semble être beaucoup plus lourd que les fusées pour une charge utile donnée. . Pourtant, si les scramjets permettent des véhicules réutilisables, cela pourrait théoriquement être un avantage en termes de coûts. Il n'est pas clair si l'équipement soumis aux conditions extrêmes d'un scramjet peut être réutilisé suffisamment de fois ; tous les tests scramjet en vol ne survivent que pendant de courtes périodes et n'ont jamais été conçus pour survivre à un vol à ce jour.

Le coût éventuel d'un tel véhicule fait l'objet d'un débat intense puisque même les meilleures estimations ne sont pas d'accord pour savoir si un véhicule scramjet serait avantageux. Il est probable qu'un véhicule scramjet devrait soulever plus de charge qu'une fusée de poids égal au décollage pour être tout aussi rentable (si le scramjet est un véhicule non réutilisable).

Problèmes

Les lanceurs spatiaux peuvent ou non bénéficier d'un étage scramjet. Un étage scramjet d'un lanceur fournit théoriquement une impulsion spécifique de 1000 à 4000  s alors qu'une fusée fournit moins de 450  s dans l'atmosphère. Cependant, l'impulsion spécifique d'un scramjet diminue rapidement avec la vitesse et le véhicule souffrirait d'un rapport portance/ traînée relativement faible .

Le rapport poussée/poids installé des scramjets se compare très défavorablement aux 50-100 d'un moteur de fusée typique. Ceci est compensé dans les scramjets en partie parce que le poids du véhicule serait porté par la portance aérodynamique plutôt que par la puissance de la fusée pure (donnant des « pertes de gravité » réduites ), mais les scramjets mettraient beaucoup plus de temps à se mettre en orbite en raison d'une poussée plus faible qui compense grandement l'avantage. La masse au décollage d'un véhicule scramjet est considérablement réduite par rapport à celle d'une fusée, en raison du manque d'oxydant à bord, mais augmentée par les exigences structurelles des moteurs plus gros et plus lourds.

Que ce véhicule puisse être réutilisable ou non est encore un sujet de débat et de recherche.

Applications

Un avion utilisant ce type de moteur à réaction pourrait réduire considérablement le temps nécessaire pour se rendre d'un endroit à un autre, mettant potentiellement n'importe quel endroit sur Terre en 90 minutes de vol. Cependant, des questions se posent quant à savoir si un tel véhicule pourrait transporter suffisamment de carburant pour effectuer des trajets de longueur utile. De plus, certains pays interdisent ou pénalisent les avions de ligne et autres aéronefs civils qui créent des bangs soniques . (Par exemple, aux États-Unis, les réglementations de la FAA interdisent les vols supersoniques au-dessus de la terre, par des avions civils.)

Le véhicule Scramjet a été proposé pour un véhicule à un seul étage pour attacher un véhicule, où une attache orbitale  tournante Mach 12 ramasserait une charge utile d'un véhicule à environ 100 km et la transporterait en orbite.

Voir également

Les références

Citations

Bibliographie

Liens externes