Jet de brouillage

X-43A avec un moteur scramjet situé en bas.

Le statoréacteur à combustion supersonique , mieux connu sous son nom anglais scramjet , est une variante d'un statoréacteur à la différence que tout ou partie du processus de combustion est effectué de manière supersonique. À des vitesses plus élevées, la combustion supersonique est nécessaire pour maximiser l'efficacité du processus de combustion. Les projections de la vitesse d'un moteur scramjet, sans apport supplémentaire de comburant, varient entre Mach 12 et Mach 24 ( vitesse orbitale ). Le X-30 dans les tests a atteint une vitesse de Mach 17, en raison de problèmes de type de combustion. En revanche, le plus rapide des avions conventionnels, qui utilisent l'air pour la portance, est le Lockheed SR-71 ( turboréacteur + statoréacteur ) de l'US Air Force qui atteint environ Mach 3,4.

Origines

L'idée originale de l'hyperréacteur ou statoréacteur est née au début du 20e siècle, en 1913 (date du brevet) des mains de René Lorin . Cet ingénieur français pose les bases théoriques, sous le simple cycle thermodynamique de Brayton, compression, combustion, et détente, de ce qu'il nomme Tuyère thermopropulsive . Un réacteur qui pourrait atteindre des vitesses hypersoniques, inimaginables à l'époque.

Deux décennies plus tard, en 1933, René Leduc redécouvre les idées de René Lorin, puis le statoréacteur , nommé ainsi en Union soviétique , et statoréacteur en France, apparaît comme le réacteur idéal, avec une grande puissance, un rendement maximum et un coût de production minimum. , car lorsque les pièces mécaniques ont disparu, il est resté comme un tube, très facile à fabriquer. Mais le statoréacteur a l'inconvénient de ne pas pouvoir décoller tout seul. Un avion doté d'une propulsion hypersonique de ce type doit être accéléré par un autre jusqu'à une vitesse minimale (Mach 3) ou être équipé de la technologie TBCC ou RBCC qui pourrait aider au fonctionnement des moteurs Ramjet/Scramjet pour obtenir les conditions minimales de fonctionnement. .

Un simple tube vide

L'idée de base de René Lorin était un tube qui, pendant qu'il absorbe de l'air, le comprime par la même pression générée par sa vitesse et la conception aérodynamique de l'intérieur, puis il est alimenté par un carburant qui réagit avec l'oxygène et la combustion crée une expansion , le Flow, qui propulsait le navire. Un cycle "simple" de compression, combustion et détente qui permet d'atteindre des vitesses très élevées, sans aucune pièce mobile nécessaire à la compression, et avec de très hautes performances. Mécaniquement simple, la plus grande complexité réside dans sa conception aérodynamique, dont tout dépend.

Schéma d'un statoréacteur .

Schéma d'un moteur scramjet.

On peut voir la conception d'un réacteur statoréacteur , l'air pénètre à des vitesses supersoniques par la bouche du réacteur et réduit sa vitesse à des niveaux subsoniques au moyen de la diffusion aérodynamique créée par l'îlot et le diffuseur. L'air pénètre dans la chambre de combustion et réagit avec le carburant, générant un débit qui, s'il est supérieur au débit entrant, propulsera le navire. L'une des limites du statoréacteur est que jusqu'à des vitesses de Mach 3, il ne fonctionne pas, il a donc besoin d'autres propulseurs pour commencer à fonctionner, mais il est également limité en vitesse maximale à Mach 6. Les hélices statoréacteurs ne peuvent pas dépasser cette limite. La poussée n'est plus positive, du fait des frottements générés par la décélération nécessaire à la combustion, l'air arrive tellement chaud qu'il ne peut pas être brûlé avec le carburant. La seule façon de contourner cela est de ne pas ralentir l'admission d'air et c'est là que le scramjet du X-43A entre en jeu .

Scramjet ( statoréacteur à combustion supersonique ), type de réacteur du X-43A, ne réduit pas la vitesse de l'air pour sa combustion mais cela se fait à travers lui. Une combustion très rapide est nécessaire (l'hydrogène est généralement utilisé), mais elle ne crée pas de problème de frottement et sa vitesse limite est encore à voir, peut-être mach 20. Elle est mécaniquement très simple mais extrêmement complexe en aérodynamique, encore plus que le statoréacteur. Les trois exemples, avec de petites différences chacun, qui ont été testés dans les tests du projet Hyper-X ont été les premiers scramjets de l'histoire de l'aérodynamique, et leur plein potentiel n'a pas encore été vu.

Avantages et inconvénients des scramjets

Avantages

1. Vous n'avez pas besoin de transporter de l'oxygène.
2. Il n'y a pas de pièces rotatives, ce qui facilite la fabrication.
3. Il a une impulsion spécifique (changement de quantité de mouvement par unité de propulseur) plus élevée qu'un moteur conventionnel, il pourrait fournir entre 1 000 et 4 000 secondes, alors qu'une fusée ne fournit que 600 secondes ou moins.
4. Une vitesse plus élevée pourrait signifier un accès moins cher à l'espace extra-atmosphérique à l'avenir.

Réfrigération et matériels spéciaux

Contrairement à une fusée qui traverse verticalement et rapidement l'atmosphère ou à un turboréacteur ou à un statoréacteur qui vole à des vitesses beaucoup plus faibles, un véhicule hypersonique à propulsion aérienne vole de manière optimale sur une "trajectoire déprimée", restant dans l'atmosphère à des vitesses hypersoniques. Parce que les scramjets n'ont que des rapports poussée / poids médiocres, l'accélération serait limitée. Par conséquent, le temps passé dans l'atmosphère à vitesse hypersonique serait considérable, peut-être 15 à 30 minutes. Comme en rentrée atmosphérique , l'isolation thermique devient une tâche redoutable. Le temps dans l'atmosphère serait supérieur à celui d'une capsule spatiale typique , mais inférieur à celui de la navette spatiale .

Les matériaux plus récents offrent une bonne isolation à haute température, mais sacrifient souvent dans le processus. Une alternative pourrait être le "refroidissement actif", où un liquide de refroidissement serait utilisé qui circulerait à travers la peau du véhicule en l'empêchant de se désintégrer. Le liquide de refroidissement est étudié pour être le carburant lui-même de la même manière que les fusées modernes utilisent leur propre carburant et oxydant comme liquide de refroidissement du moteur. Tous les systèmes de refroidissement ajoutent du poids et de la complexité à un lancement. Refroidir les scramjets de cette manière peut entraîner une efficacité accrue, car de la chaleur est ajoutée au carburant avant qu'il n'entre dans le moteur, mais le résultat est une complexité et un poids accrus qui pourraient finalement l'emporter sur toute amélioration des performances.

Poids poids et efficacité

Impulsion spécifique de différents réacteurs

La performance d'un lancement de système est complexe et fortement dépendante de son poids. Les véhicules sont généralement conçus pour maximiser l'autonomie ( ), le rayon orbital ( ) ou la fraction de masse de la charge utile ( ) pour un moteur et un carburant donnés. Ceci est le résultat de compromis entre l'efficacité du moteur (Fuel Takeoff Weight) et la complexité du moteur (Dry Takeoff Weight), qui peut être exprimé par la formule suivante : $R$$R$$\Gamma$

$\Pi e}+\Pi f}+{\frac {1}{\gamma}}=1$

Où:

• $\Pie}={\frac {m_{\text{empty}}}{m_{\text{initial}}}}$est la fraction de masse à vide et représente le poids de la superstructure, des réservoirs et du moteur.
• $\Pi​​f}={\frac {m_{\text{fuel}}}{m_{\text{initial}}}}$est la fraction massique de carburant et représente le poids du carburant, du comburant et de tout autre matériau consommé lors du lancement.
• $\gamma ={\frac {m_{\text{initial}}}{m_{\text{charge utile}}}}$est le rapport de masse initial et est l'inverse de la fraction de masse de la charge utile. Cela représente la quantité de charge utile que le véhicule peut livrer à une destination.

Un scramjet augmente la masse du moteur d'une fusée et diminue la masse du carburant . Il peut être difficile de décider si cela se traduira par une augmentation du poids (ce qui serait une charge plus importante livrée à une destination pour un décollage constant des véhicules). 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 des masses ou des changements d'efficacité dans un véhicule est si grande qu'une hypothèse légèrement différente de l'efficacité du moteur ou de la communication peut fournir de bonnes raisons pour ou contre l'alimentation des véhicules scramjet. $\Pie}$${\style d'affichage \Pif}}$$\gamma$

De plus, le report de la nouvelle configuration doit être pris en compte. La traînée de la configuration totale peut être considérée comme la somme de la résistance du véhicule ( ) et de la traînée du moteur de l'installation ( ). La traînée de configuration traditionnelle résulte des pylônes et du flux couplé dû aux moteurs à réaction, et est fonction de la position des gaz. $ré$$D_{e}$

Par conséquent, il est souvent écrit comme suit :

$D_{e}=\phi e}F$ Où:

• $\phi​​e}$C'est le coefficient de perte
• $F$est la poussée du moteur

Pour un corps de moteur hautement aérodynamiquement intégré, il peut être plus pratique de considérer ( ) comme la différence de traînée par rapport à une configuration de base connue. $D_{e}$

L' efficacité globale du moteur peut être représentée comme une valeur comprise entre 0 et 1 ( ), en termes de l' impulsion spécifique du moteur: $\eta 0}$

$\mathrm {H} 0}={\frac {}{g_{0}V_{0}H_{PR}}}\cdot I_{SP}={\frac {\mbox{pousser l'énergie}}{ \mbox{Tarif énergétique chimique}}}$

Où:

• $G_{0}$est l'accélération due à la pesanteur au niveau du sol
• $V_{0}$est la vitesse du véhicule
• $I_{SP}$est l' impulsion spécifique
• $H_{PR}$C'est le combustible [la chaleur [la réaction]]

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, [carburant [consommation spécifique (poussée) | consommation spécifique de carburant]] et vitesse d'échappement. Cette relation directe n'est pas une impulsion de courant générale pour les moteurs aérobies, et sa spécificité est moins utilisée dans la littérature. Notez que pour un moteur aérobie, à la fois et sont fonction de la vitesse. $\eta 0}$$I_{SP}$

L'impulsion spécifique d'un moteur [fusée][] vaut indépendamment de la vitesse, et est commune entre 200 et 600 secondes (450S pour les moteurs principaux de la navette spatiale). L'impulsion spécifique d'un scramjet varie avec la vitesse, diminuant à des vitesses plus élevées, à partir d'environ 1200 après JC, 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 :

$\Pi{f}=1-\exp \left[-{\frac {\left({\frac {V_{initial}^{2}}{2}}-{\frac {V_{i} ^{2}}{2}}\right)+\int {g}\,dr}{\eta 0}h_{PR}\left(1-{\frac {D+D_{e}} {F} }\right)}}\right]$

Lorsque cela peut être exprimé depuis [[d'un étage vers l'orbite|Traduction d'un seul étage depuis] l'orbite] comme :

$\Pi{f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}r_{0}\left(1-{\frac {1}{2}}{\frac {r_ { 0}}{r}}\right)}{\eta 0}h_{PR}\left(1-{\frac {D+D_{e}}{F}}\right)}}\right ]$

o Niveau de vol atmosphérique depuis le lancement aérien (vol [Missile[]]) :

$\Pi​​f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}R}{\eta​​0}h_{PR}\left(1-\phi​​e} \right){\frac {C_{L}}{C_{D}}}}}\right]$

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

$\Pi{f}=1-e^{-BR}$

$B={\frac {g_{0}}{\eta​​0}h_{PR}\left(1-\phi​​e}\right){\frac {C_{L}}{C_ {RÉ}}}}}$

Où:

• ${C_{L}}$C'est le coefficient de support
• ${C_{D}}$C'est le coefficient de traînée

Cette formulation est extrêmement simple, et on a supposé :

• véhicule à une étape
• Il n'y a pas de portance aérodynamique pour l'élévateur transatmosphérique

Cependant, ce qui précède est vrai en général pour tous les moteurs.

Présent et futur

Schéma de fonctionnement du Scramjet en comparaison avec un réacteur conventionnel.

L'avenir dans l'esprit de la NASA est la possibilité de réduire les coûts des lanceurs, des propulseurs comme le X-43A atteindraient des vitesses suffisantes pour vaincre l'attraction terrestre (Mach 10). En réduisant le coût de la mise en orbite, la possibilité d'envoyer des missions plus nombreuses et plus importantes serait viable, mais face à ce futur on se retrouve avec le problème endémique du statoréacteur, la vitesse d'allumage minimale, et dans le cas d'un spatial navette son utilisation est limitée aux étages atmosphériques, comme le dit le professeur Manuel Martínez Sánchez, professeur au MIT « ...pour pouvoir utiliser l'air ambiant, il faut une trajectoire longue et régulière dans l'atmosphère, car les trajectoires normales des fusées le quittent immédiatement, et nous manquerions d'oxygène avant notre temps. Cela implique de la portance, c'est-à-dire des ailes qui supportent le poids du navire, et si je me souviens bien, le pourcentage de masse de ces ailes est d'environ 11 %. De plus, la structure doit pouvoir supporter d'énormes flux thermiques, comme ceux d'une rentrée. Cela ne se produit pas avec les lance-roquettes, pour la même raison qu'avant, c'est-à-dire qu'au moment où des nombres de Mach de l'ordre de 6 à 8 sont atteints et que des problèmes thermiques commencent, la fusée est déjà hors de l'atmosphère. ” ^{[ citation nécessaire ]}

Le seul projet sérieux à ce jour pour le développement d'une navette avec une structure d'aile et une longue trajectoire de décollage pouvant supporter des vitesses de l'ordre de Mach 20 au moyen de jets scramjet pour se mettre en orbite était l'échec du NASP (National Aerospace Plane ). L'aérospatiale rêve de l'administration Reagan dans les années 1980 qui cherchait à mettre Tokyo de New York en deux heures et à réduire le coût des voyages spatiaux. Mais le projet a échoué car les technologies nécessaires n'existaient pas à l'époque et en 1994, le Congrès américain a coupé le financement du projet. Le programme Hiper-X en est l'héritier et le X-43A en est la démonstration.

Voir aussi

• Moteur d'avion
• statoréacteur

Liens externes

• Wikimedia Commons a une catégorie média pour Scramjet .
• BBC : Scramjet
• Scramjet : un peu de théorie