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Révolution à Mach 10 : les jets hypersoniques soutenus par la NASA sont sur le point de transformer les voyages spatiaux

SciTechDaily

Il s'agit d'une représentation artistique d'un véhicule de recherche Hyper-X propulsé par un statoréacteur en vol libre après sa séparation de sa fusée d'appoint. De nouvelles recherches sur les jets hypersoniques pourraient transformer les voyages spatiaux en rendant les moteurs à statoréacteur plus fiables et plus efficaces, ce qui conduirait à des engins spatiaux de type avion. Crédit : NASA

Une étude en soufflerie révèle que le flux d'un moteur à réaction hypersonique peut être contrôlé optiquement

Des chercheurs de l'Université de Virginie explorent le potentiel des jets hypersoniques pour les voyages dans l'espace, en utilisant des innovations dans le contrôle des moteurs et des techniques de détection. Les travaux, soutenus par NASAvise à améliorer les performances des superstatoréacteurs grâce à des systèmes de contrôle adaptatifs et à des capteurs optiques, ce qui pourrait conduire à des véhicules d'accès à l'espace plus sûrs et plus efficaces fonctionnant comme des avions.

L'avenir du voyage spatial : les jets hypersoniques

Et si l’avenir du voyage spatial ressemblait moins au Starship basé sur une fusée de Space-X qu’à « Hyper-X » de la NASA, l’avion à réaction hypersonique qui, il y a 20 ans cette année, volait plus vite que tout autre avion avant ou depuis ? ?

En 2004, les derniers essais du prototype sans pilote X-43A de la NASA ont marqué une étape importante dans la dernière ère du développement des jets, le passage des statoréacteurs aux superstatoréacteurs plus rapides et plus efficaces. Le dernier essai, en novembre de cette année-là, a enregistré un record mondial de vitesse que seule une fusée aurait pu atteindre auparavant : Mach 10. Cette vitesse équivaut à 10 fois la vitesse du son.

La NASA a recueilli de nombreuses données utiles à partir de ces tests, tout comme l'armée de l'air six ans plus tard lors de tests similaires sur le X-51 Waverider, avant que les prototypes ne s'écrasent dans l'océan.

Même si la preuve de concept hypersonique a été couronnée de succès, la technologie était loin d’être opérationnelle. Le défi consistait à contrôler le moteur, car la technologie reposait sur des approches de capteurs vieilles de plusieurs décennies.

Lancement d'un avion B-52B de la NASA transportant un véhicule X-43A

Le lanceur B-52B de la NASA vole vers une zone d'essai au-dessus de l'océan Pacifique transportant le troisième et dernier véhicule X-43A, attaché à une fusée Pegasus, le 16 novembre 2004. Crédit : NASA / Carla Thomas

Avancées dans le contrôle des moteurs hypersoniques

Ce mois-ci, cependant, a apporté un certain espoir pour les successeurs potentiels de la série X-plane.

Dans le cadre d'une nouvelle étude financée par la NASA, les chercheurs de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Virginie ont publié des données dans le numéro de juin de la revue Sciences et technologies aérospatiales Cette étude a montré pour la première fois que le flux d'air dans les réacteurs à combustion supersonique peut être contrôlé par un capteur optique. Cette découverte pourrait conduire à une stabilisation plus efficace des avions à réaction hypersoniques.

De plus, les chercheurs ont obtenu un contrôle adaptatif d’un moteur scramjet, ce qui représente une autre première pour la propulsion hypersonique. Les systèmes de contrôle moteur adaptatifs réagissent aux changements de dynamique pour maintenir les performances globales du système optimales.

« L'une de nos priorités nationales en matière d'aérospatiale depuis les années 1960 a été de construire des avions à un seul étage en orbite qui volent dans l'espace à partir d'un décollage horizontal comme un avion traditionnel et atterrissent au sol comme un avion traditionnel », a déclaré le professeur Christopher Goyne, directeur du laboratoire de recherche aérospatiale UVA, où la recherche a eu lieu.

« Actuellement, l'engin le plus avancé est le EspaceX Vaisseau spatial. Il comporte deux étages, avec lancement et atterrissage verticaux. Mais pour optimiser la sécurité, la commodité et la réutilisabilité, la communauté aérospatiale aimerait construire quelque chose qui ressemble davantage à un 737. »

Soufflerie Max Chern

L'étudiant au doctorat Max Chern examine de plus près la configuration de la soufflerie où les chercheurs de l'École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université de Virginie ont démontré que le contrôle d'un moteur scramjet bimode est possible avec un capteur optique. Crédit : Wende Whitman, UVA Engineering

Goyne et sa co-chercheuse, Chloé Dedic, professeure agrégée d'UVA Engineering, pensent que les capteurs optiques pourraient jouer un rôle important dans l'équation de contrôle.

« Il nous a semblé logique que si un avion opère à des vitesses hypersoniques de Mach 5 et plus, il pourrait être préférable d'intégrer des capteurs qui fonctionnent plus près de la vitesse de la lumière que de la vitesse du son », a déclaré Goyne.

Les autres membres de l'équipe étaient le doctorant Max Chern, qui a été le premier auteur de l'article, ainsi que l'ancien étudiant diplômé Andrew Wanchek, la doctorante Laurie Elkowitz et le scientifique principal de l'UVA, Robert Rockwell. Le travail a été soutenu par une subvention NASA ULI dirigée par l’Université Purdue.

Amélioration des performances du moteur à réaction

La NASA cherche depuis longtemps à empêcher ce qui peut se produire dans les moteurs scramjet appelé « démarrage ». Le terme indique un changement soudain du débit d’air. Le nom dérive d’une installation d’essai spécialisée appelée soufflerie supersonique, où un « démarrage » signifie que le vent a atteint les conditions supersoniques souhaitées.

UVA dispose de plusieurs souffleries supersoniques, dont l'installation de combustion supersonique UVA, qui peut simuler les conditions du moteur d'un véhicule hypersonique se déplaçant à cinq fois la vitesse du son.

« Nous pouvons exécuter des conditions de test pendant des heures, ce qui nous permet d'expérimenter de nouveaux capteurs de débit et des approches de contrôle sur une géométrie de moteur réaliste », a déclaré Dedic.

Goyne a expliqué que les « scramjets », abréviation de statoréacteurs à combustion supersonique, s'appuient sur la technologie des statoréacteurs, couramment utilisée depuis des années.

Image de la dynamique des fluides numérique issue des tests Hyper-X originaux

Cette image de dynamique des fluides numérique issue des tests originaux de Hyper-X montre le moteur fonctionnant à Mach 7. Crédit : NASA

Les statoréacteurs « enfoncent » essentiellement de l’air dans le moteur en utilisant le mouvement vers l’avant de l’avion pour générer les températures et les pressions nécessaires pour brûler du carburant. Ils fonctionnent dans une plage d'environ Mach 3 à Mach 6. À mesure que l'entrée à l'avant de l'engin se rétrécit, la vitesse de l'air interne ralentit jusqu'à atteindre des vitesses subsoniques dans un moteur à combustion à statoréacteur. Mais ce n’est pas le cas de l’avion lui-même.

Les Scramjets sont cependant un peu différents. Bien qu’ils « respirent également de l’air » et aient la même configuration de base, ils doivent maintenir ce flux d’air ultra-rapide à travers le moteur pour atteindre des vitesses hypersoniques.

« Si quelque chose se produit dans le moteur hypersonique et que des conditions subsoniques sont soudainement créées, le moteur ne redémarrera pas », a déclaré Goyne. « La poussée diminuera soudainement et il pourrait être difficile à ce stade de redémarrer l'admission. »

Test d'un moteur Scramjet bimode

Actuellement, comme les statoréacteurs, les moteurs à superstatoréacteurs ont besoin d'une amélioration pour atteindre une vitesse leur permettant d'absorber suffisamment d'oxygène pour fonctionner. Cela peut inclure un support fixé sous un avion porteur ainsi qu'un propulseur de fusée.

La dernière innovation est une chambre de combustion scramjet bimode, qui était le type de moteur testé par le projet dirigé par UVA. Le double moteur démarre en mode statoréacteur à des nombres de Mach inférieurs, puis passe à la réception d'un flux d'air supersonique complet dans la chambre de combustion à des vitesses supérieures à Mach 5.

Il est crucial d’empêcher le démarrage lorsque le moteur effectue cette transition.

Christopher Goyne et Chloé Dedic

Christopher Goyne, professeur et directeur du laboratoire de recherche aérospatiale de l'UVA, et Chloe Dedic, professeure associée. Crédit : Wende Whitman, UVA Engineering

Le vent entrant interagit avec les parois du bras d’eau sous la forme d’une série d’ondes de choc appelées « train de choc ». Traditionnellement, le front d'attaque de ces vagues, qui peuvent être destructrices pour l'intégrité de l'avion, était contrôlé par des capteurs de pression. La machine peut s'ajuster, par exemple, en déplaçant la position du train d'amortisseurs.

Mais l’endroit où réside le bord d’attaque du train de chocs peut changer rapidement si les perturbations du vol modifient la dynamique en vol. Le train d’amortisseurs peut pressuriser l’entrée, créant ainsi les conditions nécessaires au démarrage.

Ainsi, « si vous détectez à la vitesse du son, mais que les processus du moteur se déplacent plus rapidement que la vitesse du son, vous n'avez pas beaucoup de temps de réponse », a déclaré Goyne.

Lui et ses collaborateurs se sont demandés si un redémarrage imminent pouvait être prédit en observant les propriétés de la flamme du moteur.

Détecter le spectre d'une flamme

L’équipe a décidé d’utiliser un capteur de spectroscopie d’émission optique pour la rétroaction nécessaire au contrôle du bord d’attaque du train de chocs.

Le capteur optique ne se limite plus aux informations obtenues sur les parois du moteur, comme le font les capteurs de pression. Il peut désormais identifier des changements subtils à l'intérieur du moteur et dans le trajet d'écoulement. L'outil analyse la quantité de lumière émise par une source (dans ce cas, les gaz réactifs dans la chambre de combustion du statoréacteur) ainsi que d'autres facteurs, tels que l'emplacement de la flamme et son contenu spectral.

« La lumière émise par la flamme à l'intérieur du moteur est due à la relaxation des molécules espèces qui sont excités lors des processus de combustion », a expliqué Elkowitz, l'un des doctorants. « Différentes espèces émettent de la lumière à différentes énergies ou couleurs, offrant de nouvelles informations sur l'état du moteur qui ne sont pas capturées par les capteurs de pression. »

Laurie Elkowitz et Max Chern

Les doctorants actuels en mécanique et aérospatiale d'UVA Engineering, Laurie Elkowitz et Max Chern, faisaient partie des membres influents de l'équipe. Crédit : Wende Whitman, UVA Engineering

La démonstration en soufflerie de l'équipe a montré que le contrôle du moteur peut être à la fois prédictif et adaptatif, assurant une transition en douceur entre le fonctionnement du scramjet et celui du statoréacteur.

En fait, l'essai en soufflerie a été la première preuve au monde qu'un contrôle adaptatif de ces types de moteurs à double fonction peut être obtenu à l'aide de capteurs optiques.

« Nous étions très enthousiastes à l’idée de démontrer le rôle que pourraient jouer les capteurs optiques dans le contrôle des futurs véhicules hypersoniques », a déclaré Chern, premier auteur. « Nous continuons de tester les configurations de capteurs alors que nous travaillons à un prototype qui optimise le volume et le poids du colis pour les environnements de vol. »

Construire vers l'avenir

Même s'il reste encore beaucoup de travail à faire, les capteurs optiques pourraient être un élément du futur qui, selon Goyne, se réalisera de son vivant : un voyage aller-retour dans l'espace semblable à celui d'un avion.

Les scramjets bimodes nécessiteraient encore une sorte de boost pour amener l'avion à au moins Mach 4. Mais il y aurait la sécurité supplémentaire de ne pas s'appuyer exclusivement sur la technologie des fusées, qui nécessite de transporter du carburant hautement inflammable avec de grandes quantités de produits chimiques. comburant pour brûler le carburant.

Ce poids réduit permettrait d'avoir plus d'espace pour les passagers et la charge utile.

Un tel avion tout-en-un, qui pourrait revenir sur Terre comme le faisaient autrefois les navettes spatiales, pourrait même offrir la combinaison idéale de rentabilité, de sécurité et de réutilisabilité.

« Je pense que c'est possible, oui », a déclaré Goyne. « Même si l'industrie spatiale commerciale a réussi à réduire ses coûts grâce à une certaine réutilisation, elle n'a pas encore maîtrisé les opérations de type avion. Nos découvertes pourraient potentiellement s’appuyer sur la riche histoire d’Hyper-X et rendre son accès à l’espace plus sûr que la technologie actuelle basée sur les fusées.

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