Une étude en soufflerie montre que le débit du moteur à réaction hypersonique peut être contrôlé optiquement

Et si l’avenir du voyage spatial ressemblait moins au vaisseau spatial basé sur une fusée de Space-X qu’à l'”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 tests du prototype sans pilote X-43A de la NASA ont constitué une étape importante dans la dernière ère du développement des avions à réaction : le passage des statoréacteurs aux scramjets plus rapides et plus efficaces. Le dernier test, en novembre de la même année, a enregistré une vitesse record du monde que seule une fusée aurait pu atteindre auparavant : Mach 10. La vitesse équivaut à 10 fois la vitesse du son.

La NASA a collecté de nombreuses données utiles à partir de ces tests, tout comme l’Air Force l’a fait six ans plus tard lors de tests similaires sur le X-51 Waverider, avant que les prototypes ne s’envolent 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.

Ce mois-ci a cependant apporté un peu d’espoir pour les successeurs potentiels de la série X-plane.

Dans le cadre d’une nouvelle étude, des 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 qui montrent pour la première fois que le flux d’air dans les moteurs à réaction 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 SpaceX Starship. 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. “.

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 serait préférable d’embarquer 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.

Arrêter de « démarrer » pour garder le contrôle

La NASA cherche depuis longtemps à empêcher un phénomène qui peut se produire dans les moteurs à statoréacteur, appelé « démarrage intempestif ». Ce terme désigne un changement soudain du flux 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 effectuer des tests pendant des heures, ce qui nous permet d’expérimenter de nouveaux capteurs de débit et de nouvelles 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 qui est couramment utilisée depuis des années.

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, ce n’est pas un démarrage”, a déclaré Goyne. “La poussée va soudainement diminuer et il peut être difficile à ce stade de redémarrer l’entrée.”

Essai d’un moteur à statoréacteur bi-mode

Actuellement, comme les statoréacteurs, les moteurs scramjet ont besoin d’une augmentation pour les amener à une vitesse leur permettant d’absorber suffisamment d’oxygène pour fonctionner. Cela peut inclure un manège fixé sous un avion de carrière ainsi qu’un booster 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.

Le vent entrant interagit avec les parois du bras d’eau sous la forme d’une série d’ondes de choc connues sous le nom de « 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 demandaient 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 le retour 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 espèces moléculaires excitées lors des processus de combustion”, a expliqué Elkowitz, l’un des doctorants. “Différentes espèces émettent de la lumière à différentes énergies ou couleurs, offrant ainsi de nouvelles informations sur l’état du moteur qui ne sont pas capturées par les capteurs de pression.”

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 les capteurs optiques pourraient jouer dans le contrôle des futurs véhicules hypersoniques”, a déclaré le premier auteur Chern. “Nous continuons à tester les configurations des 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 à faire, les capteurs optiques pourraient être un élément de l’avenir qui, selon Goyne, sera réalisé de son vivant : un voyage aller-retour dans l’espace comme un avion.

Les statoréacteurs à double mode nécessiteraient toujours une sorte de boost pour amener l’avion à au moins Mach 4. Mais il y aurait la sécurité supplémentaire de ne pas compter exclusivement sur la technologie des fusées, qui nécessite le transport de carburant hautement inflammable ainsi que de grandes quantités d’oxydant chimique pour brûler le carburant.

Cette diminution du poids permettrait 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. “Bien que l’industrie spatiale commerciale ait réussi à réduire ses coûts grâce à une certaine réutilisation, elle n’a pas encore capturé 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 celui des fusées actuelles. basée sur la technologie.”