Technologie Scramjet - comment un moteur hypersonique a été créé

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Le missile de combat "sol-air" avait l'air quelque peu inhabituel - son nez était allongé par un cône en métal. Le 28 novembre 1991, il a décollé d'un site d'essai près du cosmodrome de Baïkonour et s'est autodétruit au-dessus du sol. Bien que le missile n'ait abattu aucun objet aérien, la cible de lancement a été atteinte. Pour la première fois au monde, un statoréacteur hypersonique (scramjet engine) a été testé en vol.

Le moteur scramjet, ou, comme on dit, "à flux direct hypersonique" permettra de voler de Moscou à New York en 2 à 3 heures, de quitter la machine ailée de l'atmosphère vers l'espace. Un avion aérospatial n'aura pas besoin d'avion d'appoint, comme pour Zenger (voir MT, n° 1, 1991), ou d'un lanceur, comme pour les navettes et Bourane (voir MT n° 4, 1989), - livraison de fret en orbite coûtera presque dix fois moins cher. En Occident, de tels tests auront lieu au plus tôt dans trois ans…

Le moteur scramjet est capable d'accélérer l'avion à 15 - 25M (M est le nombre de Mach, dans ce cas, la vitesse du son dans l'air), tandis que les turboréacteurs les plus puissants, qui sont équipés d'avions civils et militaires modernes à ailes, ne sont que jusqu'à 3,5M. Cela ne fonctionne pas plus vite - la température de l'air, lorsque le débit dans l'admission d'air est décéléré, augmente tellement que le turbocompresseur n'est pas en mesure de le comprimer et de l'acheminer vers la chambre de combustion (CC). Il est possible, bien sûr, de renforcer le système de refroidissement et le compresseur, mais alors leurs dimensions et leur poids augmenteront tellement que les vitesses hypersoniques seront hors de question - pour décoller.

Un statoréacteur fonctionne sans compresseur - l'air devant la station de compression est comprimé en raison de sa pression à grande vitesse (Fig. 1). Le reste, en principe, est le même que pour un turboréacteur - les produits de combustion, s'échappant par la tuyère, accélèrent l'appareil.

L'idée d'un statoréacteur, alors pas encore hypersonique, a été avancée en 1907 par l'ingénieur français René Laurent. Mais ils ont construit un véritable "forward flow" bien plus tard. Ici, les spécialistes soviétiques étaient en tête.

Tout d'abord, en 1929, l'un des étudiants de N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (plus tard un académicien), a créé la théorie d'un moteur à réaction. Et puis, quatre ans plus tard, sous la houlette du designer Yu. A. Pobedonostsev au sein du GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), après des expérimentations sur le stand, le statoréacteur a d'abord été mis en vol.

Le moteur était logé dans la coque d'un canon de 76 mm et tiré du canon à une vitesse supersonique de 588 m / s. Les tests ont duré deux ans. Les projectiles avec un statoréacteur ont développé plus de 2M - pas un seul appareil au monde n'a volé plus vite à cette époque. Dans le même temps, les Girdovites ont proposé, construit et testé un modèle de statoréacteur à pulsations - son entrée d'air s'ouvrait et se fermait périodiquement, à la suite de quoi la combustion dans la chambre de combustion pulsait. Des moteurs similaires ont ensuite été utilisés en Allemagne sur des fusées FAU-1.

Les premiers gros statoréacteurs ont été à nouveau créés par les concepteurs soviétiques I. A. Merkulov en 1939 (moteur à statoréacteur subsonique) et M. M. Bondaryuk en 1944 (supersonique). Depuis les années 40, des travaux sur le « flux direct » ont commencé à l'Institut central des moteurs de l'aviation (CIAM).

Certains types d'avions, dont des missiles, étaient équipés de statoréacteurs supersoniques. Cependant, dans les années 50, il est devenu clair qu'avec des nombres M dépassant 6 - 7, le statoréacteur est inefficace. Encore une fois, comme dans le cas du turboréacteur, l'air qui était freiné devant la station de compression y est entré trop chaud. Cela n'avait pas de sens de compenser cela en augmentant la masse et les dimensions du statoréacteur. De plus, à haute température, les molécules de produits de combustion commencent à se dissocier, absorbant l'énergie destinée à créer une poussée.

C'est alors en 1957 qu'E. S. Shchetinkov, un scientifique célèbre, participant aux premiers essais en vol d'un statoréacteur, invente un moteur hypersonique. Un an plus tard, des publications sur des développements similaires sont apparues en Occident. La chambre de combustion scramjet commence presque immédiatement derrière l'entrée d'air, puis elle passe en douceur dans une buse en expansion (Fig. 2). Bien que l'air soit ralenti à l'entrée de celui-ci, contrairement aux moteurs précédents, il se déplace vers la station de compression, ou plutôt, se précipite à une vitesse supersonique. Par conséquent, sa pression sur les parois de la chambre et la température sont bien inférieures à celles d'un statoréacteur.

Un peu plus tard, un moteur scramjet à combustion externe a été proposé (Fig. 3) Dans un avion équipé d'un tel moteur, le carburant brûlera directement sous le fuselage, qui fera partie de la station de compression ouverte. Naturellement, la pression dans la zone de combustion sera inférieure à celle d'une chambre de combustion conventionnelle - la poussée du moteur diminuera légèrement. Mais le gain de poids se révélera - le moteur se débarrassera de la paroi extérieure massive de la station de compression et d'une partie du système de refroidissement. Certes, un "flux direct ouvert" fiable n'a pas encore été créé - son heure la plus belle viendra probablement au milieu du XXIe siècle.

Revenons cependant au moteur scramjet, qui a été testé à la veille de l'hiver dernier. Il était alimenté par de l'hydrogène liquide stocké dans un réservoir à une température d'environ 20 K (- 253°C). La combustion supersonique était peut-être le problème le plus difficile. L'hydrogène sera-t-il uniformément réparti sur la section de la chambre ? Aura-t-il le temps de s'éteindre complètement ? Comment organiser le contrôle automatique de la combustion ? - vous ne pouvez pas installer de capteurs dans une chambre, ils vont fondre.

Ni la modélisation mathématique sur des ordinateurs super puissants, ni les tests sur banc n'ont fourni de réponses complètes à de nombreuses questions. Soit dit en passant, pour simuler un flux d'air, par exemple, à 8M, le support nécessite une pression de centaines d'atmosphères et une température d'environ 2500 K - le métal liquide dans un four chaud à foyer ouvert est beaucoup plus "froid". À des vitesses encore plus élevées, les performances du moteur et de l'avion ne peuvent être vérifiées qu'en vol.

On le pense depuis longtemps tant dans notre pays qu'à l'étranger. Dans les années 60, les États-Unis préparaient des tests d'un moteur scramjet sur un avion-fusée à grande vitesse X-15, mais apparemment, ils n'ont jamais eu lieu.

Le moteur scramjet expérimental domestique a été fabriqué à double mode - à une vitesse de vol supérieure à 3M, il fonctionnait comme un "flux direct" ordinaire et après 5 - 6M - comme un moteur hypersonique. Pour cela, les lieux d'alimentation en carburant de la station de compression ont été modifiés. Le missile antiaérien, qui est retiré du service, est devenu l'accélérateur moteur et le transporteur du laboratoire volant hypersonique (HLL). Le GLL, qui comprend les systèmes de contrôle, les mesures et la communication avec le sol, un réservoir d'hydrogène et des unités de carburant, ont été amarrés aux compartiments du deuxième étage, où, après le retrait de l'ogive, le moteur principal (LRE) avec son carburant les chars sont restés. Le premier étage - boosters à poudre, - ayant dispersé la fusée dès le départ, s'est séparé au bout de quelques secondes.

Les tests au banc et la préparation du vol ont été effectués à l'Institut central des moteurs d'aviation PI Baranov, en collaboration avec l'Air Force, le bureau d'études de construction de machines Fakel, qui a transformé sa fusée en laboratoire volant, le bureau d'études Soyouz à Tuyev et le bureau d'études Temp à Moscou, qui fabriquait le moteur et le régulateur de carburant, et d'autres organisations. Les spécialistes de l'aviation bien connus R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov et V. A. Sosunov ont supervisé le programme.

Pour soutenir le vol, CIAM a créé un complexe mobile de ravitaillement en hydrogène liquide et un système embarqué d'approvisionnement en hydrogène liquide. Or, alors que l'hydrogène liquide est considéré comme l'un des combustibles les plus prometteurs, l'expérience de sa manipulation, accumulée au CIAM, peut être utile à beaucoup.

… La fusée a été lancée tard dans la soirée, il faisait déjà presque nuit. Quelques instants plus tard, le porteur "cône" a disparu dans les nuages bas. Il y eut un silence inattendu par rapport au grondement initial. Les testeurs qui ont regardé le départ ont même pensé: est-ce que tout s'est vraiment mal passé ? Non, l'appareil a continué sur sa trajectoire prévue. A la 38ème seconde, lorsque la vitesse atteint 3,5M, le moteur démarre, l'hydrogène commence à affluer dans le CC.

Mais le 62, l'inattendu se produit vraiment: l'arrêt automatique de l'alimentation en carburant est déclenché - le moteur scramjet s'arrête. Puis, vers la 195e seconde, il a redémarré automatiquement et a fonctionné jusqu'à la 200e… Il était auparavant déterminé comme la dernière seconde du vol. A ce moment, la fusée, alors qu'elle survolait encore le territoire du site d'essai, s'est autodétruite.

La vitesse maximale était de 6200 km/h (un peu plus de 5,2M). Le fonctionnement du moteur et de ses systèmes était surveillé par 250 capteurs embarqués. Les mesures ont été transmises par radiotélémétrie au sol.

Toutes les informations n'ont pas encore été traitées et une histoire plus détaillée sur le vol est prématurée. Mais il est déjà clair maintenant que dans quelques décennies les pilotes et les cosmonautes suivront le "flux avant hypersonique".

De l'éditeur. Des essais en vol de moteurs scramjet sur l'avion X-30 aux USA et sur l'Hytex en Allemagne sont prévus pour 1995 ou les prochaines années. Nos spécialistes pourraient, dans un futur proche, tester le « flux direct » à une vitesse de plus de 10M sur des missiles puissants, qui sont désormais retirés du service. Certes, ils sont dominés par un problème non résolu. Ni scientifique ni technique. Le CIAM n'a pas d'argent. Ils ne sont même pas disponibles pour les salaires à moitié mendiants des employés.

Et après? Aujourd'hui, il n'y a que quatre pays dans le monde qui ont un cycle complet de construction de moteurs d'avion - de la recherche fondamentale à la production de produits en série. Il s'agit des USA, de l'Angleterre, de la France et, pour l'instant, de la Russie. Il n'y en aurait donc plus à l'avenir - trois.

Les Américains investissent désormais des centaines de millions de dollars dans le programme scramjet…