Le rôle de la perturbation de la buse dans la performance du moteur dans les conditions atmosphériques variables

Pour les systèmes de propulsion allant des turbofans d'aéronef aux moteurs à fusée, la buse sert d'élément de commande final pour l'expansion des gaz d'échappement. La forme spécifique de cette buse—son contour—détermine l'efficacité du moteur à convertir l'énergie thermique et de pression en poussée. La compréhension du contour de la buse est donc centrale à toute discussion sérieuse sur l'optimisation du moteur, en particulier lorsque le moteur doit fonctionner dans une grande variété de conditions atmosphériques.

Le contournage de la buse n'est pas un paramètre unique, mais une famille de choix de conception : la courbure de la section convergente, le rayon de gorge, l'angle de divergence et le rapport de surface de sortie. Chacune de ces dimensions affecte le comportement du panache d'échappement et, par conséquent, la force de propulsion nette fournie au véhicule. Lorsque les conditions atmosphériques changent, la même buse peut passer d'une expansion quasi-idéale à un écoulement surchargé ou sous-expansé, avec des pénalités directes en poussée et efficacité.

Buse Contournant les fondamentaux

Le contour de la buse désigne la façon dont le flux interne par laquelle les gaz d'échappement accélèrent de la chambre de combustion au plan de sortie. Dans sa forme la plus élémentaire, une buse consiste en une section convergente qui accélère le flux subsonique à la vitesse sonore à la gorge, suivie d'une section divergente qui accélère le flux à des vitesses supersoniques. Le contour des sections convergentes et divergentes peut être modifié pour influencer le champ de flux, le développement de la couche limite et la structure des chocs.

Les contours sont généralement décrits par leur rapport de surface et le profil de la surface de sortie et du profil de la surface de la gorge et du profil de la paroi divergente, et par la forme spécifique de la paroi divergente, qui peut être conique, en forme de cloche ou profilée avec un profil parabolique ou de type Rao. Chaque type de contour produit une distribution différente de la pression statique le long de la paroi de la buse et un profil de vitesse différent à la sortie.

Pour une pression et une température de la chambre de combustion donnée, le contour détermine si les gaz d'échappement s'élargissent pour correspondre exactement à la contre-pression ambiante, si les sur-allongements (pression de sortie inférieure à la pression ambiante) ou si les sous-allongements (pression de sortie supérieure à la pression ambiante) sont supérieurs à la pression ambiante.

Géométrie de la buse convergente-divergence

La buse convergente-divergence (CD) est l'architecture canonique pour les débits d'échappement supersoniques. La section convergente accélère le flux de vitesse subsonique à sonique à la gorge, où le nombre de Mach est égal à un. La section divergente accélère ensuite le flux vers les vitesses supersoniques. Pour les moteurs à fusée fonctionnant sous vide ou près de vide, un rapport de grande surface est souhaitable pour maximiser l'expansion.

Les buses coniques sont simples à fabriquer mais entraînent des pertes de divergence, car le débit n'est pas parfaitement axial à la sortie. Les buses en forme de cloche, également appelées buses contournées, utilisent un profil mural courbé qui tourne le débit plus progressivement près de la gorge et plus fortement près de la sortie, réduisant ainsi l'angle de divergence et les pertes qui y sont associées. La buse Rao, développée par G.V.R. Rao dans les années 1950, est un contour de cloche spécifique optimisé pour une poussée maximale à une longueur et une zone données.

Effets de la couche de démarcation et contour du mur

Un contour lisse et en expansion progressive minimise les gradients de pression défavorables et retarde le début de la séparation turbulente. En revanche, des changements brusques de courbure peuvent créer des ondes de choc locales qui épaississent la couche limite et peuvent entraîner une séparation du débit, réduisant ainsi la surface de sortie et la poussée efficaces. Les études de la dynamique des fluides computationnels (CFD) ont montré que les contours optimisés peuvent réduire l'épaisseur de déplacement de la couche limite de 15 à 20 pour cent par rapport à des conceptions coniques simples, traduisant directement en impulsion spécifique plus élevée.

La physique de l'expansion : sur-expansion, sous-expansion et expansion idéale

Le concept central de la performance de la buse est l'appariement de la pression de sortie de l'échappement à la pression statique ambiante. Lorsque ces deux pressions sont égales, le panache de l'échappement est idéalement élargi. Le coefficient de poussée atteint son maximum théorique, et aucune énergie n'est gaspillée dans la compression ou l'expansion ultérieure des gaz d'échappement après avoir quitté la buse.

Lorsque la pression de sortie est inférieure à la pression ambiante, le débit est surchargé. Dans cette condition, la pression ambiante pousse vers l'intérieur du panache d'échappement, créant des ondes de choc obliques qui compressent le débit vers la pression ambiante.Ces chocs représentent une perte d'énergie cinétique, réduisant la poussée. À une surexpansion suffisamment élevée, le gradient de pression défavorable peut faire que le débit se sépare de la paroi de la buse, phénomène connu sous le nom de séparation ou de « séparation du débit ». La séparation s'accompagne d'une chute soudaine de poussée et peut produire des charges latérales dangereuses qui contraintent la structure de la buse.

Lorsque la pression de sortie est supérieure à la pression ambiante, le débit est sous-extensif. Le panache d'échappement continue de s'étendre après avoir quitté la buse, en tournant vers l'extérieur par les ventilateurs d'expansion. Cette expansion ne génère pas de poussée supplémentaire parce que les forces de pression agissent sur le champ d'écoulement externe, et non sur la paroi de la buse.

Le contour de la buse détermine le rapport de surface qui détermine la pression de sortie pour une pression de chambre donnée. Une buse conçue pour fonctionner à haute altitude a un rapport de surface important pour correspondre à une basse pression ambiante. La même buse au niveau de la mer sera sur-expandée, potentiellement jusqu'au point de séparation. Inversement, une buse de niveau de la mer utilisée à haute altitude sera sous-expandée. L'art du contour de la buse consiste à choisir une géométrie qui minimise la pénalité de performance dans les conditions d'exploitation prévues, ou à concevoir des contours adaptatifs qui peuvent changer de forme en vol.

Mesure de performance: poussée, impulsion spécifique et coefficient de poussée

Le contour de la buse affecte trois paramètres de performance primaires : poussée, impulsion spécifique (Isp) et coefficient de poussée (Cf). La poussée est la force nette produite par le moteur, égale à la somme du flux de momentance au plan de sortie et du terme zone de pression. L'impulsion spécifique est la poussée par unité de masse débit de propulseur, une mesure de l'efficacité. Le coefficient de poussée est la poussée normalisée par la pression de la chambre et la zone de gorge, isolant la contribution de la buse à la performance.

Optimisation de la poussée grâce au design de Contour

La poussée générée par une buse est donnée par l'équation F = m dot * Ve + (Pe - Pa) * Ae, où m dot est le débit massique, Ve est la vitesse de sortie, Pe est la pression de sortie, Pa est la pression ambiante, et Ae est la zone de sortie. Le contour de la buse affecte principalement Ve et Pe. Une buse bien tournée produit une vitesse de sortie plus élevée pour le même rapport de pression, principalement en réduisant les pertes de divergence et en maintenant un profil de débit plus uniforme à la sortie.

Les contours de la cloche atteignent généralement des coefficients de poussée de 0,5 à 1,5 pour cent plus élevés que les buses coniques du même rapport de surface et de la même longueur. Bien que cet accroissement puisse sembler faible, dans un moteur à fusée produisant des millions de livres de poussée, une amélioration de 1 pour cent se traduit par des dizaines de milliers de livres de poussée supplémentaire, ou équivalent, une réduction significative de la masse de propergol pour la même charge utile.

Pour les moteurs à air respirant tels que les turbofans et les ramjets, le contour de la turbine influe également sur la poussée en influençant la contre-pression de la turbine. Une buse surchargée augmente la pression de sortie de la turbine, ce qui peut réduire le rapport de pression à travers la turbine et diminuer la puissance disponible pour le compresseur.

Efficacité spécifique de l'impulsion et du propulseur

Pour une combinaison de propergol et de pression de chambre donnée, l'impulsion spécifique maximale réalisable est déterminée par le rapport d'expansion et la qualité de contour de la buse. Pertes de divergence, pertes de couche limite et effets de débit non-équilibre réduisent tous Isp en dessous de la valeur théorique unidimensionnelle.

Par exemple, une buse en rotation Rao fonctionnant à son rapport de pression de conception peut atteindre une impulsion spécifique dans un rayon de 0,2 % du maximum théorique pour une expansion parfaite, après avoir tenu compte de la divergence et du frottement. Les buses coniques, selon le demi-angle, fonctionnent généralement de 1 à 2 % sous la valeur théorique.

Coefficient de poussée et distribution de pression

Le coefficient de poussée est un paramètre sans dimension qui capte l'efficacité de la buse indépendamment des conditions de chambre. Il dépend uniquement du rapport de surface, du rapport de chaleur spécifique des gaz d'échappement et du rapport de pression à travers la buse. Le contour de la buse influence le coefficient de poussée par son effet sur la distribution de la pression de sortie et l'angle de divergence.

Pour un rapport de surface fixe, un contour de cloche produit un coefficient de poussée plus élevé qu'un contour conique parce que le débit à la sortie est plus axial. La composante radiale de la vitesse est minimale, de sorte que le flux de poussée dans la direction axiale est maximisé. Les données des essais statiques des moteurs à fusées liquides montrent que remplacer une buse conique par une buse conique de même longueur et rapport de surface augmente le coefficient de poussée d'environ 1,0 à 1,2 pour cent dans une gamme de rapports de pression.

Effets atmosphériques sur la performance du buse

Les conditions atmosphériques ne sont pas statiques, elles varient selon l'altitude, la latitude, la saison et les conditions météorologiques. La température, la pression et l'humidité affectent toutes la contre-pression ambiante contre laquelle la buse doit fonctionner.

Altitude et pression ambiante

La pression ambiante diminue monotoniquement avec l'altitude. Au niveau de la mer, la pression atmosphérique standard est de 101,3 kPa. A 10 000 mètres (environ 33 000 pieds), la pression tombe à environ 26,5 kPa. À 30 000 mètres, la pression n'est qu'environ 1,2 kPa et à 100 kilomètres, le bord de l'espace, la pression est effectivement nulle.

Une buse conçue pour fonctionner au niveau de la mer sera progressivement sous-expansée à mesure que l'altitude augmente. La pression de sortie reste constante (fixée par le rapport de surface et la pression de la chambre), mais la pression ambiante diminue, de sorte que le terme de zone de pression (Pe - Pa) * Ae devient de plus en plus positif, ajoutant à la poussée.

Cependant, le contour de la buse qui est optimal pour le niveau de la mer n'est pas optimal pour le vide. Une buse conçue pour le fonctionnement sous vide a un rapport de surface beaucoup plus grand, ce qui causerait une sur-expansion sévère et une possible séparation du débit au niveau de la mer. Les véhicules de lancement utilisent donc souvent un contour de la buse qui est un compromis, ou ils utilisent des buses de compensation d'altitude qui changent la géométrie pendant le vol. Le moteur principal de la navette spatiale a utilisé une buse de rapport de surface qui a fonctionné sur-débordement au niveau de la mer mais a été conçu pour gérer la séparation du débit résultant sans dommages structurels.

Effets de la température sur les propriétés du gaz

Une température ambiante plus élevée signifie une densité d'air plus faible à la même pression, réduisant le débit massique à travers le moteur et réduisant ainsi la poussée. Pour les moteurs à fusées, la température ambiante a un effet direct négligeable sur le débit de la buse interne, car la température de la chambre de combustion est généralement de plusieurs milliers de degrés. Cependant, la température ambiante peut affecter le refroidissement de la structure de la buse et les performances de tout mélange d'échappement de turbine qui se produit en aval de la sortie de la buse.

Pour les moteurs d'avion supersoniques, la température de l'entrée augmente avec le nombre de Mach en raison de la compression de la ram. Ce chauffage réduit la densité de l'air entrant dans le moteur et peut pousser le compresseur vers ses limites de température. Le contour de la buse doit être coordonné avec la conception de l'entrée et du compresseur pour s'assurer que le moteur fonctionne à son rapport de pression prévu à travers l'enveloppe de vol.

Humidité et chimie des gaz d'échappement

L'humidité, ou la teneur en vapeur d'eau de l'air ambiant, a un effet petit mais mesurable sur la performance de la buse pour les moteurs à respiration d'air. La vapeur d'eau a un poids moléculaire inférieur à l'air sec, de sorte que l'air humide est moins dense que l'air sec à la même température et pression.

Dans les moteurs à fusées solides, l'humidité de l'air peut réagir avec des produits d'échappement tels que le chlorure d'hydrogène et l'oxyde d'aluminium, modifiant la chimie du panache et le transfert de chaleur vers la paroi de la buse. Ces effets sont secondaires à l'influence primaire de la pression ambiante, mais ils peuvent devenir importants dans la conception détaillée du refroidissement de la buse et de la signature du panache.

Contournement de la buse pour des applications spécifiques

Un booster de première étape doit fonctionner du niveau de la mer à la haute altitude, un moteur de deuxième étape fonctionne principalement sous vide, un moteur d'aéronef doit fonctionner à une large gamme de vitesses et d'altitudes, et un moteur de missile peut devoir fonctionner à une accélération extrêmement élevée et pendant une courte durée de combustion.

Buses de moteur de fusée: Boosters et étages supérieurs

Les moteurs à fusées à étage booster sont confrontés au défi de conception le plus exigeant : ils doivent fonctionner efficacement sur toute la gamme d'altitudes, du niveau de la mer au niveau de l'étape, généralement de 60 à 80 kilomètres. Le contour de la buse doit être un compromis qui minimise la perte de performance intégrée sur la trajectoire. De nombreux boosters utilisent une buse avec un rapport de surface modéré (environ 20:1 à 30:1) qui est légèrement sous-expansé au niveau de la mer et devient de plus en plus sous-expansé à mesure que l'altitude augmente.

Les moteurs de niveau supérieur fonctionnent presque exclusivement sous vide ou près du vide, de sorte que leurs buses peuvent être optimisées pour un rapport d'expansion maximal. Les rapports de surface de 100:1 ou plus sont communs aux moteurs de niveau supérieur. Le contour de la buse est conçu pour minimiser les pertes de divergence et la croissance de la couche limite, avec une attention particulière à la grande extension à paroi mince qui porte le flux vers le plan de sortie. Le moteur RL10, utilisé sur l'étage supérieur Centaur, a un rapport de surface de 130:1 et utilise un contour de cloche qui atteint une impulsion spécifique de plus de 460 secondes dans le vide.

Buses de moteurs d'aéronefs et de brise-air

Les moteurs d'aéronef fonctionnent généralement à des rapports de pression de buse inférieurs à ceux des moteurs de fusées et de la mdash; généralement de la gamme 2:1 à 10:1 pour le vol subsonique et jusqu'à 30:1 pour le vol supersonique. Le contour de la buse doit être conçu pour éviter la séparation du débit à l'extrémité inférieure de la plage de fonctionnement tout en offrant une bonne efficacité d'expansion à l'extrémité supérieure.

Les buses de convergent sont suffisantes pour les avions subsoniques car le débit à la sortie de la buse reste subsonique. La section convergente est relativement simple, se concentrant sur l'accélération lisse et la répartition uniforme de la vitesse de sortie. Pour les avions supersoniques et les moteurs de post-brûlage, une buse convergente est nécessaire. La section divergente doit être contournée pour gérer le débit supersonique, et la zone de gorge doit être variable pour tenir compte du débit de masse changeant lorsque le brûleur est enclenché.

Le moteur F135 qui alimente le chasseur F-35 utilise une buse de poussée vectorielle avec un contour complexe qui permet à la fois le tangage et le vecteur lacet tout en maintenant une expansion efficace sur une large gamme de rapports de pression. La buse intègre une zone de sortie variable et une section divergente contournée qui peut résister à des températures de gaz supérieures à 1800 K tout en produisant 40 000 livres de poussée.

Systèmes de propulsion des missiles et des engins tactiques

Les moteurs de missiles fonctionnent souvent dans des conditions extrêmes : accélération élevée, temps de combustion court et charges thermiques et structurelles sévères. Le contour de la buse doit être suffisamment robuste pour survivre à ces conditions tout en offrant des performances acceptables.

Pour les missiles lancés par l'air qui fonctionnent sur une large plage d'altitude, le contour de la buse doit être conçu pour l'altitude de l'engagement la plus probable, en acceptant des performances hors-conception à d'autres altitudes.

Concepts de buse adaptatifs et de compensation d'altitude

La buse idéale changerait son contour en vol pour maintenir une expansion optimale à chaque altitude. Plusieurs concepts ont été développés pour y parvenir, bien que peu aient atteint le service de production. La buse d'aérospike la plus connue est la buse extensible et la buse à double cloche.

La buse d'Aerospike

L'aérospike, ou buse de prise, remplace le contour conventionnel de la cloche par une prise centrale formant un côté de la surface de dilatation. Le gaz d'échappement s'étend le long de la surface de la prise et est limité de l'autre côté par l'atmosphère ambiante. Lorsque la pression ambiante diminue avec l'altitude, le panache de l'échappement s'étend plus loin le long de la prise, augmentant ainsi le rapport de dilatation automatiquement.

Les moteurs Aerospike ont été testés de façon intensive, y compris le moteur linéaire Aerospike développé pour le programme X-33. L'avantage de performance sur une buse de cloche conventionnelle est le plus prononcé dans la région du niveau de la mer à environ 30 kilomètres, où l'aerospike peut fournir 2 à 5 pour cent plus d'impulsion spécifique.

Double-Bell et Buses extensibles

La buse à double ampoule comporte deux sections distinctes : une section inférieure optimisée pour le fonctionnement au niveau de la mer et une section supérieure optimisée pour le fonctionnement à altitude. À basse altitude, le débit se sépare à la transition entre les deux sections, et la buse se comporte comme une buse à plus petite zone. À mesure que la pression ambiante diminue, le point de séparation se déplace vers l'aval jusqu'à ce que le débit se fixe au contour complet, et la buse fonctionne comme une buse à plus grande zone.

Le concept de double cloche offre une compensation d'altitude en deux étapes discrète sans parties mobiles. L'altitude de transition peut être réglée en ajustant la géométrie du contour au point d'inflexion. Les essais ont montré que les buses à double cloche peuvent obtenir des améliorations d'impulsion spécifiques de 1 à 3 pour cent sur un contour fixe sur une trajectoire de lancement typique.

Les buses extensibles utilisent une section mobile qui s'étend ou se rétracte pour changer le rapport de surface. Le moteur RL10B-2, utilisé sur l'étage supérieur Delta IV, déploie une extension de buse carbon-carbone extensible qui augmente le rapport de surface de 85:1 à 130:1 après la séparation de phase.

Conception et optimisation calculatives des contours de la buse

La conception moderne du contour de la buse repose fortement sur la dynamique des fluides informatiques (CFD) et les méthodes d'optimisation numérique. L'espace de conception est multidimensionnel : rapport de surface, longueur, distribution de courbure murale, rayon de gorge et angle de divergence. CFD permet aux ingénieurs d'explorer systématiquement ces interactions et d'optimiser le contour pour un profil de mission spécifique.

Les simulations de Navier-Stokes (RANS) moyennes de Reynolds sont le cheval de travail de l'optimisation du contour de la buse, fournissant des prédictions précises de la distribution de la pression de paroi, du développement de la couche limite et de la structure de choc à un coût calculable gérable.

Les algorithmes d'optimisation, y compris les méthodes basées sur le gradient et les algorithmes génétiques, sont utilisés pour trouver le contour qui maximise le coefficient de poussée ou l'impulsion spécifique pour un ensemble donné de contraintes. L'optimisation comprend généralement des contraintes sur la longueur de buse, le poids, la capacité de refroidissement et la résistance structurelle.

L'utilisation de l'apprentissage machine pour l'optimisation du contour des buses est une tendance émergente. Les réseaux neuraux peuvent être formés sur des ensembles de données CFD pour prédire les mesures de performance pour les contours arbitraires, permettant une exploration rapide de l'espace de conception.

Matériaux et considérations de fabrication

Le contour de la buse n'est pas seulement un exercice de conception aérodynamique; il est également un défi de fabrication et de matériaux. La buse doit résister aux températures extrêmes, aux pressions élevées et parfois aux gaz d'échappement corrosifs. Le contour doit être fabriqué de façon à obtenir des tolérances serrées pour atteindre le champ de débit prévu.

Les alliages à haute température comme Inconel 718 et Haynes 230 sont couramment utilisés pour la construction de buses. Pour les applications à haute température, comme la région de gorge des moteurs à fusées solides, les composites carbone-carbone et les composites céramiques à matrice sont utilisés.

La fabrication additive, ou impression 3D, ouvre de nouvelles possibilités pour le contourage de la buse. Des canaux de refroidissement internes complexes, une épaisseur de paroi variable et des contours qui seraient impossibles à usiner conventionnellement peuvent être produits par fusion de lit de poudre laser ou fusion de faisceau d'électrons. Le moteur RL10C-3 utilise un contour de buse fabriqué additivement qui intègre des canaux de refroidissement intégrés et réduit le nombre de pièces par rapport à l'assemblage soudé précédent.

Pour les gros moteurs de booster dont le diamètre de sortie de la buse dépasse 2 mètres, le maintien de ces tolérances sur le contour complet exige un usinage de précision et un contrôle de qualité minutieux. Les écarts par rapport au contour prévu peuvent entraîner des changements dans le vecteur de poussée et des réductions de performance difficiles à prévoir sans analyse détaillée de CFD.

Essai et validation des contours de la buse

Aucune conception de contour de buse n'est complète sans validation expérimentale. Des essais statiques au niveau de la mer et des conditions d'altitude simulées sont utilisés pour mesurer la poussée, l'impulsion spécifique, la distribution de la pression de paroi et les vitesses de transfert de chaleur.

Lors des essais au niveau de la mer de buses conçues pour le fonctionnement en altitude, le débit est surchargé et l'essai doit tenir compte de la possibilité de séparation du débit et des charges latérales. L'instrumentation, y compris les capteurs de pression à haute fréquence et les jauges de contrainte, est utilisée pour surveiller le début et le comportement de la séparation.

Les données télémétriques des lanceurs et des aéronefs sont utilisées pour reconstruire la poussée réelle et l'impulsion spécifique livrée en vol, qui peuvent ensuite être comparées aux prédictions des modèles de conception de contour. Les différences sont réintégrées dans le processus de conception pour améliorer les buses futures.

Conclusion

Le contour de la buse est un facteur critique de la performance du moteur, avec des impacts directs et quantifiables sur la poussée, l'impulsion spécifique et l'efficacité du propulseur. Le contour détermine comment les gaz d'échappement s'étendent de la pression de la chambre à la contre-pression ambiante, et tout écart entre l'état de conception et l'état de fonctionnement réel entraîne une pénalité de performance.

La physique du contour de buse est bien comprise, et les outils informatiques modernes permettent aux ingénieurs de concevoir des contours qui approchent le rendement maximal théorique pour un rapport de surface et une longueur donnée. Les concepts de buse adaptative comme l'aérospike et la bi-belle offrent la promesse d'autres améliorations en ajustant automatiquement le rapport d'expansion pour correspondre aux conditions ambiantes.

Pour les ingénieurs qui travaillent sur les systèmes de propulsion, il est essentiel de bien comprendre les principes de contour des buses. Le choix du contour affecte non seulement les performances du moteur, mais aussi sa conception structurelle, ses exigences en matière de refroidissement et sa fabrication.

Pour plus de détails, consultez les travaux de Sutton et Biblarz sur les fondamentaux de la propulsion des fusées, les rapports techniques de la NASA sur l'optimisation du contour des buses disponibles par l'intermédiaire du serveur de rapports techniques de la NASA et les documents de l'AIAA sur les concepts de buses adaptatives présentés lors des conférences annuelles de propulsion.