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La conception des buses de fusées a longtemps été un facteur essentiel de l'efficacité de la propulsion, déterminant l'efficacité d'un moteur de fusées à convertir l'énergie thermique de combustion en énergie cinétique dirigée. Les buses traditionnelles en forme de cloches sont optimisées pour une seule altitude; elles fournissent des performances maximales au niveau de la mer ou sous vide, mais elles subissent des pertes importantes lorsqu'elles fonctionnent loin de leur point de conception.
Qu'est-ce qu'un aéroscie ?
Une buse d'aérospike est un type de buse de fusée qui utilise une pointe centrale conique (ou « plug ») pour former la limite intérieure du débit d'échappement en expansion, au lieu d'un mur de divergence solide comme une buse de cloche conventionnelle. La limite extérieure du panache d'échappement est libre de s'étendre contre l'atmosphère environnante. Cette géométrie auto-adaptée permet à la buse de régler efficacement son rapport d'expansion au fur et à mesure que la fusée monte, en maintenant des performances presque optimales du niveau de la mer au vide.
Il existe deux configurations primaires : l'aérospike linéaire et l'aérospike [annulaire (ou toroïdal) [. Dans un aérospike linéaire, l'échappement émerge d'une rangée de chambres de combustion le long de deux longues rampes, créant un panache rectangulaire. Ce dessin a été testé sur le moteur hybride à jet de fusées SR-71 Blackbirds et plus tard sur le démonstrateur suborbital NASA. L'aérospike annulaire, en revanche, utilise un pic central avec des chambres de combustion disposées en anneau autour de sa base. Le panache forme un rideau axisymétrique continu qui se déverse sur l'épi, générant une poussée dans les composants axiaux et radiaux. Les deux types partagent le même principe fondamental : l'atmosphère ambiante forme le bord extérieur de l'échappement, fournissant une compensation automatique de l'altitude.
Comment ça marche?
Pour comprendre la magie de l'aérospike, il faut d'abord saisir le concept de rapport d'expansion de la buse de sortie par rapport à la zone de gorge. Une buse de cloche conçue pour l'opération au niveau de la mer a une petite zone d'évacuation pour éviter la surexpansion, ce qui peut causer la séparation du débit et la perte de poussée.
L'aérospike freine ce compromis en supprimant la section de divergence physique. Au lieu de cela, le gaz d'échappement en expansion --sait une section virtuelle divergente formée par le pic central et l'air ambiant. À basse altitude, la haute pression atmosphérique presse le panache radialement vers l'intérieur, réduisant son rapport d'expansion effectif.
Ce comportement adaptatif est souvent comparé à la façon dont un train de choc s'ajuste à l'intérieur d'un diffuseur supersonique. Le débit d'échappement à la base de l'épi est supersonique; l'air environnant agit comme une paroi déformable. Au niveau de la mer, la pression ambiante est suffisamment élevée pour que le panache s'attache à la surface de l'épi et s'en sort à une zone d'écoulement relativement petite. À l'altitude, la pression ambiante plus faible permet au panache de s'éloigner légèrement plus tôt de l'épi, formant ainsi une limite libre qui s'étend sans heurt.
Une autre nuance importante est la réduction de la pénalité de traînée de base. Dans une buse de cloche, la grande base du moteur contribue à la traînée aérodynamique, en particulier pendant le vol transonique. Un modèle d'aérospike annulaire rend la base du moteur très petite – essentiellement le diamètre de l'extrémité de la pointe – réduisant sensiblement la traînée de base.
Avantages des buses d'aérospike
Indemnisation en cas d ' alternance
Le plus important avantage est la capacité de maintenir une efficacité élevée du niveau de la mer à l'espace. Alors qu'une lance à cloche perd jusqu'à 15 à 20 % de son impulsion spécifique en fonction de son altitude de conception, un aérospike perd généralement moins de 5 %. Cela signifie qu'un véhicule utilisant des moteurs à aérospike peut atteindre la même charge utile avec une fraction de masse sensiblement moins propulsive, ou peut transporter une charge utile plus lourde pour la même charge de carburant.
Impulsion spécifique améliorée
Un aérospike bien conçu peut atteindre une impulsion spécifique vacuum comparable à une buse de cloche à grande zone tout en offrant des performances beaucoup plus élevées au niveau de la mer. Par exemple, l'aérospike linéaire testé dans le programme X-33 a démontré un niveau de mer I[sp de plus de 400 secondes – bien au-dessus des ~350 secondes typiques des buses de cloche du premier étage.
Réduction du poids
Comme l'aérospike élimine la partie longue et lourde divergente d'une buse de cloche, l'ensemble du moteur peut être plus léger. Dans un grand booster, la buse peut représenter une partie importante de la masse du moteur.
Longueur réduite du véhicule
Les buses de la bille s'étendent vers l'arrière du moteur, augmentant la longueur totale du lanceur. Une buse d'aérospike, en particulier en configuration annulaire, peut être encastrée dans la base du véhicule, ce qui rend la fusée plus courte et structurellement plus rigide.
Économies potentielles en coûts et en fabrication
Si les moteurs à aérospike sont historiquement plus complexes à fabriquer en raison de canaux de refroidissement complexes et des exigences de fermeture, les progrès dans la fabrication additive et la pression isostatique à chaud réduisent ces coûts. La conception générale plus simple du moteur – avec éventuellement moins de composants turbomachines si intégrés dans un cycle de combustion en circuit complet – pourrait en fin de compte réduire les coûts de production.
Défis et obstacles techniques
Gestion thermique
La pointe centrale de l'aérospike et, dans la conception linéaire, les surfaces de la rampe doivent résister à d'énormes flux de chaleur provenant du flux de réaction supersonique. À l'extrémité de la pointe de la pointe de la pointe de la pointe, la température de stagnation peut dépasser 3000 °C, nécessitant des techniques de refroidissement avancées. Le refroidissement régénératif, où le propergol se répand dans les canaux de la pointe avant l'injection, est l'approche standard, mais la fabrication de ces canaux en forme de pointe est beaucoup plus difficile que dans une simple buse de cloche.
Stabilité de la combustion
Les chambres de combustion toroïdales ou linéaires alimentant l'aérospike ont une acoustique inhabituelle par rapport aux chambres cylindriques d'un moteur conventionnel. Les oscillations de combustion peuvent être difficiles à amortir, surtout lorsque plusieurs chambres poussent les gaz d'échappement dans un circuit d'écoulement commun.
Complexité de fabrication
La production d'un grand pic annulaire avec des tolérances serrées et des passages de refroidissement complexes est coûteuse. L'aérospike linéaire est un peu plus simple parce qu'il se compose essentiellement de deux rampes plates, mais ces rampes doivent être extrêmement longues pour atteindre l'expansion souhaitée, et l'étanchéité entre la rampe et les parois latérales devient un défi.
Débit de base et charges latérales
À certaines altitudes transitoires, le panache peut osciller entre le débit attaché et le débit détaché sur la pointe, générant des forces latérales qui peuvent stresser la structure du moteur ou du véhicule. Les charges latérales sont un problème bien connu dans les buses de cloches près du démarrage du niveau de la mer, mais le champ de débit plus complexe aerospike , peut produire des charges transitoires inattendues.
Inefficacité à très haute altitude
Alors que l'aérospike compense la plupart de la trajectoire, à des altitudes extrêmes (au-dessus de ~100 km), l'expansion du panache devient essentiellement libre et la pointe ne fournit que des conseils limités. La paroi de buse virtuelle disparaît, et le débit s'étend latéralement, perdant un certain contrôle directionnel. Cependant, à ce point, le véhicule voyage déjà à grande vitesse, et les pertes sont mineures par rapport aux gains plus bas dans l'atmosphère.
Évolution historique
Le concept de buses de compensation d'altitude remonte aux années 1950, mais l'aérospike a reçu son premier financement sérieux au cours des années 1960 dans le cadre des efforts de la US Air Force pour construire un véhicule monophasé à orbite (SSTO).Dans les années 1970, Rocketdyne a effectué de vastes essais au sol sur un moteur d'aérospike à demi-échelle toroïdal dans le cadre d'un programme connu sous le nom d'étude de la technologie avancée des moteurs de fusées (ARET).
Le programme de vol le plus célèbre aérospike a peut-être été le NASA X-33 / VentureStar. Lockheed Martin, avec Rocketdyne comme entrepreneur moteur, a construit le véhicule de test suborbital à l'échelle 1:2, alimenté par deux moteurs d'aérospike linéaire XRS-2200. Chaque moteur a produit plus de 600 000 livres de poussée au niveau de la mer. Cependant, les dépassements budgétaires et les problèmes techniques – surtout avec le réservoir d'hydrogène liquide composite léger – ont conduit à l'annulation du programme en 2001 avant tout test en vol. Néanmoins, les moteurs X-33="s ont été largement mis au feu au sol au Centre spatial de Stennis de la NASA, validant la conception d'aérospike linéaire à pleine échelle.
En Europe, ESA et le Centre aérospatiale allemand (DLR) ont étudié des moteurs aérospike plus petits pour des applications supérieures, et au Japon, l'Institut de science spatiale et astronautique (ISAS) a testé un petit aérospike annulaire en 2003 sur une fusée à sondage (le S-520-25). Ce vol a démontré la faisabilité d'un aérospike à l'échelle de vol fonctionnant dans des conditions atmosphériques réelles, atteignant une altitude de 220 km.
Recherche actuelle et perspectives d'avenir
Développements de l'industrie privée
Plusieurs entreprises privées font maintenant avancer la technologie de l'aérospike vers une utilisation opérationnelle. Frefly Aerospace a initialement prévu d'utiliser un moteur d'aérospike (l'Alpha 1) sur son lanceur Firefly Alpha, mais a ensuite opté pour une buse de cloche conventionnelle en raison des coûts de développement. Cependant, elles ont conservé un concept d'aérospike annulaire pour une étape supérieure future. ARCA Space[ (Roumanie) a piloté un petit moteur d'aérospike sur un véhicule d'essai appelé LASER (Low Altitude Shaped Explosion Rocket), qui a utilisé une buse d'aérospike pour démontrer une compensation d'altitude jusqu'à 30 km. ARCA continue de développer des moteurs plus gros pour leur projet de lancement EcoRocket.
En Chine et en Inde, des moteurs aérospike sont testés en laboratoire, avec des appareils India.ISRO explorant une buse aérospike pour un démonstrateur réutilisable de lanceurs. La fabrication additive (3D) permet une itération rapide des géométries de pointe, permettant des essais approfondis des conceptions de refroidissement et des caractéristiques de débit à faible coût.
Applications dans les systèmes de lancement réutilisables
Une première étape entièrement réutilisable qui revient sur Terre en utilisant un atterrissage propulsif bénéficierait d'une compensation d'altitude tant pendant l'ascension que lors de la descente. Certains concepts pour la prochaine génération de fusées lourdes et entièrement réutilisables (par exemple, SpaceX Starship utilise actuellement une buse conventionnelle, mais des concepts antérieurs considérés comme un aérospike annulaire) pourraient intégrer des moteurs aérospike pour augmenter les marges de performance.
Potentiel de mono-étage à orbit
Le sacré Graal de propulsion de fusées, un véhicule qui peut atteindre l'orbite sans se mettre en marche, exige un moteur avec des performances exceptionnelles à toutes les altitudes. L'aérospike est souvent cité comme le seul concept de buse existant qui peut fournir le profil d'impulsion spécifique nécessaire pour un SSTO.
Intégration avec les cycles de propulsion avancés
Les futurs moteurs à aérospike peuvent être jumelés avec des cycles de combustion à flux plein, qui fonctionnent à la fois des préchauffeurs riches en carburant et des préchauffeurs riches en oxydants pour conduire des turbopompes séparées. Ce cycle offre déjà une efficacité élevée et des températures basses de turbine, et le combiner avec une buse à aérospike pourrait produire le moteur de fusée chimique le plus efficace jamais construit.
Comparaison avec d'autres concepts de buse
Buses à double-belle
Une buse à double hélice a deux contours d'expansion fixes : un contour de basse altitude et un contour de haute altitude, avec une zone d'inflexion lisse qui déclenche une séparation de débit axisymétrique à une altitude prédéterminée. Bien que plus simple qu'un aérospike, la bielle offre une certaine efficacité dans la région de transition et ne peut s'adapter en continu.
Élargissement/Extendible Buse
Les buses extensibles mécaniquement utilisent une section télescopage qui se déploie à altitude pour augmenter le rapport d'expansion. Celles-ci ajoutent des éléments mobiles, des modes de masse et de défaillance potentielle. L'aérospike évite toutes les pièces mobiles, ce qui rend intrinsèquement plus fiable, bien que la charge thermique sur la pointe soit une préoccupation de fiabilité différente.
Boutons de prise
La buse de prise est un autre concept de compensation d'altitude où le débit s'étend sur une prise centrale semblable à un aérospike. En fait, "aerospike" et "buse de prise" sont parfois utilisés de façon interchangeable. A proprement parler, un aérospike utilise un pic tronqué qui permet au panache de s'écouler autour de la base, tandis qu'un buse de prise pleine longueur utilise un cône plus long.
Conclusion
La buse d'aérospike représente l'un des rares fruits encore à faible pente dans la propulsion des fusées chimiques, principe physique bien compris qui n'a pas encore été pleinement exploité dans les lanceurs opérationnels. Sa capacité à maintenir une impulsion spécifique élevée sur toute l'enveloppe de vol, combinée à des économies de poids et de traînées potentielles, en fait un choix convaincant pour les moteurs de fusées de la prochaine génération.Les principaux obstacles – la complexité du refroidissement, le coût de fabrication et la stabilité de la combustion – sont progressivement érodés par les progrès de la modélisation informatique, de la fabrication additive et des matériaux à haute température.
Pour les lecteurs intéressés par des détails techniques plus détaillés, les ressources suivantes fournissent un excellent contexte : NASA X-33 Linear Aerospike Engine Fact Sheet[, AIAA paper on annular aerospike performance[, et FAA Aerospike Buzzle Study (2009).