Comprendre les Ramjets

Les ramjets sont une classe de moteurs à réaction à respiration d'air qui n'ont ni compresseur ni turbine en mouvement, en se basant entièrement sur le mouvement avant du véhicule pour comprimer l'air entrant. Cette conception les rend intrinsèquement simples et légers par rapport aux turbojets ou turbofans. À des vitesses subsoniques, les ramjets sont inefficaces parce qu'il y a une pression dynamique insuffisante pour comprimer l'air, mais aux vitesses supersoniques et hypersoniques, ils deviennent très efficaces.

Dans un ramjet, l'air entre dans l'entrée et est ralenti (comprimé) par une série d'ondes de choc avant d'entrer dans la chambre de combustion. Le carburant est injecté et brûlé, et le gaz chaud qui en résulte se développe par une buse pour produire de la poussée. Parce que le moteur utilise l'oxygène atmosphérique comme oxydant, le véhicule n'a pas besoin de transporter de réservoirs d'oxydant lourd, un avantage majeur par rapport aux moteurs à fusée traditionnels. L'impulsion spécifique d'un ramjet peut atteindre 1200 à 2000 secondes à des vitesses supersoniques élevées, dépassant de loin les 300 à 450 secondes d'une fusée chimique typique.

Le cycle thermodynamique d'un ramjet est semblable à un cycle de Brayton, mais sans compresseur. La décélération de l'air à grande vitesse entrant fournit la compression nécessaire. Ce processus génère un chauffage important, et les structures de ramjet doivent résister à des températures extrêmes, nécessitant souvent des matériaux avancés tels que la céramique, les superalliages de nickel et les systèmes de refroidissement actifs.

Scramjets – La variante de combustion supersonique

À des vitesses supérieures à environ Mach 5, la hausse de la température de la compression de l'air aux vitesses subsoniques devient si sévère que les limites de matériau et la cinétique chimique rendent la combustion conventionnelle de ramjets impraticable. Un ramjet de combustion supersonique, ou brouillon, le surmonte en maintenant la supersonicance de l'air dans tout le moteur. L'air entre à des vitesses hypersoniques, est comprimé par la géométrie d'entrée, le carburant est injecté et se mélange dans un flux supersonique, et la combustion se produit sans choc normal.

Les jets de brume sont considérés comme un moteur clé pour le transport à longue distance hyperonique et comme l'étape de la respiration de l'air d'un système de lancement en deux étapes à orbite (TSTO). Les appareils X-43A (NASA) et X-51 Waverider (US Air Force) ont démontré une technologie de brume en vol, atteignant respectivement Mach 9,6 et Mach 5.1. Ces essais ont prouvé que la combustion supersonique est faisable et peut fournir une poussée nette positive, mais ils ont également mis en évidence des difficultés d'inflammation, de ignition et de gestion thermique dans des conditions extrêmes.

Avantages des Ramjets et des Scramjets pour le lancement spatial

  • Réduction de la charge:[ En utilisant l'oxygène atmosphérique, le véhicule peut transporter une masse de propergol significativement moins élevée. Pour un lanceur, l'oxydant représente habituellement environ 60 à 70 % de la masse de propergol.
  • Impulse spécifique plus élevée: Comme on l'a noté, les moteurs à respiration aérienne offrent une impulsion spécifique plusieurs fois celle des fusées. Cela signifie que le véhicule peut générer plus de poussée par unité de propergol consommée, augmentant l'impulsion totale disponible pour l'accélération et la forme de trajectoire.
  • Reusability Potentiel: Les premières étapes à moteur à Ramjet pourraient atterrir horizontalement comme un aéronef, permettant un redressement rapide et réduisant le coût par lancement.Des concepts tels que les moteurs de réaction Skylon ont proposé des véhicules monophasés à orbite (SSTO) entièrement réutilisables au moyen d'un moteur hybride à respiration d'air pré-refroidi, bien que ces conceptions soient confrontées à des obstacles techniques extrêmes.
  • Lors de la montée en flèche:[ Les profils d'ascension de la respiration atmosphérique impliquent généralement une montée progressive dans l'atmosphère plutôt qu'un lancement vertical à haute poussée, ce qui réduit les forces aérodynamiques et les charges de chauffage de pointe, permettant des conceptions structurales plus légères et réduisant potentiellement l'usure sur les véhicules réutilisables.
  • Opérations flexibles:[ Les véhicules hypersoniques à respiration aérienne peuvent manœuvrer pendant l'ascension, offrant une flexibilité de trajectoire pour atteindre différentes orbites ou pour avorter en toute sécurité.

Défis à surmonter

Malgré leur promesse, les systèmes de propulsion à ramjet et à brouillon doivent relever plusieurs défis fondamentaux qu'il faut relever avant de pouvoir être utilisés régulièrement pour le lancement spatial.

Gestion thermique

Le flux d'air à grande vitesse génère un chauffage convectif et radiatif intense. La température de stagnation à Mach 8 peut dépasser 3000 K, nécessitant un refroidissement actif pour les parois du moteur, les bords d'entrée et la gorge de buse. Le refroidissement régénératif, où le carburant circule par les canaux de refroidissement avant l'injection, est l'approche primaire. L'hydrogène est un excellent liquide de refroidissement en raison de sa grande capacité thermique spécifique et de sa faible viscosité, mais la manipulation de l'hydrogène cryogénique sur un lanceur ajoute de la complexité.

Intégration avec la propulsion des fusées

Tout lanceur utilisant des ramjets doit passer à un moteur à fusée pour l'accélération finale à la vitesse orbitale, ce qui nécessite un moteur à cycle combiné, tel qu'un cycle combiné à turbine (TBCC) ou un cycle combiné à fusée (RBCC). La transition entre les modes à respiration aérienne et à fusée doit être lisse et rapide, et le moteur doit fonctionner efficacement sur une large gamme de nombres et d'altitudes Mach. Le moteur SABRE de Reaction Engines est l'un des modèles les plus avancés, utilisant un prérefroidisseur refroidi à l'hélium pour permettre à un turbocompresseur de fonctionner à des vitesses hypersoniques avant de passer à un mode à fusée.

Performance et démarrage d'entrée

Les entrées de Ramjet doivent capturer la quantité d'air correcte et générer le rapport de compression souhaité sur une large gamme de vitesses. À des vitesses supersoniques faibles, l'entrée peut démarrer mal, provoquant une traînée de déversement ou de démarrage. Le véhicule doit être accéléré par d'autres moyens (rupeur de pignon, turbojet ou catapulte) à un nombre Mach où le ramjet peut prendre le dessus. Cette phase d'accélération initiale ajoute complexité et poids.

Stabilité de la combustion et inflammation

Dans un jet de brume, le temps de séjour dans le combustible est de l'ordre de millisecondes. Le carburant doit être injecté, mélangé avec le flux d'air supersonique, et s'enflammer dans cette fenêtre. Les détendeurs de flammes, les étriers et les schémas d'injection de paroi ont été testés, mais le maintien d'une combustion stable dans des conditions de vol variables reste une priorité de recherche.

Matériaux et fabrication

Les températures extrêmes, combinées à des atmosphères oxydantes et à des pressions dynamiques élevées, exigent des matériaux qui maintiennent la résistance et résistent à l'oxydation. Les composites de matrices céramiques (MCC), les céramiques ultra-hautes températures (UHTC) et les métaux réfractaires sont des candidats, mais ils sont coûteux et difficiles à fabriquer dans de grandes formes complexes.

Projets de recherche et de démonstration en cours

Plusieurs pays ont mis en place des programmes actifs pour développer la propulsion hypersonore de l'air pour les applications militaires et civiles, qui produisent des données essentielles qui pourraient éclairer les futurs projets de lancement spatial.

Concept d'armes hypersoniques à respiration par air (HAWC)

Le programme HAWC, géré par DARPA en collaboration avec l'US Air Force, a testé des missiles de croisière à jets de bruyère capables de voler de façon soutenue à Mach 5+. En 2022, un essai de Raytheon/Northerp Grumman a permis d'atteindre un vol de 9 minutes à des vitesses supérieures à Mach 5, démontrant la performance et l'endurance du jet de bruyère.

Moteurs de réaction Sabre et Skylon

Depuis les années 1980, SABRE utilise un prérefroidisseur qui refroidit l'air d'entrée hypersonique de plus de 1000°C à -150°C en millisecondes, permettant à un turbocompresseur léger de pressuriser l'air avant d'entrer dans une chambre de combustion. À haute vitesse et à haute altitude, le moteur ferme l'admission d'air et passe à un mode fusée utilisant de l'oxygène liquide embarqué. Le concept de Skylon a été conçu pour transporter 15 tonnes de charge utile sur orbite terrestre basse à l'aide de moteurs SABRE. Bien que le développement complet de Skylon ait été interrompu, Reaction Engines a réussi à tester le prérefroidisseur et le cœur complet du moteur.

NASA X-43 et X-51 Héritage

Le programme Hyper-X de la NASA a effectué le vol X-43A en 2004, pour atteindre un vol à jets d'air à Mach 6.8 et plus tard à Mach 9.6. Le X-43A a démontré la viabilité de la propulsion à jets d'air et des modèles de calcul validés. Le X-51 Waverider, financé par l'US Air Force, a prolongé l'endurance à jets d'air avec un vol à jets d'air à 200 secondes en 2013. Ces enregistrements demeurent des jalons et les leçons apprises sont intégrées dans les conceptions de prochaine génération.

Efforts chinois et russe

La Chine a testé le Starry Sky-2 onduleur et développe le véhicule à glissière hypersonique DF-ZF, qui peut être stimulé par une phase de brouillage. Russie , Tsirkon (Zircon) missile hypersonore anti-navire utilise la propulsion à brouillage et a été déployé.

Intégration dans les futurs systèmes de lancement

La technologie à court terme la plus prometteuse pour le lancement spatial est l'application à deux étapes en orbite (TSTO). Dans un concept typique de TSTO, la première étape est un avion hypersonore à respiration aérienne qui transporte une deuxième étape à haute altitude et Mach 5+ à moteur de fusée. La première étape revient ensuite à la base pour être réutilisée, tandis que la seconde étape accélère la charge utile en orbite. Cette approche tire parti de l'impulsion spécifique élevée de la phase de respiration aérienne pour l'ascension initiale, réduisant de façon significative la masse de propergol requise par rapport à une TSTO à seule fusée.

Un tel système pourrait réduire les coûts de lancement d'un facteur de 2 à 5 par rapport aux fusées non durables, selon le degré de réutilisation.Par exemple, l'approche Stratolaunch utilise un gros avion à turbofan, mais une première étape à moteur à ramjet pourrait aller beaucoup plus vite et améliorer encore les performances.

Un autre chemin d'intégration consiste à utiliser des ramjets comme amplificateurs pour une première étape de fusée. Le ramjet fournirait une poussée accrue pendant la montée initiale, permettant aux moteurs de fusée d'être plus petits ou la charge utile d'être plus grande. Cependant, la masse supplémentaire du système de ramjet et la nécessité de transporter son propre carburant (puisqu'il utilise l'air atmosphérique) doivent être pesées contre les avantages.

La route à l'horizon

La voie vers les systèmes opérationnels de lancement spatial à ramjets exige des investissements continus dans les matériaux, les sciences de la combustion et les essais en vol. Les principales étapes prévues pour la prochaine décennie sont les suivantes :

  • Essais de vol des moteurs TBCC ou RBCC sur des véhicules à sous-échelle, passage du mode respiration aérienne au mode fusée en vol.
  • Démonstration de croisière hypersonore réutilisable pendant 10 minutes et plus, prouvant la durabilité du moteur et la gestion thermique.
  • Modèles de performance validés pour la conception intégrée du véhicule, permettant des prédictions fiables de la trajectoire et du poids.
  • Coût réduit des matériaux à haute température par la fabrication additive et les nouveaux composites.

Si ces défis sont surmontés, les lanceurs pourraient permettre une nouvelle génération de lanceurs qui fonctionnent plus comme des avions que des fusées, avec un redressement rapide et des coûts opérationnels faibles.Ces véhicules ne remplaceraient pas entièrement les fusées lourdes – certaines charges utiles sont trop importantes pour les phases de respiration aérienne – mais ils pourraient combler une niche cruciale dans le transport hypersonique de type moyen et point à point.

En exploitant l'oxygène atmosphérique au début du vol, ils réduisent la masse de propulseur, augmentent la fraction de charge utile et permettent le décollage et l'atterrissage horizontaux. Bien que de nombreux obstacles technologiques subsistent, les recherches en cours à la NASA, à la DARPA, aux moteurs de réaction et à d'autres organisations progressent régulièrement vers la maturité de la propulsion hypersonore à respiration aérienne. La promesse de coût plus faible, d'une plus grande vitesse de vol et d'une plus grande flexibilité fait des ramjets une partie indispensable de la conversation sur l'avenir de l'accès à l'espace.