L'histoire et le développement des moteurs Ramjet de la Seconde Guerre mondiale à nos jours

Contrairement aux turboréacteurs ou fusées, les ramjets n'ont pas de pièces mobiles, pas de compresseurs, pas de turbines. Ils comptent plutôt entièrement sur la vitesse avant du véhicule pour comprimer l'air entrant avant de le mélanger avec du carburant et de l'allumer. Cette simplicité fondamentale les rend idéales pour un vol hypersonore et supersonique soutenu. Leur histoire est une histoire d'ingénierie ambitieuse, d'urgence de guerre et d'innovation continue qui s'étend du début du 20e siècle à la recherche hypersonique de pointe d'aujourd'hui.

Origines et concepts anciens

La base théorique du ramjet a été posée bien avant que n'importe quel moteur pratique ne vole. En 1913, l'inventeur français René Lorin breveta un modèle de «canal propulseur» qui utilisait le mouvement du véhicule pour compresser l'air. Cependant, le concept de Lorin ne pouvait pas être réalisé à l'époque parce qu'il n'existait aucun aéronef pouvant atteindre les vitesses nécessaires — généralement au-dessus de Mach 0,5 — pour que le moteur fonctionne.

Les premières tentatives sérieuses pour construire un ramjet de travail sont survenues dans les années 1930. En Union soviétique, l'ingénieur Mikhail Bondaryuk a développé le GIRD-08, un ramjet à carburant liquide testé sur un traîneau de fusée en 1939. Vers la même époque, des chercheurs allemands à la DVL (Institut allemand de recherche aéronautique) ont commencé à explorer des modèles de ramjet sous le nom de code Eisenhans (Iron Hans).

C'est la Seconde Guerre mondiale qui a vraiment accéléré le développement du ramjet. La nécessité d'armes à grande vitesse et à longue portée a poussé les ingénieurs en Allemagne, au Royaume-Uni et aux États-Unis à transformer les conceptions théoriques en matériel pratique. Le Friseler Fi 103 allemand (plus connu sous le nom de bombe volante V-1) a utilisé un pulsé, non un véritable ramjet, mais l'expérience opérationnelle acquise avec des jets canalisés plus simples a informé les travaux de ramjet.

Développement pendant et après la Seconde Guerre mondiale

Contributions britanniques

Le Royaume-Uni a fait quelques-unes des premières avancées les plus importantes.L'établissement royal d'aéronefs (RAE) et Metropolitan-Vickers ont collaboré à la conception Metropolitan-Vickers F.2/40, un ramjet destiné à alimenter les chasseurs à des altitudes extrêmes.Bien que le moteur n'ait jamais été monté sur un avion de production, il a fourni de nombreuses données sur la conception de la combustion et de l'admission supersoniques.

Les progrès américains

Les États-Unis sont entrés sur le terrain à la fin de la guerre. La Station d'armes aériennes navales de China Lake a commencé à tester le KAN (Kaiser-North American) ramjet en 1944. Après la guerre, les documents et les scientifiques allemands capturés, notamment le Dr Adolf Busemann, qui avait travaillé sur des prises supersoniques à la DVL, ont donné un coup de pouce important à la recherche américaine. La Division aéronautique de Wright de Curtiss-Wright a développé le RJ47 ramjet, qui a ensuite alimenté le Bomarc supersonic surface-air. Le RJ47 a été un exploit marquant : il a démontré qu'un ramjet pouvait fonctionner de façon fiable pendant de longues périodes à des vitesses supérieures à Mach 2.5.

L'ère de l'après-guerre : Ramjets entrèrent en service

Dans les années 1950, la technologie des ramjets avait suffisamment évolué pour être déployée.Le missile britannique Blue Steel, une arme de défense nucléaire portée par des bombardiers V, utilisait un Bristol Siddeley BS.605 moteur de soutien de ramjet après avoir été propulsé à Mach 2.5. Blue Steel est resté en service jusqu'au début des années 1970. Aux États-Unis, les moteurs Bomarc ont été mis en service par l'Air Force en 1959, armés de têtes de guerre conventionnelles ou nucléaires et guidés par un système radar avancé.

Progrès technologiques : de Ramjets à Scramjets

Défis de combustion

Le principal défi technique du ramjet consiste à maintenir une combustion stable à des vitesses supersoniques élevées.Dans un ramjet de combustion subsonique, l'air entrant dans l'admission doit être ralenti aux vitesses subsoniques avant d'entrer dans la chambre de combustion. Cette décélération crée des ondes de choc et des pertes de pression qui limitent l'efficacité.Les ingénieurs ont passé des décennies à affiner les géométries d'admission – en utilisant des rampes de compression, des entrées à l'éclaircissement et une géométrie variable – pour minimiser ces pertes.

Systèmes de combustible et gestion thermique

Les premiers réacteurs ont utilisé du kérosène standard (JP-4 ou JP-5), mais le vol à grande vitesse génère une chaleur intense. À Mach 3 et au-dessus, la cellule et le moteur deviennent si chauds que le carburant conventionnel peut se décomposer ou causer du coke dans les lignes de carburant. Cela a conduit au développement de combustibles endothermiques[ qui absorbent la chaleur par des réactions de fissuration chimique avant d'être brûlé. Les JP-7 combustibles utilisés dans SR-71 Blackbird[] sont des moteurs à turbo-ramjets de Whitney J58, un exemple célèbre.

Le Scrambjet Parcours

Le saut majeur suivant est venu avec le brouillon (brouillard à combustion supersonique).Dans un brouillon, le flux d'air reste supersonique dans tout le moteur, éliminant la nécessité d'un diffuseur subsonique et réduisant la traînée. Le concept a été proposé pour la première fois dans les années 1960, mais la réalisation pratique s'est avérée extraordinairement difficile.

Le NASA X-43A, qui a été le premier avion à effectuer un vol soutenu à l'aide d'un jet à brouillage, a atteint Mach 9,6 lors de son troisième et dernier vol. Cette étape a été suivie par le X-51A Waverider, un projet conjoint de la Force aérienne et de la NASA qui a démontré l'exploitation de jet à brouillage pendant plus de 200 secondes à Mach 5.1 en 2013. Ces programmes ont montré que les jets à brouillage pouvaient livrer sur leur promesse de propulsion hypersonore efficace, ouvrant la porte à des applications pratiques.

Matériaux et protection thermique

Les premiers ramjets utilisaient des superalliages à base de nickel comme Inconel X-750.Les brouillons modernes, tels que ceux testés dans les programmes HyShot[ et HIFiRE[, utilisent des céramiques de pointe, des composites carbone-carbone et des canaux de refroidissement actifs.Les systèmes de protection thermique empruntés aux véhicules de rentrée, tels que PICA (Ablatateur de carbone imprégné de plastique)[ utilisés sur les X-43A, ont été adaptés pour les applications de ramjets et de brouillage. Ces matériaux doivent résister non seulement à une chaleur extrême, mais aussi à de graves contraintes mécaniques causées par des ondes de choc et des vibrations.

Demandes d'emploi actuelles

Systèmes de missiles militaires

Les moteurs Ramjet continuent de alimenter certains des systèmes de missiles les plus avancés au monde. Le MBDA Meteor, missile air-air hors de portée visuelle utilisé par plusieurs forces aériennes de l'OTAN, intègre une fusée à flux variable (un type de ramjet) qui lui permet de maintenir la poussée pendant les manœuvres en haute vitesse où les fusées conventionnelles seraient incendiées. Le BrahMos, mis au point conjointement par l'Inde et la Russie, utilise un moteur à ramjet à carburant liquide pour atteindre Mach 2.8-3.0 pendant sa phase terminale.

Le système de défense antimissile Aegis utilise le RIM-161 Standard Missile 3 (SM-3) avec un moteur à fusée à double impulsion, mais son successeur, le SM-6, intègre un support de ramjet pour une portée étendue et des performances cinématiques. La marine américaine développe également l'arme Offensive Anti-Surface Warfare (OASuW), susceptible d'utiliser un ramjet pour la pénétration à grande vitesse des défenses ennemies.Ces applications reposent sur la capacité du ramjet à supporter une vitesse élevée sur de longues distances tout en maintenant sa maniabilité.

Véhicules de recherche hypersoniques

Les programmes expérimentaux continuent de repousser les limites.Boeing X-20 Dyna-Soar[, annulé en 1963, était un candidat précoce pour la propulsion de ramjet dans un avion spatial. Aujourd'hui, le programme DARPA Falcon[ et le Lockheed Martin SR-72 démonstrateur sont censés utiliser des moteurs à jets de brousse pour des missions de reconnaissance et de frappe.US Air Force Research Laboratory (AFRL) a piloté plusieurs véhicules d'essai sous le Hypersonic Air-breathing Armement Concept (HAWC)[, tous basés sur la propulsion de bramjet.

Dans le secteur civil, la collaboration entre l'Australie et le Royaume-Uni sur le moteur SABRE (moteur à fusées à éclatement pneumatique) prend une approche différente, combinant un pré-refroidisseur et un cycle de type ramjet pour fonctionner de zéro à Mach 5.4 avant de passer au mode fusée pour l'accès à l'espace.

Perspectives d'avenir

Transport hypersonique

La technologie de ramjet et de brouillage la plus ambitieuse est le transport hypersonique point à point. Des entreprises comme Hermeus et Venus Aerospace développent des concepts d'aéronefs qui utiliseraient des hybrides turbo-ramjet pour transporter des passagers à travers l'Atlantique en moins de deux heures.Le QuarterhorseHermeus est un démonstrateur – un avion à cycle combiné à turbine (TBCC) – conçu pour atteindre Mach 5.5 en utilisant un Pratt & modifié; Whitney F100 turbofan qui passe à un mode ramjet à grande vitesse.

Accès à l ' espace

En utilisant l'oxygène atmosphérique au début de l'ascension, une première étape hypersonique pourrait éviter de transporter des réservoirs d'oxydants lourds, ce qui pourrait doubler la capacité de charge utile.Le concept Moteurs de réaction Skylon (utilisant le moteur SABRE) est l'exemple le plus connu, mais des études similaires ont été menées par NASA[ sous Le concept HASTOL ][NASA]]]]]][FACT:[FLT:][F][F]

Défense et dissuasion

Les adversaires, dont la Chine et la Russie, développent des véhicules hypersoniques à glissade et des missiles de croisière qui dépendent de la propulsion par ramjet ou par bruyère. Le Département américain de la défense a accordé la priorité aux armes d'allure dans son budget, en finançant des programmes comme Long Range Hypersonic Arme (LRHW) et Hyperonic Attack Cruise Missile (HACM). La lutte contre ces menaces nécessitera des intercepteurs aussi rapides, dont beaucoup seront eux-mêmes alimentés par ramjet.

Autres obstacles techniques

Malgré des décennies de progrès, des défis importants subsistent. Le vol hypersonique durable produit des températures supérieures à 2 500 °C (4 500 °F) aux bords d'attaque, nécessitant un refroidissement actif ou une ablation. L'injection et le mélange de carburant doivent être contrôlés avec précision pour éviter l'extinction ou le démarrage (un état où le système de choc délimit et le moteur arrête de comprimer l'air). L'intégration avec les turboréacteurs pour le décollage et l'atterrissage à basse vitesse ajoute de la complexité, du poids et du coût.

La route à l'horizon

L'histoire du ramjet témoigne de la façon dont une idée simple — qui se compresse en se déplaçant assez rapidement — peut évoluer en une technologie qui a de profondes implications pour la guerre, le transport et l'exploration spatiale. Des prototypes bruts montés sur traîneau des années 1930 au vol Mach 9.6 du X-43A, chaque génération a amélioré son efficacité, sa fiabilité et sa vitesse.

Pour de plus amples informations sur les fondamentaux du ramjet, l'Institut américain d'aéronautique et d'astronautique fournit un excellent aperçu historique du développement de la fusée et du ramjet canalisés. L'Institut américain d'aéronautique et d'astronautique (AIAA) publie des documents techniques détaillés sur la combustion du brouillon et la gestion thermique.

Le ramjet est peut-être l'un des concepts de moteur les plus simples jamais conçus, mais sa réalisation a exigé une partie de l'ingénierie les plus sophistiquée jamais entreprise. Comme le vol à grande vitesse devient une priorité stratégique et commerciale, le travail commencé dans les années 1940 continuera à produire des résultats qui étaient autrefois confinés au domaine de la science-fiction.