Introduction : Le rôle des Ramjets dans l'accès à l'espace moderne

La recherche d'un accès fiable et peu coûteux à l'espace a incité les ingénieurs à explorer un large éventail de technologies de propulsion, parmi lesquelles les ramjets occupent une niche unique : ils sont des moteurs à respiration aérienne qui fonctionnent efficacement à des vitesses supersoniques et hypersoniques, offrant un pont potentiel entre les turboréacteurs conventionnels et les moteurs à fusées pures.Dans le contexte des lanceurs réutilisables (VLR) et des avions spatiaux, les ramjets ne sont pas seulement une curiosité mais un candidat sérieux pour réduire la masse de l'oxydant embarqué, simplifier l'architecture du véhicule, et permettre le décollage et l'atterrissage horizontaux.

Comment fonctionnent les Ramjets

À son cœur, un ramjet est un type de moteur à réaction qui permet de réaliser la compression non par une machine tournante mais en décélérant l'air entrant à haute vitesse. Comme un véhicule vole plus vite qu'environ Mach 2, le rame à mouvement avancé pénètre l'air dans l'entrée du moteur, ce qui augmente sa pression et sa température.

Comme les ramjets n'ont ni compresseur ni turbine, ils sont mécaniquement simples, légers et capables de vitesses extrêmes. Cependant, ils ne peuvent pas générer de poussée statique — ils doivent déjà se déplacer à une vitesse supersonique avant que le moteur puisse fonctionner.

Opération supersonique contre opération hypersonore

Les ramjets traditionnels fonctionnent avec la combustion subsonique : le débit d'air est ralenti à Mach 0,3–0,6 à l'intérieur du moteur avant l'ajout et l'allumage du carburant. Cela fonctionne bien jusqu'à des vitesses d'environ Mach 5. Au-dessus de cela, la décélération nécessaire pour maintenir le débit subsonique provoque une traînée excessive et une élévation de température. Pour étendre le régime, les ingénieurs ont développé des brouillons (brouillons de combustion supersoniques), où l'air reste supersonique dans la chambre de combustion.

Métrique de performance typique

Les Ramjets offrent des valeurs d'impulsion spécifiques de 4000 à 6000 secondes au niveau de la mer pour l'hydrogène, diminuant à environ 2000 à 3000 secondes à mesure que l'altitude augmente. Ces chiffres sont à peu près le double d'un moteur à fusée haute performance, qui atteint généralement 300 à 450 secondes de vide. La prise est que les ramjets ne fonctionnent que dans un corridor d'altitude de vitesse particulier, généralement entre Mach 2 et Mach 6 à 8 et à des altitudes de 15 à 45 km.

Avantages pour les lanceurs et les avions spatiaux réutilisables

Réduction de masse par la destruction de l'air

Dans une fusée conventionnelle, l'oxydant (généralement l'oxygène liquide) constitue la majorité de la masse du propergol. Par exemple, la première étape du Falcon 9 , porte environ 75% de sa masse du propergol comme LOX. En utilisant l'oxygène atmosphérique pendant la phase initiale d'ascension, un moteur de respiration de l'air peut réduire considérablement la charge totale du propergol. Des études ont montré qu'une première étape alimentée par un ramjet pourrait réduire la fraction de masse du propergol nécessaire d'environ 0,93 (typique pour les fusées) à moins de 0,7, traduisant directement en un véhicule plus petit et plus léger et des coûts de fabrication plus faibles.

Réutilisabilité et opérations horizontales

Les avions spatiaux à ramjet peuvent être conçus pour le décollage et l'atterrissage horizontaux, en utilisant des pistes plutôt que des rampes de lancement coûteuses. Ceci s'harmonise naturellement avec le modèle opérationnel des avions commerciaux, permettant un retournement rapide entre les vols. L'absence de turbomachines complexes (par rapport aux turboréacteurs ou moteurs à fusées) réduit les besoins de maintenance et les charges partielles, améliorant ainsi le coût du cycle de vie.

Flexibilité de la trajectoire

Parce que les ramjets assurent une poussée soutenue sur une large gamme de Mach, ils permettent aux véhicules de suivre des trajectoires d'ascension plus faibles et plus efficaces. Au lieu des graves pertes de gravité subies par les fusées à lancement vertical, un avion à propulsion de ramjet peut construire progressivement de l'énergie orbitale, donnant aux planificateurs de mission plus de souplesse dans l'orbite de destination et les scénarios potentiels d'interruption.

Principaux défis et limites techniques

Malgré leur intérêt, les ramjets présentent des obstacles redoutables qui les ont empêchés de servir dans les VTR opérationnelles, qui sont à la fois fondamentaux et pratiques.

Inefficacité faible vitesse

Un véhicule doit être accéléré à Mach 2–3 par un autre système de propulsion, généralement un turbojet, un booster de fusée ou un traîneau de lancement externe. Cela accélère la masse brute du véhicule et complique l'architecture de propulsion. L'approche -cycle combiné (p. ex., turbo-rampe ou cycle combiné à base de fusées, RBCC) qui est largement étudiée tente de fusionner plusieurs modes en un seul moteur, mais cela ajoute une immense complexité technique.

Conception et glissière de l'admission d'air

À des vitesses hypersoniques, l'admission d'air doit gérer précisément les ondes de choc pour capter un débit d'air suffisant tout en minimisant la traînée de déversement. Une prise optimisée pour Mach 5 peut être mal effectuée à Mach 2, et vice versa.

Gestion thermique

La température de stagnation à Mach 5 dépasse 1000°C et à Mach 8 elle atteint 2000°C. Les températures de combustion à l'intérieur du moteur peuvent dépasser 3000°C. Sans refroidissement actif, toute structure métallique fondrait ou oxyderait de manière catastrophique. Des céramiques composites résistantes à la chaleur, un refroidissement régénératif à l'aide de carburant et un refroidissement par film sont nécessaires.

Plafond d'altitude

Les Ramjets dépendent de l'oxygène atmosphérique. A des altitudes supérieures à 35–40 km, l'air devient trop mince pour supporter une combustion efficace. Pour atteindre l'orbite, un ramjet doit se diriger vers un moteur à fusée, ajoutant un deuxième système de propulsion.

Avions spatiaux historiques et conceptuels à moteur Ramjet

Les ingénieurs dessinent des avions spatiaux à ramjet depuis les années 1950. Bien que peu de pilotes ont effectué des travaux, plusieurs études et prototypes influents ont ouvert la voie à la recherche actuelle.

Les essais X-15 et Ramjet précoce

Le North American X-15, un avion expérimental à fusée des années 1960, a atteint Mach 6.7, démontrant la viabilité du vol hypersonique. Parallèlement, les militaires américains ont testé les X-7 et X-10 avec propulsion à ramjet, atteignant des vitesses similaires. Ces vols ont validé des technologies clés telles que les alliages à haute température, les boucliers thermiques et les chambres de combustion à ramjet simples.

Les concepts LACE et SABRE

Dans les années 1980, la société britannique Reaction Engines a commencé à développer le concept d'avion spatial Skylon, qui utilise le moteur à fusées à réaction (SABRE) Synergistic Air-Breathing. SABRE n'est pas un pur ramjet; c'est un turbojet pré-refroidi qui compresse l'air après l'avoir refroidi à des températures cryogéniques. Bien que différent d'un ramjet, le SABRE partage la philosophie de la respiration de l'air et a influencé de nombreux modèles ultérieurs.

NASA , GTX et recherche sur les cycles combinés

Le projet GTX utilise une lance centrale encastrée dans un conduit à ramjet annulaire. Au cours de la première phase, la fusée tire pour accélérer le véhicule à la vitesse de prise en charge du ramjet. À haute Mach, le moteur passe en mode brouillon, puis revient finalement en mode fusée pour la poussée orbitale finale. Des essais au sol ont démontré des transitions de mode, mais le matériel de vol reste en cours de développement.

Études récentes en chinois et en japonais

Les programmes d'avions spatiaux de la Chine, y compris le projet Tengyun, auraient impliqué la propulsion de ramjet/scramjet pour un avion horizontal au décollage. Des organisations japonaises comme JAXA ont également travaillé sur le moteur ATREX (Air-Turbo Ramjet), qui combine un front turbojet avec un brûleur de ramjet.

Matériaux et technologies de refroidissement

Aucun RLV à ramjet n'est réalisable sans matériaux qui peuvent survivre à des charges thermiques et mécaniques extrêmes. Les avancées récentes permettent des conceptions auparavant impossibles.

Composites de matrice céramique (CMC)

Les CMC conservent leur résistance à des températures supérieures à 2000°C et pèsent beaucoup moins que les superalliages. Par exemple, le jet de carbone utilisé par la NASA X-43A est un composant de carbone utilisé par les CMC modernes.

Refroidissement régénératif et film

Le combustible hydrogène, avec sa chaleur spécifique élevée et sa faible viscosité, peut être diffusé par les canaux de refroidissement dans les parois du moteur avant d'être injecté dans la chambre de combustion. Cette méthode de refroidissement régénératif est utilisée dans les moteurs à fusée et peut être adaptée aux ramjets.

Échangeurs de chaleur pour prérefroidissement

Pour les moteurs comme le SABRE, un échangeur de chaleur léger préchauffe l'air entrant de 1000°C à -150°C avant compression. Cela améliore considérablement l'efficacité de compression et permet à la turbomachine de fonctionner dans des conditions qui le feraient fondre normalement. Le développement des échangeurs de chaleur à parois minces à haute surface a été une percée, bien que leur survie dans l'air chargé de débris demeure préoccupante.

Intégration des systèmes de propulsion

Le défi d'intégrer des ramjets dans un RLV n'est pas seulement de faire fonctionner le moteur, mais d'orner une transition sans heurts entre plusieurs modes de propulsion.

Double-mode Ramjet-Scramjet

Un seul circuit de circulation peut fonctionner comme un ramjet (combustion subsonique) à des vitesses plus faibles et un brouillon (combustion supersonique) à des vitesses plus élevées. La transition est effectuée en déplaçant le point d'injection du carburant et en variant la zone de gorge.

Cycle combiné basé sur les fusées (RBCC)

Les moteurs RBCC intègrent une lance à fusée à l'intérieur d'un conduit à ramjet. La fusée permet une accélération à basse vitesse et agit plus tard comme un éjecteur pour augmenter la compression de ramjet. À haute altitude, la fusée prend le dessus. L'avantage est un seul moteur qui couvre toute la gamme de vitesse, mais le revers est inefficacité dans chaque mode par rapport aux conceptions dédiées.

Combinaisons turbo-ramjet

Certains concepts, comme le Pratt & Whitney J58 utilisé sur le SR-71, utilisent un turbojet qui contourne l'air autour de son noyau pour fonctionner comme un ramjet à grande vitesse. Pour les avions spatiaux, un tel hybride pourrait étendre la plage de vitesse au-delà de Mach 3, mais le poids et la complexité restent élevés.

Considérations économiques et opérationnelles

Les VTR à moteur Ramjet sont souvent encadrés comme un chemin vers l'accès à l'espace -airline-style -. Cependant, l'économie réelle doit être examinée attentivement.

Coûts des infrastructures

Le décollage horizontal des pistes classiques est attrayant, mais les véhicules eux-mêmes nécessitent des hangars spécialisés, des dépôts de carburant (hydrogène liquide) et des pistes capables de résister à des charges thermiques et acoustiques élevées. Par exemple, le Skylon nécessiterait une piste d'au moins 3,5 km de long avec des installations de manutention cryogénique du carburant.

Fraction de charge utile et réutilisabilité

Si la respiration par air permet d'économiser la masse du propergol, le poids des ailes, des prises d'air, de la protection thermique et des moteurs à cycle combiné entraîne souvent une fraction de charge utile inférieure à celle d'une fusée non durable comparable. Pour un système entièrement réutilisable à deux étages en orbite, les premières étapes à moteur à ramjet peuvent produire une fraction de charge utile de 2 à 4 %, comme les fusées à atterrissage vertical comme Falcon 9. L'avantage économique réside dans le fait que le propergol par vol est rapidement remis en marche et réduit le coût du propergol par vol, et non dans la capacité brute de charge utile.

Demande de marché et profils de mission

Le marché actuel des lanceurs est dominé par des fusées à lancement vertical. Un avion spatial à ramjet ciblerait probablement des missions de niche : petites constellations de satellites, transport d'équipage vers une orbite terrestre basse ou voyage de point à point hypersonique. Le marché de ces services est encore en train de se développer et les investissements substantiels en R-D requis (en milliards de dollars) doivent être justifiés par la demande future.

Progrès récents et programmes d'essai

Au cours de la dernière décennie, plusieurs jalons importants ont été atteints, ce qui a permis de maintenir la technologie RLV ramjet en vie.

Moteurs de réaction

En 2019, Reaction Engines a effectué un test clé du prérefroidisseur Sabre, qui a validé la capacité de refroidir un flux d'air simulé de 1000°C à -150°C en millisecondes. La société a également construit un démonstrateur de cœur moteur à grande échelle au Colorado. Bien que Sabre ne soit pas un jet de ram pure, son succès a revigoré l'intérêt pour la propulsion à cycle combiné de respiration d'air.

DART AE et autres startups

Plusieurs start-up, dont la société australienne Hypersonix et Vénus Aerospace, sont en train de développer des drones hypersoniques à propulsion par jets et, éventuellement, des concepts d'avions spatiaux. Hypersonix , Dart AE est un petit véhicule d'essai à propulsion par jets réutilisables qui vise à démontrer le vol Mach 5 à l'aide d'hydrogène vert.

Prototypes d'avions spatiaux chinois

La Chine aurait testé en vol un véhicule spatial subscale capable de Mach 5+ à l'aide d'un brouillon. Ces essais, bien que non entièrement publics, indiquent que la Chine considère la propulsion par ramjet comme une priorité pour l'accès futur à l'espace réutilisable.

Perspectives d'avenir : Ramjets révolutionnera-t-il l'accès à l'espace ?

La promesse de ramjets pour les VTR est convaincante, mais la voie vers les systèmes opérationnels reste longue et incertaine. Il est plus réaliste de s'attendre à ce que les ramjets trouvent d'abord leur utilisation dans les missiles de croisière hypersoniques et les drones de reconnaissance, où leurs avantages de vitesse et de portée sont immédiatement précieux. Dans le domaine du lancement spatial, les premières étapes à moteur de ramjet pourraient apparaître dans le cadre de véhicules réutilisables en deux étapes dans les 15 à 20 prochaines années, à condition que les matériaux, le contrôle de la transition en mode et la faisabilité économique soient prouvés.

Les concepts d'avions spatiaux comme Skylon font face à une concurrence rude de fusées à atterrissage vertical comme Starship, qui atteignent déjà une réutilisation complète et des fractions de charge utile élevée sans la complexité des moteurs à respiration d'air. Cependant, la physique fondamentale de la propulsion à respiration d'air est du côté des ramjets: l'utilisation d'un oxydant libre est toujours plus efficace.

Conclusion

Les ramjets offrent une voie de transport spatial moins coûteuse, flexible et réutilisable. Leur impulsion, leur conception mécanique simple et leur compatibilité avec les opérations horizontales les rendent naturellement aptes aux VTR et aux avions spatiaux. Pourtant, les défis de la performance à basse vitesse, des extrêmes thermiques et de la transition du mode sont considérables. Les recherches en cours dans les matériaux, les moteurs à cycle combiné et le refroidissement avancé s'éloignent constamment de ces barrières. Bien qu'un avion spatial orbital à propulsion purement ramjet soit encore une perspective future, l'intégration de la technologie des ramjets dans les systèmes de propulsion hybrides risque de se produire progressivement.

Références externes[

]]]][FLT: