Introduction à la conception et au fonctionnement du moteur Ramjet

Contrairement aux turboréacteurs ou turboréacteurs, un ramjet ne possède pas de pièces tournantes telles que des pales ou des turbines de compresseur. Cette simplicité le rend particulièrement fiable et rentable pour des applications spécifiques à haute vitesse, notamment dans les régimes de vol supersoniques et hypersoniques. Cependant, les caractéristiques mêmes qui donnent aux ramjets leurs performances à des nombres élevés de Mach imposent également des contraintes : ils ne peuvent produire de poussée statique et doivent être augmentés à la vitesse opérationnelle avant de pouvoir fonctionner.

Composantes clés d'un moteur Ramjet

Un ramjet est constitué de quatre sous-systèmes primaires : l'entrée (souvent appelée diffuseur), la chambre de combustion, la buse et le système de distribution de carburant. Chaque composant doit être soigneusement conçu pour travailler ensemble dans des conditions de vol supersoniques.

La prise (Diffuseur)

L'entrée est la composante aérodynamique la plus critique d'un ramjet. Sa fonction est de capturer l'air supersonique libre et de le décélérer en profondeur, en convertissant l'énergie cinétique en une montée de pression. Ce processus, connu sous le nom de compression de ram, est le moteur et le #8217; les moyens primaires d'augmenter la pression sans compresseur mécanique. Les entrées sont généralement conçues comme des conduits convergents-divergence. Le flux supersonique entrant passe par une série d'ondes de choc et le #8212; soit des chocs normaux ou obliques et le #8212; qui ralentissent considérablement l'air et augmentent sa pression statique. La géométrie de l'entrée détermine l'emplacement et la résistance de ces chocs; les entrées de géométrie variable peuvent s'ajuster pour optimiser les performances sur une gamme de nombres de Mach, bien que les conceptions de géométrie fixe soient courantes dans des missiles à ramjets simples.

La performance de l'entrée est quantifiée par le coefficient de récupération de la pression, qui mesure la quantité de la pression de stagnation du flux libre conservée après décélération. La récupération de la haute pression est essentielle pour une combustion efficace et une production de poussées. À de faibles vitesses supersoniques, un seul choc normal peut suffire, mais à des nombres plus élevés de Mach (au-dessus de Mach 3), des chocs obliques multiples suivis d'un choc normal faible assurent une récupération supérieure.

La Chambre de combustion

Une fois l'air comprimé et décéléré à vitesse subsonique, il entre dans la chambre de combustion où du combustible est injecté et brûlé. Le processus de combustion doit être stable, efficace et soutenu malgré le débit à grande vitesse. Contrairement aux turbines à gaz, où la combustion se produit à une pression quasi constante due au compresseur et à la turbine, la combustion de ramjet se produit dans un conduit avec une légère chute de pression à travers la zone de flamme.

Les combustibles courants comprennent les hydrocarbures à base de kérosène (JP-5, JP-10) pour les ramjets à basse vitesse, et l'hydrogène ou le méthane pour les conceptions à grande vitesse et expérimentales. Le mélange carburant-air doit être dans les limites d'inflammabilité et rester allumé dans une large gamme de conditions de vol. Porte-flammes et #8212; tels que les gouttières, les corps de bluff ou les stabilisateurs à pas et #8212; créer une zone de recirculation qui ancre la flamme. Sans ces dispositifs, le débit à grande vitesse soufflerait la flamme presque instantanément. La longueur de la chambre de combustion est choisie pour assurer une combustion complète avant que les gaz n'atteignent la buse.

La Buse

Les produits de combustion à haute pression et à chaud sortent par une buse qui accélère les vitesses supersoniques pour générer de la poussée. Pour un jet de rame, la buse est presque toujours du type convergent-divers (C-D). Dans la section convergente, le débit subsonique accélère à Mach 1 à la gorge; dans la section divergente, elle accélère encore plus aux vitesses supersoniques. Le rapport de la zone de sortie à la zone de gorge contrôle le nombre de Mach de sortie et donc la poussée produite.

La conception des buses doit tenir compte de l'expansion des gaz d'échappement à la pression ambiante. Sous ou sur-expansion réduit la poussée et peut causer des instabilités de débit. La plupart des buses à ramjet sont fixes parce que le moteur fonctionne sur une plage limitée d'altitudes et de vitesses, mais des buses variables sont parfois utilisées dans des conceptions plus avancées. La buse gère également la charge thermique; le refroidissement régénératif, où le carburant circule par les vestes de refroidissement, peut protéger la structure de la buse tout en préchauffant le carburant.

Système de carburant et livraison

Dans un ramjet typique, le carburant est stocké dans des réservoirs et sous pression à l'aide d'air de ram ou d'une pompe séparée. Le système de contrôle ajuste le débit de carburant en fonction du nombre de Mach, de l'altitude et de la poussée souhaitée. Pour les missiles, le système de carburant est souvent simple et non récupérable; pour les aéronefs expérimentaux, il peut comprendre des circuits de mesure et de refroidissement sophistiqués.

Comment fonctionne un Ramjet

Le ramjet fonctionne sur le cycle thermodynamique de Brayton, mais avec compression obtenue uniquement par l'entrée et l'expansion uniquement par la buse & #8212; aucune turbine extractive de travail n'est présente. Ce cycle consiste en trois processus : compression isotrope (ou quasi isoentrope) dans l'entrée, ajout de chaleur à pression constante dans le combustible, et expansion isotrope à travers la buse. L'absence de turbine signifie que le moteur ne peut pas démarrer automatiquement; il doit être accéléré à une vitesse où la pression dynamique de l'air entrant est suffisante pour produire une poussée nette.

Le cycle de Brayton à Ramjets

Dans un ramjet idéal, l'air entre à la vitesse supersonique, est comprimé à une pression et à une température statiques élevées, puis pénètre dans le combustible où le combustible est brûlé, ajoutant de la chaleur à une pression approximativement constante. Le gaz qui en résulte se développe ensuite à travers la buse pour produire de la poussée. La poussée nette est la différence entre la dynamique de l'échappement et celle de l'air entrant, plus toute force de zone de pression à la sortie de la buse. Les vrais ramjets subissent des pertes par les ondes de choc, friction, transfert de chaleur aux parois et combustion incomplète. L'efficacité du cycle augmente avec le nombre de Mach en vol parce que le rapport de compression augmente avec la vitesse; un ramjet devient plus efficace qu'un turbojet au-dessus d'environ Mach 3.

Vitesse de démarrage et de fonctionnement

Comme on l'a vu, un ramjet ne peut pas produire de poussée à vitesse zéro avant. Pour démarrer, le moteur doit être accéléré à une vitesse où l'entrée peut produire suffisamment de compression. Les vitesses de démarrage typiques varient de Mach 0,8 à Mach 2,5, selon la conception. Pour les démarrages subsoniques, une fusée de rappel, un turbojet ou un avion de lancement fournit la vitesse initiale. Une fois le ramjet en marche, il peut maintenir le vol aussi longtemps que le carburant est fourni et les forces aérodynamiques restent dans les limites de conception.

Systèmes de boost

Les méthodes courantes de renforcement comprennent les moteurs à fusées solides (p. ex., dans de nombreux missiles sol-air), les cycles combinés à turbine (TBCC) pour les véhicules de croisière à respiration aérienne ou le lancement d'un vaisseau mère comme le B-52 utilisé pour le X-15 (qui a utilisé une fusée, mais qui est semblable pour les bancs d'essai à ramjet).

Considérations de conception et aérodynamique

La conception d'un ramjet implique l'équilibre de plusieurs facteurs aérodynamiques et thermodynamiques concurrents. L'entrée doit capturer suffisamment d'air sans entraîner de traînée excessive; la chambre de combustion doit être suffisamment longue pour être complètement brûlée mais suffisamment courte pour éviter un poids excessif; la buse doit correspondre à la pression ambiante sur l'enveloppe de vol prévue.

Types d'entrée

  • Inlet de choc normal:[ Utilise un seul choc perpendiculaire pour ralentir le débit. Simple mais souffre d'une perte de pression totale élevée à des nombres Mach plus élevés. Convient pour des vitesses supersoniques faibles (Mach 1.5 à 2.5).
  • Inlet de choc oblique:[ Utilise une série de chocs inclinés (d'un corps central ou des rampes) suivis d'un choc normal faible.
  • Mixed Compresse Inlet: Combine des chocs de compression externes et internes pour obtenir une récupération de très haute pression à des vitesses hypersoniques (Mach 5+).

Stabilité de combustion et supports de flamme

La stabilisation d'une flamme dans un débit à grande vitesse est difficile. Les porte-flammes créent une zone de recirculation à faible vitesse où les produits de combustion recirculent, en faisant en sorte que le mélange air-carburant entrant soit allumé en continu. Les conceptions courantes comprennent des gouttières en V, des stabilisateurs pour corps bluff et des cavités murales. Le choix dépend de la gamme de rapports carburant-air et de la chute de pression admissible.

Modèles d'injection de carburant

Les injecteurs peuvent être disposés comme des injections murales, des injections de strut ou des injecteurs à paliers aérodynamiques. L'objectif est de mélanger rapidement le carburant avec l'air comprimé chaud. Pour les combustibles liquides, la taille et la distribution des gouttelettes sont critiques. Pour les combustibles gazeux, la conception de l'injecteur se concentre sur la pénétration et le mélange moléculaire.

Configurations de la buse

Les buses à convergent-digent sont standard pour les gaz d'échappement supersoniques. La zone de gorge est dimensionnée pour étouffer le débit (Mach 1) et le rapport d'expansion détermine le nombre de Mach de sortie. À basse altitude, la pression ambiante est élevée, de sorte que la buse peut être sous-expandée; à haute altitude, elle s'élargit trop, sauf si une géométrie variable est utilisée.

Avantages et limites

Ramjets offrent plusieurs avantages clés pour la propulsion à grande vitesse:

  • Simplicité: Aucune pièce mobile du moteur de base n'est à l'origine d'une fiabilité élevée, d'un entretien faible et d'un coût relativement faible.
  • Impulse haute spécificité:[ Aux vitesses supersoniques, l'efficacité du cycle thermodynamique est plus élevée que celle des moteurs à fusée, ce qui donne une meilleure économie de carburant.
  • Densité de poussée élevée:[ Le simple cheminement de débit permet un débit massique élevé et une conception compacte, adaptée aux applications limitées en volume comme les missiles.

Toutefois, ils ont aussi des limites importantes :

  • Structure statique de zero: Nécessite un système de boost séparé, ajoutant complexité et poids.
  • Tachette de fonctionnement étroite:[ L'entrée et la buse sont généralement optimisées pour un nombre et une altitude Mach spécifiques; les performances hors-conception se dégradent.
  • Hautes températures internes : Un vol hypersonique soutenu produit des charges thermiques extrêmes, nécessitant des matériaux exotiques ou un refroidissement actif.
  • Impulsion spécifique inférieure à faible vitesse : Sous le point de conception, le ramjet produit moins de poussée par débit de carburant qu'un turbojet.

Applications des moteurs Ramjet

Les Ramjets sont principalement utilisés sur des plates-formes militaires et expérimentales à grande vitesse, avec quelques applications civiles de niche.

Missiles supersoniques

La plus répandue est celle des missiles antinavires supersoniques et antiaériens.Par exemple, Boeing AGM-158C LRASM[ (qui utilise un turbojet, mais il existe de nombreux missiles à réaction), MBDA Meteor (missile air-air à réaction), et Hsiung Feng III (missile antinavire taïwanais). Ces missiles peuvent voler de Mach 2 à 4, ce qui les rend difficiles à intercepter.

Aéronefs à grande vitesse et bancs d'essai

Des avions expérimentaux comme le Lockheed D-21 ont utilisé un ramjet (le Marquardt RJ43) pour le vol Mach 3+. Plus récemment, le Boeing X-51 Waverider a utilisé un bramjet (variante de ramjet avec combustion supersonique) pour atteindre Mach 5.1. Ces véhicules démontrent le potentiel de croisière hypersonique soutenue, bien que les versions opérationnelles restent en développement.

Cycles combinés pour le lancement spatial

Par exemple, le concept Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE)[ utilise un turbojet pré-refroidi pour des vitesses et des transitions plus faibles vers un ramjet/scramjet pour une vitesse hypersonore avant de passer au mode fusée pour l'orbite. Bien que ces systèmes ne soient pas encore opérationnels, ils pourraient réduire considérablement les coûts de lancement en utilisant l'oxygène atmosphérique pour la première étape du vol.

Comparaison avec d'autres moteurs à air comprimé

Pour comprendre où les ramjets s'adaptent, comparez-les avec les turbojets et les brouillons :

  • Turbojet: A un compresseur et une turbine; efficace de basse vitesse à environ Mach 3; peut commencer par le repos. Plus complexe et plus lourd qu'un ramjet.
  • Scramjet: Une variante de ramjet où la combustion se produit dans un flux supersonique. Permet le vol au-dessus de Mach 5-6 mais nécessite une conception extrêmement prudente parce que le temps de séjour pour la combustion est très court.
  • Ramjet: Couche entre le turbojet et le brouillon dans la plage de vitesse (Mach 2 à 5). La combustion subsonique à l'intérieur de la chambre facilite la tenue de flammes que dans un brouillon, mais l'entrée doit ralentir l'écoulement vers les vitesses subsoniques, entraînant des pertes plus importantes à des nombres plus élevés de Mach.

Le choix du moteur dépend du profil de vol prévu. Pour un missile qui doit accélérer rapidement jusqu'à Mach 3 et ensuite maintenir cette vitesse, un ramjet est idéal. Pour un missile de croisière qui doit se détendre à des vitesses subsoniques, un turbofan ou un turbojet est mieux.

Développements et recherche futurs

Les recherches actuelles portent sur l'extension de la gamme de vitesses des ramjets, l'amélioration de leur performance hors conception et la réduction des coûts.

  • Inlets et buses de géométrie variable: Des réglages mécaniques ou fluidiques permettent à un seul moteur de fonctionner efficacement de Mach 2 à Mach 5+.
  • Matériaux haute température:[ Des composites à matrice céramique (CMC) et des revêtements ablatifs sont en cours de développement pour résister à des températures de chambre de combustion supérieures à 3000 K sans refroidissement actif.
  • Systèmes de contrôle numérique: L'optimisation en temps réel du débit de carburant et de la géométrie d'entrée grâce à un contrôle basé sur le modèle peut améliorer la stabilité et l'efficacité.
  • Air-Turbo-Ramjets (ATR):[ Moteurs hybrides qui combinent un générateur de gaz avec un ramjet pour produire une poussée statique tout en conservant l'efficacité du ramjet à grande vitesse.

L'Agence de projets de recherche avancés de défense [DARPA] et NASA[ continuent de financer des manifestants de technologie hypersonore, dont beaucoup reposent sur des principes de ramjet ou de brouillon. Par exemple, le Hypersonic Air-breathing Arme Concept (HAWC) programme a testé des missiles à brouillon avec des résultats prometteurs.

Conclusion

Le moteur à ramjet demeure une pierre angulaire de la propulsion à grande vitesse, combinant simplicité mécanique et efficacité thermodynamique remarquable aux vitesses supersoniques et hypersoniques. Ses composants clés & #8212;dans la chambre de combustion, le système de buse et de carburant & #8212;travaillent ensemble pour convertir l'énergie cinétique de l'air à grande vitesse directement en poussée. Bien que la nécessité d'un système de boost et l'étroite enveloppe de fonctionnement limitent son utilisation à des applications spécifiques, la recherche continue en géométrie variable, matériaux avancés et cycles combinés promet d'élargir le rôle des ramjets dans les missions militaires et d'accès à l'espace.

Pour plus de détails, voir la page NASA Glenn Research Center sur les ramjets[, l'article Wikipedia sur les moteurs à ramjet et SKYbrary’s aperçu de la propulsion des ramjets