Plusieurs types de propulsion spatiale existent, selon la façon dont la masse propulsive est accélérée. Quel que soit la méthode retenue, la conception du système de propulsion fait appel à de nombreux principes et théories mécaniques. La connaissance et la maîtrise des outils mathématiques et physiques sont nécessaires pour le dimensionnement et la réalisation du dispositif. Cet article permet de rappeler les notions essentielles du vol (régimes, atmosphère standard...), les formules d'aérodynamique et de thermodynamique utilisées en propulsion, au stade d'avant-projet, ainsi que les différents niveaux de modélisation de l'air et de la combustion.
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Marc BOUCHEZ
: Diplômé de l’École catholique d’arts et métiers de Lyon et de l’École supérieure des techniques aérospatiales - Professeur vacataire de propulsion dans plusieurs universités et grandes écoles - Membre émérite de l’Association Aéronautique et Astronautique de France - Ingénieur, Expert technique pour la Direction « Aérodynamique, Propulsion et Létalité » de MBDA, Bourges, France
INTRODUCTION
Les quatre articles [BM 3 000] [BM 3 001] [BM 3 002] et [BM 3 003] sur la propulsion aérospatiale est une introduction détaillée aux systèmes propulsifs d’avions, fusées, missiles.
Le présent article permet donc de rappeler les notions essentielles du vol (régimes, atmosphère standard…), les formules d’aérodynamique et de thermodynamique utilisées en propulsion, au stade d’avant-projet, ainsi que les différents niveaux de modélisation de l’air et de la combustion.
Les définitions principales sont discutées : indice constructif, taux de dilution, impulsion spécifique.
Qu’appelle-t-on Mach de vol ? Comment définit-on et utilise-t-on la température d’arrêt ou la pression génératrice ? Quelles sont les spécificités des domaines de vol supersonique ou hypersonique ? Comment calculer les évolutions du gaz propulsif dans un moteur ? Quels sont les paramètres utilisés pour chiffrer la performance d’un système propulsif ? Au-delà de sa poussée ou de sa consommation, comment chiffrer les autres aspects utiles. La plupart des moteurs utilisent une énergie obtenue par combustion, comment la modéliser ?
Dans le présent article, un intérêt particulier est porté au lien avec la conception du véhicule volant dont on veut étudier la propulsion et aux ordres de grandeur des paramètres liés à un niveau donné de technologie.
Les exemples et les données fournis parfois volontairement laissés en langue anglaise sont tirés de la littérature ouverte, les applications de ces moteurs conduisant forcément à des restrictions sur certains points particuliers de ces systèmes propulsifs d’un point de vue commercial ou militaire.
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Le nombre de Mach de vol d’un avion par exemple se définit par le rapport entre la vitesse de l’avion et la vitesse du son (locale) dans le milieu ambiant :
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Le nombre de Mach (introduit en 1877 par le physicien du même nom [BR 2 020] est défini pour un milieu donné (par exemple l’air à une certaine altitude, ou à l’entrée d’une chambre de combustion, ou dans les gaz brûlés éjectés par la tuyère d’un réacteur).
Pour les calculs comme pour les essais en soufflerie ou en banc moteur, on utilisera systématiquement l’équivalence entre un mobile se déplaçant dans une masse d’air immobile (cas du vol) et la masse d’air animée de la même vitesse autour du mobile… immobile (cas d’un essai en soufflerie).
Le domaine où le Mach de vol est proche de 1 est appelé transsonique, l’écoulement est dit subsonique ou supersonique « de chaque côté du mur du son ». Le vol est dit conventionnellement hypersonique au-dessus de Mach 5 (on peut alors parler de « mur de la chaleur » à Mach 5 comme on parlait de la barrière sonique (« mur du son ») à Mach 1) ...
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ANDERSON (J.D.) Jr -
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Fourth Edition, Mc Graw Hill (2000).
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RAYMER (D.P.) -
Aircraft Design : a conceptual approach.
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Collectif, sous la direction de JENSEN (G.E.), NETZER (D.W.) -
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Recherche et technologie dans le groupe Snecma, propulsion aéronautique.
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Revue Scientifique et Technique de la Défense, n° 59 (2003).
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COLLECTIF -
Joint Exercise on IR Signature Prediction.
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Technical...
Bibliographie & annexes
Rappels et définitions
