Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Le mode de propulsion aérobie haute vitesse est celui retenu dans les missiles supersoniques, les lanceurs spatiaux et les avions militaires. Le moteur statoréacteur représente la solution technologique la plus performante pour ces applications. Il permet de répondre aux spécifications et aux différents compromis et contraintes de ces vols subsonique, supersonique ou hypersonique : formule aéropropulsive, combustible, portée, accélération, manœuvrabilité, furtivité et coût. La conception d’un tel système propulsif nécessite le choix de nombreux composants. Pour chacun d’eux, suivant le module concerné, entrée d'air, chambre de combustion, tuyère, alimentation en combustible, protection thermique, l’étude du phénomène physique en jeu s’impose, afin d’adapter au mieux les exigences du composant. Si le principe du statoréacteur est simple, sa maîtrise technologique reste cependant l'apanage de quelques nations et de quelques organismes.
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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 - Ingénieur au département Aérodynamique - Propulsion - Létalité de MBDA France - Professeur vacataire de propulsion dans plusieurs universités et grandes écoles
INTRODUCTION
Cet article, consacré aux statoréacteurs, commence par décrire les différents systèmes utilisés ou en développement, pour une utilisation en vol subsonique (Leduc…), supersonique (statoréacteurs à combustion subsonique pour missiles rapides longue portée) ou hypersonique (statoréacteur à combustion supersonique ou mixte). Les principales solutions technologiques mises en œuvre ou envisagées sont rapidement présentées. C'est l'occasion de discuter les grands choix possibles pour répondre aux spécifications (formule aéropropulsive, combustible, compromis entre portée, accélération, manœuvrabilité, furtivité, coût…).
Une deuxième partie passe en revue les différents composants qui permettent de concevoir un tel moteur : entrée d'air, chambre de combustion, tuyère, alimentation en combustible, protection thermique. À chaque fois, un exemple chiffré est donné, sur la base d'un fil conducteur constitué par un statoréacteur fonctionnant à Mach 3 avec de l'hydrogène.
La troisième partie permet de finaliser l'exercice, de chiffrer ses performances à Mach 3 et de rappeler celles attendues sur une plus large plage de vol.
La méthode de calcul de type avant-projet d'un statoréacteur à combustion subsonique est ainsi décrite et mise en œuvre sur un cas, après avoir défini les paramètres de fonctionnement du moteur (richesse, sections caractéristiques…). Les exigences de ses composants (entrée d'air, chambre de combustion, tuyère, alimentation en combustible) sont présentées dans le paragraphe 2.
Les exemples et les données fournis sont tirés de la littérature ouverte, les applications actuelles de ces moteurs conduisant forcément à des restrictions sur certains points particuliers. Les phénomènes en jeu, les solutions technologiques et les modes de calcul de cet article sont représentatifs de ce qui est appréhendé par les ingénieurs des équipes en charge des systèmes réels.
Enfin, la plupart des définitions, ordres de grandeur et équations nécessaires ont été précédemment rappelés dans les articles [BM 3 000] [BM 3 001] [BM 3 002], ces éléments ne seront donc pas redéfinis ici. On précisera à quel paragraphe ou figure des précédents articles on se réfère, et on se limitera aux éventuels compléments spécifiques.
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Statoréacteur : un moteur à réaction aérobie4. Conclusion
Le statoréacteur est le moteur le plus performant pour le vol supersonique dans l'atmosphère, il doit cependant être accéléré jusqu'à une vitesse minimale (autour de Mach 2 pour les applications actuelles).
La combustion est subsonique dans un statoréacteur volant jusqu'à Mach 6 environ, au-delà, il faut qu'il fonctionne avec une combustion supersonique (fonctionnement démontré jusqu'à Mach 10 avec de l'hydrogène, on pourrait sans doute aller jusqu'à Mach 12, voire plus).
Si le principe de ce moteur est simple, sa maîtrise technologique est l'apanage de quelques nations, et de quelques organismes (en France, MBDA et l'ONERA avec leurs partenaires). Méthodologie de conception, phénomènes physiques et chimiques et diverses solutions techniques sont résumés dans le présent article. L'intégration au véhicule est importante, et devient de plus en plus cruciale quand la vitesse augmente.
Si les applications opérationnelles actuelles sont les missiles supersoniques à moyenne ou longue portée, le statoréacteur est étudié également pour la propulsion de futurs avions Mach 5 ou Mach 10, ou pour assurer l'essentiel de l'accélération aérobie d'un lanceur spatial récupérable.
Le fonctionnement à un Mach de vol de 3 d'un tel statoréacteur fonctionnant à l'hydrogène a servi de fil conducteur pour expliciter la méthode de calcul d'un tel cycle propulsif. Cette méthode est valable pour toutes les autres applications du statoréacteur. Elle est utilisée pour l'exploitation des essais de mise au point au sol et en vol et elle peut également permettre d'estimer le fonctionnement dans le cas d'une combustion supersonique.
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - COLLECTIF - Research and development of ram/scramjets and turboramjets in Russia (La recherche et le développement des statoréacteurs, des statoréacteurs à combustion supersonique et des turboréacteurs en Russie). - AGARD Lecture Series, 194 (1993).
-
(2) - ANDERSON (J.D.) Jr - Introduction to flight. - Fourth Edition, Mc Graw Hill (2000).
-
(3) - COLLECTIF, sous la direction de JENSEN (G.E.), NETZER (D.W.) - Tactical missile propulsion. - Progress in Astronautics and Aeronautics, vol. 170, AIAA (1996).
-
(4) - GORDON (S.), McBRIDE (B.) - Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and applications. - NASA Reference Publication, 1311 (1994).
-
(5) - RAYMER (D.P.) - Aircraft design : a conceptual approach. - AIAA education series, second edition (1992).
-
(6) - DANIAU (E.), FALEMPIN (F.), GETIN (N.), BYKOVKII...
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ANNEXES
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