Industrie aerospatiale
Repenser le voyage hypersonique avec le moteur à détonation à rotor-ram (RRDE)
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La troisième génération de propulsion des avions
Depuis le premier vol des frères Wright, le concept central du vol mécanisé a été la compression de l'air pour générer la propulsion. Cette technique a été utilisée pour la première fois avec les hélices toujours plus grandes des avions des Première et Seconde Guerres mondiales.
L'étape suivante fut le moteur à réaction, avec le premier avion à réaction, le Heinkel He 178, lancé en 1939. Dans un moteur à réaction, les pièces mobiles compriment l'air et injectent du carburant pour créer un puissant effet de combustion, qui est ensuite dirigé vers la turbine et la tuyère à réaction pour créer la propulsion.
Source: Wikipédia
Ce système fut ensuite amélioré avec le statoréacteur, où le mouvement de l'avion crée la compression de l'air, permettant une vitesse encore plus élevée. Au-delà d'une certaine vitesse, les pièces mobiles d'un turboréacteur se déplaçaient trop vite et se cassaient. Le premier avion à utiliser un statoréacteur fut le Leduc 0.10 en 1949.
Source: Fiche technique
Il existe une version améliorée du statoréacteur, appelée statoréacteur supersonique. Ce moteur n'a pas besoin de ralentir l'air entrant pour la combustion, mais maintient un flux d'air supersonique et permet d'obtenir un meilleur rendement énergétique.
Les superstatoréacteurs ont été conceptualisés dès 1958, mais n'ont été testés qu'en 2001 sur le X-43A de la NASA. Trois ans plus tard, l'avion expérimental a atteint des vitesses de Mach 6.8 (5,217 8,396 km/h) et Mach 9.6 (7,366 11,854 km/h).
C'était impressionnant, mais la technologie des jets atteint dans une certaine mesure ses limites, de la même manière que le début du XXe siècleth-L'hélice du siècle dernier ne pouvait pas dépasser une certaine vitesse.
C’est pourquoi les scientifiques et les ingénieurs s’intéressent désormais à un concept entièrement différent : les moteurs à détonation rotative.
Moteurs à détonation rotative
D'un point de vue thermodynamique, les détonations sont plus efficaces que la déflagration (combustion classique), plus connue. Elles pourraient donc théoriquement être utilisées pour brûler du carburant de manière plus efficace et/ou pour atteindre des vitesses de vol plus élevées.
Bien sûr, les explosions sont beaucoup plus difficiles à exploiter pour propulser un moteur d’avion sans… exploser en plein vol.
Dans un moteur à détonation rotative, cela se produit en créant des ondes de détonation qui se propagent en continu autour d'une chambre de combustion en forme d'anneau. Comme la détonation se produit à une fréquence élevée, cela crée une poussée presque continue.
Un tel moteur était testé avec succès pour la première fois par la NASA en 2020.
Ce type de moteur devrait être jusqu'à 25 % plus efficace que les moteurs à réaction à combustion « classiques ». Il n'a pas non plus besoin d'un gros compresseur en amont de la chambre de combustion, ce qui permet d'économiser énormément de poids, ce qui devrait encore améliorer l'efficacité globale de l'avion.
Ce type de moteur n'est devenu possible que récemment grâce à des matériaux de pointe. Le principal facteur limitant était la capacité des matériaux à résister simultanément à des températures extrêmes, à un flux incessant d'ondes de choc et à un flux riche en oxygène.
Un statoréacteur à détonation ?
L'un des inconvénients majeurs des moteurs à détonation rotative est qu'ils fonctionnent beaucoup moins efficacement à la pression atmosphérique. Comme les statoréacteurs et les superstatoréacteurs, ils doivent idéalement être propulsés à une vitesse supersonique ou hypersonique avant d'être activés.
Aujourd'hui, un concept encore plus avancé émerge : le moteur à détonation à rotor-bélier. Il a été développé par des scientifiques chinois travaillant à l'École d'ingénierie aérospatiale de l'Université Tsinghua, à Pékin. Ils ont publié leurs travaux dans le Chinese Journal of Aeronautics, sous le titre «Enquête primaire sur le moteur à détonation à rotor à bélier ».
Moteur à détonation à rotor-bélier (RRDE)
L'idée clé d'un RRDE est de stabiliser la détonation dans un rotor à grande vitesse. Le canal d'écoulement comprime le mélange air-carburant dans les conditions idéales pour la détonation, quelle que soit la vitesse d'admission.
L'onde de détonation est maintenue en place en équilibrant les vitesses relatives du flux d'air d'admission et des gaz en expansion et des ondes de choc quittant l'échappement.
Grâce à ce processus, l’onde de détonation reste stationnaire par rapport aux pales.
Avantages du RRDE
Souplesse
Parce que le moteur peut moduler la compression de l'air, il agit davantage comme un turboréacteur classique que comme un statoréacteur, qui nécessite la vitesse de l'avion pour effectuer la compression de l'air.
Cela signifie que le RRDE peut fonctionner à toutes les vitesses et peut fonctionner comme un moteur autonome. Dans ce cas, le RRDE devra être associé à des composants d'admission et d'échappement appropriés, tels que des diffuseurs réglables, des aubes directrices et des buses, pour étendre sa plage de fonctionnement stable et ses scénarios.
Il pourrait également être utilisé en combinaison avec un turboréacteur, de la même manière que la plupart des statoréacteurs et des superstatoréacteurs sont fabriqués aujourd'hui.
Moteurs d'avion hypersoniques
Par définition, les ondes de détonation se propagent plus vite que la vitesse du son, souvent beaucoup plus vite. Le RRDE devrait générer des ondes de détonation stables pouvant atteindre un nombre de Mach de 4 à 6 par rapport au flux entrant.
Cela pourrait permettre aux avions équipés du RRDE d'être capables de voler en hypersonique à plus de Mach 5+ (3,836 6,174 mph / XNUMX XNUMX km/h), avec une efficacité considérablement supérieure à celle des autres moteurs à détonation.
Une meilleure efficacité permettrait non seulement de réduire les coûts de carburant, mais aussi d'augmenter l'autonomie avec le même carburant, ou encore d'augmenter la capacité de charge pour la même autonomie, car il faut transporter moins de carburant lourd.
De la théorie à la pratique
Jusqu'à présent, le RRDE n'existe qu'en tant que conception et n'a fait ses preuves que lors de tests théoriques et simulés en laboratoire.
Il reste donc encore un long chemin à parcourir avant d’obtenir un prototype pratique, et un chemin encore plus long vers des RRDE commerciaux produits en série.
Cela impliquera de résoudre des problèmes réels qui n'auraient peut-être pas été pris en compte dans la simulation. Par exemple, il a fallu beaucoup de temps pour maintenir une onde de détonation dans un canal annulaire statique pour moteurs à détonation rotatifs. Maintenir l'onde de détonation stable dans un rotor à grande vitesse sera encore plus difficile.
Des défis en ingénierie et en métallurgie seront également à prévoir, car le matériau utilisé devra être ultra-performant.
Les pales du rotor devront être suffisamment légères pour tourner rapidement et efficacement, mais suffisamment solides pour gérer les flux d’air d’admission hypersoniques… Ainsi que les détonations explosives constantes entre les pales.
Entreprise de moteurs à explosion rotatifs
Jusqu'à présent, la plupart des recherches effectuées sur ce nouveau type de moteur ont été réalisées par des instituts de recherche publics, principalement des agences spatiales et militaires, dont la NASA, l'US Air Force, l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA), l'Energomash russe, etc.
Il existe cependant une entreprise privée qui a démontré sa capacité à construire un moteur à détonation rotative en 2023:Général Électrique.
GE Aérospatiale
(GE )
General Electric Aerospace est le résultat de la scission du conglomérat GE en 3 parties en 2024 : GE Aerospace, GE HealthCare (GEHC ), et GE Vernova (énergie) (GEV ).
Cette mesure a été prise pour recentrer l’entreprise sur son cœur de métier, après plusieurs décennies de financiarisation qui s’est finalement avérée négative.
L'entreprise est un fournisseur essentiel de l'industrie aéronautique, avec environ 3 milliards de personnes voyageant chaque année grâce à la technologie GE Aerospace, et environ 900,000 3 personnes voyageant à bord d'avions équipés de moteurs GE à tout moment (4 vols commerciaux sur XNUMX). Cette gamme de moteurs a été conçue pour toutes les tailles d'avions et toutes les applications.
Source: GE Aérospatiale
À long terme, cette gamme de moteurs devrait être remplacée par une nouvelle génération plus économe en carburant, obtenue grâce à des efforts de recherche et développement à long terme. L'amélioration du rendement énergétique pourrait être de l'ordre de 10 à 15 % pour les avions civils et jusqu'à 25 % pour les avions militaires.
Source: GE Aérospatiale
Outre les moteurs, l'entreprise propose également la technologie du carbure de silicium pour les systèmes d'alimentation électrique et l'avionique (électronique et ordinateurs pour avions).
L'entreprise est depuis longtemps leader dans le domaine des systèmes de propulsion aéronautique. Son activité est largement tirée par le secteur civil (23.9 Md$ de chiffre d'affaires en 2023), suivi par le segment de la défense (9 Md$).
70% des revenus de l'entreprise proviennent des services, notamment de l'entretien et de la réparation des moteurs, ce qui en fait un revenu très stable.
Source: GE Aérospatiale
L'entreprise investit dans les technologies du futur pour conserver son avance, notamment l'impression 3D avec GE Additive, le seul OEM (Original Equipment Manufacturer) dans la fabrication additive métallique avec une solution complète de bout en bout.
Source: GE Aérospatiale
Moteur à détonation rotative de GE
Comme indiqué précédemment, GE a également atteint l’objectif premier essai mondial de statoréacteur hypersonique bimode (DMRJ) avec combustion à détonation rotative (RDC) dans un flux d'écoulement supersonique.
Cela a été rendu possible grâce à la maîtrise de GE dans les composites à matrice céramique haute température (CMC), l'électronique de puissance en carbure de silicium, les technologies additives et la gestion thermique avancée.
« Les résultats significatifs que nous avons obtenus jusqu’à présent nous donnent confiance que nous avançons dans la bonne direction.
« L’équipe a progressé très rapidement, il n’a fallu que 12 mois du début à la fin pour la démonstration du DMRJ avec RDC. L’équipe est en bonne voie pour atteindre son objectif de démontrer un DMRJ complet avec RDC à grande échelle l’année prochaine. »
Des moteurs hypersoniques comme celui-ci pourraient d'abord être utilisés dans des applications militaires avancées, des avions de combat aux missiles. Mais ils seront probablement aussi un jour intégrés aux avions hypersoniques civils, et la présence de GE sur ces deux marchés devrait permettre de capitaliser sur cette technologie émergente.
Globalement, après une longue période de conglomérat sans direction et centré sur l’ingénierie financière, il semble que GE soit de nouveau sur la bonne voie pour se rétablir en tant que centre d’ingénierie et de fabrication américain, à une époque où la réindustrialisation et la relocalisation sont des tendances fortes.
