À l'ère actuelle de l'exploration spatiale, le nom du jeu est «rentable». En réduisant les coûts associés aux lancements individuels, les agences spatiales et les sociétés aérospatiales privées (alias. NewSpace) garantissent un meilleur accès à l'espace. Et en ce qui concerne le coût des lancements, la dépense la plus importante est celle du propulseur. Pour le dire simplement, se libérer de la gravité terrestre prend beaucoup de carburant pour fusée!
Pour résoudre ce problème, des chercheurs de l'Université de Washington ont récemment développé un modèle mathématique qui décrit le fonctionnement d'un nouveau mécanisme de lancement: le moteur à détonation rotatif (RDE). Cette conception légère offre une plus grande efficacité énergétique et est moins compliquée à construire. Cependant, il vient avec le compromis assez important d'être trop imprévisible pour être mis en service dès maintenant.
L'étude qui décrit leurs recherches («Ondes de détonation tournantes à verrouillage de mode: expériences et une équation de modèle») a récemment été publiée dans la revue Examen physique E. L'équipe de recherche était dirigée par James Koch, un doctorant UW en aéronautique et astronautique, et comprenait Mitsuru Kurosaka et Carl Knowlen, tous deux professeurs UW d'aéronautique et d'astronautique; et J. Nathan Kutz, professeur UW de mathématiques appliquées.
Dans un moteur-fusée classique, le propulseur est brûlé dans une chambre d'allumage, puis acheminé par l'arrière à travers des buses pour générer une poussée. Dans un RDE, les choses fonctionnent différemment, comme Koch l'a expliqué dans un communiqué de presse UW:
«Un moteur à détonation rotatif adopte une approche différente de la façon dont il brûle le propulseur. Il est fait de cylindres concentriques. Le propulseur s'écoule dans l'espace entre les cylindres et, après l'allumage, la chaleur dégagée rapidement forme une onde de choc, une forte impulsion de gaz avec une pression et une température nettement plus élevées qui se déplacent plus rapidement que la vitesse du son.
Cela distingue le RDE des moteurs conventionnels, qui nécessitent beaucoup de machines pour diriger et contrôler la réaction de combustion afin de la transformer en accélération. Mais dans un RDE, l'onde de choc générée par les allumages crée une poussée naturellement et sans avoir besoin de pièces de moteur supplémentaires.
Cependant, comme Koch l'indique, le champ des moteurs à détonation tournants est encore à ses balbutiements et les ingénieurs ne savent toujours pas de quoi ils sont capables. C'est pourquoi lui et ses collègues ont décidé de tester le concept, qui consistait à refondre les données disponibles et à examiner les formations de motifs. Tout d'abord, ils ont développé un RDE expérimental (illustré ci-dessous) qui leur a permis de contrôler différents paramètres (comme la taille de l'écart entre les cylindres).
Ils ont ensuite enregistré les processus de combustion (qui ne prenaient que 0,5 seconde à chaque fois) avec une caméra haute vitesse. La caméra a enregistré chaque allumage à une vitesse de 240 000 images par seconde, permettant à l'équipe de regarder les réactions se dérouler au ralenti. Comme Koch l'a expliqué, lui et ses collègues ont constaté que le moteur fonctionnait bien.
«Ce processus de combustion est littéralement une détonation - une explosion - mais derrière cette première phase de démarrage, nous voyons un certain nombre d'impulsions de combustion stables qui continuent de consommer le propulseur disponible. Cela produit une pression et une température élevées qui entraînent les gaz d'échappement à l'arrière du moteur à des vitesses élevées, ce qui peut générer une poussée.
Ensuite, les chercheurs ont développé un modèle mathématique pour imiter ce qu'ils ont observé avec leur expérience. Ce modèle, le premier du genre, a permis à l'équipe de déterminer pour la première fois si un RDE serait stable. Et bien que ce modèle ne soit pas encore prêt à être utilisé par d'autres ingénieurs, il pourrait permettre à d'autres équipes de recherche d'évaluer la performance de RDE spécifiques.
Comme indiqué, la conception du moteur présente un inconvénient, qui est sa nature imprévisible. D'une part, le processus de chocs entraînés par la combustion entraîne naturellement la compression des chocs par la chambre de combustion, entraînant une poussée. De l'autre, une fois déclenchées, les détonations sont violentes et incontrôlées - ce qui est totalement inacceptable en ce qui concerne les roquettes.
Mais comme Koch l'a expliqué, cette recherche a été un succès dans la mesure où elle a testé la conception de ce moteur et mesuré quantitativement son comportement. C'est une bonne première étape et pourrait aider à ouvrir la voie vers le développement et la réalisation réels des RDE.
«Mon objectif ici était uniquement de reproduire le comportement des impulsions que nous avons vues - pour m'assurer que la sortie du modèle est similaire à nos résultats expérimentaux», a déclaré Koch. «J'ai identifié la physique dominante et comment elles interagissent. Maintenant, je peux prendre ce que j'ai fait ici et le rendre quantitatif. De là, nous pouvons parler de la façon de faire un meilleur moteur. »
La recherche de Koch et de son collègue a été rendue possible grâce au financement fourni par l'US Air Force Office of Scientific Research et l'Office of Naval Research. Bien qu'il soit trop tôt pour le dire, les implications de cette recherche pourraient être de grande envergure, résultant en des moteurs-fusées plus faciles à produire et plus rentables. Il suffit de s'assurer que la conception du moteur lui-même est sûre et fiable.
