Comment fonctionne un avion hypersonique ? Le développement de l’aviation, et particulièrment militaire, passe par des avions toujours plus rapides.
L’avion spatial expérimental de la NASA, le X-43A, a établi un nouveau record de vitesse pour les avions le 16 novembre 2004. Lors de ce vol d’essai non habité, l’avion a atteint Mach 10, soit 10 fois la vitesse du son, ou environ 10 600 kilomètres à l’heure. Ce vol a battu le précédent record de vitesse de Mach 7, établi en mars 2004 par le X-43A lors d’un précédent vol d’essai.
Ce qui distingue le X-43A des autres avions propulsés par fusée, c’est qu’il est propulsé par un moteur scramjet. Au lieu d’utiliser l’oxygène embarqué pour faire brûler l’hydrogène, le scramjet capte l’oxygène lors de sa traversée de l’atmosphère. En éliminant le besoin d’oxygène à bord et en réduisant le poids du vaisseau spatial, le X-43A pourrait permettre des voyages spatiaux Terre-orbite moins coûteux.
Hypersonique: des avions qui ont besoin d’air
Le prototype futuriste X-43A ressemble à une planche de surf volante. Il est mince, a une envergure de 1,5 m, mesure 3,7 m de long et 0,61 m d’épaisseur et pèse 1 270 kg. Mais la caractéristique la plus unique du X-43A est son moteur.
La meilleure façon de comprendre le moteur à air du X-43A est d’examiner d’abord un moteur de fusée classique. Un moteur de fusée typique est propulsé par la combustion créée lorsqu’un oxydant liquide et un combustible d’hydrogène sont brûlés dans une chambre de combustion. Ces gaz créent un flux de gaz chauds à haute pression et à grande vitesse. Ces gaz passent par une tuyère qui les accélère jusqu’à une vitesse de 8 000 à 16 000 km/h (5 000 à 10 000 mph) et fournit une poussée. Pour plus d’informations sur les moteurs-fusées, consultez l’article Comment fonctionnent les fusées.
L’inconvénient d’un moteur-fusée classique est qu’il nécessite beaucoup d’oxygène à bord. Par exemple, la navette spatiale a besoin de 143 000 gallons d’oxygène liquide, qui pèse 616 432 kg (1 359 000 livres). Sans l’oxygène liquide, la navette ne pèse que 74 842 kg.
Un moteur à air comprimé ne nécessite pas d’oxygène à bord. Le X-43A capte l’oxygène lorsqu’il vole dans l’atmosphère. Lors d’une mission Terre-orbite, le véhicule stockerait de l’oxygène supplémentaire à bord, mais moins que ce dont une navette spatiale a besoin.
Le moteur scramjet est de conception simple, sans pièces mobiles. Le vaisseau X-43A lui-même est conçu pour faire partie du système du moteur : L’avant du véhicule sert d’entrée pour le flux d’air, et l’arrière sert de tuyère qui accélère l’air évacué. La combustion ne se produit dans le moteur qu’à des vitesses supersoniques, car l’air doit circuler à un débit élevé pour être comprimé. Plutôt que d’utiliser un compresseur rotatif, comme le fait un turboréacteur, la vitesse d’avancement et l’aérodynamisme compriment l’air dans le moteur. L’hydrogène est ensuite injecté dans le flux d’air, et les gaz chauds en expansion provenant de la combustion accélèrent l’air d’échappement pour créer une énorme poussée.
Les avions hypersoniques en vol
Comme nous l’avons déjà mentionné, les avions propulsés par des moteurs à réaction n’ont pas d’oxygène à bord. Cela signifie qu’ils ne peuvent pas décoller comme les vaisseaux spatiaux conventionnels. Le X-43A a besoin d’une fusée d’appoint pour atteindre une vitesse hypersonique, après quoi il est libéré et vole de ses propres ailes. Cette poussée de la fusée est nécessaire pour que le moteur scramjet fonctionne.
Voici un aperçu du fonctionnement des vols d’essai du X-43A :
Le X-43A est attaché à une fusée d’appoint Pegasus.
Le X-43A et la fusée d’appoint sont transportés jusqu’à environ 6 000 mètres (20 000 pieds) par un avion B-52 adapté.
Le B-52 libère le véhicule de lancement.
La fusée d’appoint accélère à une vitesse d’environ Mach 5 et s’envole à une altitude d’environ 100 000 pieds (30 500 m).
Le X-43A se sépare de la fusée d’appoint et vole par ses propres moyens et sous contrôle préprogrammé.
Le X-43A survole l’océan pendant quelques minutes avant de s’écraser.
Les responsables de la NASA affirment que le moteur à statoréacteur constituerait une avancée majeure pour la NASA et offrirait sans doute un moyen plus sûr, plus souple et moins coûteux d’envoyer des personnes et des marchandises dans l’espace.
Vol hypersonique: l’example du X-43A
Tout semblait si facile en mars dernier lorsque l’équipe X-43A de la NASA a réussi à envoyer le deuxième scramjet X-43A à la vitesse record mondiale de Mach 6,83, mais les apparences sont trompeuses.
Lorsque le deuxième véhicule de recherche X-43A a atteint Mach 6,83, soit près de sept fois la vitesse du son (la vitesse du son est d’environ 760 mph au niveau de la mer), la température de 2600 degrés Fahrenheit générée par la friction sur les bords d’attaque des queues horizontales du véhicule était plus que suffisante pour faire fondre le métal non protégé. Le matériau de protection thermique en carbone-carbone les a maintenus suffisamment froids pour résister à la chaleur torride. C’est un défi, même pour les matériaux de protection thermique les plus avancés.
Lorsque le troisième et dernier X-43A s’envolera en novembre, les températures torrides créées par la vitesse de Mach 10 (7000 mph) avoisineront les 3600 degrés, le point chaud étant cette fois le nez du véhicule. La répartition de la chaleur est différente cette fois-ci en raison des différences de matériaux. Pour une meilleure protection, le véhicule 3 sera doté de revêtements thermiques supplémentaires sur les bords d’attaque en carbone-carbone des queues horizontales.
Autre changement en vue de Mach 10 : les queues verticales du véhicule 3 sont solides, contrairement à la structure nervurée utilisée sur les véhicules 1 et 2. Des bords d’attaque en carbone-carbone ont également été ajoutés aux queues verticales.
La séparation du véhicule de recherche du booster sera effectuée à une vitesse supérieure à celle du vol Mach 7, mais la pression dynamique sera plus faible en raison de l’altitude de séparation plus élevée prévue cette fois-ci.
Un produit important de la recherche en vol est la collecte de données, et l’un des principaux objectifs de données pour le programme Hyper-X est la validation des prédictions au sol du scramjet. Avant le vol à Mach 7, les ingénieurs ont pu utiliser les données de la soufflerie hypersonique pour des tests de réduction des risques. Cependant, ils n’ont pas pu le faire en vue du prochain vol Mach 10, car les installations d’essais au sol étaient moins nombreuses.
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