Un nouveau système de propulsion pourrait permettre de voler à des vitesses allant jusqu’à Mach 17
Le système de propulsion mis au point par l’UCF pourrait permettre des vitesses de vol de Mach 6 à 17 (plus de 4 600 à 13 000 miles par heure) et aurait des applications dans les voyages aériens et spatiaux.
Les chercheurs de l’Université de Floride centrale développent leur technologie qui pourrait ouvrir la voie aux vols hypersoniques, comme le voyage de New York à Los Angeles en moins de 30 minutes.
Dans leurs derniers travaux publiés récemment dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, les chercheurs ont découvert un moyen de stabiliser la détonation nécessaire à la propulsion hypersonique en créant une chambre de réaction hypersonique spéciale pour les moteurs à réaction.
« Les efforts internationaux s’intensifient pour développer des systèmes de propulsion robustes pour les vols hypersoniques et supersoniques, qui permettraient de traverser notre atmosphère à très grande vitesse et d’entrer et de sortir efficacement des atmosphères planétaires », explique Kareem Ahmed, coauteur de l’étude et professeur associé au département d’ingénierie mécanique et aérospatiale de l’UCF. « La découverte de la stabilisation d’une détonation – la forme la plus puissante de réaction intense et de libération d’énergie – a le potentiel de révolutionner les systèmes de propulsion et d’énergie hypersoniques. »
Le système pourrait permettre de voyager en avion à des vitesses de Mach 6 à 17, soit plus de 4 600 à 13 000 miles par heure. La technologie exploite la puissance d’une onde de détonation oblique, qu’ils ont formée en utilisant une rampe inclinée à l’intérieur de la chambre de réaction pour créer une onde de choc induisant la détonation pour la propulsion.
Contrairement aux ondes de détonation rotatives qui tournent, les ondes de détonation obliques sont stationnaires et stabilisées.
Cette technologie améliore l’efficacité des moteurs de propulsion à réaction, de sorte que davantage de puissance est générée tout en utilisant moins de carburant que les moteurs de propulsion traditionnels, ce qui allège la charge de carburant et réduit les coûts et les émissions.
Outre l’accélération des voyages aériens, cette technologie pourrait également être utilisée dans les fusées pour les missions spatiales afin de les alléger en consommant moins de carburant, de les faire voyager plus loin et de les faire brûler plus proprement.
Les systèmes de propulsion par détonation ont été étudiés pendant plus d’un demi-siècle, mais n’avaient pas donné de bons résultats en raison des propergols chimiques utilisés ou de la façon dont ils étaient mélangés. Les travaux précédents du groupe d’Ahmed ont permis de surmonter ce problème en équilibrant soigneusement le taux d’hydrogène et d’oxygène libérés dans le moteur pour créer la première preuve expérimentale d’une détonation rotative.
Cependant, la courte durée de la détonation, qui ne dure souvent que quelques micro ou millisecondes, la rend difficile à étudier et peu pratique à utiliser.
Dans la nouvelle étude, cependant, les chercheurs de l’UCF ont pu maintenir la durée d’une onde de détonation pendant trois secondes en créant une nouvelle chambre de réaction hypersonique, connue sous le nom d’installation HyperREACT (hypersonic high-enthalpy reaction). L’installation contient une chambre avec une rampe à angle de 30 degrés près de la chambre de mélange des propergols qui stabilise l’onde de détonation oblique.
« C’est la première fois que l’on montre qu’une détonation peut être stabilisée expérimentalement », déclare Ahmed. « Nous sommes enfin capables de maintenir la détonation dans l’espace sous forme de détonation oblique. C’est presque comme geler une explosion intense dans l’espace physique. »
Gabriel Goodwin, ingénieur aérospatial au Naval Center for Space Technology du Naval Research Laboratory et co-auteur de l’étude, affirme que leurs recherches aident à répondre à de nombreuses questions fondamentales qui entourent les moteurs à ondes à détonation oblique.
Le rôle de Goodwin dans l’étude a consisté à utiliser les codes de dynamique des fluides computationnelle du Naval Research Laboratory pour simuler les expériences réalisées par le groupe d’Ahmed.
« Des études comme celle-ci sont cruciales pour faire progresser notre compréhension de ces phénomènes complexes et nous rapprocher du développement de systèmes à l’échelle de l’ingénierie », déclare Goodwin.
« Ces travaux sont passionnants et repoussent les limites de la simulation et de l’expérimentation », ajoute M. Goodwin. « Je suis honoré d’en faire partie. »
L’auteur principal de l’étude est Daniel Rosato, 19 ans, 20 ans, assistant de recherche diplômé et bénéficiaire de la bourse présidentielle de doctorat de l’UCF.
Il est responsable de la conception, de la fabrication et du fonctionnement de l’expérience, ainsi que de l’analyse des données, avec l’aide de Mason Thorton, co-auteur de l’étude et assistant de recherche de premier cycle.
Selon M. Rosato, les prochaines étapes de la recherche consistent à ajouter de nouveaux outils de diagnostic et de mesure afin de mieux comprendre les phénomènes étudiés.
« Après cela, nous continuerons à explorer d’autres configurations expérimentales afin de déterminer plus en détail les critères permettant de stabiliser une onde de détonation oblique », explique Rosato.
Selon les chercheurs, si l’on parvient à faire progresser cette technologie, la propulsion hypersonique basée sur la détonation pourrait être mise en œuvre dans les voyages atmosphériques et spatiaux de l’homme dans les décennies à venir.
Référence : » Stabilized detonation for hypersonic propulsion » par Daniel A. Rosato, Mason Thornton, Jonathan Sosa, Christian Bachman, Gabriel B. Goodwin et Kareem A. Ahmed, 10 mai 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2102244118
Cette étude a été financée par le soutien à long terme du portefeuille Énergie, combustion et thermodynamique hors équilibre de l’Office de la recherche scientifique de l’armée de l’air dans le domaine de la détonation via les subventions 16RT0673/FA9550-16-1-0441 et 19RT0258/FA9550-19-0322 (responsable du programme : Chiping Li), la National Science Foundation et le NASA Florida Space Grant Consortium.
Les coauteurs de l’étude sont Jonathan Sosa (15 ans, 18 ans et 19 ans), chercheur postdoctoral au Propulsion and Energy Research Laboratory de l’UCF et actuellement ingénieur aérospatial au U.S. Naval Research Laboratory, et Christian Bachman, ingénieur aérospatial au U.S. Naval Research Laboratory.
Ahmed est professeur associé au département d’ingénierie mécanique et aérospatiale de l’UCF, qui fait partie du College of Engineering and Computer Science de l’UCF. Il est également membre du corps enseignant du Center for Advanced Turbomachinery and Energy Research et du Florida Center for Advanced Aero-Propulsion. Il a occupé pendant plus de trois ans le poste d’ingénieur senior en aéro/thermo chez Pratt & Whitney military engines, où il a travaillé sur des programmes et des technologies de moteurs avancés. Il a également été membre de la faculté de l’Old Dominion University et de la Florida State University. À l’UCF, il dirige des recherches sur la propulsion et l’énergie avec des applications pour la production d’électricité et les moteurs à turbine à gaz, les moteurs à réaction de propulsion, l’hypersonique et la sécurité incendie, ainsi que des recherches liées à la science des supernovas et au contrôle de la transmission COVID-19. Il a obtenu son doctorat en génie mécanique à l’université d’État de New York à Buffalo. Il est membre associé de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics et membre de la faculté de l’U.S. Air Force Research Laboratory et de l’Office of Naval Research.
