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Repenser le voyage hypersonique avec le moteur à détonation ram-rotor (RRDE)
La troisième génération de propulsion aéronautique
Since the Wright brothers’ first flight, the central concept of mechanized flying has been compressing air to generate propulsion. This was first done with the ever-larger propellers in WWI and WW2 planes.
Depuis le premier vol des frères Wright, le concept central du vol mécanisé a été de comprimer l’air pour générer la propulsion. Cela a d’abord été réalisé avec des hélices de plus en plus grandes dans les avions de la Première et de la Seconde Guerre mondiale.
Source: Wikipedia
L’étape suivante a été 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 effet de combustion puissant, qui est ensuite dirigé vers la turbine et la tuyère du jet pour produire la propulsion.
Cela a ensuite été amélioré avec le ramjet, où le mouvement de l’avion crée la compression de l’air, permettant des vitesses encore plus élevées. Au-delà d’une certaine vitesse, les pièces mobiles d’un turboréacteur se déplaceraient trop rapidement et se casseraient. Le premier avion à utiliser un ramjet fut le Leduc 0.10 en 1949.
Source: Tech Brief
Une version améliorée du ramjet existe, appelée scramjet (ramjet supersonique). Ce moteur n’a pas besoin de ralentir l’air entrant pour la combustion, maintenant plutôt un écoulement supersonique et obtenant une meilleure efficacité énergétique.
Les scramjets ont été conceptualisés dès 1958 mais n’ont été testés qu’en 2001 dans le X-43A de la NASA. Trois ans plus tard, l’avion expérimental a atteint des vitesses de Mach 6,8 (5 217 mph ou 8 396 km/h) et Mach 9,6 (7 366 mph ou 11 854 km/h).
C’était impressionnant, mais la technologie des jets atteint ses limites dans une certaine mesure, de la même façon que la hélice du début du XXe siècle ne pouvait pas dépasser une certaine vitesse.
C’est pourquoi les scientifiques et les ingénieurs se tournent désormais vers 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. Ainsi, théoriquement, elles pourraient être utilisées pour brûler le carburant de façon plus efficace et/ou atteindre des vitesses de vol plus élevées.
Bien sûr, les explosions sont beaucoup plus difficiles à exploiter en propulsion réelle dans un moteur d’avion sans… exploser en plein vol.
Dans un moteur à détonation rotative, cela est réalisé en créant des ondes de détonation qui se propagent continuellement autour d’une chambre de combustion en forme d’anneau. Comme la détonation se produit à haute fréquence, cela génère une poussée quasi continue.
Source: Air Force Research Laboratory
Such an engine was tested successfully for the first time by NASA in 2020.
Ce type de moteur devrait être jusqu’à 25 % plus efficace que les moteurs à réaction « normaux » basés sur la combustion. Ils n’ont également pas besoin du grand compresseur en amont du brûleur, ce qui économise d’énormes quantités de poids, et devrait encore améliorer l’efficacité globale de l’avion.
Ces types de moteurs n’ont récemment pu être réalisés que grâce à des matériaux avancés. Le principal facteur limitant était la capacité des matériaux à résister à des températures extrêmes, à un flux continu d’ondes de choc et à un écoulement riche en oxygène simultanément.
Un ramjet à détonation ?
Un inconvénient majeur des moteurs à détonation rotative est qu’ils fonctionnent beaucoup moins efficacement à pression atmosphérique. Ainsi, à l’instar des ramjets et des scramjets, ils doivent idéalement être propulsés à une vitesse supersonique ou hypersonique avant d’être activés.
Il émerge maintenant un concept encore plus avancé, le moteur à détonation ram-rotor. Il a été développé par des scientifiques chinois travaillant à l’École d’ingénierie aérospatiale de l’Université Tsinghua, Pékin. Ils ont publié leurs travaux dans le Chinese Journal of Aeronautics, sous le titre “Enquête primaire sur le moteur à détonation ram-rotor“.
Moteur à détonation ram-rotor (RRDE)
L’idée clé d’un RRDE est de stabiliser la détonation à l’intérieur d’un rotor à grande vitesse. Le canal d’écoulement comprime le mélange air-carburant aux conditions idéales pour la détonation, quelle que soit la vitesse d’admission.
Source: Chinese Journal of Aeronautics
L’onde de détonation est maintenue en place en équilibrant les vitesses relatives du flux d’air d’admission et des gaz en expansion ainsi que des ondes de choc qui sortent de l’échappement.
Grâce à ce processus, l’onde de détonation reste stationnaire par rapport aux pales.
Source: Chinese Journal of Aeronautics
Avantages du RRDE
Flexibilité
Parce que le moteur peut moduler la compression de l’air, il se comporte davantage comme un turboréacteur classique que comme un ramjet, qui nécessite la vitesse de l’avion pour réaliser la compression de l’air.
Cela signifie que le RRDE peut fonctionner à toutes les vitesses et peut servir de 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 de guidage et des tuyères, afin d’élargir sa plage de fonctionnement stable et ses scénarios.
Potentiellement, il pourrait également être utilisé en combinaison avec un turboréacteur, de manière similaire à la façon dont la plupart des conceptions de ramjet et de scramjet sont réalisées aujourd’hui.
Moteurs d’avion hypersoniques
Par définition, les ondes de détonation se déplacent plus rapidement que la vitesse du son, souvent bien plus rapidement. 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 de RRDE d’effectuer un vol hypersonique au-dessus de Mach 5+ (3 836 mph / 6 174 km/h), avec une efficacité nettement supérieure à celle des autres moteurs à détonation.
Une plus grande efficacité réduirait non seulement les coûts de carburant, mais permettrait également une plus grande autonomie avec le même carburant. Ou une capacité de charge plus élevée pour la même autonomie, car il faudrait transporter moins de carburant lourd.
De la théorie à la pratique
Jusqu’à présent, le RRDE n’existe que sous forme de conception et ne s’est prouvé que dans des tests théoriques et simulés en laboratoire.
Il reste donc encore un long chemin avant un prototype pratique, et un chemin encore plus long vers des RRDE commerciaux produits en série.
Cela impliquera de résoudre des problèmes du monde réel qui n’ont peut-être pas été pris en compte dans la simulation. Par exemple, il a fallu longtemps pour maintenir une onde de détonation dans un canal annulaire statique pour les moteurs à détonation rotative. Garder l’onde de détonation stable dans un rotor à grande vitesse sera encore plus difficile.
Des défis en ingénierie et en métallurgie sont également attendus, car le matériau utilisé devra être ultra-efficace.
Les pales du rotor devront être suffisamment légères pour tourner rapidement et efficacement, mais assez robustes pour supporter les flux d’air d’admission hypersoniques… ainsi que les détonations explosives constantes entre les pales.
Entreprise de moteurs à explosion rotative
Jusqu’à présent, la plupart des recherches menées sur ce nouveau type de moteur ont été réalisées par des instituts de recherche publics, principalement des agences spatiales et militaires, notamment la NASA, l’US Air Force, l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA), Energomash russe, etc.
Il existe toutefois une entreprise privée qui a démontré sa capacité à construire un moteur à détonation rotative en 2023 : General Electric.
GE Aerospace
(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 ).
Cela a été fait pour recentrer l’entreprise sur son cœur de compétence, après plusieurs décennies de financiarisation qui se sont avérées nettes négatives.
L’entreprise est un fournisseur central de l’industrie aéronautique, avec environ 3 milliards de personnes voyageant chaque année grâce à la technologie GE Aerospace, et environ 900 000 personnes à bord d’avions propulsés par GE à tout moment (3 vols commerciaux sur 4). Cela repose sur une série de moteurs pour toutes les tailles et applications d’avions.
Source: GE Aerospace
À long terme, cette gamme de moteurs devrait être remplacée par une nouvelle génération offrant une meilleure efficacité énergétique, obtenue grâce à des efforts de R&D à long terme. Cela pourrait représenter une amélioration de 10 à 15 % de l’efficacité énergétique pour les avions civils et jusqu’à 25 % pour les avions militaires.
Source: GE Aerospace
En plus des moteurs, l’entreprise propose également la technologie du carbure de silicium pour les systèmes d’alimentation électrique et l’avionique (électronique et ordinateurs d’avion).
L’entreprise est depuis longtemps un leader des systèmes de propulsion aéronautique. De loin, son activité est tirée par le secteur civil (revenus de 23,9 Mds $ en 2023), suivi du segment défense (9 Mds $).
70 % des revenus de l’entreprise proviennent des services, en particulier la maintenance et la réparation des moteurs, ce qui constitue une source de revenus très stable.
Source: GE Aerospace
L’entreprise investit dans les technologies futures pour conserver son avantage, notamment l’impression 3D avec GE Additive, le seul OEM (fabricant d’équipement d’origine) dans la fabrication additive métallique disposant d’une solution complète de bout en bout.
Source: GE Aerospace
Moteur à détonation rotative de GE
Comme mentionné précédemment, GE a également réalisé le premier test mondial d’un ramjet hypersonique à double mode (DMRJ) avec combustion à détonation rotative (RDC) dans un flux supersonique.
Cela a été rendu possible grâce à la maîtrise par GE des composites céramiques à matrice (CMCs) haute température, de l’électronique de puissance en carbure de silicium, des technologies additives et de la gestion thermique avancée.
Les résultats significatifs que nous avons obtenus à ce jour nous donnent confiance que nous avançons dans la bonne direction.
L’équipe a avancé très rapidement, il n’a fallu que 12 mois du début à la fin pour la démonstration du DMRJ avec RDC. L’équipe est sur la bonne voie pour démontrer un DMRJ complet avec RDC à grande échelle l’année prochaine.
Les moteurs hypersoniques comme celui-ci pourraient d’abord être utilisés dans des applications militaires avancées, des avions de combat aux missiles. Mais ils finiront probablement par pénétrer les avions hypersoniques civils un jour, et la présence de GE sur les deux marchés devrait aider à exploiter cette technologie émergente.
Dans l’ensemble, après une longue période en tant que conglomérat sans direction et axé sur la finance, il semble que GE soit de nouveau sur la bonne voie pour se réaffirmer comme un centre d’ingénierie et de fabrication américain, à un moment où la réindustrialisation et le reshoring sont des tendances fortes.
