1.1 Le statoréacteur et le superstatoréacteur
1.1.2 La recherche sur le statoréacteur et le superstatoréacteur : état de l’art
Le statoréacteur a été conçu par l’ingénieur français René Lorin en 1913. Cependant, ce n’est qu’en 1947 qu’un véhicule propulsé par un statoréacteur, le Leduc 010, conçu encore une fois par un ingénieur français, René Leduc, a été capable de voler de façon autonome à Mach 0,85 après avoir été largué d’un avion Languedoc (1).
Depuis, jusqu’à la fin des années soixante, plusieurs pays, notamment la France et l’URSS, ont produit des efforts importants visant principalement le développement de missiles surface-air ou sol-sol propulsés par statoréacteur et volant au-delà de Mach 1 (21). Ces efforts ont porté leurs fruits et quelques années plus tard, en 1973, lors de la guerre du Kippour, le missile SA 6
34 soviétique, propulsé par statofusée, à accélérateur intégré, a montré sur le terrain l’efficacité de cette technologie (22).
Dès la fin des années soixante-dix, une décroissance des activités de recherche sur le statoréacteur classique au profit du superstatoréacteur a été observée. De nos jours, le superstatoréacteur est considéré le moteur le plus adapté au vol au-delà de Mach 5 (6) (7). Selon les nécessités de vol, deux types de combustibles sont envisagés : l’hydrogène (privilégié pour des vitesses supérieures à Mach 8) et le kérosène (privilégié pour des vitesses entre Mach 5 et Mach 8).
Les pays au premier rang dans ce domaine de recherche sont les Etats-Unis, la Chine, l’Australie, la Russie, l’Inde et, dans le cadre de l’Agence spatiale européenne (ESA), les pays européens (23). En France, l’activité de recherche sur le superstatoréacteur est soutenue surtout par l’industriel MBDA-France et l’ONERA (24) (25). Les travaux aux Etats-Unis ont toujours été les plus avancés et l’Etats-Unis sont les premiers à avoir conçu un véhicule expérimentale, le X-43, propulsé par un superstatoréacteur et capable de réaliser un vol hypersonique autonome jusqu’à Mach 9,6 (3).
De nombreux travaux de recherche ont été réalisés sur la propulsion par statoréacteur et superstatoréacteur dans les dernières décennies. Les études expérimentales sont essentielles car les essais expérimentaux permettent d’accumuler des données qui sont très utiles pour valider les résultats des simulations numériques. Cependant, vu que la réalisation d’expériences reste très onéreuse, de nombreuses recherches sur ces moteurs portent sur les outils numériques de CFD4 (6). Les moyens de calculs dont nous disposons de nos jours sont tels à nous permettre d’étudier en CFD de manière détaillée les réactions chimiques de décomposition et de combustion qui caractérisent les statoréacteurs et superstatoréacteurs refroidis par le combustible (approche en 3D LES ou DNS pour traiter le caractère turbulent des écoulements) (6) (26) (27).
Les points d’études sur ce type de propulseur sont nombreux. La combustion revêt un grand intérêt car elle affecte directement la poussée délivrée par le moteur. Alors qu’il est relativement aisé de maîtriser la combustion subsonique, la combustion supersonique pose beaucoup plus de difficultés. L’obtention d’un mélange homogène du carburant et du comburant, l’allumage et
4 Ces travaux numériques ont vu un renouveau dès la fin des années 1990, surtout au vue des progrès sensibles des simulations multidimensionnelles sur ordinateur (6).
35 la stabilisation de la flamme, le faible temps de séjour du combustible dans la chambre conduisent à de sérieuses difficultés et complications technologiques (3) (7) (28) (29).
Les problèmes dynamiques en termes de vibrations de combustion, de couplage entre la combustion, les structures et l’acoustique ou les difficultés associées à l’injection du combustible sont également à prendre en compte (30) (31) (32). A cela s’ajoute le fait que dans un statomixte l’écoulement est d’abord subsonique, puis supersonique. Cette transition rend la stabilisation de la flamme un défi encore plus grand (6). Plusieurs travaux, expérimentaux et numériques, portent sur l’étude de la combustion supersonique et ses difficultés.
Un autre point important d’étude concerne le refroidissement du moteur. Il est nécessaire, afin de développer une stratégie de refroidissement appropriée, de déterminer les niveaux de flux thermiques auxquels sont exposées ses structures. Les flux thermiques plus importants caractérisent l’entrée d’air, la chambre de combustion, où le flux thermique produit par la combustion s’ajoute à celui dû à la compression de l’air, et la tuyère (3) (6) (20).
Le tenue thermique du moteur a fait l’objet de nombreuses études, et sera bien approfondie dans le paragraphe 1.2. Parmi ses objectifs, la recherche de matériaux adaptés aux besoins, notamment en termes de résistance en température. De nombreuses études ont montré l’intérêt d’utiliser, pour réaliser les parois de la chambre de combustion, des matériaux nouvelle génération tels que des composites thermostructuraux (composites carbone/carbone ou composites phénoliques ablatifs, constitués d’un renfort réfractaire tel que le carbone ou la silice et d’une matrice ablative à base de résine phénolique).
Ces matériaux ont des propriétés physiques et chimiques qui les rendent adaptés à la fabrication de revêtements intérieurs de chambres de combustion et de tuyères d’engins propulsifs, mais aussi à la fabrication de boucliers thermiques pour des véhicules qui doivent effectuer une rentrée atmosphérique (6) (7) (33) (34) (35) (36) (37) (38). Pour ces applications, l’intérêt de leur utilisation réside en certaines caractéristiques, tels que l’énergie thermique d’ablation élevée (jusqu’à 5000 kJ.kg-1), le bon rapport résistance mécanique / masse volumique, la bonne résistance aux chocs thermiques et le faible coefficient de dilatation.
Néanmoins, l’utilisation de protections ablatives pour le revêtement extérieur du moteur pénalise la performance du système (incrément de la masse sèche à vide). En plus, la dégradation importante que le bouclier thermique qui recouvre le véhicule subit au cours d’un vol en rend difficile un usage réutilisable en vue d’une application civile (33) (37) (39).
36 Le choix du carburant à utiliser a fait lui aussi l’objet de plusieurs études. La nécessité que le combustible injecté en chambre ait un délai d'auto-inflammation suffisamment bas pour que la combustion se déroule dans les conditions visées, influence ce choix. L’hydrogène est bien adapté, dû à son délai d’auto-inflammation très faible (13). Cependant, en raison de sa faible densité (environ 70 kg.m-3 en phase liquide), de sa dangerosité et de difficultés de stockage, de nombreux projets préfèrent l’utilisation d’un autre hydrocarbure comme le kérosène (densité d’environ 800 kg.m-3 en phase liquide) (6) (20) (40).
D’autres sujets ont fait l’objet d’études, comme les échanges thermiques entre le véhicule et l’environnement extérieur et les conditions de fonctionnement qui permettent de réduire les émissions polluantes (6).