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Un moteur-fusée simple et économe en carburant pourrait permettre des engins spatiaux moins chers et plus légers :


Il faut beaucoup de carburant pour lancer quelque chose dans l’espace. L’envoi de la navette spatiale de la NASA en orbite a nécessité plus de 3,5 millions de livres de carburant, ce qui est environ 15 fois plus lourd qu’une baleine bleue.

Mais un nouveau type de moteur – appelé moteur à détonation rotatif – promet de rendre les fusées non seulement plus économes en carburant mais aussi plus légères et moins compliquées à construire. Il n’y a qu’un seul problème : en ce moment, ce moteur est trop imprévisible pour être utilisé dans une véritable fusée.

Des chercheurs de l’Université de Washington ont développé un modèle mathématique qui décrit le fonctionnement de ces moteurs. Avec ces informations, les ingénieurs peuvent, pour la première fois, développer des tests pour améliorer ces moteurs et les rendre plus stables. L’équipe a publié ces résultats le 10 janvier dans Physical Review E.

Un moteur-fusée simple et économe en carburant pourrait permettre des engins spatiaux moins chers et plus légers :



“Le domaine des moteurs à détonation tournants est encore à ses balbutiements. Nous avons des tonnes de données sur ces moteurs, mais nous ne comprenons pas ce qui se passe”, a déclaré l’auteur principal James Koch, un doctorant de l’UW en aéronautique et astronautique. “J’ai essayé de refondre nos résultats en examinant les formations de motifs au lieu de poser une question d’ingénierie – par exemple, comment obtenir le moteur le plus performant – et puis boom, il s’est avéré que cela fonctionne.”

Un moteur-fusée conventionnel fonctionne en brûlant du propulseur puis en le poussant hors de l’arrière du moteur pour créer une poussée.



“Un moteur à détonation rotatif adopte une approche différente de la façon dont il brûle le propulseur”, a déclaré Koch. “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”.

“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 chassent les gaz d’échappement.” à l’arrière du moteur à des vitesses élevées, ce qui peut générer une poussée. “

Les moteurs conventionnels utilisent beaucoup de machines pour diriger et contrôler la réaction de combustion afin qu’elle génère le travail nécessaire pour propulser le moteur. Mais dans un moteur à détonation en rotation, l’onde de choc fait tout naturellement sans avoir besoin d’aide supplémentaire de la part des pièces du moteur.

“Les chocs entraînés par la combustion compriment naturellement le débit lorsqu’ils se déplacent autour de la chambre de combustion”, a déclaré Koch. “L’inconvénient est que ces détonations ont leur propre esprit. Une fois que vous avez fait exploser quelque chose, ça va juste. C’est tellement violent.”

Pour tenter de décrire le fonctionnement de ces moteurs, les chercheurs ont d’abord développé un moteur expérimental de détonation rotative où ils pouvaient contrôler différents paramètres, tels que la taille de l’espace entre les cylindres. Ils ont ensuite enregistré les processus de combustion avec une caméra à haute vitesse. Chaque expérience ne prenait que 0,5 seconde, mais les chercheurs ont enregistré ces expériences à 240 000 images par seconde afin de voir ce qui se passait au ralenti.

À partir de là, les chercheurs ont développé un modèle mathématique pour imiter ce qu’ils ont vu dans les vidéos.

“Il s’agit du seul modèle de la littérature actuellement capable de décrire la dynamique diverse et complexe de ces moteurs à détonation rotatifs que nous observons dans les expériences”, a déclaré le co-auteur J. Nathan Kutz, professeur aux mathématiques appliquées à l’UW.

Le modèle a permis aux chercheurs de déterminer pour la première fois si un moteur de ce type serait stable ou instable. Cela leur a également permis d’évaluer la performance d’un moteur spécifique.

“Cette nouvelle approche est différente de la sagesse conventionnelle dans le domaine, et ses applications larges et ses nouvelles connaissances m’ont complètement surpris”, a déclaré le co-auteur Carl Knowlen, professeur agrégé de recherche à l’UW en aéronautique et astronautique.

À l’heure actuelle, le modèle n’est pas tout à fait prêt à être utilisé par les ingénieurs.

“Mon objectif ici était uniquement de reproduire le comportement des impulsions que nous avons vues – pour nous assurer que la sortie du modèle est similaire à nos résultats expérimentaux”, a déclaré Koch. “J’ai identifié la physique dominante et la façon dont 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.”

Mitsuru Kurosaka, professeur UW d’aéronautique et d’astronautique, est également co-auteur de cet article. Cette recherche a été financée par l’US Air Force Office of Scientific Research et l’Office of Naval Research.