Aerospike (moteur-fusée)

Articles principaux : Propulsion des aéronefs et Moteur à réaction.

Moteur Aerospike XRS-2200 linéaire destiné au X-33.

Le moteur-fusée Aerospike est un type de moteur-fusée qui maintient son efficacité aérodynamique dans une large gamme d'altitudes par l'utilisation d'une tuyère Aerospike. Faisant partie des moteurs à tuyère compensant l'altitude (comme les moteurs à tuyère extensible), un véhicule équipé d'un moteur Aerospike utilise 25 à 30 % de carburant en moins à basse altitude, où la plupart des missions ont le plus besoin de poussée. Ces moteurs font l'objet d'études depuis un certain nombre d'années et sont le principal moyen de propulsion des navettes spatiales Single-stage-to-orbit (SSTO). Toutefois, aucun moteur n'est actuellement en production commerciale. Seuls des prototypes ont été construits^[1].

La terminologie utilisée dans la littérature autour de ce sujet est quelque peu confuse, le terme aerospike a été utilisé pour une tuyère en pointe tronquée avec une injection de gaz, formant une "pointe d'air" (aerospike en anglais) pour compenser l'absence de pointe. Toutefois, souvent, une tuyère en pointe longue est maintenant appelé aerospike.

Principe

Comparaison entre un moteur Aerospike et un moteur-fusée classique.

En général, les moteurs-fusées classiques ne donnent le meilleur de leur performance qu'à une altitude donnée. Celle-ci est déterminée par la forme de la tuyère du moteur, souvent fixe. Or, pour qu'un moteur soit efficace, la forme de la tuyère doit changer selon la pression atmosphérique ambiante, comme c'est le cas pour les tuyères à géométrie variable.

La tuyère Aerospike apporte une autre solution au problème. Dans ce moteur, les gaz sont éjectés, non pas d'une grande "cloche" mais d'une multitude de minuscules tuyères diposées autour d'une surface interne, fixe (ou d'un trou étroit autour d'une surface interne). La surface interne constitue ainsi une "tuyère interne" solide. La surface externe de la tuyère est alors modelée par la pression de l'air (qui varie avec l'altitude), formant une "cloche" virtuelle.

Passage qui nécessite une réécriture^{[style à revoir]}

L'idée derrière le design aerospike est qu'à basse altitude, la pression ambiante comprime le sillage contre la tuyère. La recirculation dans la zone de base de la pièce interne peut alors élever la pression pour y ambiant à proximité. Comme la pression sur le dessus du moteur est ambiante, cela signifie que la base ne donne aucune poussée générale (mais cela signifie aussi que cette partie de la tuyère ne perd pas de poussée en formant un vide partiel, donc la partie de base de la tuyère peut être ignorée à basse altitude).

Du fait que la fusée monte à des altitudes plus élevées, la pression d'air à la pointe de l'échappement diminue, mais la pression au dessus du moteur diminue en même temps, ce n'est donc pas nuisible. En outre, bien que la pression de base chutes, la zone de redirection maintient la pression sur la base jusqu'à une fraction de 1 bar, une pression qui n'est pas équilibrée par le vide à proximité sur le dessus du moteur; cette différence de pression donne une poussée supplémentaire en altitude, créant un effet de compensation d'altitude. Cela produit le même effet que celui d'une cloche qui devient plus grande à mesure que la pression baisse, fournissant une compensation d'altitude.

Les inconvénients des moteurs aerospikes semblent être dù au poids supplémentaire sur la pointe, et l'augmentation des besoins de refroidissement en raison de l'extérieur de la zone chauffée. En outre, la plus grande surface refroidie peut réduire les performances en deçà des niveaux théoriques en réduisant la pression contre la buse. De plus, les moteurs aerospikes travaillent relativement peu entre Mach 1-3, où le flux d'air autour du véhicule réduit la pression, ce qui diminue la poussée^[2].

Variations

Plusieurs versions de la conception existent, différenciées par leur forme. Dans le moteur aerospike toroïdal, la pointe est en forme de bol où les gaz d'échappement sortent par un anneau situé autour de la bordure extérieure. En théorie, cela nécessite un pic infiniment long pour une meilleure efficacité, mais en soufflant une petite quantité de gaz au centre d'une pointe courte tronquée, quelque chose de semblable peut être réalisé.

Dans le cas des moteurs aerospikes linéaires, la pointe se compose d'une plaque en forme de coin conique, avec une sortie d'échappement de chaque côté des extrémités fines. Cette conception a l'avantage d'être empilable, permettant à plusieurs moteurs plus petits d'être placés en ligne pour faire un moteur plus puissant tout en augmentant les performances de pilotage avec l'utilisation du contrôle individuel des gaz des moteurs.

Performance

Rocketdyne a mené une longue série de tests dans les années 1960 sur différentes conceptions. Les derniers modèles de ces moteurs ont été basés sur la haute fiabilité de la machinerie de leur moteur J-2 et fournissaient le même genre de niveaux de poussée que les moteurs conventionnels sur lesquels ils étaient basés ; 200 000 lbf (890 kN) dans le J-2T-200k, et 250 000 lbf (1,1 MN) dans le J-2T-250k (T fait référence à la chambre de combustion torique). Trente ans plus tard, leur travail a été dépoussiéré à nouveau, pour une utilisation dans le projet X-33 de la NASA. Dans ce cas, la machinerie du moteur J-2S légèrement amélioré a été utilisée avec une pointe linéaire, créant le XRS-2200. Après plus de développement et des essais considérables, ce projet a été annulé avec le programme X-33.

Trois moteurs XRS-2200 ont été construits pour le programme X-33 et ont subi des tests au Stennis Space Center de la NASA. Les essais sur un seul moteur ont été un succès, mais le programme a été interrompu avant l'épreuve pour la configuration 2-moteurs puisse être complétée. Le XRS-2200 produisait une poussée de 204 420 lbf avec une I_sp de 339 secondes au niveau de la mer, et une poussée de 266 230 lbf avec une I_sp de 436,5 secondes dans le vide.

Le Moteur Linéaire Aerospike RS-2200^[3] a été dérivé du XRS-2200. Le RS-2200 devait propulser le lanceur orbital monoétage (SSTO) VentureStar, une navette spatiale entièrement réutilisable. Dans la dernière conception, sept RS-2200 produisaient 542 000 lbf de poussée chacun, qui lancerait le VentureStar en orbite terrestre basse. Le développement du RS-2200 a été officiellement arrêté début 2001, lorsque le programme X-33 n'a pas reçu de financement Space Launch Initiative. Lockheed Martin a choisi de ne pas poursuivre le programme VentureStar sans le soutien financier de la NASA.

Bien que l'annulation du programme X-33 ait été un revers pour l'ingénierie aerospike, ce ne fut pas la fin de l'histoire. Un jalon a été atteint quand une équipe commune de l'industrie et de l'Université d'État de Californie à Long Beach (CSULB) et Garvey Spacecraft Corporation a mené avec succès un test en vol d'un moteur aerospike à propergol liquide dans le Désert des Mojaves, le 20 septembre 2003. Les étudiants de CSULB ont développé leur fusée Prospector 2 (P-2) en utilisant un moteur aerospike LOX/éthanol de 1 000 lb_f (4,4 kN). Ce travail sur les moteurs aerospikes est en cours; Prospector-10, un moteur aerospike à dix chambres, a été testé le 25 juin 2008^[4].

Tuyère aerospike toroïdale de la NASA

De nouveaux progrès vinrent en mars 2004, lorsque deux tests réussis ont été effectués au NASA Dryden Flight Research Centre en utilisant des petites fusées (à petite échelle) fabriquées par Blacksky Corporation, basée à Carlsbad, en Californie. Les tuyères aerospike et les moteurs à propergol solide ont été développés et construits par Cesaroni Technology Incorporated. Ces deux fusées à carburant solide sont alimentés et équipés avec des tuyères aerospike toroïdales non-tronquées. Ils ont atteint un apogée de 26 000 pieds (7.900 m) et des vitesses de l'ordre de Mach 1,5.

Le développement des moteurs aerospike à petite échelle utilisant une configuration à propulsion hybride est en cours par les membres de la Reaction Research Society.

Galerie

• 

  Tir d'essai du moteur aerospike linéaire RS-2200

• 

  Moteur aerospike de CSULB

Annexes

Références

1. ↑ Aerospike Engine Homepage
2. ↑ PWR Nozzle Design
3. ↑ Encyclopedia Astronautica - RS-2200 Linear Aerospike Engine
4. ↑ CSULB CALVEIN Rocket News and Events

Articles connexes

• VentureStar
• X-33
• Linear SR-71 aerospike Experiment

Liens externes

Sur les autres projets Wikimedia :

• « Aerospike (moteur-fusée) », sur Wikimedia Commons (ressources multimédia)

• Aerospike Engine
• Advanced Engines planned for uprated Saturn and Nova boosters — includes the J-2T
• Linear Aerospike Engine — Propulsion for the X-33 Vehicle
• Dryden Flight Research Centre
• Aerospike Engine Control System Features And Performance
• X-33 Attitude Control Using The XRS-2200 Linear Aerospike Engine