Le motoriste américain GE Aerospace affirme avoir réalisé une avancée significative dans ses efforts visant à développer un moteur réutilisable capable de propulser un vol hypersonique ultra-rapide.
GE Aerospace a révélé le 14 décembre que des scientifiques de son centre de recherche mondial situé dans le nord de l’État de New York ont testé avec succès un démonstrateur à l’échelle d’un moteur à statoréacteur double mode (DMRJ) qui utilise une nouvelle technique appelée combustion par détonation rotative (RDC).
La société affirme que cette conception pourrait permettre des vols à grande vitesse et à longue distance avec une plus grande efficacité que celle disponible avec les moteurs scramjet actuels, pour les véhicules jetables et réutilisables.
« Alors que le secteur aérospatial se tourne vers l’avenir de l’hypersonique, GE Aerospace est bien placé avec les capacités, l’expérience et l’envergure nécessaires pour être un leader dans la conduite de nouveaux développements pour nos clients », déclare Amy Gowder, directrice générale de la défense de GE Aerospace. unité.
La société estime que son prototype DMRJ est le premier exemple d’un moteur hypersonique utilisant le RDC.
L’armée de l’air américaine décrit la technique comme « un type de combustion plus efficace, caractérisé par une onde de choc et une zone de réaction étroitement couplées, où les propulseurs frais sont rapidement comprimés, chauffés et brûlés ».
Le test RDC à petite échelle a eu lieu au cours du dernier trimestre 2023, selon des responsables du Global Research Center près d’Albany, New York.
PASSER À SCRAMJET
Surtout, GE Aerospace estime que le moteur hypersonique RDC permettra de surmonter un obstacle critique au vol hypersonique : la transition entre les moteurs à réaction conventionnels et les DMRJ ultra-rapides.
Alors que le personnage de Pete « Maverick » Mitchell de Tom Cruise a rendu l’atteinte de Mach 10 facile dans une scène de la dernière entrée cinématographique du Top Gun franchise, atteindre le seuil M5 pour le vol hypersonique est beaucoup plus difficile dans la vraie vie.
L’avion secret Darkstar de Top Gun : Maverick a utilisé un moteur à réaction pour atteindre M3.5, auquel cas Maverick actionne quelques interrupteurs du cockpit pour couper le moteur à turbine conventionnel de l’engin, modifier la forme des prises d’air et enflammer le scramjet – ou DMRJ – alimentant le Darkstar fictif au-delà de M10. L’avion fonctionne alors mal et Maverick s’éjecte en toute sécurité.
Dans la vraie vie, la transition entre les systèmes de propulsion reste un problème.
La physique des moteurs DMRJ conventionnels nécessite des vitesses anémométriques d’environ M3,5 pour atteindre une compression significative afin de produire l’allumage et de générer la poussée. Moteurs scramjet actuels effectuer le plus efficacement possible à M4 et plus rapide.
L’avion avec équipage le plus rapide jamais piloté – l’emblématique SR-71 Blackbird de Lockheed Martin – a atteint M3.
Les ingénieurs en propulsion doivent combler l’écart de vitesse entre environ M3 et M3,5 avant que le vol hypersonique en équipage, dans un véhicule réutilisable comme le Blackbird, puisse devenir une réalité.
« Il reste encore beaucoup d’inventions à faire », déclare Craig Young, directeur de l’ingénierie et de la propulsion hypersonique chez GE Edison Works, l’unité de développement de technologies avancées de l’entreprise.
Une option consiste à utiliser des propulseurs de fusée, plutôt que des turbines à réaction, pour atteindre des vitesses sub-hypersoniques élevées.
Des exemples d’approche propulsée par fusée incluent le vaisseau sans équipage de Stratolaunch TalonA des véhicules et des systèmes d’armes hypersoniques comme ceux de Lockheed Concept d’arme hypersonique à respiration aérienne et le Raytheon-Northrop Grumman Missile de croisière d’attaque hypersonique.
Young affirme que les meilleurs systèmes hypersoniques réalisent actuellement une transition de la propulsion conventionnelle vers la puissance scramjet quelque part entre M3.2 et M3.7.
« Nous pouvons faire mieux que cela », dit-il.
PLIER LA COURBE
On pourrait s’attendre à ce qu’une entreprise connue pour ses moteurs à réaction aborde la transition scramjet en construisant un moteur à réaction encore meilleur. Mais GE Aerospace adopte l’approche inverse – et RDC est la clé.
Plutôt que de construire un turboréacteur plus rapide, les scientifiques du Global Research Center affirment qu’un moteur DMRJ avec RDC sera capable de s’allumer et de produire une poussée à des vitesses plus lentes que les scramjets conventionnels.
Young affirme que cette approche offre un potentiel « d’amélioration significative » par rapport aux systèmes existants.
Bien que l’amélioration signifie un seuil de vitesse plus faible pour l’allumage des scramjets, elle prend également la forme de boosters plus petits pour les systèmes propulsés par fusée, de DMRJ plus compacts et d’une combustion plus efficace en vol à Mach élevé.
Cela rend la récente étape importante du moteur RDC non seulement pour la perspective d’un vol hypersonique en équipage, mais également pour les systèmes consommables.
Joseph Vinciquerra, directeur principal de la recherche aérospatiale chez GE Aerospace, décrit le concept DMRJ de la société comme « indépendant de la plate-forme », ce qui signifie qu’il pourrait un jour être utilisé pour propulser un missile, un avion ou même un véhicule commercial en orbite.
Bien qu’une grande partie du travail de développement reste inachevée, la société consacre des ressources à la résolution du problème hypersonique. Dans le cadre d’un seul volet de cet effort, GE Aerospace a investi quelque 1,5 milliard de dollars dans l’augmentation de la production de matériaux composites à matrice céramique, appelés CMC.
Les composants à haute résistance, légers et résistants à la chaleur soutiendront la poussée vers le domaine hypersonique, ainsi que les produits existants tels que le turboréacteur à double flux CFM International Leap.
GE Aerospace recherche également activement des opportunités avec le gouvernement américain, les contrats fédéraux représentant désormais environ 30 % de ses quelque 250 millions de dollars de dépenses scientifiques annuelles.
« L’une des choses que nous avons vraiment perfectionnées au cours des cinq dernières années est la capacité de rechercher les problèmes que le gouvernement tente de résoudre », explique Vinciquerra. L’entreprise recherche des opportunités gouvernementales qui correspondent aux « priorités de produits que nous cherchons à faire progresser au sein de l’entreprise », note-t-il.
Le moteur DMRJ s’inscrit parfaitement dans ce cadre idéal – et GE prévoit d’avancer rapidement pour faire progresser le concept.
Le test RDC initial utilisait un article de démonstration à petite échelle hébergé dans le sous-sol de type sous-marin du Global Research Center. Dans une cellule d’essai durcie, d’innombrables tuyaux et conduites dirigent le carburant, l’air comprimé et le liquide de refroidissement vers un ensemble moteur, tandis que les gaz d’échappement nettoyés sont évacués vers la surface.
Cette installation permet aux chercheurs d’explorer et de relever les défis liés à l’allumage des scramjets, à la stabilité de la combustion, au contrôle des gaz, aux vibrations excessives, aux charges thermiques et à la sélection des matériaux.
GE Aerospace a l’intention de tester un moteur DMRJ à grande échelle avec RDC d’ici début 2025 ou avant.
Une partie de la stratégie de l’entreprise pour développer et étendre la technologie a été l’acquisition plus tôt cette année de la société de développement de propulsion Innoveering, basée à New York. Cette entreprise a testé avec succès son propre DMRJ au premier trimestre 2023, y compris la transition entre les moteurs à turbine à gaz et les moteurs scramjet.
Mark Rettig, directeur général du développement commercial chez Edison Works, qualifie l’acquisition d’Innoveering d’« énorme » pour GE Aerospace, affirmant que la conception DMRJ d’Innoveering constituait la base du prototype basé sur RDC de GE Aerospace.
En pratique, explique Rettig, la transition de mode permettrait à un avion d’être lancé sous la puissance d’un moteur à turbine à gaz, de passer à la puissance d’un scramjet pour atteindre des vitesses hypersoniques et d’effectuer une mission, puis de décélérer et de revenir au vol propulsé par turbine pour l’atterrissage.
« Cette transition de mode est essentielle à l’efficacité du véhicule », explique Rettig. « Il est essentiel que les véhicules puissent bénéficier de l’autonomie et des performances dont ils ont besoin pour exécuter leurs missions. »
L’optimisation de l’efficacité et des performances du moteur pendant ces transitions de mode sera essentielle pour prouver que le concept a des possibilités réalistes, note-t-il.
ALERTE SPOIL
Alors que le récent test RDC ne portait que sur le moteur de démonstration DMRJ, le test à grande échelle prévu pour début 2025 inclura une transition de mode avec un moteur à turbine à réaction.
Si GE Aerospace prouve la faisabilité de cette conception, la perspective d’un vol hypersonique avec équipage devient « un problème d’ingénierie », comme le décrit Young, plutôt qu’une question d’invention.
La résolution de ce problème d’ingénierie reviendra en grande partie aux avionneurs comme Lockheed, Northrop ou Boeing. Ils seront mis au défi de trouver des moyens d’intégrer deux systèmes de propulsion radicalement différents avec des exigences d’admission d’air uniques.
Le Darkstar fictif – conçu par Lockheed dans le Top Gun Universe – utilise des prises d’air variables, qui s’ajustent mécaniquement pendant la transition de mode représentée à l’écran.
Même si cette transition aurait pu paraître une pure fiction lors de la sortie du film en 2022, la récente percée en matière de propulsion chez GE Aerospace rend le concept moins fantaisiste.
Pourtant, les experts hypersoniques du Global Research Center affirment qu’un aspect de Darkstar reste fermement du domaine de la fiction : la perspective de survivre à une éjection sur M10.
