Single Stage To Orbit 3.0 : moteurs aérobies
La solution la plus simple pour accélérer du décollage a la vitesse orbitale soit mach25, c'est le moteur fusée.
C'est bien ce que font les fusées classiques! Mais avec un défaut : la voracité du moteur fusée est telle que le carburant a emporter est trop lourd. D'où les étages largués.
1- Pourquoi ne pas mettre des réacteurs d'avions ?
Ils sont limités a mach3 ce qui ne change pas grand chose par rapport a mach 25: il faudra toujours larguer des étages.
2- Si on veut passer mach3 il faut changer de moteur et passer au statoréacteur.
Lui et ses dérivés permettent d'atteindre mach 12 ce qui est environ la moitié de la vitesse orbitale.
Après il faut quand meme faire appel au moteur fusée, non plus pour des raisons de vitesse mais d'altitude : il n'y a plus d'air dans l'espace or le moteur fusée est le seul qui prenne son oxygène... dans un réservoir.
Mais ce réservoir sera de taille raisonnable s'il n'est utilisé qu'a partir de mach12 vu que les moteurs précédents lui ont mâchés la moitié du travail et même plus, le décollage étant la partie la plus pénible et a éviter pour le moteur fusée.
Exemple type : la navette consomme la moitié de son carburant juste pour passer de 0 a mach 1.4
(a peine 1500 km/h!)
les recherches sur les statoréacteurs et dérivés.
A-La situation vers la fin des années 50
A cette époque, les projets équipés de statoréacteurs se multiplient.
2 grandes familles émergent:
- les engins pilotés à turboramjets
Leduc 022, Griffon, SR-71 Blackbird.
Les réacteurs classiques ne permettent pas de dépasser mach3.2 (XB-70 et Mig25). En effet le compresseur ne supporte plus ni la chaleur ni la vitesse.
En 1965, les Blackbird volait entre mach3.35 (SR-71) et mach3.6 (YF-12 , A-12 ) car leur réacteurs J-58 se "transformaient" en statoréacteurs via les entrées d'air dotées de cônes "cachant" le compresseur au delà de mach 3, et d 'une déviation de l 'écoulement de l 'air dans la partie arrière du moteur celle ci faisant alors office de statoréacteur.
Les français eux avaient trouvé un autre système 10 ans auparavant: placer le turboréacteur au milieu du statoréacteur. Le Leduc 022 n°2 et le Griffon III en acier inoxydable visaient mach 3 mais furent annulés en 1958 au profit des Mirage III, de la force de frappe et de la guerre d'Algérie…
- les missiles et engins ailés sans pilote opérationnels à Mach 3
Aux USA d 'incroyables concepts voient le jour propulsé par des statoréacteurs Marquardt
- le BOMARC un missile antiaérien volant a Mach 3.4
- le D-21 TAGBOARD un drone de reconnaissance lancé depuis un A-12 puis B-52
- le XSM-64 NAVAHO un missile de croisière intercontinental (moitié fusée, moitié stato)
Tous sont propulsés par un booster à carburant solide amenant le statoréacteur a sa vitesse de fonctionnement.
B- Recherches effectuées par la firme américaine Marquardt (1945-1970)
Fondée en 1944 par Roy Marquardt cette société était le spécialiste américain du statoréacteur.
Dans la deuxième moitié des années 40 la firme se lança dans les statoréacteurs expérimentaux montés sur les chasseurs de l 'époque (P-51 , P-61 XP-83 P-80…).
Voyant que sur les avions subsoniques les statoréacteurs étaient inutiles du fait de la trop faible vitesse, la société se spécialisa dès les années 50 dans les statoréacteurs pour missiles (X-7 Navaho BOMARC etc.).
Son plus gros succès fut le RJ-43 de 4000 kgp. Avec les statoréacteurs les engins de l 'époque plafonnaient entre mach3.2 et mach3.6 (le X-7 expérimental se hissa à mach4.31 en 1959)
Mais dès la fin des années 50 les ICBM ainsi que les turboréacteurs optimisés pour Mach3 menacèrent les statoréacteurs et la survie de la firme par la même.
Aussi durant les années 60 Marquardt mena des recherches très avancées dans le domaine des statoréacteurs améliorés. Première innovation dès 1960 : les systèmes LACE et ACES de liquéfaction de l 'air.
La firme connaissait bien les défauts des statoréacteurs notamment leur absence de poussée à basse vitesse. Pour y remédier les missiles ou engins étaient habituellement accélérés par des boosters à poudre extérieurs, largués à la fin de leur combustion. Poussant alors ces recherches la société étudia des combinaisons beaucoup plus efficaces entre fusée et statoréacteur.
A partir du statoréacteur (= RAMJET) fut tout d 'abord crée l'ejector-ramjet c 'est a dire un statoréacteur avec un moteur fusée à ergols liquides dans la tuyère.
Constatant que le moteur fusée consommait trop lors de l 'accélération - ce qui réservait cette solution aux missiles comme l 'ASMP - la firme ajouta alors un compresseur (comme sur un turboréacteur) donnant alors naissance au supercharged ejector ramjet.
Toutefois le compresseur ne tolérait pas une vitesse supérieure à mach4.5 (les pales surchauffaient dangereusement) aussi fallut il trouver des solutions pour l 'escamoter (latéralement, verticalement ou en le mettant de profil pour qu'il ne gêne pas le flux d 'air à mach4 ).
La vitesse était toutefois limité à mach6 comme pour tout les statoréacteurs à combustion subsonique.
Marquardt élabora alors deux solutions pour passer mach6
1- Ajout d'une prise d 'air à géométrie variable pour que le mode ramjet devienne scramjet.
2- La firme démontra qu'il était également possible de rajouter au supercharged ejector ramjet une fonction liquéfaction de l 'air (dont Marquardt était également pionnier…)
Ce programme fut mené entre 1966 et 1969; après avoir fait tourner un modèle réduit , le RJ-176 au banc d 'essai Marquardt proposa en juin 1969 de modifier un X-15 (dont le programme venait de se terminer en novembre 1968) en banc d 'essais volant pour son SERJ.
D 'abord un X-15 classique, ensuite le X-15 delta qui serait devenu à plus long terme un appareil biplace opérationnel capable de croiser à Mach5
C- Les records de vitesse pure.
Plusieurs générations de missiles expérimentaux se sont succédés des années 50 aux années 90 pour pulvériser les records de vitesse pour engin aérobie de Mach4 a Mach10
(X-7 Véga Staltaltex V-750 ASALM-PTV Kholod Hyshot X-43…).
Aucun engin aérobie n'a toutefois dépassé l'entrée du domaine hypersonique (qui correspond également à la transition ramjet/scramjet) avant les années 90 c 'est pourquoi le Stataltex de l 'Onera a gardé son record si longtemps.
Mais depuis les années 80 de nouveaux concepts permettant à des engins aérobie de passer ce mur sont apparus.
A Mach 6 s 'ouvre le domaine du superstatoréacteur que l 'on commence à peine à défricher (X-43).
Records de vitesse pour statoréacteurs 1955-2005
Date/ Pays / Engin / Vitesse
1953 USA XSSM-N-6 Rigel Mach 2.5 ?
08/10/1955 France SE 4400 Mach 3.15
15/02/1957 France SE-4400 Mach 3,2
18/04/1958 France SE 4400 Mach 3.7
1959 USA Lockheed X-7 Mach 4,31
07/12/1960 France STATALTEX Mach 4.86
10 /10/1961 France Nord Vega Mach 4.35
09/07/1962 France STATALTEX Mach 5
1965 URSS V-753 Mach 4.8
1980 USA PTV/ASALM. Mach 5,5
26/11/1991 Russie Kholod Mach 5,75
17/11/1992 Russie Kholod Mach 5.35
12/02/1998 Russie Kholod Mach 6,4
30/10/2001 Australie Hyshot Mach 7
27/03/2004 USA X-43 Mach7
16/11/2004 USA X-43 Mach 10
***Between October 1979 and May 1980, seven flight tests of propulsion technology validation (PTV) vehicles were successfully conducted. These PTV vehicles were probably closely related to the Marquardt LASRM (Low-Altitude Short Range Missile), which reportedly tested integrated rocket/ramjet technology under Air Force program 655A. In one of the PTV tests, the missile ACCIDENTALLY accelerated beyond the planned speed, and eventually reached Mach 5.5 at 12200 m (40000 ft)! The planned cruise speed for operational ASALM missions was to be around Mach 4.5 for a range of about 480 km (300 miles)
Conclusion
Avec le X-43 on a bel et bien volé a mach 10. Sauf que ce record est surtout symbolique pour plusieurs raisons
-1 ce n'est qu'un prototype
-2 il a été accéléré par une fusée elle meme lancée depuis un avion (!)
3- il n'a fonctionné que 10 secondes
4- le moteur utilisé est vraiment au début de son développement, alors que le concept date des années 60!
La poussée et l'accélération sont très faibles voire inexistante : c'est quasiment la fusée d'accélération qui a emmené l'engin a mach10!
