Systèmes d'allumage à puissance pulsée nanoseconde pour une combustion supersonique fiable

Feb 18, 2024

Introduction

L'attention et les efforts consacrés à la recherche et au développement d'avions hypersoniques, capables de voler à plusieurs fois la vitesse du son, ont considérablement augmenté ces dernières années. Une représentation fictive du pedigree du monde réel (Le SR-72 sans pilote du programme de développement avancé de Lockheed Martin annoncé en 2017 ) a même joué un rôle important dans le blockbuster de l'été 2022 à plus d'un milliard de dollars, Top Gun : Maverick. Les moteurs conçus pour le vol hypersonique ont des applications révolutionnaires dans la sécurité nationale en tant qu'armes hypersoniques avancées, dans l'exploration spatiale en tant qu'étages réutilisables pour accéder à l'orbite terrestre basse et dans l'aviation commerciale en tant que méthodes rapides et à longue portée pour le transport aérien de passagers dans le monde entier.

L’un des défis majeurs du vol hypersonique réside dans les extinctions. Une extinction est la perte de propulsion due à l'extinction de la flamme dans la chambre de combustion du moteur, qui peut se produire pour de nombreuses raisons, notamment un manque de carburant, une altitude excessive, de fortes précipitations ou des températures ambiantes incroyablement basses. Les premiers moteurs à réaction étaient susceptibles de s'éteindre suite à des perturbations du flux d'air d'admission ou à des mouvements brusques du levier de poussée, entraînant des rapports air-carburant incorrects dans la chambre de combustion. Les moteurs modernes sont plus robustes et sont souvent contrôlés numériquement, ce qui permet un contrôle beaucoup plus efficace de tous les paramètres du moteur pour éviter les extinctions et même déclencher un redémarrage automatique si une extinction se produit.

Cependant, en hypersonique, les défis de rallumage sont accrus en raison de la vitesse incroyablement élevée de l’air circulant à travers la chambre de combustion, volant à des altitudes plus élevées, et de la résistance réduite de l’air nécessaire pour atteindre la vitesse maximale.

Plus on va vite, plus il est difficile de s'enflammer

SelonNASA , une fois l'extinction survenue, il est essentiel de rallumer le moteur le plus rapidement possible. Cependant, les conditions qui ont provoqué l’extinction sont les mêmes qui rendront difficile un rallumage. La première étape consiste à descendre à des altitudes plus basses, plus propices au rallumage. Cela peut poser problème selon la mission. Pour tenter de rallumer, des noyaux d'allumage (des poches de flux d'énergie élevé et de radicaux libres) sont introduits dans la chambre de combustion en allumant l'allumeur du moteur. Le noyau se développe en un front de flamme, et atteint finalement la stabilisation ou l'extinction de la flamme, en fonction de l'état initial du noyau et de l'évolution de l'écoulement turbulent. Le fort flux turbulent, combiné à la fiabilité de la décharge de l’étincelle d’allumage, rend le rallumage du moteur difficile.

Ces problèmes de rallumage sont encore aggravés dans les moteurs avancés comme les scramjets. Un scramjet (statoréacteur à combustion supersonique) est une variante d'un moteur à réaction à statoréacteur, dans lequel la combustion a lieu dans un flux d'air supersonique. Le flux d'air est comprimé dynamiquement via un système d'admission qui ne nécessite pas d'éléments rotatifs, et le carburant et le comburant sont brûlés dans des conditions de vitesse supersonique dans la chambre de combustion. Cependant, à des vitesses aussi élevées, les processus de mélange et de combustion ne peuvent pas facilement s'adapter à la longueur de la chambre de combustion car le temps de séjour total disponible pour que les réactifs brûlent est généralement d'une fraction de milliseconde avec un écoulement supersonique tout au long. Le carburant, qui est injecté dans la chambre de combustion via un port séparé, doit être mélangé au niveau moléculaire avec l'oxygène présent dans le flux d'air ingéré pour que les réactions chimiques de combustion se produisent. Un temps de séjour suffisant doit donc être alloué pour que les structures turbulentes à grande échelle dans les couches de cisaillement se développent et se transforment en tourbillons plus petits qui déclenchent un mélange à micro-échelle entre les réactifs. L'atténuation de ce taux de croissance se produit à des vitesses supersoniques en raison des effets de compressibilité qui ralentissent le mélange requis. Finalement, le carburant et le comburant brûlent lors du mélange dans une séquence chimique.

En bref, le défi de la combustion supersonique dans les scramjets est aussi difficile que d'allumer une allumette dans un cyclone.