PROPULSION HYPERSONIQUE

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La propulsion aérobie (c'est-à-dire qui utilise l'oxygène de l'atmosphère pour la combustion d'un carburant) assure la plus grande partie des besoins de propulsion pour les aéronefs évoluant dans le domaine de nombre de Mach (rapport de la vitesse de vol sur la vitesse locale du son) allant de 0 à un peu plus de 3.

En revanche, un certain nombre de difficultés techniques majeures limitent encore à quelques missiles dotés de statoréacteurs l'emploi de cette propulsion aérobie à un nombre de Mach élevé, l'essentiel des besoins de propulsion pour les hautes vitesses étant couvert par la propulsion par moteurs-fusées à ergols liquides ou à propergols solides.

Pourtant, grâce à son impulsion spécifique élevée, la propulsion aérobie pourrait modifier fondamentalement les capacités opérationnelles de la plupart des systèmes aéronautiques et aérospatiaux actuels. L'impulsion spécifique est définie comme le rapport entre la poussée produite et le débit de poids du couple d'ergols utilisé. Exprimée en secondes, elle représente le temps pendant lequel 1 kilogramme d'ergols peut sustenter une masse de 1 kilogramme soumise à la pesanteur terrestre. Pour un moteur-fusée, les ergols considérés sont le combustible et le comburant, qui sont tous deux embarqués dans le véhicule. Dans le cas de la propulsion aérobie, seul le combustible est pris en compte (le comburant est puisé dans l'atmosphère). Ainsi, en fonction du nombre de Mach de vol considéré, l'impulsion spécifique d'un moteur aérobie à hydrogène est de 6 (en subsonique et en supersonique) à 2 (en haut hypersonique) fois plus élevée que celle d'un moteur-fusée à hydrogène et oxygène liquides (460 s). En vol de croisière à vitesse constante, la consommation d'ergols embarqués est proportionnelle à l'impulsion spécifique. Pour un vol accéléré, il faut plutôt considérer l'« impulsion spécifique véhicule », qui considère la poussée diminuée de la traînée aérodynamique et de la pesanteur (il s'agit donc de la capacité d'accélération vraie).

Un effort très important de recherche-développement technologique, focalisé sur le système propulsif dit statomixte, est donc mené dans de nombreux pays, notamment en Europe, afin d'améliorer les connaissances et d'apporter les solutions technologiques qui devraient permettre des applications opérationnelles, sans doute d'abord militaires, puis civiles, entre 2020 et 2030.

Statoréacteur, superstatoréacteur et statomixte

Dans les systèmes aérobies classiques (turboréacteurs, turbopropulseurs, turbines à gaz), un compresseur augmente la pression de l'air avant son entrée dans la chambre de combustion afin de parvenir à une efficacité thermodynamique suffisante du cycle de combustion.

À partir de Mach 2, la captation à grande vitesse de l'air atmosphérique suffit pour assurer sa compression. Dès lors, il n'y a plus besoin de compresseur en amont de la chambre ni de turbine en aval pour prélever sur les gaz chauds la puissance nécessaire à l'entraînement du compresseur. On a alors un statoréacteur (en anglais, ramjet), constitué d'une entrée d'air, d'une chambre de combustion et d'une tuyère. Entre Mach 2 et Mach 6 environ, l'air, une fois capté, est ralenti jusqu'à un écoulement subsonique (par rapport au véhicule), pour assurer un temps de séjour suffisamment important dans la chambre et obtenir un bon rendement de combustion. Pour fixer les idées, Mach 1 correspond à 1 224 kilomètres par heure au niveau du sol, à 1 070 vers 15 000 mètres d'altitude.

Au-delà de Mach 6 environ, la transition vers un écoulement subsonique devient trop coûteuse en traînée de captation et entraîne un échauffement trop important de l'air qui rend difficile un apport d'énergie supplémentaire par combustion. On conserve alors un écoulement supersonique à l'entrée de la chambre de combustion ; ce type de moteur est appelé superstatoréacteur (en anglais, scramjet, pour supersonic combustion ramjet).

Le statomixte (cf. figure) combine ces deux types de fonctionnements dans une seule veine pour fonctionner en combustion subsonique de Mach 2 à Mach 6 environ puis en combustion supersonique jusqu'à Mach 7 à 8 (avec des combustibles stockables), voire 10 à 12 (en utilisant de l'hydrogène comme combustible), avec une transition plus ou moins continue entre ces deux modes.

Principe de fonctionnement d'un statomixte

Dessin : Principe de fonctionnement d'un statomixte

Pour une vitesse du véhicule inférieure à Mach 6, l'écoulement à l'entrée de la chambre de combustion d'un statomixte est subsonique ; lorsque la vitesse est supérieure à Mach 6, cet écoulement devient supersonique. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Principe de fonctionnement d'un statomixte

Principe de fonctionnement d'un statomixte
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X-51A Waverider

X-51A Waverider
Crédits : C. Bellay/ U.S. Air Force

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  • : coordinateur du groupe de recherches et technologies Propulsion et énergie embarquée au sein d'E.A.D.S.

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François FALEMPIN, « PROPULSION HYPERSONIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 17 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/propulsion-hypersonique/