L'ingénieur de la NASA Laura O'Connor inspecte un modèle de moteur statoréacteur supersonique (scramjet) au Langley Research Center à Hampton, Virginie. © Corbis Comme peut vous le dire quiconque s'est déjà effondré lors d'un plongeon élevé, lorsque vous touchez un fluide sans lui laisser le temps de s'écarter, il a tendance à riposter. Les plongeurs ont battu la physique en faisant un plongeon plus rationalisé, et les voitures et les avions plus rapides le font en arborant des formes plus aérodynamiques. Mais il arrive un moment, près du mur du son, où la rationalisation ne suffit pas - une vitesse à laquelle l'air même qui maintient votre avion en l'air commence à vous marteler avec une traînée apparemment insurmontable, turbulences qui font grincer des dents et ondes de choc brutales. En effet, beaucoup croyaient ce mur du son incassable jusqu'à ce que, le 14 octobre, 1947, Le Bell X-1 propulsé par une fusée de Chuck Yeager leur a prouvé le contraire.
Mais et si vous pouviez transformer tout cet air entassé à votre avantage ? Et qu'est-ce qui se passerait si, au lieu de le traverser avec des hélices ou de le brûler avec des fusées, vous pouvez l'emballer dans un tube de forme spéciale, pompez-le avec une explosion et tirez-le avec une buse à des vitesses supersoniques, le tout sans pièces mobiles majeures? Vous auriez un type de moteur à réaction très spécial, un "tuyau volant" apte à trancher le ciel à des milliers de kilomètres à l'heure. Tu aurais un statoréacteur .
Mais l'apparente simplicité du statoréacteur est trompeuse; il faut une ingénierie aéronautique de pointe, des matériaux modernes et une fabrication de précision pour réussir - ce qui explique en partie pourquoi une idée presque aussi ancienne que le vol motorisé a été reprise à plusieurs reprises et mise de côté pendant des décennies avant d'obtenir un succès limité pendant la guerre froide.
Contrairement à sa principale compétition de vitesse, la fusée, qui brûle du carburant à l'aide d'oxydants embarqués comme le nitrate d'ammonium, chlorate de potassium ou chlorate d'ammonium, les statoréacteurs respirent de l'air. Ainsi, tandis que les fusées peuvent fonctionner dans le quasi-vide de l'espace, les statoréacteurs doivent voler dans l'atmosphère. Ils doivent le faire à des vitesses très élevées, aussi -- vers Mach 2.5-3.0, ou trois fois la vitesse du son - parce que les statoréacteurs fonctionnent en exploitant pression dynamique, la compression naturelle de l'air provoquée par la vitesse élevée d'un avion. En d'autres termes, les statoréacteurs font des alliés des ondes de choc et des forces de compression qui s'opposaient autrefois au vol à grande vitesse; ils suivent littéralement le courant [sources :Encyclopaedia Britannica; Nasa].
Les statoréacteurs sont plus efficaces sur de longues distances que les fusées mais souffrent d'un inconvénient important :ils sont inutiles à faible vitesse. Par conséquent, ils s'appuient sur des fusées d'appoint ou d'autres véhicules pour se mettre à niveau. Les statoréacteurs autonomes utilisent généralement des moteurs hybrides [source :NASA].
Si cette explication vous a dépassé à une vitesse supersonique, c'est probablement parce que nous avons sauté beaucoup de choses intéressantes et intéressantes. Regardons comment les moteurs à réaction se sont développés pour produire cette merveille moderne.
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Un caméraman avec une caméra à grande vitesse filme la flamme d'augmentation de poussée d'un moteur statoréacteur I-40 au Lewis Flight Propulsion Laboratory à Cleveland. (Le laboratoire est devenu plus tard connu sous le nom de John Glenn Research Center.) © Corbis Les jets fonctionnent sur des explosions contrôlées. Cela semble étrange jusqu'à ce que vous réalisiez que la plupart des moteurs de voiture le font, aussi :aspirez de l'air, le compresser, le mélanger avec du carburant, allumez-le et bang! Vous avez poussé un piston. Mais alors que les moteurs à essence et diesel sont cycliques ou combustion intermittente , les jets entraînent combustion continue, dans lequel le carburant et l'air se mélangent et brûlent sans arrêt. Dans les deux cas, brûler plus de caoutchouc signifie consommer plus de gaz, et cela signifie aspirer plus d'oxygène pour obtenir le bon mélange. Les voitures gonflées le font avec des compresseurs; dans les moteurs à réaction, c'est plus compliqué [source :Encyclopaedia Britannica].
Le premier avion à réaction opérationnel a zoomé sur le combat vers la fin de la Seconde Guerre mondiale en utilisant turboréacteur moteurs, une conception simple mais ingénieuse basée sur le Brayton (ou Joule ) Cycle :Pendant que l'avion vole, flux d'air à travers une prise d'air dans un diffuseur , une chambre qui ralentit le flux d'air et inhibe les ondes de choc. Il traverse ensuite une série de disques aubagés :la filature rotors , qui repoussent l'air, et stationnaire stators , qui guident le flux d'air. Ensemble, ils agissent comme un compresseur qui pompe la pression dans les chambres de combustion du jet. Là, le carburant se mélange à l'air sous pression et s'enflamme, températures de dynamitage dans la plage 1800-2800 F (980-1540 C) ou plus [sources :Encyclopaedia Britannica; Krueger; Spakovszky].
La pression augmente avec la température, donc cette explosion crée beaucoup de force sans rien faire d'autre que chercher une sortie rapide. Lorsque l'échappement traverse la tuyère arrière, il génère une poussée pour déplacer l'avion. En route vers cette buse, l'échappement traverse également une turbine reliée aux rotors par un arbre de torsion. Pendant que la turbine tourne, il transfère de l'énergie aux aubes de compresseur en amont, terminer le cycle.
Dans les avions avec turbopropulseurs ou des hélicoptères avec turbomoteur moteurs, les turbines transfèrent également la puissance à une hélice ou à un rotor d'hélicoptère via une série d'engrenages.
Les turboréacteurs ont beaucoup de puissance mais ont du mal à basse vitesse. Par conséquent, dans les années 60 et 70, les avions supersoniques bas ont commencé à se diriger vers le turboréacteurs que la plupart des jets privés et des avions commerciaux utilisent encore. Un turboréacteur est le turducken des moteurs - essentiellement un turboréacteur enveloppé dans un capot plus grand avec un gros ventilateur giflé à l'avant. Le ventilateur aspire plus d'air, lequel le moteur se sépare alors en deux flux :De l'air circule dans le turboréacteur emboîté, tandis que le reste coule à travers l'espace vide qui l'entoure. Les deux flux se réunissent lorsque l'air plus froid redirigé se mélange à l'échappement du turboréacteur et le ralentit, créer un plus grand, flux de poussée plus lent et plus efficace à basse vitesse [sources :Encyclopaedia Britannica; Krueger].
Pendant ce temps, à l'époque où les turboréacteurs se sont imposés, la recherche sur les statoréacteurs atteignait enfin son rythme de croisière. La route avait été longue.
PostcombustionCertains turboréacteurs et turboréacteurs sont couplés à des postcombustion , qui consomment plus d'énergie en injectant du carburant dans les gaz d'échappement après avoir passé la turbine et en la rallumant. Ce processus, aussi connu sous le nom réchauffer , est inefficace mais peut augmenter la poussée du turboréacteur jusqu'à 50 % [sources :Encyclopaedia Britannica; Pratt &Whitney]. Les postcombustion sont utiles lors du décollage ou en cas de mauvais temps, conditions de basse vitesse ou de basse pression. On les trouve principalement dans les avions de combat supersoniques, bien que le Concorde SST les ait également utilisés au décollage [sources :Encyclopaedia Britannica; Nasa; Pratt &Whitney].
Celui qui a dit qu'il fallait marcher avant de pouvoir courir n'a jamais rencontré le Français René Lorin. Il a vu les possibilités de propulsion à pression dynamique dès 1913, quand les pilotes volaient encore des cerfs-volants en bois glorifiés. Conscient de l'inutilité du design aux vitesses subsoniques, il a plutôt conçu une bombe volante assistée par statoréacteur. L'armée française lui a fait signe de partir. ingénieur hongrois Albert Fono, un autre pionnier du statoréacteur, poursuivit une idée similaire en 1915 et reçut un accueil comparable de la part de l'armée austro-hongroise [sources :Gyorgy; Heiser et Pratt; Wolko].
Les conceptions de ramjets ont connu une courte vogue entre les guerres mondiales. Les ingénieurs soviétiques ont fait des progrès précoces dans les statoréacteurs à base de fusée (voir la section suivante), mais l'intérêt s'est épuisé avant 1940. L'occupation allemande a interrompu les premiers travaux de l'ingénieur français René Leduc, mais sa persévérance et son secret ont payé le 21 avril, 1949, lorsque son modèle 010 inspiré de Lorin a effectué son premier vol propulsé d'un statoréacteur. Porté au sommet d'un avion de ligne Languedoc 161, il vola pendant 12 minutes et atteignit 450 mph (724 km/h) à mi-puissance [sources :Siddiqi; Salle; Wolko; Yust et al.].
Et, pour un moment, C'était ça. Malgré le succès de Leduc, le manque de fonds a mis fin au soutien officiel de ses recherches en 1957 [sources :Siddiqi; Salle; Wolko; Yust et al.]. Le statoréacteur commençait à ressembler à une invention sans application. Pendant ce temps, La Seconde Guerre mondiale avait inauguré la première génération de turboréacteurs opérationnels :le britannique Gloster Meteor, le Messerschmitt Me 262 allemand et le Lockheed F-80 Shooting Star américain [sources :Encyclopaedia Britannica; Encyclopédie Britannica; Encyclopédie Britannica; Musée national de l'USAF; van Pelt].
Alors que la guerre se terminait et que la guerre froide s'intensifiait, il est devenu évident que les turboréacteurs et les turboréacteurs présentaient des solutions subsoniques et peu supersoniques plus pratiques que les statoréacteurs. Après, la plupart des travaux américains et soviétiques dans les statoréacteurs se sont concentrés sur la construction de missiles intercontinentaux. En 1950, L'ingénieur américain William H. Avery et le laboratoire de physique appliquée de l'Université Johns Hopkins ont produit Talos, le premier missile statoréacteur de la marine américaine. Les générations futures affineraient et rationaliseraient la conception, l'introduction de l'hybride roquettes capable d'atteindre des vitesses supersoniques élevées (Mach 3-5) (voir section suivante) [sources :Hoffman; Kossiakoff; Salle].
Malgré des conceptions intrigantes comme l'hélicoptère Hiller XHOE-1 Hornet, le bombardier intercepteur Republic XF-103 proposé et le drone de reconnaissance sans pilote Lockheed D-21B de courte durée, les statoréacteurs ont langui jusqu'aux débuts en 1964 du Lockheed SR-71 Blackbird . L'avion piloté le plus rapide jusqu'à sa retraite en 1989, le Mach 3+ Blackbird utilisait également un moteur hybride, parfois appelé un turboréacteur [sources :Musée national de l'USAF; Smithsonian; Salle].
Nous allons plonger dans le SR-71 et d'autres hybrides et sous-types de statoréacteurs dans la section suivante.
Rudi Ramjet ?À la fin de la Seconde Guerre mondiale, L'Allemagne avait commencé des recherches sur de nombreux jets, comprenant un statoréacteur assisté par fusée, le Fw 252 "Super Lorin, " et le bombardier antipode Sänger-Bredt propulsé par statoréacteur. ils ont construit avec succès le V-1 Buzz Bomb, une catapulte à vapeur lancée, bombe guidée à jet d'impulsions. Un jet pulsé n'est pas un statoréacteur, mais ils partagent des qualités en commun, incluant la simplicité et un minimum de pièces mobiles [sources :Encyclopaedia Britannica; Encyclopédie Britannica; Encyclopédie Britannica; Musée national de l'USAF; van Pelt].
L'avion de reconnaissance Lockheed SR-71A Blackbird se prépare pour le vol. Le Blackbird garé au Steven F. Udvar-Hazy Center a déjà volé de Los Angeles à Washington, D.C., dans une heure, quatre minutes et 20 secondes. © George Hall/Corbis Si les statoréacteurs sont si délicats, alors pourquoi s'embêter ? Bien, aux pressions et températures générées à Mach 2,5+, la plupart des moteurs à réaction deviennent extrêmement peu pratiques – et totalement inutiles. Même si vous pouviez en faire fonctionner un, cela combinerait les dangers de faire fonctionner un moulin à vent dans un ouragan avec l'inutilité de transporter une machine à vagues jusqu'à la côte nord d'Oahu.
Les statoréacteurs reprennent les principes de base des autres jets et les lancent jusqu'à 11, le tout sans pièces mobiles majeures. L'air entre dans le diffuseur d'un statoréacteur à des vitesses supersoniques, l'assaillant avec des ondes de choc qui aident à augmenter la pression du bélier. Un corps central en forme de losange dans l'admission comprime davantage l'air et le ralentit à des vitesses subsoniques pour un mélange plus efficace avec le carburant et la combustion. La combustion se produit dans une chambre ouverte semblable à une postcombustion géante, où le combustible liquide est injecté ou le combustible solide est soumis à une ablation des côtés de la chambre [sources :Ashgriz; Encyclopédie Britannica; SPG ; Salle].
Les limitations de vitesse des statoréacteurs ont progressivement inspiré des moteurs hybrides capables de voler à des vitesses inférieures et d'accélérer à des vitesses supersoniques. L'exemple le plus connu, le SR-71 Blackbird, utilisé un hybride turboréacteur-statoréacteur appelé, convenablement, une turboréacteur . De tels moteurs fonctionnent comme un turboréacteur à postcombustion jusqu'à bien au-delà de Mach 1, après quoi des conduits contournent le turboréacteur et redirigent le flux d'air comprimé dynamique vers la postcombustion, faire en sorte que le moteur se comporte comme un statoréacteur [source :Ward].
Conceptions de missiles, pendant ce temps, progressivement supprimé les boosters en les déplaçant à l'intérieur même du statoréacteur, création roquettes , alias statoréacteurs de fusée intégrés . Pendant l'accélération de la fusée, des bouchons scellent temporairement l'admission et les injecteurs de carburant du statoréacteur. Une fois les fusées épuisées et le statoréacteur à pleine vitesse, ceux-ci sautent, et les fusées vides font office de chambres de combustion [source :Ward].
Avoir hâte de, franchir la ligne de Mach 5 à des vitesses hypersoniques entraînera probablement scramjets (statoréacteurs à combustion supersonique) . Contrairement aux autres statoréacteurs, les scramjets n'ont pas besoin de ralentir l'air à des vitesses subsoniques dans leurs chambres de combustion. Pour retirer l'allumage et l'expansion dans les 0,001 secondes avant que l'air sous pression ne sorte de l'échappement, les scramjets utilisent généralement de l'hydrogène, qui a une haute impulsion spécifique (changement de quantité de mouvement par unité de masse de propergol), s'enflamme sur une large gamme de rapports carburant/air et libère une énorme explosion d'énergie lorsqu'elle est brûlée [sources :Bauer; Encyclopédie Britannica; Nasa].
Les Scramjets restaient théoriques avant les dernières décennies, et le travail reste essentiellement expérimental. En novembre 2004, Les huit ans de la NASA, Le programme Hyper-X de 230 millions de dollars a produit un scramjet qui a atteint Mach 9,6 lors de son dernier vol. Certains analystes pensent que la technologie pourrait atteindre Mach 15-24, mais voyager en avion à des vitesses hypersoniques signifie vaincre des forces différentes de celles auxquelles sont confrontés même les engins supersoniques les plus rapides. En bref, nous avons un long chemin à parcourir avant de pouvoir faire la navette de New York à Los Angeles en 12 minutes [sources :Bauer; DARPA ; Fletcher; Nasa].
Le Ramjet interstellaireUn obstacle majeur aux voyages spatiaux propulsés par fusée est la relation exponentielle entre l'accélération et le carburant. Plus tu vas vite, plus vous avez besoin de carburant ; plus vous transportez de carburant, plus vous ajoutez de masse, plus vous avez besoin de carburant supplémentaire pour le surmonter [sources:Long; Nasa].
Avec ça en tête, les physiciens ont proposé d'autres solutions, y compris tout, des voiles solaires à l'explosion de bombes nucléaires éjectées. En 1960, le physicien Robert Bussard a proposé un statoréacteur interstellaire qui recueillerait des particules chargées dans l'espace via un champ électromagnétique, les faire converger, créer une réaction de fusion et utiliser l'énergie pour la propulsion [sources :Long ; Nasa].
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Je suis souvent enchanté par les histoires de grandes innovations qui n'ont pas trouvé d'application lorsqu'elles ont été inventées pour la première fois. En écrivant cet article, par exemple, On m'a rappelé à plusieurs reprises le laser, qui s'appelait autrefois une solution à la recherche d'un problème.
Oh, quelle différence quelques décennies font.
D'autre part, parfois des inventions étranges font des millions. D'autres fois, nous inventons des choses dans un seul but qui s'avèrent avoir des applications imprévues. Parmi ses nombreuses contributions, le programme spatial américain a inventé le maillot de bain côtelé et changé les couches pour toujours. Aujourd'hui, les scientifiques des matériaux découvrent des propriétés pour lesquelles nous n'avons pas encore trouvé d'utilisations. Avec de la chance, ils s'en tireront mieux que Lorin.
