Un nouveau moteur à détonation défie les limites de la physique

La détonation est une onde de combustion supersonique, caractérisée par une onde de choc provoquée par la libération d’énergie de réactions chimiques étroitement couplées. Il s’agit d’une forme typique de combustion à gain de pression, qui convertit efficacement l’énergie chimique en poussée. Le concept d’exploitation de la détonation pour améliorer l’efficacité du cycle thermodynamique et les performances des systèmes de propulsion aérospatiaux est un sujet d’intérêt depuis de nombreuses années.

Depuis les années 1950, différents types de moteurs à détonation ont été proposés, notamment les moteurs à détonation pulsée, les moteurs à détonation oblique et les moteurs à détonation rotative. Toutefois, ces trois types de moteurs à détonation se heurtent à des difficultés telles qu’une mauvaise continuité de la poussée, des nombres de Mach élevés au démarrage et des gains de performance insuffisants, qui limitent l’application généralisée de la technologie de propulsion par détonation.

Dans un article paru récemment dans le Chinese Journal of Aeronautics, Haocheng Wen et Bing Wang de l’Université Tsinghua ont proposé un nouveau concept de propulsion détonante, appelé Ram-Rotor Detonation Engine, qui devrait permettre de dépasser les limites des moteurs à détonation susmentionnés.

« L’objectif initial du développement de ce nouveau moteur est d’améliorer les structures des moteurs à détonation rotatifs », a indiqué le Dr Haocheng Wen, “ce concept s’inspire également du compresseur à rotor-bélier”.

Le moteur à détonation à rotor-bélier, abrégé en RRDE, se compose principalement d’un rotor rotatif avec des pales et d’un carter stationnaire. Les pales du rotor sont réparties selon une symétrie hélicoïdale. Le mélange combustible subit une compression, une combustion par détonation et une expansion dans les canaux à section variable entre les pales.

Les auteurs ont réalisé une étude théorique et numérique primaire sur la RRDE. Ils ont établi un modèle théorique pour analyser la relation entre les performances de propulsion et des paramètres tels que la vitesse d’entrée, la vitesse de la jante du rotor et le rapport d’équivalence. Ils ont indiqué que pour le mélange hydrogène/air stœchiométrique, le gain de pression total de la RRDE peut dépasser 3.

Par ailleurs, ils ont également effectué des simulations numériques sur la structure typique de la RRDE et ont obtenu le champ d’écoulement caractéristique et les performances de propulsion du moteur.

Leurs résultats de simulation démontrent que l’onde de détonation peut se stabiliser et rester stationnaire à l’intérieur des pales dans la configuration donnée, et qu’elle peut s’adapter aux variations de paramètres tels que le rapport d’équivalence dans une certaine plage.

« Notre étude vérifie principalement les avantages en termes de performances et la faisabilité opérationnelle de la RRDE », a ajouté le Dr Haocheng Wen.

Les auteurs estiment que la RRDE présente plusieurs avantages, notamment une structure simple et compacte, un rendement élevé et la possibilité de s’adapter à une large gamme de nombres de Mach en vol. Toutefois, ils reconnaissent aussi franchement que la réalisation du RRDE est confrontée à de nombreux défis qui demandent à être résolus, tels que le mécanisme de stabilisation de l’onde de détonation, l’interférence de la couche limite supersonique, la mise en œuvre d’un rotor à grande vitesse, ainsi que la protection thermique, etc.

« Notre équipe mène des recherches continues sur des questions scientifiques et techniques clés dans le domaine de la RRDE », a conclu le professeur Bing Wang.

Ils espèrent que la RRDE pourra fournir une propulsion de haute performance pour les véhicules supersoniques à l’avenir.

Haocheng Wen, Bing Wang. Primary investigation on Ram-Rotor Detonation Engine [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2024, 37(11):66-80

Journal: Chinese Journal of Aeronautics / DOI: 10.1016/j.cja.2024.05.016
« Primary investigation on Ram-Rotor Detonation Engine » – Article Publication Date: 6-Nov-2024

Légende illustration :Schéma conceptuel d’un véhicule supersonique utilisant le moteur à détonation du rotor-bélier – Crédit : Chinese Journal of Aeronautics