Une équipe de chercheurs financée par la NASA a annoncé une percée dans la technologie du flux d’air supersonique, permettant aux opérateurs de contrôler le flux d’air à la vitesse de la lumière lorsqu’une « cascade de choc » mortelle se produit.

La cascade de chocs est une condition qui précède généralement la panne du moteur dans un moteur scramjet. Aujourd’hui, pour la première fois, des chercheurs du Collège d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie ont démontré la capacité de surveiller le flux d’air à travers un moteur à réaction supersonique à l’aide d’un capteur optique au lieu d’un capteur de pression.

Ce niveau de détection et de contrôle sans précédent offre aux ingénieurs des moteurs de propulsion à réaction utilisés dans les modèles réduits d’avions supersoniques une toute nouvelle façon de maintenir les performances des moteurs fonctionnant au-dessus de Mach 5, soit cinq fois la vitesse du son lorsqu’une cascade de chocs est détectée. Les avions volant à des vitesses supérieures à ce seuil sont qualifiés de « supersoniques ».

Le professeur Christopher Gowen, directeur du laboratoire de recherche spatiale de l’université de Virginie, où les recherches ont été menées, a déclaré : « Il nous semblait logique que si l’avion évoluait à des vitesses hypersoniques de Mach 5 et plus, il serait peut-être préférable de inclure des capteurs fonctionnant à une vitesse plus proche de la vitesse de la lumière que de la vitesse du son ».

La détection des chocs des trains est essentielle pour le vol supersonique

dans le communiqué de presse Annonçant une avancée majeure dans la détection et le contrôle du flux d’air, l’équipe a noté que l’avion expérimental X-43 de la NASA, ou « Hyper-X », était capable de voler à des vitesses hypersoniques 20 ans plus tôt. La version finale de cet avion, le X-43A, a atteint Mach 10 en 2004. Il s’agit de la vitesse la plus rapide atteinte par un avion à respiration aérienne avant ou depuis.

Malheureusement, ce programme et son successeur de l’Air Force, le programme X-51 Waverider, utilisaient une technologie obsolète pour surveiller et contrôler avec précision le flux d’air à l’intérieur d’un moteur hypersonique. Contrairement au statoréacteur utilisé dans les avions supersoniques, un scramjet capable de voler à des vitesses supersoniques doit maintenir la circulation de l’air à des vitesses supersoniques. En conséquence, la surveillance du débit d’air avec un capteur de pression de 2004 fonctionnant à la vitesse du son en observant les ondes de pression a laissé très peu de temps aux ingénieurs pour réagir aux conditions de débit défavorables.

« Si vous ressentez à la vitesse du son, mais que les processus moteurs se déplacent plus rapidement que la vitesse du son, vous n’aurez pas autant de temps de réponse », a expliqué Gwen.

L’équipe UVA s’est tournée vers les capteurs optiques pour fournir aux ingénieurs des données beaucoup plus rapides afin qu’ils puissent éviter la redoutable condition de « non-démarrage », où le flux d’air à l’entrée du moteur scramjet tombe en dessous du seuil de vitesse supersonique.

« Si quelque chose se produit à l’intérieur du moteur supersonique et que des conditions subsoniques surviennent soudainement, cela signifie que le moteur cessera de fonctionner. La poussée diminuera soudainement et à ce stade, il peut être difficile de redémarrer l’admission », a expliqué Gwen.

Les capteurs optiques trouvent une toute nouvelle façon de détecter et de prévenir les dysfonctionnements

Selon les recherches de l’équipe publié Dans le magazine Sciences et technologies aérospatialesL’équipe estime que la surveillance du débit d’air d’admission à l’aide de capteurs optiques peut fournir aux ingénieurs la possibilité d’ajuster les conditions du moteur avant qu’un calage du moteur ne se produise réellement. Cependant, contrairement aux capteurs de pression, ces capteurs doivent rechercher un signal visuel indiquant qu’un calage du moteur est sur le point de se produire, contrairement à une onde de pression traditionnelle que les capteurs de pression peuvent détecter.

Pour tester leur idée, l’équipe a utilisé l’une des nombreuses souffleries de l’Université de Virginie. Appelé Installation de combustion supersonique de l’Université de Virginie, le tunnel peut simuler les conditions du moteur d’un véhicule hypersonique se déplaçant à Mach 5. Contrairement aux tests effectués sur un avion réel voyageant à des vitesses supersoniques, les souffleries peuvent fonctionner pendant de très longues périodes. Cette flexibilité a permis aux chercheurs de collecter une quantité sans précédent de données sur les performances de leurs capteurs optiques.

« Nous pouvons exécuter les conditions de test pendant des heures, ce qui nous permet d’essayer de nouveaux capteurs de débit et méthodes de contrôle sur une géométrie de moteur réelle », a expliqué Chloe Didek, professeure agrégée à l’Université de Virginie et co-auteur de la recherche publiée. .

Après plusieurs heures d’expérimentation, l’équipe a trouvé ce qu’elle espérait. En détectant la lumière émise par les gaz en réaction à l’intérieur de la chambre de combustion du scramjet, ainsi que l’emplacement et le contenu spectral de la flamme, l’équipe a pu déterminer les conditions conduisant à un non-démarrage. Il a appelé cette formation d’onde un « train de choc » et elle a émis un signal spectral sur les trois paramètres que les capteurs optiques de l’équipe ont pu détecter.

En effet, en analysant les spectres lumineux, ils ont trouvé un moyen de surveiller et de contrôler les conditions à l’intérieur d’un moteur scramjet afin de détecter et de contrecarrer une série de chocs avant le lancement. Parce que cela se produit à la graine de la lumière, leur approche basée sur des capteurs optiques pour surveiller cette classe de flux d’air peut aider les ingénieurs à surmonter l’un des problèmes les plus frustrants du vol supersonique propulsé par l’air.

« La lumière émise par la flamme à l’intérieur du moteur est due à la relaxation des espèces moléculaires excitées lors des processus de combustion », a expliqué Elkowitz, l’un de ses doctorants. « Différentes espèces émettent de la lumière à différentes énergies ou couleurs, fournissant de nouvelles informations sur elles. l’état du moteur qui n’est pas capté par les capteurs de pression.

La recherche progresse pour construire un vaisseau spatial capable d’atteindre l’orbite terrestre en une seule étape.

À l’avenir, les chercheurs de l’Université de Virginie travailleront sur de nouvelles configurations de test dans le but de produire un prototype de détecteur de choc optique destiné à de véritables tests en vol.

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« Nous étions très enthousiastes à l’idée de montrer le rôle que les capteurs optiques pourraient jouer dans le contrôle des véhicules supersoniques à l’avenir », a déclaré Max Y. Chern, doctorant et premier auteur de l’étude. « Nous continuons à tester les configurations des capteurs tout en travaillant à la création d’un prototype qui optimise la taille et le poids de l’emballage pour les environnements aéronautiques. »

À plus long terme, notent les chercheurs, la capacité de réaliser un vol hypersonique rapproche le monde de l’objectif ultime d’un véhicule orbital à un étage capable de décoller comme un avion conventionnel et également de voler dans l’espace.

« L’une de nos priorités spatiales nationales depuis les années 1960 a été de construire des avions à un seul étage qui décollent dans l’espace à partir d’un décollage horizontal comme un avion conventionnel et atterrissent au sol comme un avion conventionnel », a déclaré Gowen. « Actuellement, le vaisseau spatial le plus avancé est le SpaceX Starship. Il comporte deux étages, avec un lancement et un atterrissage verticaux. Mais pour améliorer la sécurité, le confort et la réutilisabilité, la communauté spatiale souhaite construire quelque chose qui ressemble davantage à un 737. »

Gwen s’est dit optimiste quant à la possibilité d’atteindre un tel objectif au cours de sa vie, surtout à la lumière de l’énorme progrès qu’il estime que le travail de son équipe représente.

« Je pense que c’est possible, oui », a déclaré Gwen. Même si l’industrie spatiale commerciale a réussi à réduire ses coûts grâce à la réutilisation, elle n’a pas encore été en mesure de s’adapter à des opérations de type avion. Nos conclusions peuvent être basées sur le long terme. histoire d’Hyper-X « Il rend l’accès à l’espace plus sûr que la technologie actuelle basée sur les fusées. »

Christopher Blaine est un romancier de science-fiction et fantastique et responsable scientifique chez The Debrief. Vous pouvez le suivre et le contacter sur X, Découvrez ses livres dans Plainfiction.comOu envoyez-lui un e-mail directement à [email protected].

Un vaisseau spatial lancé l’année dernière devrait revenir en orbite autour de la Terre et de la Lune le mois prochain dans le cadre d’une première manœuvre à haut risque au monde alors qu’il traverse le système solaire jusqu’à Jupiter.

La sonde Juice de l’Agence spatiale européenne a été lancée en avril 2023 pour découvrir si les lunes glacées de Jupiter, Ganymède, Callisto et Europe, sont capables d’héberger une vie extraterrestre dans leurs vastes océans cachés.

Le vaisseau spatial sans pilote, qui pèse six tonnes, se trouve actuellement à 10 millions de kilomètres de la Terre.

Mais il reviendra sur la Lune puis sur la Terre les 19 et 20 août, où il utilisera leur poussée gravitationnelle pour fournir du carburant lors de son voyage sinueux de huit ans vers Jupiter.

Le personnel du Centre d’opérations spatiales de l’ESA à Darmstadt, en Allemagne, a commencé cette semaine à préparer cette manœuvre complexe.

Le jus devrait atteindre le système de Jupiter en juillet 2031.

Le voyage empruntera une route panoramique. Le lancement du vaisseau spatial Europa Clipper de la NASA est prévu pour octobre, mais il a battu Joyce d’un an pour atteindre les lunes de Jupiter.

Une route longue et sinueuse

Joyce choisit la route la plus longue, en partie parce que la fusée Ariane 5 utilisée pour lancer la mission n’était pas assez puissante pour lancer une fusée directement sur Jupiter, située à environ 800 millions de kilomètres.

Sans une fusée massive, envoyer Juice directement vers Jupiter nécessiterait 60 tonnes de carburant à bord – et Juice n’en a que trois tonnes, selon l’Agence spatiale européenne.

« La seule solution est d’utiliser des aides gravitationnelles », a expliqué à l’AFP Arnaud Boutonnais, responsable des analyses de la mission à l’ESA.

En volant à proximité des planètes, les vaisseaux spatiaux peuvent profiter de leur gravité, ce qui peut modifier leur trajectoire, les accélérer ou les ralentir.

De nombreuses autres missions spatiales ont utilisé des planètes pour augmenter la gravité, mais le survol de la Terre et de la Lune le mois prochain sera une « première mondiale », a déclaré l’Agence spatiale européenne.

L’agence a déclaré qu’il s’agirait de la première « manœuvre d’assistance à double gravité » utilisant des poussées provenant de deux mondes successifs.

Juice parcourra 750 kilomètres au-dessus de la Lune le 19 août, avant de passer par notre planète natale le lendemain.

La sonde quittera la Terre à une vitesse de « 3,3 kilomètres par seconde – au lieu de trois kilomètres si on n’avait pas ajouté la Lune », a précisé Boutonnais.

La sonde Goss passant très rapidement à proximité de la Terre et de la Lune, elle en profitera pour prendre des photos et tester nombre de ses instruments.

Sur Terre, certains prendront des photos de la planète. Certains observateurs du ciel chanceux, équipés de télescopes ou de jumelles puissants, pourront peut-être repérer la planète lors de son passage au-dessus de l’Asie du Sud-Est.

‘Plat à spaghetti’

Cette étape a été soigneusement calculée depuis de nombreuses années, mais ce ne sera pas une promenade de santé.

« Notre objectif est de créer un trou de souris », a confirmé Boutone.

La moindre erreur lors de son orbite autour de la Lune serait aggravée par la gravité terrestre, créant un faible risque que le vaisseau spatial puisse entrer et brûler dans l’atmosphère terrestre.

L’équipe sur Terre surveillera de près le vaisseau spatial et disposera de 12 à 18 heures pour calculer sa trajectoire et l’ajuster si nécessaire, a déclaré Boutonnet.

Il craignait avant tout un scénario dans lequel la quantité de corrections de cap nécessaires effacerait les gains réalisés grâce au double lance-pierre pour le monde, ce qui signifierait qu’ils « feraient tout cela pour rien ».

Si tout se passe bien, Juice se dirigera à nouveau vers l’espace interplanétaire – au moins pendant un petit moment.

Il se dirigera d’abord vers Vénus pour un nouvel élan en 2025.

La sonde s’approchera encore deux fois de la Terre : une fois en 2026, puis une dernière fois en 2029 avant de finalement s’élancer vers Jupiter.

Vient ensuite la partie la plus difficile.

Une fois que Juice aura atteint Jupiter, il utilisera jusqu’à 35 assistances gravitationnelles pour rebondir autour des lunes océaniques de la planète.

Durant cette étape, le trajet de la sonde ressemble à « une véritable assiette de spaghettis », a déclaré Bottonet.

Il a ajouté : « Ce que nous faisons au système Terre-Lune n’est qu’une plaisanterie comparé à lui. »

En savoir plus avec Euractiv

Nous devrons tous attendre encore un peu pour assister au tout premier vol spatial privé.

SpaceX vise désormais la mi-août pour lancer Polaris Dawn, une mission financée par l’homme d’affaires milliardaire Jared Isaacman. Le prochain vol, qui utilisera le vaisseau spatial Crew Dragon et la fusée Falcon 9 de SpaceX, devait décoller au plus tard le 31 juillet.