Rendu d'un artiste du démonstrateur Powerhead intégré. Crédit d'image: NASA. Cliquez pour agrandir.
Lorsque vous pensez à la future technologie des fusées, vous pensez probablement à la propulsion ionique, aux moteurs à antimatière et à d'autres concepts exotiques.
Pas si vite! Le dernier chapitre des fusées à combustible liquide traditionnelles reste à écrire. Des recherches sont en cours sur une nouvelle génération de fusées à propulsion liquide pouvant doubler les performances par rapport aux conceptions actuelles tout en améliorant la fiabilité.
Les fusées à propulsion liquide existent depuis longtemps: le premier lancement à propulsion liquide a été effectué en 1926 par Robert H. Goddard. Cette simple fusée a produit environ 20 livres de poussée, assez pour la porter à environ 40 pieds dans les airs. Depuis lors, les designs sont devenus sophistiqués et puissants. Les trois moteurs embarqués à carburant liquide de la navette spatiale, par exemple, peuvent exercer plus de 1,5 million de livres de poussée combinée en route vers l'orbite de la Terre.
Vous pourriez supposer que, maintenant, tous les raffinements imaginables dans les conceptions de fusées à combustible liquide doivent avoir été faits. Tu te trompes. Il s'avère qu'il y a place à amélioration.
Dirigé par l'US Air Force, un groupe composé de la NASA, du ministère de la Défense et de plusieurs partenaires de l'industrie travaillent sur de meilleures conceptions de moteurs. Leur programme s'appelle Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, et ils envisagent de nombreuses améliorations possibles. L'un des plus prometteurs à ce jour est un nouveau système de débit de carburant:
L'idée de base derrière une fusée à combustible liquide est plutôt simple. Un combustible et un comburant, tous deux sous forme liquide, sont introduits dans une chambre de combustion et allumés. Par exemple, la navette utilise l'hydrogène liquide comme carburant et l'oxygène liquide comme oxydant. Les gaz chauds produits par la combustion s'échappent rapidement à travers la buse en forme de cône, produisant ainsi une poussée.
Les détails, bien sûr, sont beaucoup plus compliqués. D'une part, le combustible liquide et l'oxydant doivent être introduits dans la chambre très rapidement et sous une grande pression. Les moteurs principaux de la navette vidangeraient une piscine pleine de carburant en seulement 25 secondes!
Ce torrent jaillissant de carburant est entraîné par une turbopompe. Pour alimenter la turbopompe, une petite quantité de carburant est «pré-brûlée», générant ainsi des gaz chauds qui entraînent la turbopompe, qui à son tour pompe le reste du carburant dans la chambre de combustion principale. Un processus similaire est utilisé pour pomper l'oxydant.
Les fusées à combustible liquide d'aujourd'hui n'envoient qu'une petite quantité de carburant et d'oxydant à travers les pré-brûleurs. La masse s'écoule directement vers la chambre de combustion principale, sautant entièrement les pré-brûleurs.
L'une des nombreuses innovations testées par l'Air Force et la NASA est d'envoyer tout le carburant et l'oxydant à travers leurs pré-brûleurs respectifs. Seule une petite quantité y est consommée - juste assez pour faire fonctionner les turbos; le reste s'écoule vers la chambre de combustion.
Cette conception de «cycle étagé à plein débit» présente un avantage important: avec plus de masse traversant la turbine qui entraîne la turbopompe, la turbopompe est entraînée plus durement, atteignant ainsi des pressions plus élevées. Des pressions plus élevées équivalent à de meilleures performances de la fusée.
Une telle conception n'a jamais été utilisée dans une fusée à propulsion liquide aux États-Unis auparavant, selon Gary Genge au Marshall Space Flight Center de la NASA. Genge est le chef de projet adjoint pour le Powered Demonstrator (IPD) intégré, un moteur de test pour ces concepts.
«Ces conceptions que nous explorons pourraient améliorer les performances de plusieurs manières», explique Genge. «Nous espérons une meilleure efficacité énergétique, un rapport poussée / poids plus élevé, une fiabilité améliorée, le tout à moindre coût.»
«À cette phase du projet, cependant, nous essayons simplement de faire fonctionner correctement ce modèle de flux alternatif», note-t-il.
Ils ont déjà atteint un objectif clé: un moteur plus froid. «Les turbopompes utilisant des schémas d'écoulement traditionnels peuvent chauffer jusqu'à 1 800 C», explique Genge. C'est beaucoup de stress thermique sur le moteur. La turbopompe «plein débit» est plus froide, car avec plus de masse qui la traverse, des températures plus basses peuvent être utilisées tout en obtenant de bonnes performances. "Nous avons baissé la température de plusieurs centaines de degrés", dit-il.
L'IPD est uniquement conçu comme un banc d'essai pour de nouvelles idées, note Genge. Le démonstrateur lui-même ne volera jamais dans l'espace. Mais si le projet réussit, certaines des améliorations d’IPD pourraient se retrouver dans les lanceurs du futur.
Près de cent ans et des milliers de lancements après Goddard, les meilleures fusées à combustible liquide sont peut-être encore à venir.
Source d'origine: NASA Science Article
