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Depuis que l’être humain s’est aventuré dans l’espace, il n’a jamais cessé d’affiner ses fusées, les rendant toujours plus puissantes et efficaces. Mais cela à un coût et plusieurs chercheurs se sont butté à des limites techniques. mais un nouveau type de moteur – appelé moteur à détonation rotatif – promet de rendre les fusées non seulement plus économes en carburant mais aussi plus légères et moins compliquées à construire. Il n’y a qu’un seul problème: en ce moment, ce moteur est trop imprévisible pour être utilisé dans une véritable fusée.

Des moteurs à détonation rotatif

Des chercheurs de l’Université de Washington ont développé un modèle mathématique qui décrit le fonctionnement de ces moteurs. Avec ces informations, les ingénieurs peuvent, pour la première fois, développer des tests pour améliorer ces moteurs et les rendre plus stables.
«Le champ du moteur à détonation rotatif en est encore à ses balbutiements. Nous avons des tonnes de données sur ces moteurs, mais nous ne comprenons pas ce qui se passe », a déclaré l’auteur principal James Koch. «J’ai essayé de refondre nos résultats en examinant les formations de motifs au lieu de poser une question d’ingénierie – par exemple, comment obtenir le moteur le plus performant – et puis boom, il s’est avéré que cela fonctionne.»

Un moteur-fusée conventionnel fonctionne en brûlant du propulseur puis en le poussant hors de l’arrière du moteur pour créer une poussée. « Un moteur à détonation rotatif adopte une approche différente de la façon dont il brûle le propulseur », a déclaré Koch. «Il est fait de cylindres concentriques. Le propulseur s’écoule dans l’espace entre les cylindres et, après l’allumage, la chaleur forme une onde de choc, une forte impulsion de gaz avec une pression et une température nettement plus élevées qui se déplacent plus rapidement que la vitesse du son.
«Ce processus de combustion est littéralement une détonation – une explosion – mais derrière cette première phase de démarrage, nous voyons un certain nombre d’impulsions de la combustion qui continue de consommer le propulseur disponible. Cela produit une pression et une température élevées qui entraînent les gaz d’échappement à l’arrière du moteur à des vitesses élevées, ce qui peut générer une poussée. »
Les moteurs conventionnels utilisent beaucoup de machines pour diriger et contrôler la réaction de combustion afin qu’elle génère le travail nécessaire pour propulser les moteurs. Mais dans un moteur à détonation en rotation, l’onde de choc fait tout naturellement sans avoir besoin d’aide supplémentaire de la part des pièces du moteur.
« Les chocs entraînés par la combustion compriment naturellement le débit lorsqu’ils se déplacent autour de la chambre de combustion », a déclaré Koch. «L’inconvénient est que ces détonations ont un impact difficile à prévoir. Une fois que vous avez fait exploser quelque chose, ça part tout simplement. C’est tellement violent. »

Un moteur expérimental

Pour tenter de décrire le fonctionnement de ces moteurs, les chercheurs ont d’abord développé un moteur expérimental de détonation rotative où ils pouvaient contrôler différents paramètres, tels que la taille de l’espace entre les cylindres. Ils ont ensuite enregistré les processus de combustion avec une caméra à haute vitesse. Chaque expérience ne prenait que 0,5 seconde, mais les chercheurs ont enregistré ces expériences à 240 000 images par seconde afin de voir ce qui se passait au ralenti.
À partir de là, les chercheurs ont développé un modèle mathématique pour imiter ce qu’ils ont vu dans les vidéos. «C’est le seul modèle de la littérature actuellement capable de décrire la dynamique diverse et complexe de ces moteurs à détonation rotatifs que nous observons dans les expériences», a déclaré le coauteur J. Nathan Kutz, professeur aux mathématiques.
Ce modèle a permis aux chercheurs de déterminer pour la première fois si un moteur de ce type serait stable ou instable. Cela leur a également permis d’évaluer la performance d’un moteur spécifique. « Cette nouvelle approche est différente de la méthode conventionnelle dans ce domaine, et ses vastes applications et de nouvelles idées ont été une surprise complète pour moi », a déclaré le coauteur Carl Knowlen, professeur en aéronautique et astronautique.

Produire un meilleur moteur

À l’heure actuelle, ce modèle n’est pas tout à fait prêt à être utilisé par les ingénieurs. « Mon objectif ici était uniquement de reproduire le comportement des impulsions que nous avons vues – pour m’assurer que la sortie du modèle est similaire à nos résultats expérimentaux », a déclaré Koch. «J’ai identifié la physique dominante et comment elles interagissent. Maintenant, je peux prendre ce que j’ai fait ici et le rendre quantitatif. De là, nous pouvons parler de la façon de faire un meilleur moteur. »
L’équipe a publié ses résultats dans Physical Review E.
Source :  University of Washintong
Crédit photo : Pixabay

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