LES SYSTEMES PROPULSIFS ADAPTES AU TRANSPORT SUPERSONIQUE OU HYPERSONIQUE

 

Michel DOUBLIER 1

 

Résumé

Les industries aéronautiques et spatiales mondiales ont toutes des projets de véhicules de transports aérospatiaux pilotés dans toute leur mission :

- un transport supersonique commercial (Mach 2+) successeur de Concorde ;

- un lanceur spatial, successeur d'Ariane 5, à décollage et atterrissage horizontaux.

Les synergies technologiques de ces projets permettent d'imaginer une évolution du transport commercial supersonique vers le grand rêve du transport hypersonique.

Les formules étudiées telles que le moteur à cycle variable pour le supersonique ou que les concepts moteurs combinés pour les avions spatiaux impliquent des ressources technologiques très avancées pour lesquelles l'investissement nécessaire doit être permanent.

Le groupe SNECMA avec l'appui de l'ONERA s'attache à investir dans la recherche technologique et se prépare aux grandes coopérations internationales nécessaires à ces programmes du XXIème siècle.

Les systèmes propulsifs adaptés au transport supersonique ou hypersonique

Le Concorde représente encore aujourd'hui dans le monde de l'aéronautique, une réalisation technologique impressionnante : quel autre avion assurant un service passager à deux fois la vitesse du son, volant pendant trois heures en toute sécurité et ce depuis maintenant plus de 12 ans  

Le Concorde a transporté plus de 800 000 passagers depuis son premier vol commercial en janvier 1976. Aujourd'hui treize Concorde assurent environ 300 vols par mois avec une remarquable régularité desservant New York, Washington, Miami depuis Londres et Paris, soit en vols réguliers ou en vols charters.

Cette réussite technologique, malheureusement, n'a pu se transformer en réussite commerciale. En effet, les performances économiques additionnées aux limitations opérationnelles imposées par les problèmes d'environnement ont été des facteurs déterminants pour stopper son envol commercial.

Il faut se rappeler que la mise en service de Concorde a coïncidé avec le premier choc pétrolier et qu'en même temps, le développement du transport aérien allait se faire en direction du transport de masse par la mise en service du Boeing 747 au détriment du transport de prestige.

Rappelons-nous que Concorde brûle autant de kérosène qu'un Boeing 747 sur un vol Paris - New York.

Les problèmes d'environnement furent et restent des points difficiles aussi bien techniques que politiques :

- le Bang sonique en vol ;

- le bruit généré dans l'environnement des aéroports ;

- l'impact des émissions de résidus de combustion sur la couche d'ozone (les oxydes d'azote en particulier).

Quelles leçons faut-il tirer de cette prestigieuse expérience ?

L'aviation commerciale est devenue un formidable enjeu industriel et économique entre les Etats-Unis et l'Europe : alors, exploiter la technologie parce qu'elle est là ne doit plus être un objectif, si le marché pour vendre ces produits n'est pas parfaitement et professionnellement identifié.

Aujourd'hui, quel est le marché du transport aérien et quel potentiel y a-t-il pour un transport supersonique, qui devra s'intégrer dans la compétition avec les transports subsoniques pour avoir un sens économique.

D'ici à l'an 2000, la région du Sud-Est asiatique sera un formidable pôle de croissance pour le trafic international ; le trafic aérien sera multiplié par quatre et demi alors que le trafic de l'Atlantique Nord ne fera que doubler (figure 1).

Dans cette région, cette croissances, s'explique par l'évolution économique des pays concernés : Japon, Corée, Chine, Indonésie, Malaisie. Les distances importantes entre ces pays et les autres pôles économiques Europe, Etats-Unis, mettent en avant la question du raccourcissement du temps de voyage pour ces hommes d'affaires voyageant d'un continent à l'autre.

Le graphique qui vous est montré (figure 2), indique la réduction du temps de vol pour deux étapes : l'une de 11 000 km (New York - Tokyo), l'autre de 7 000 km en fonction de la vitesse de vol. On remarque la faible sensibilité de la longueur de l'étape si on veut réduire le temps de vol par deux. Une vitesse de vol de Mach 2 comme Concorde convient parfaitement.

Par contre réduire le temps de vol par quatre, conduit à des vitesses de l'ordre de Mach 4 pour une étape longue de 11 000 km et de Mach 5 pour une étape plus courte de 7 000 km. C'est le domaine de l'hypersonique et de ses conditions de températures que nous verrons plus tard.

Après avoir survolé le marché potentiel, comment le capturer ? Il est important d'avoir en tête quelques chiffres concernant le coût du kilomètre passager sur un vol Londres - New York par exemple (figure 3). En prenant comme référence le coût en classe affaire (base 100), on remarque tout de suite que le coût sur Concorde est de 2,2 fois plus élevé alors qu'il est deux fois plus faible en classe économique à prix réduit

En rapprochant ces chiffres de la répartition du trafic passagers sur cette même ligne, on remarque que seulement 23 % des passagers payent le tarif plein (première, affaires, économique) alors que plus de 75 % payent les tarifs à 50 %, voire moins. Cette situation appelle deux remarques.

1°- Si on veut capturer une partie importante du marché subsonique pour le transport supersonique, il faudra que le tarif soit similaire à celui de la classe affaires actuelle.

2°- Mais l'équilibre économique d'un vol subsonique risque d'être fortement perturbé par cette capture du marché. Le risque de voir le prix du billet vol subsonique augmenter est très important.

Après ces réflexions sur l'état du marché, revenons plus en détail sur les problèmes d'environnement qui seront déterminants sur les choix technologiques du système propulsif.

Parlons tout d'abord du bang supersonique : aujourd'hui, même si Outre-Atlantique, on étudie les conditions de surpression acceptables par l'homme sur le plan physiologique et on espère trouver les compromis aérodynamiques, du dessin de l'avion pour satisfaire ces limites, l'expérience Concorde confirme qu'il est irréaliste aujourd'hui de penser au survol des terres en régime supersonique.

C'est donc la première contrainte spécifiée pour le moteur : nécessité d'effectuer une croisière subsonique avec une consommation spécifique très bonne sous peine de détériorer la consommation globale de l'avion. Corrélativement, il vient à l'esprit le problème du bruit généré par les moteurs et en particulier en phase d'approche et surtout au décollage.

L'expérience de développement de l'Olympus pour le Concorde ainsi que les travaux qui se sont poursuivis au-delà, montrent que toute action au niveau du système d'éjection ne pouvait avoir qu'une répercussion mineure sur le niveau de bruit généré par le moteur.

Ce niveau de bruit est fonction de la poussée requise et de la vitesse d'éjection des gaz. Pour une formule d'avion donnée, donc une masse au décollage, le niveau de poussée est défini : pas d'action possible. La vitesse d'éjection des gaz peut être diminuée si on a augmenté corrélativement le débit d'air du moteur : c'est l'effet de la dilution des moteurs double flux des avions subsoniques. Donc, si l'on veut réduire le bruit au décollage d'un moteur pour avion supersonique, il faut que ce moteur soit conçu avec un double flux.

Enfin, si on aborde le problème des émissions de résidus de combustion qui n'est pas spécifique du moteur pour avion supersonique mais est aussi un sujet de préoccupation pour les moteurs actuellement en service, on aura à faire face à deux contraintes :

- l'environnement immédiat des aéroports,

- la haute atmosphère et la protection de la couche d'ozone.

Même si le transport aérien ne représente qu'une très faible part de la pollution industrielle, mais compte tenu de l'émotivité justifiée, qui entoure ce dernier aspect, il faudra montrer que des choix technologiques dans la conception du moteur, visent particulièrement à réduire d'une manière significative, l'émission d'oxyde d'azote dans toutes les conditions de vol.

Si on ajoute à toutes ces contraintes de respect de l'environnement, les contraintes opérationnelles avion, on s'aperçoit que le choix de la formule du moteur met en jeu des options opposées (figure 4).

J'ai résumé pour deux conditions de vol extrêmes, la croisière supersonique et le vol subsonique, les contraintes de ce choix.

Sur une longue étape, la croisière supersonique à 20 km d'altitude nécessite une optimisation de la consommation spécifique, donc condamne l'utilisation d'une post-combustion pour les besoins en poussée élevée en supersonique. Pour réduire la traînée induite par le moteur, il faudra en minimiser la section : cela impose une formule moteur simple flux avec un fort taux de compression.

Le vol subsonique, c'est-à-dire survol des terres, l'approche, le décollage, doivent être réalisés avec une faible consommation spécifique, mais surtout une vitesse d'éjection des gaz faible pour satisfaire la contrainte du bruit. Seule une formule moteur double flux à dilution élevée sera satisfaisante.

L'ensemble de ces options s'oppose. Il faut concilier la formule simple flux et la formule double flux. On pourrait dire plus simplement :

- gardons l'Olympus pour la croisière supersonique, il convient parfaitement dans son choix de cycle,

- ajoutons le CFM-56 pour décoller et survoler les terres.

C'est cette gageure que tente de réaliser le moteur à cycle variable MCV 99 et qui est étudiée par nos avant-projets à la SNECMA (figure 5) :

- un générateur de gaz : c'est dire des compresseurs basse et haute pression alimentant une chambre de combustion principale et les turbines haute et basse pression qui entraînent ces compresseurs ;

- un ensemble soufflante-turbine, chambre de combustion secondaire alimentée par de l'air prélevé à la sortie du compresseur haute pression du générateur de gaz.

Au décollage, l'ensemble des trois corps fournit la poussée dans les conditions d'un moteur double flux. La soufflante est alimentée par une entrée d'air secondaire, sorte d'ouies latérales sur la nacelle.

En régime supersonique, la soufflante est arrêtée, les ouies sont fermées..., seul le générateur de gaz principal fournit la poussée dans une formule simple flux.

Ce moteur à cycle variable réalise donc bien, dans son principe, la variation du taux de dilution requise pour satisfaire en particulier les normes de bruit (figure 6). Reste à définir la valeur de cette dilution nécessaire au décollage qui, plus elle sera élevée, plus elle augmentera le diamètre de la soufflante donc le diamètre de la nacelle et la traînée induite néfaste à la consommation globale de l'avion.

Cette dernière remarque introduit l'une des actions qui seront les clés de la réussite de l'avion de transport supersonique à savoir, l'intégration du moteur à l'avion. En effet, au-delà du choix du taux de dilution qui a un impact immédiat sur le diamètre de la nacelle, sur sa traînée induite et sur le dimensionnement de l'entrée d'air, il faut considérer la relation qui existe entre la taille de l'avion, la poussée du moteur et la limite de bruit à ne pas dépasser. Plus l'avion sera lourd, plus la poussée devra être importante et plus la spécification de bruit sera donc difficile à respecter avec les contraintes de dimensions de nacelle vue précédemment.

D'autre part, l'amélioration de consommation spécifique a un impact sur les coûts opérationnels de l'avion mais ne sera obtenue qu'au prix d'une amélioration des rendements des composants moteurs. Ce qui peut conduire à une complexité accrue de celui-ci et corrélativement un prix d'achat et un coût de maintenance plus élevé. Il faudra que ce bilan sur les coûts opérationnels reste positif. Le travail de définition de la formule du moteur, plus que jamais, doit se faire en liaison étroite avec l'avionneur dans le cadre d'une réflexion d'intégration moteur/avion très poussée.

Sur le plan de la technologie du moteur, sans vouloir minimiser le travail d'amélioration des rendements des composants moteur, qui est déjà notre préoccupation et notre axe de recherche majeur pour les moteurs subsoniques ou militaires, l'architecture mécanique avec l'intégration d'un troisième corps autour du générateur de gaz principal, nécessitera une conception innovatrice pour réduire la complexité donc la masse de ce moteur avec en particulier la mise au point de roulements de grand diamètre. Les composants fortement sollicités tels que les disques de compresseur et de turbine feront appel à des matériaux à hautes caractéristiques issus de la métallurgie des poudres. Par ailleurs, les éléments structuraux soumis aux conditions de températures élevées (carter, tuyères) profiteront de l'amélioration déjà bien engagée, des caractéristiques de durée de vie des matériaux composites thermostructuraux (Cerasep, Sepcarb-Inox, Matrice verre ...).

Toutes ces actions technologiques devront être engagées en amont du programme de développement du moteur. Nous verrons plus loin l'implication dans le temps de ces travaux.

La première partie de cette présentation nous a fait toucher du doigt les difficultés auxquelles nous aurons à faire face : la réponse du marché, les enjeux techniques dans le choix de la formule du moteur pour un avion de transport supersonique volant à Mach 2+.

Que deviennent toutes ces réflexions, si on envisage un avion volant à une vitesse qui pourrait être comprise entre Mach 3 et 6 ?

Si le bilan économique d'un successeur de Concorde est très difficile à faire, en particulier par cause du prix de revient du kilomètre passager et du type de clientèle auquel peut s'adresser ce moyen de transport, il est encore moins évident de faire la démarche pour un avion de transport hypersonique. D'autre part, les enjeux technologiques auxquels il faut faire face sont d'une autre dimension.

Il paraît plus réaliste de considérer d'abord l'étape de l'avion de transport spatial avant de voir se concrétiser l'avion de transport commercial hypersonique. L'avion spatial sera avant tout un accélérateur, donc les problèmes de refroidissement de structures dans le domaine de vol Mach 4 à 6 seront moins critiques pour lui, puisque traités comme phénomènes transitoires alors qu'un avion commercial restera en croisière stabilisée (1 heure) à ces vitesses et sera donc soumis à des températures très élevées en continu.

Nous pensons donc que les technologies nécessaires à un avion de transport commercial hypersonique seront issues des technologies développées pour un avion spatial qu'il soit du type simple étage ou biétage.

Nous allons faire un survol des problèmes posés par la propulsion de ces avions hypersoniques. (Quand on observe le domaine de vol dans lequel évoluerait un tel avion, la température rencontrée serait de l'ordre de 900° K à Mach 4 et 1 600° K à Mach 6 (figure 7).

Pour un avion spatial, la durée d'exposition à ces températures élevées sera faible puisqu'on estime cette zone de transition atteinte après 500 s.

Le choix du type de moteur sera conditionné par ces conditions de température et sa capacité de performance en terme de poussée spécifique (image de sa section frontale) et de consommation carburant.

Un turboréacteur ou turbosoufflante a aujourd'hui des limites de température qui dépendent des matériaux de ses composants (figure 8). Une température de 1 600° K en sortie compresseur suppose déjà des aubages en matériaux composites thermostructuraux, technologie qui est loin d'être acquise aujourd'hui. Même si une température de 2 000° K devant la turbine semble proche des 1 850° K réalisés à ce jour, cela ne sera possible qu'avec des systèmes complémentaires refroidissant l'air prélevé au compresseur avant qu'il soit utilisé dans les circuits de refroidissement des aubes de turbine.

Un des moyens de réduire les conditions de température, pour la turbine, est d'utiliser le concept moteur turbo-fusée où un générateur de gaz brûlant un mélange carburant/oxygène-liquide alimente la turbine, entraînant la soufflante.

La disparition du compresseur haute pression nécessaire au turboréacteur permet d'approcher Mach 6 en conservant la limite de 1600° K à la sortie de la soufflante sachant que la température devant turbine est indépendante de la température d'entrée moteur. Sur ces deux types de moteur, l'utilisation de la post-combustion permet d'obtenir des poussées spécifiques élevées garantissant une optimisation de l'encombrement frontal de ces moteurs. Le fonctionnement en mode statoréacteur de la chambre de combustion, avec le compresseur en autorotation, sera probablement un moyen d'atteindre Mach 6+.

Avec quel carburant, ces moteurs fonctionnent-ils ? (figure 9). L'utilisation de l'hydrogène pour un avion spatial semble être le meilleur choix en particulier quand on s'intéresse à la consommation spécifique ou son inverse l'impulsion spécifique. Le gain est dans un rapport 2, comparé aux hydrocarbures. Mais pour un avion de transport hypersonique qui effectuera une croisière, le volume des réservoirs devient un paramètre important compte tenu de la traînée induite. Si on observe ce que devient le pouvoir calorifique volumique comparé au massique, il apparaît que le méthane peut être un bon compromis. En effet, il y aura des besoins importants de refroidissement aussi bien de la structure avion que de certains éléments structuraux moteurs nécessitant une source froide tel qu'un carburant ou un ergol cryogénique.

Ces besoins en refroidissement pourraient être poussés plus loin pour étendre le domaine de vol tout en restant dans les limites de température des matériaux, en installant un échangeur à l'entrée du moteur. La turbosoufflante refroidie pourrait voler jusqu'à Mach 5,5 pour des conditions de températures internes identiques à celles qu'on obtient à Mach 4 (figure 10). Dans le même ordre d'idée, l'utilisation de l'enthalpie récupérée par le carburant dans les circuits de refroidissement avant injection dans le moteur, pourrait être utilisée dans la turbine. C'est le cycle dit Expander qui, appliqué au turbofusée, permet de supprimer le générateur de gaz et permet de faire l'économie de l'oxygène de combustion améliorant la consommation dans un rapport proche de 2. Ces deux concepts nécessiteraient très probablement l'hydrogène qui offre des capacités calorifiques bien supérieures au méthane.

Toutes ces formules de moteur sont très prospectives et sont actuellement étudiées pour leur aspect faisabilité dans le cadre d'un programme de recherche orienté avion spatial soutenu par le CNES, programme qui implique la SNECMA, la SEP et l'ONERA pour le système propulsif (figure 11).

Les défis technologiques principaux peuvent se résumer ainsi :

- comment réaliser des soufflantes en matériaux composites haute température ?

- comment intégrer des échangeurs complémentaires au système de refroidissement dont la masse n'annule pas le gain de performance obtenu ?

L'intégration moteur/avion est plus que jamais fondamentale.

On peut citer, ici, l'entrée d'air qui devra satisfaire des besoins moteur fortement variables tout en n'induisant pas des traînées additives trop fortes, la tuyère dont les géométries du col et de la section d'éjection devront être en permanence optimisée. On rappellera les besoins en refroidissement de l'avion et du moteur, qui nécessiteront une gestion globale des carburants ou ergols.

Ces quelques réflexions sur le système de propulsion de l'avion de transport hypersonique, montrent le long chemin qu'il y a à parcourir avant de pouvoir envisager une application commerciale.

J'ai voulu mettre en parallèle sur une même échelle de temps les grandes étapes, d'une part du développement d'un moteur pour un avion de transport supersonique et d'autre part, de celui d'un moteur pour avion de transport spatial. On remarque que ces deux programmes nécessitent une étape de maturation technologique mais l'une conduit au programme de développement et de certification du moteur avant mise en service commerciale, alors que l'autre débouche sur une phase de démonstration de technologie avec un véhicule (figure 12).

On estime à 15 ans, l'effort avant mise en service pour un nouvel avion supersonique alors qu'il faudra plus de 20 ans avant de voir voler un démonstrateur de technologie pour un avion spatial.

Les enjeux technologiques représentés par l'un ou l'autre des programmes de développement des systèmes propulsifs sont à la hauteur des moyens scientifiques et technologiques de la SNECMA et de la SEP, supportées bien sûr par la Communauté scientifique aéronautique française avec l'ONERA en tête de file. Mais, les enjeux économiques sont d'une telle ampleur que ces programmes seront réalisés en coopération internationale probablement élargie entre l'Europe, les Etats-Unis, le Japon pour le transport supersonique et au moins dans un cadre européen pour l'avion spatial.

J'espère que mon propos, qui a voulu mettre en avant les défis technologiques qu'il faudra relever, n'a pas paru trop pessimiste et aurait pu, de ce fait, ternir le grand rêve du vol hypersonique commun à tous les hommes ici présents.

Je dirais que le successeur de Concorde attend la conjonction du Marché, des facteurs économiques et de l'effort technologique alors que le transport hypersonique fait encore parti du rêve de l'homme mais qui entrevoit déjà les voies prometteuses sur lesquelles il doit s'engager pour relever ce défi du XXIème siècle.

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Notes:

 

1 . Coordonnateur des technologies et procédés avancés à la Direction déléguée technique et production de la SNECMA, responsable de programme dans les activités systèmes propulsifs pour avion à grande vitesse (moteurs combinés pour avion spatial et moteur à cycle variable pour avion supersonique commercial).

 

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