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Sabre, le réacteur hypersonique, a fait un pas de plus

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Un jour, un avion de 140 m de long transportera 300 passagers à Mach 5. Reste à concevoir son moteur. Une entreprise britannique, Reaction Engines, vient d'annoncer un résultat crucial pour le moteur Sabre, destiné à un hypothétique futur lanceur monoétage et dont un dérivé, le Scimitar, pourrait un jour propulser un avion hypersonique. Les derniers tests montrent qu'il est possible de refroidir un flux d'air de 1.000 °C à -150 °C en un centième de seconde sans aucune formation de glace...

Le démonstrateur du système de refroidissement, prêt pour les tests. Son objectif est de refroidir l'air de 1.000 °C à -150 °C sans prise en glace. © Reaction Engines

Un discret communiqué de presse de Reaction Engines, une entreprise britannique dirigée par Alan Bond, rappelle que le projet Skylon se poursuit toujours. Il vise le développement d'un avion spatial à décollage et atterrissage horizontaux (Hotol, Horizontal take-off and landing). L'entreprise a testé avec succès un refroidisseur qui équiperait le moteur Sabre de ce futur engin.

Dans la foulée, ce pas en avant renforce aussi le projet d'un avion commercial volant à Mach 5, soit environ 5.000 km/h, deux fois plus vite que le Concorde. Baptisé A2, il mesurerait 140 m de long, transporterait 300 passagers... et ne décollera que dans 20 ans.

L'entreprise britannique travaille sur les moteurs, la clé de ce programme ambitieux, mais pas fou. L'idée d'un avion hypersonique est d'ailleurs dans l'air depuis 2005 et l'Agence spatiale européenne (Esa) est engagée dans le programme Lapcat (Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies), avec des partenaires privés, comme EADS et Reaction Engines, pour plancher sur de futurs engins hypersoniques. Le cahier des charges qui sert à l'étude est assez précis : réussir un Bruxelles-Sydney sans escale en 2 à 4 heures, soit à une vitesse moyenne de Mach 4 à Mach 8.

L'avion hypersonique A2 au décollage. Il disposerait de réacteurs de type Scimitar, qui brûleraient de l'hydrogène (embarqué, sous forme liquide) et l'oxygène de l'air, lui assurant une vitesse de croisière de Mach 5. On remarque l'absence de hublots. © Reaction Engines

L'avion hypersonique devra emporter son oxygène

Reaction Engines étudie un moteur dont les combustibles seraient l'oxygène et l'hydrogène, comme pour le Vulcain de l'étage principal d'Ariane 5. Le moteur pourrait fonctionner selon deux modes : dans la basse atmosphère, il utiliserait l'oxygène de l'air et, dans l'espace, l'oxygène viendrait d'un réservoir (comme pour les fusées). L'hydrogène, lui, devra toujours être embarqué, sous forme liquide, dans un (grand) réservoir. Ce principe de réacteur hybride est complexe mais sans doute moins que la triple motorisation du projet Zehst.

En version de développement, le réacteur a pris le nom de Sabre (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine). Le nom de Scimitar (cimeterre, en français) est utilisé pour une version plus robuste, destinée à un avion hypersonique comme le A2 et qui devrait, lui, assurer des cycles de travail plus longs et plus nombreux.

Et ce n'est pas une mince affaire. En mode avion, le réacteur avale de l'air à Mach 5. À cette vitesse, le frottement est tel que l'air s'échauffe à environ 1.000 °C à l'entrée du réacteur. Or, juste un peu plus loin, dans la turbine, l'oxygène de l'air doit réagir avec l'hydrogène, lequel est liquide et très froid. Pour qu'ils se mélangent correctement, il faut refroidir l'air entrant entre -140 °C et -150 °C.

L'échangeur de chaleur mis au point par Reaction Engines. L'air chaud (Hot Air, en rouge) pénètre dans un réseau de tubules métalliques d'un millimètre de diamètre parcourus par de l'hélium liquide (Coolant Flow, flux refroidisseur, en vert). L'air sortant est froid (Cold Air, en bleu) et peut pénétrer dans la turbine où il rencontrera l'hydrogène (froid), avec lequel il réagira. © Reaction Engines

Éviter la formation de glace dans la turbine

Les ingénieurs doivent concevoir un refroidisseur capable d'effectuer cette chute de température en un centième de seconde, sur un flux d'air de très grand volume. Ce n'est pas impossible mais, sans précaution, l'humidité de l'air entrant, même faible, emprisonnerait instantanément la turbine dans un bloc de glace.

Les ingénieurs sont penchés sur la question depuis 4 ans, et ils viennent de trouver une solution. L'échangeur de chaleur est essentiellement constitué de tubes dans lesquels circule de l'hélium liquide (une complication de plus pour le futur avion hypersonique, qui devra embarquer ce système réfrigérant). Ces tubes sont très petits, ne mesurant qu'1 mm de diamètre, avec une paroi épaisse de seulement 27 µm. Le nombre de tubes est très grand, ce qui donne une surface d'échange très vaste. S'y ajoute un « système de contrôle de la prise en glace » (dixit le communiqué de l'entreprise), fonctionnant selon un « principe confidentiel ».

Une centaine de tests ont permis de vérifier le bon fonctionnement du refroidisseur, du moins la validité de son principe technique. Le communiqué affirme que les spécialistes de l'Esa sont satisfaits des essais. L'une des principales difficultés d'un futur moteur hypersonique vient donc d'être surmontée. Il en reste encore quelques-unes avant le décollage, entre 2030 et 2040...

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