Les statoréacteurs

    La propulsion par statoréacteur est un domaine ou les inventeurs et industriels français se sont particulièrement illustrés. Qui se souvient aujourd’hui que le premier avion à statoréacteur à voler fut le Leduc 010, que le premier missile à statoréacteur opérationnel fut le SE-4200, que les records de vitesse et d’altitude d’engin à statoréacteur furent régulièrement établis par des engins français comme le Stataltex de l’ONERA ?

Historique

    Les grandes vitesses produites par les turboréacteurs sont paradoxalement un inconvénient qui limite leur emploi à partir d'une certaine vitesse. En effet les énormes quantités d'air qui s'engouffrent dans les conduits d'admission créent une pression dynamique qui engendre une élévation de la température de fonctionnement insupportable pour le moteur, se sont les ailettes de compresseur et de turbine qui en souffrent les premières. Donc pour réaliser des vitesses supérieures à mach 3, il est nécessaire d'envisager de nouveaux types de propulseurs. Curieusement la solution trouvée va se révéler la plus simple, si simple qu'il fut surnommé le "tuyau de poêle". L’origine du statoréacteur remonte pratiquement aux débuts de l’aviation avec les articles du français René Lorin qui décrivit à partir de 1907, notamment dans la revue « l'Aérophile », le principe d'un moteur à réaction sans hélice ni pièces en mouvement. Ce visionnaire ne put cependant pas tester son idée faute de moyen d’essai permettant d’acquérir une vitesse suffisante pour démarrer un statoréacteur. Un autre pionnier de l’aviation français qui participa à l’invention du statoréacteur fut Robert Esnault-Pelterie qui décrivit le système à partir de 1909. Ce moteur ne comporte aucune pièce mobile, d'où le nom statoréacteur pour statique!  Le principe fut découvert en 1937 par l'ingénieur français René Leduc, il réalisa le prototype Leduc010 qui est le premier engin à voler avec le "tube thermo-propulseur" le 21 avril 1949.

Le Leduc 010 premier statoréacteur

                                                                              

Composition

    Le statoréacteur est constitué d'un tube ouvert aux deux extrémités, dans lequel on injecte un carburant qui se mélange à l'air. Il s'enflamme grâce à un système d'allumage puis la combustion est ensuite entretenue à l'aide de dispositifs appelés « accroches flammes ». Le résultat de cette combustion est la production de gaz chauds en grande quantité, qui s'accélèrent en se détendant dans la tuyère terminant le réacteur, provoquant une poussée significative.
Malgré l'apparente simplicité du concept, l'efficacité d'un tel moteur dépend grandement des formes intérieures du « tube ».

           
                       schéma du statoréacteur            

 

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Fonctionnement

    Le statoréacteur est un moteur à réaction qui, comme le turboréacteur, utilise le cycle thermodynamique classique compression/combustion/détente, mais ne comporte aucune pièce mobile et est, mécaniquement parlant, le plus simple des moteurs pour aéronef.

    La première partie, dite entrée d'air, permet de comprimer l'air (Théorème de Bernoulli) en abaissant sa vitesse. Cette baisse de vitesse s'accompagne également d'un échauffement de l'air. L'air arrive donc dans la chambre de combustion avec une pression et une température élevées et une vitesse réduite. Cette zone est dotée en général de plusieurs couronnes d'injecteurs qui pulvérisent le carburant et entretiennent la flamme. La forme de cette chambre et la disposition des injecteurs doit assurer la stabilité de la flamme et la qualité de la combustion et constitue la partie la plus complexe à mettre au point. Enfin, comme pour tout autre moteur à réaction, la forme de la tuyère génère la poussée par détente des gaz brûlés. L'énergie thermique est transformée en énergie cinétique.

    La totalité des gaz est convertie en poussée efficace puisqu'il n'a pas de turbine à actionner et donc le rendement est maximal. Une pression dynamique suffisante n'étant obtenue qu'à de grandes vitesses, le statoréacteur ne peut fonctionner aux faibles vitesses à moins d’être monté aux extrémités des pales d’un rotor, auquel cas le statoréacteur bénéficie de la vitesse de rotation des pales.

    En théorie, le statoréacteur n'a pas de vitesse limite, il peut accélérer indéfiniment aussi longtemps qu'il reste de l'oxygène dans l'air. En pratique, il y a des problèmes très difficiles de résistance des matériaux à partir de Mach 5. Aux vitesses supérieures, la pression dynamique est si forte que la chambre de combustion atteint une température incompatible avec les matériaux actuels.

    Pour atteindre des vitesses supérieures, il faut donc réduire la pression de l'air dans la chambre de combustion en lui permettant de s’écouler à vitesse supersonique. La température n'augmente alors pas autant que dans les statoréacteurs classiques à combustion subsonique. La grande difficulté est que le carburant est injecté dans un flux d’air supersonique et doit brûler en quelques millièmes de secondes tout en donnant une combustion stable. La vitesse maximale des statoréacteurs à combustion supersonique (scramjet en anglais) reste à déterminer, mais elle semble être supérieure à Mach 20.

    Les statoréacteurs fonctionnent avec des carburants variés sous différentes formes : solide ou liquide. Dans le premier cas, apparu relativement récemment, il s'agit d'un propergol solide à faible taux d'oxydant brûlant dans un générateur de gaz ce qui alimente la chambre du statoréacteur avec les produits gazeux issus du générateur. Les combustibles liquides sont soit cryogénique (hydrogène liquide) soit stockable (hydrocarbure éventuellement endothermique). L'hydrogène liquide est avantageux, car il peut servir pour refroidir le moteur et le véhicule à très grande vitesse. Les hydrocarbures, moins efficaces, limitent la vitesse à environ Mach 8.

    Dans les véhicules équipés de statoréacteur à combustion supersonique, tel que le X-43 américain qui a volé en 2004 à Mach 9.6, la cellule de l’appareil fait partie intégrante du statoréacteur. Le nez de l'aéronef crée une onde de choc qui est dirigée vers le moteur ce qui sert à comprimer l’air au même titre que l’entré d’air. De même, la partie arrière de la cellule sert de tuyère externe et engendre la poussée en association avec la tuyère interne du statoréacteur. Les pressions élevées sur la partie inférieure du véhicule créent également une portance.

    En raison de toutes ces caractéristiques, le statoréacteur présente un certain nombre d’avantages considérables mais aussi des inconvénients non négligeables.

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Avantages et inconvénients

    En raison de toutes ces caractéristiques, le statoréacteur présente un certain nombre d’avantages considérables mais aussi des inconvénients non négligeables :

- Légèreté et simplification de fabrication. Rappelons qu’il n’y a aucune pièce mobile.    

- Puissance accru par rapport à un turboréacteur pour la même section frontale.

- Augmentation de la poussée avec le carré de la vitesse.

- Température de fonctionnement plus élevé. Aucun matériau n’est pour l’instant assez résistant pour des températures atteignant 3000° sur de longues durées

- Poussée nulle au point fixe.

- Faible poussée et faible rendement en dessous de 600-700 km/h.

Comparaison turbo et stato réacteur

 

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