Le rugissement des fusées qui partent dans l'espace, des colonnes de feu géantes, une force colossale qui dépasse la force de gravité. Le rugissement de postcombustion des avions de combat. Le dispositif de puissance humaine le plus bruyant et le plus puissant. Tout cela est un canal d'une forme particulière et de propriétés particulières qui ont radicalement changé l'humanité. Quelle est son essence et comment est la naissance difficile du supersonique - lisez dans notre matériel.
Histoire évolutive de la buse
Quand une personne a-t-elle utilisé la buse pour la première fois ? Déjà au 1er siècle, Héron d'Alexandrie proposait une tuyère à jet pour son "eolipil". Dans celui-ci, deux buses à vapeur dirigées de manière opposée faisaient tourner une bille métallique creuse avec une force réactive. Après 1200 ans, la Chine a fabriqué des fusées à poudre - pour les feux d'artifice et les militaires - ayant maîtrisé la propulsion par réaction dans la pratique. Au Moyen Âge, des missiles de combat ont commencé à voler en Europe. Dans l'armée russe du XIXe siècle, les armes à roquettes sont devenues des équipes de roquettes à pied et montées régulières, lançant des roquettes à partir de lanceurs spéciaux; des missiles massifs dans la flotte, de grandes usines de fusées telles que la plus grande usine d'Europe à Nikolaev. Le premier lancement de missiles de combat depuis la position sous-marine d'un sous-marin lance-missiles a eu lieu du vivant de Pouchkine, le 29 août 1834, sur la Neva, à 40 verstes au-dessus de Saint-Pétersbourg.
Buse - un dispositif pour accélérer le flux de liquide ou de gaz. Pourquoi l'overclocker ? Dans certains cas, le flux rapide lui-même est nécessaire, qui est utilisé davantage. Dans d'autres, ce n'est pas un flux qui est nécessaire, mais la force qui se produit lorsqu'il est éjecté - réactif. Une telle buse électrique est appelée buse à jet. Ce sont les tuyères à jet qui ont été pratiquement maîtrisées par les premiers avec l'émergence des premiers missiles.
Simultanément à l'exploitation généralisée des fusées, la technologie de la vapeur à la fin du XIXe siècle a atteint les turbines à vapeur, qui faisaient tourner les hélices des navires. Un jet à grande vitesse était nécessaire pour circuler autour des aubes de turbine, et plus la vitesse du jet de vapeur était rapide, plus il créait de force sur les aubes de turbine, augmentant ainsi sa puissance. La buse n'était pas nécessaire ici pour la force réactive (qui, bien sûr, est également apparue, mais comme effet secondaire inutilisé), mais pour créer un écoulement à grande vitesse. À travers elle, l'énergie projetée par la buse sous la forme d'une masse de vapeur va tomber sur les lames et effectuer un travail sur elles en tournant avec force. La force totale des pales est transmise à l'hélice.
Travaillant sur une tuyère de turbine à vapeur à grande vitesse, l'ingénieur suédois Carl Gustav Patrick de Laval a proposé un type de tuyère fondamentalement nouveau en 1890. Il était capable d'accélérer le flux à des vitesses supersoniques, ce qui n'avait jamais été possible auparavant. Le Rubicon supersonique a donc été franchi, ce qui a immédiatement doublé la vitesse de sortie.
Rubicon supersonique
Et aux buses de l'eolipil de Heron et à l'extrémité de la lance à incendie (et c'est une buse pour accélérer un jet d'eau), le canal d'écoulement se rétrécit. Dans un tel canal, l'écoulement du fluide de travail - vapeur, gaz ou liquide - est accéléré. Pourquoi? Le débit (la quantité de fluide de travail traversant la section par seconde) est le même n'importe où dans le canal - combien s'écoule dans la section initiale, autant devrait sortir par la section finale. Après tout, la substance circulant dans le canal ne diminue ni n'augmente, il n'y a pas de trous dans les parois qui l'alimentent ou la déchargent. Et la loi de conservation de la masse rend la consommation de matière la même à n'importe quel endroit de la buse.
Tant le liquide que le flux de gaz subsonique ne changent pratiquement pas de volume; par conséquent, ils sont approximativement considérés comme incompressibles lorsque la vitesse du son est encore loin. La consommation constante de leur masse signifie la consommation constante de leur volume. Le flux doit se dépêcher pour conduire le même volume à travers l'espace rétréci. Le gaz est forcé d'accélérer.
La différence de pression le fait couler - le flux s'écoule dans le sens de la basse pression, poussé par derrière par une haute. Dans le canal de rétrécissement, la pression et la température du flux diminuent continuellement, mais sa vitesse augmente. L'énergie potentielle de pression et de température du gaz est pompée dans l'énergie du mouvement, dans son accélération. Plus la différence de pression entre le début et la sortie de la buse est élevée, plus l'accélération et le débit sont importants. Pour sa croissance, la pression devant la buse est augmentée. La même chose est vraie pour la différence de température, et ils essaient de chauffer davantage le gaz en brûlant les composants du carburant.
Mais le taux d'expiration s'est avéré avoir sa propre limite fondamentale. Il s'agit d'un écoulement à la vitesse du son. Elle n'est surmontée par aucune augmentation de pression à l'entrée de la buse. Peu importe combien il est soulevé, deux, quatre ou dix fois, dans les limites de la buse convergente, le débit ne dépassera pas la vitesse du son.
Rappelons ce qu'est le mouvement subsonique et supersonique. La vitesse du son (faible onde scelle dans un gaz) dépend de nombreux facteurs - la composition du gaz, sa densité et sa pression. Mais surtout, cela dépend de la température. Dans des conditions spécifiques, la vitesse du son prend une valeur locale spécifique. Compare la vitesse du flux avec la vitesse locale du son, le nombre de Mach, en divisant la vitesse du flux par la vitesse du son. Sa valeur est notée M et indique combien de fois la vitesse du courant est supérieure ou inférieure à la vitesse du son. Lorsque M est inférieur à l'unité, le flux est plus lent que le son - subsonique. A M = 1, le flux s'écoule exactement à la vitesse du son. Pour M > 1, le flux est supersonique.
Il n'est possible de surmonter la limite du son qu'en utilisant un principe spécial. C'est ce qu'on appelle le principe du renversement d'influence.
En dynamique des gaz, il y a la notion d'impact. C'est l'effet sur le flux de gaz, qui modifie ses paramètres, notamment la vitesse. Le rétrécissement du canal est un effet géométrique, un changement dans la géométrie de l'écoulement. Et il y a le principe de l'inversion de l'impact. Selon lui, une seule et même action ne peut changer la vitesse du courant que jusqu'à la vitesse du son. De plus, cela est vrai à la fois pour l'accélération et la décélération (si l'écoulement est supersonique). Le maximum atteint par le même impact sera toujours la vitesse du son, M = 1. Devenir un mur du son infranchissable pour cet impact. Au-delà de cette limite, l'impact d'aucune puissance ne pourra rien faire.
Pour enjamber M = 1 et continuer à accélérer ou à ralentir le flux, vous devez changer l'effet à l'opposé. Avec un effet géométrique (rétrécissement du canal), son signe doit être changé. Pour l'overclocking, il s'agit d'un changement de rétrécissement pour l'expansion. Où changer quand ? Une fois que le flux atteint la vitesse du son. Dans la partie en expansion, le flux deviendra supersonique et s'accélérera davantage. Pourquoi?
Après être devenu supersonique, l'écoulement acquiert des propriétés très différentes. L'incompressibilité subsonique est remplacée par une plus grande compressibilité et extensibilité. La dilatation du gaz est si grande qu'elle dépasse la dilatation géométrique du canal. Le gaz gonflant est forcé de s'écouler de plus en plus vite même à travers les sections transversales croissantes du canal. Par conséquent, la vitesse d'écoulement dans l'expansion supersonique de la buse augmente et la densité du gaz diminue. Laval a proposé cette forme de tuyère et obtenu un écoulement supersonique à la sortie. Une tuyère avec une géométrie de contraction-expansion était appelée tuyère de Laval.
Façons d'obtenir un son supersonique
A noter que ce n'est pas seulement la géométrie changeante de la tuyère Laval qui peut accélérer le flux jusqu'au supersonique. Des buses supersoniques à géométrie de canal constante sont possibles, simplement avec un tuyau droit. Il en existe trois types: massiques, thermiques et mécaniques. Et ils fonctionnent tous sur le principe de l'inversion de l'impact. La buse de masse a des parois perforées. Dans la partie subsonique du tuyau, le gaz est pompé vers l'intérieur à travers les perforations des parois. Pour faire passer une quantité croissante de gaz à travers le tuyau, le gaz est accéléré, atteignant la vitesse du son. Et après la vitesse du son, l'effet change à l'opposé - le gaz est pompé hors du tuyau à travers les trous dans les murs. Ce qui provoque la dilatation (il y en a beaucoup après le pompage) et l'accélération du gaz restant dans la canalisation. Pour accélérer le flux, le débit massique du gaz change - par conséquent, la buse est appelée masse.
Les deux autres sont purement théoriques. Buse de chaleur - lorsqu'il se déplace dans un tuyau constant, le gaz se réchauffe et atteint la vitesse du son. Et après cela, le gaz est refroidi avec une accélération supersonique. La buse mécanique fournit de l'énergie au gaz par la force mécanique, et derrière la vitesse du son, elle retire également mécaniquement de l'énergie pour accélérer le flux supersonique.
La buse de Laval est un cas particulier du principe de renversement d'influence, son avatar géométrique. Deux entonnoirs opposés avec un goulot d'étranglement commun. C'est cette buse qui est largement utilisée en pratique. Étant donné que l'atteinte de la vitesse du son change radicalement le comportement de l'écoulement, la vitesse du son a été appelée la vitesse critique. Et la section de la buse (toujours la plus petite), dans laquelle la vitesse du son est atteinte, était appelée la section critique de la buse.
Dans la partie subsonique convergente de la buse, la densité du gaz change de manière insignifiante, elle se dilate légèrement. Mais sa pression et sa température sont considérablement réduites - la vitesse augmente principalement à cause d'elles. Ces paramètres tombent le plus fortement dans la partie critique de la tuyère, dans la zone de la vitesse du son. Le changement d'action maintient ces changements de débit plus loin dans la section supersonique en ajoutant une expansion de gaz. Par conséquent, le débit augmente continuellement dans les deux parties de la buse - à la fois subsonique et supersonique.
Un écoulement de gaz subsonique se comporte comme un écoulement de rivière, un liquide incompressible qui retient son volume. Absolument? Non, à mesure que la vitesse augmente, l'air circulant autour du corps est progressivement comprimé, mais de manière insignifiante; le taux de compression ne dépasse pas les premières dizaines de pour cent. Cela ne modifie pas fondamentalement le schéma d'écoulement, le laissant dans le cadre de l'hydrodynamique, ou "hydrodynamique pour l'air" - aérodynamique. L'image reste ainsi jusqu'au son Rubicon.
La dynamique du gaz est à l'origine de la vitesse du son. Ici la compressibilité du gaz se manifeste pleinement: il se contracte et se dilate plusieurs fois, plusieurs fois et des dizaines de fois. Cela change radicalement les volumes qui s'écoulent et crée des changements critiques dans l'image.
Un flux supersonique se comporte à l'inverse d'un flux subsonique: il ralentit en contraction et accélère en expansion. S'il ralentit, il le fait brusquement et instantanément, toujours avec compression du volume et échauffement, formant des limites nettes de compactage à l'intérieur de lui-même. Et enfin, le flux supersonique peut s'écouler vers la haute pression - par exemple, dans ce même joint.
Une autre nature de la force motrice permet au flux supersonique de s'écouler contre la chute de pression. Ce qui prévaut n'est pas la pression du gaz, comme dans un écoulement subsonique, mais la force d'inertie du mouvement. Le comportement du flux subsonique est contrôlé par l'essence thermique - l'énergie potentielle de la pression du gaz, et les propriétés supersoniques du flux sont créées par une autre forme d'énergie - l'énergie cinétique du mouvement.
Taille de guêpe et surextension
Les tuyères classiques des moteurs de fusée sont des cônes et des fusées éclairantes en forme d'entonnoir avec une taille de guêpe étroite entre elles. Il est étroit en raison de la densité élevée dans la chambre de combustion. Le gaz comprimé peut se dilater plusieurs fois, tout en maintenant un impact tangible sur les parois de la buse et en créant une poussée. L'expansion principale commence à l'approche de la vitesse du son et se poursuit tout au long de la partie supersonique de la buse. Dans lequel le rapport de la surface finale à la surface initiale, c'est-à-dire la surface de la sortie de la buse et la section de la gorge, était appelé le rapport de dilatation de la buse. De combien pouvez-vous dilater (et donc accélérer) le gaz à l'intérieur de la buse ? Dans l'espace, la raréfaction du débit en sortie de tuyère est amenée à un bénéfice pratiquement récupérable - tandis que l'ajout de poussée sur le prolongement de la tuyère justifie l'augmentation de sa masse. La pression résiduelle non utilisée est déversée dans le vide.
En partant de la surface de la Terre, l'atmosphère se presse dans la tuyère, empêchant l'écoulement. Le jet s'envole de la buse de l'atmosphère élargie plus fortement - la densité et la pression du jet sont inférieures à la pression atmosphérique. Un tel jet est appelé sur-expansé et la buse fonctionne en mode sur-expansé. Plus le débit à la sortie de la tuyère est raréfié, plus la perte de charge avec l'atmosphère et sa réaction au jet sont importantes. Le jet supersonique surdéveloppé, en raison de sa vitesse élevée, quitte la tuyère contre une goutte de la moitié de l'atmosphère, voire plus. Et il est inhibé par l'atmosphère derrière la buse.
Voilà, la propriété de travail d'un écoulement supersonique pour se déplacer vers une pression plus élevée. Si cette différence augmente encore plus, la pression atmosphérique s'infiltrera dans la buse et commencera à éloigner le jet des parois, « éteignant » cette section de la buse. Ainsi, pour ralentir le jet tout en étant toujours dans l'expansion de la tuyère, ne permettant pas à la poussée de croître - le mode de blocage de la tuyère par une pression externe commencera. Pourquoi augmenter le débit à la sortie de la buse en dessous de la pression atmosphérique ? Parce que sa pression chute rapidement avec l'augmentation de l'altitude, à laquelle tout ce qui est rapide quittera la fusée.
Les cinquante premiers kilomètres de la verticale mettront progressivement à zéro la contre-pression atmosphérique.
Le débit à la sortie de la buse deviendra plus dense que l'atmosphère décroissante, rejetant la surpression inutile. Le courant, comprimé plus densément que l'atmosphère, est sous-développé jusqu'à égalité avec elle. Il élargirait davantage son smog, rendant la poussée un peu plus forte. C'est le mode de sous-expansion. Pour réduire la décharge inutile de la pression de buse inutilisée, le taux d'expansion est optimisé. C'est-à-dire qu'il est calculé de manière à ce que les pertes intégrales lors du fonctionnement de la tuyère ascendante soient minimales et que le travail effectué par la force réactive soit le plus important pour tout le segment de vol.
Pour cela, la pression à la sortie de la buse est calculée pour être égale à la pression atmosphérique à des altitudes de 8 à 12 km. Ici, le fonctionnement de la buse est optimal - il n'y a pas de pertes de charge avec l'atmosphère, et il n'y a pas de pertes. La surexpansion initiale diminue progressivement avec la hauteur, se mettant à zéro dans le mode de sortie optimal de 10 à 12 km, après quoi la sous-expansion augmentera progressivement. Ainsi, la tuyère, à mesure que la fusée monte, passe par trois modes de fonctionnement. Et le choix de la pression à la sortie de la buse permet d'obtenir les plus petites pertes intégrales jusqu'au point d'arrêt.
Dans les deuxième et troisième étages des fusées intercontinentales et spatiales, les moteurs sont lancés en l'absence de pression atmosphérique perceptible. Par conséquent, l'expansion de leurs buses fait un b notable Oplus léger que le premier étage. Les moteurs de fusées spatiales ont également des taux d'expansion importants - manœuvres orbitales, orientation. Leurs parties supersoniques ressemblent à de grands gobelets avec un petit œil de section critique.
Grande famille ou variété de dynamique de gaz de buse
Le principe de la présence d'une section critique est mis en œuvre sous des formes très variées. Les deux entonnoirs classiques, transmettant le flux l'un à l'autre par la fusion de sommets, peuvent changer au-delà de la reconnaissance. La buse fendue est un canal plat avec contraction et expansion. Les buses du corps central peuvent à peine changer le diamètre extérieur; le corps central intérieur définit la géométrie du canal. Il peut être conique ou en forme de balle, et se termine à la sortie de la buse, et la partie critique s'avère être annulaire. Le corps central peut varier considérablement, changeant complètement la forme de la buse.
La buse peut être constituée d'un corps central, qui est entouré le long de la base par une fente annulaire. Le flux comprimé de la fente s'écoule à travers le corps central, se dilatant sur celui-ci. Une telle buse a la forme d'un cône concave dirigé vers l'arrière. La concavité fonctionne de la même manière que le renflement en forme de coupelle de la paroi d'une buse classique. Seule la buse avec sa paroi comprime les bords du flux divergent en un flux régulier, et le corps central forme un noyau redressé du flux.
C'est ainsi que fonctionne un moteur à air comprimé. Sa buse est linéaire - le corps central est allongé horizontalement et forme un coin inversé, semblable à une lame de sabre dont les deux côtés convergent vers la lame. Sur ces côtés concaves actifs, le flux supersonique se dilate, créant une poussée. Fonctionnellement, les côtés sont la paroi d'une tuyère conventionnelle, dépliée en ligne, créant une poussée de la même manière.
Ce coin est parcouru de haut en bas par un flux supersonique provenant de petites chambres de combustion montées en rangée étroite au sommet. Chaque côté du coin devient une paroi de buse pour l'écoulement des chambres. L'autre paroi est l'atmosphère, qui comprime le flux latéral et régule son expansion avec sa pression. Par conséquent, le débit sur les surfaces de la buse en forme de coin-air-coin se dilate de manière optimale, s'adaptant aux changements de pression atmosphérique.
Le corps central peut devenir plat, comme une plaque, et se situer dans la profondeur de la buse, au début de son expansion. Comme la tête d'un clou, pas complètement enfoncée au milieu de la section critique. L'espace sous le capuchon sera la partie subsonique de la buse. Et les bords du corps en forme de disque deviendront la partie intérieure de la section de gorge. Le flux se propage radialement depuis le dessous de la plaque et tourne sur ses bords vers la sortie de la buse, étant pressé par les parois et accélérant en un jet supersonique. La buse champignon est beaucoup plus courte que la buse conventionnelle et donc plus légère. Sa dynamique de gaz particulière est parfaitement compatible avec la buse Laval.
Moins de pression, plus de puissance des géants du disque
La haute pression nécessite des parois solides et épaisses de la chambre de combustion, il est plus facile de l'enfermer dans une petite chambre. La masse d'une grande structure à haute pression sera également importante. Pour les moteurs à combustible solide, le corps entier est une chambre de combustion. Par conséquent, la pression y est inférieure à celle des moteurs de fusée à propergol liquide, n'atteignant que les premières dizaines d'atmosphères. Étant donné que la pression devant la buse est plus faible, cela signifie que le degré d'expansion de la buse et le rétrécissement de la section de col sont moindres. Par exemple, un adolescent peut passer librement par la gorge de la buse d'un accélérateur à combustible solide SLS. Avec un diamètre de sortie de buse de 3, 8 m et une section critique de 1, 37 m, le taux de dilatation est d'environ 7, 7. Le niveau de pression moyen de 39 atmosphères ne permet pas de fixer un taux de dilatation important.
La poussée n'est pas créée par le débit lui-même, mais par le débit à cette vitesse. Les moteurs à propergol solide peuvent créer un débit énorme du fluide de travail à travers la buse. Ils n'ont pas d'alimentation en carburant - tout est encore fourni à l'usine sur toute la longueur du moteur, atteignant parfois des dizaines de mètres. Un tel massif combustible a une surface de combustion énorme et un débit correspondant, ce qui crée une très grande poussée de jet.
Les moteurs les plus puissants jamais créés par l'homme dans l'histoire sont les moteurs-fusées à propergol solide. Parmi ceux produits en série, ce sont des boosters pour le lanceur SLS, d'anciens boosters de la navette spatiale avec une cinquième section de carburant supplémentaire. Avec une longueur totale de 54 m (c'est la hauteur d'un immeuble de 18 étages), un diamètre de 3,7 m et une masse de 726 tonnes, leur poussée est de 1620 tonnes, et la consommation est de 6 tonnes par seconde. La tuyère d'un tel accélérateur est aujourd'hui la tuyère de série la plus puissante au monde.
Les moteurs à propergol solide expérimentaux étaient encore plus puissants. L'Aerojet AJ-260 SL-1 testé en 1965 montrait une poussée de 1 800 tonnes, et le moteur Aerojet AJ-260 SL-3 était censé produire 2 670 tonnes de poussée. Leurs buses simples restent les buses Laval les plus puissantes jamais fabriquées par l'homme.
Géométrie variable dans le tonnerre de la postcombustion
Les buses avec une pression encore plus basse, avec une différence de seulement quelques atmosphères et une très faible constriction, se sont généralisées dans l'aviation, devenant une solution indispensable pour toute une classe de moteurs. Puisqu'il est impossible de stocker beaucoup d'énergie dans une petite pression, ils passent ici par le chemin thermique - ils pompent du gaz avec la chaleur d'un puissant feu de kérosène.
Les postcombustion sont principalement utilisées dans les avions de combat. Ils utilisent la postcombustion lorsqu'ils volent en supersonique, pour réduire le roulis au décollage, la montée rapide et les manœuvres intenses. La postcombustion est presque une augmentation du double de la poussée, avec une augmentation multiple de la consommation de carburant. Il est brûlé dans le flux général derrière la turbine, dans un morceau du chemin d'écoulement avant d'entrer dans la tuyère, appelé postcombustion. Ses buses forment un énorme brûleur à kérosène qui chauffe le flux devant la buse de mille degrés.
La tuyère, étant un moteur thermique, convertit une augmentation de chaleur en une augmentation de vitesse.
Un tel chauffage supplémentaire du gaz augmentera la pression devant la buse. Cela réduira la vitesse de la turbine et du compresseur, ce qui réduira immédiatement le débit d'air vers la buse. Pour éviter un effondrement du fonctionnement du moteur, la section critique de la buse est élargie, "déversant" la pression croissante dans celle-ci. Ceci est fait par cinquante éléments mobiles - volets. Des plaques moulées trapézoïdales en acier résistant à la chaleur et résistant à la chaleur (ce sont des propriétés différentes) se chevauchent, comme des écailles ou des tuiles, formant la surface de travail de la buse. Se déplaçant de concert par des vérins hydrauliques, ils modifient la constriction interne, tout en modifiant simultanément la coupe de la buse. Grâce à une telle conception mobile, la tuyère maintient l'expansion du gaz proche de l'optimum et s'adapte au mode de fonctionnement du moteur, permettant une forte augmentation de la poussée pendant la postcombustion. Et après avoir éteint la postcombustion, les buses sont déplacées vers l'arrière, réduisant la section critique et la taille de la sortie des buses.
La buse Laval est utilisée dans une myriade de dispositifs à jet. Dans tous les types de missiles volant dans les airs - des missiles spatiaux et intercontinentaux aux missiles antiaériens et antichars, des obus de salve, des grenades propulsées par fusée et une variété infinie d'autres corps volants propulsés par fusée. Il existe également des balles à réaction connues, et de différents types - par exemple, des balles sous-marines expérimentales pour la machine sous-marine APS, similaires à des rayons verts épais avec un moteur à réaction d'un diamètre de 5, 45 mm. Ou les balles rotatives de missile Gyrojet d'un demi-pouce de diamètre (12,7 mm) avec quatre minuscules buses obliques, testées au Vietnam au début des années 1970, avec un pistolet spécial pour elles. Ce sont les plus petits missiles de combat de l'histoire.
Le bloc de buses peut être constitué d'un canal, de plusieurs ou de dizaines de buses. Les dimensions, la forme, le nombre, l'emplacement, l'inclinaison, la poussée, le but de ces buses varient sur la plus large plage. Les tuyères à jet détournent le siège pilote éjectable de l'avion, atterrissent en douceur les équipements d'atterrissage et les véhicules de descente, accélèrent les fusées éclairantes et les signaux, réduisent le recul des canons sans recul, lancent des cordeaux détonants pour le déminage, mettent de côté les jougs de lancement lors du lancement de la mine des ICBM, et effectuer une foule d'autres tâches, force réactive.
Buses non réactives
Une personne produit un flux supersonique avec une buse Laval presque partout où elle l'utilise. Dans les turbines, les tuyères de Laval à fente accélèrent le débit à fournir aux pales du rotor. Dans les turbines à jet supersonique, les canaux entre les aubes du disque mobile sont également des tuyères de Laval fendues, qui accélèrent le gaz à une vitesse supersonique. Chacune de deux lames adjacentes forme avec leurs surfaces un canal d'une buse plate de Laval recourbée vers l'arrière selon un certain angle. Le flux y est accéléré et revient au mouvement, créant une force réactive pour les pales. Les turbines supersoniques sont utilisées dans l'aviation et l'astronautique, la technologie au sol et la navigation, l'énergie et la production d'énergie.
Il est possible de broyer le matériau avec un flux supersonique, obtenant un broyeur fin. Le matériau en vrac pénètre dans le jet supersonique. Il est capturé et accéléré par un jet qui heurte une barrière solide et s'y heurte à une vitesse de plusieurs centaines de mètres par seconde. La grande pureté de broyage - le matériau lui-même pique contre l'obstacle - vous permet de broyer des médicaments ou des produits chimiques hautement purifiés.
Les souffleries supersoniques utilisent également une tuyère Laval. Le type de tube supersonique le plus courant est le ballon. Dans une grande pièce, il y a deux ou trois rangées de cylindres en acier épais d'une hauteur de deux étages, recouverts d'un deuxième étage à crémaillère (pour atteindre le sommet des cylindres en cas de besoin). Quelques jours avant la purge, les cylindres sont pompés avec de l'air toute la journée au ronronnement et aux vibrations du compresseur. Leurs corps sont très chauds à cause de la compression bien au-delà d'une centaine d'atmosphères, puis ils se refroidissent pendant la nuit.
La purge a lieu dans une boîte séparée avec des portes en acier. Tout l'air introduit dans les cylindres est évacué en trente secondes. La buse convertit l'air comprimé des cylindres en un flux supersonique circulant dans la partie active du tuyau. De petite section, il est assemblé à partir d'éléments en acier solides qui enferment le flux avec le modèle soufflé. Un bonus est la simulation d'un vol supersonique à haute altitude avec son givre - à partir de l'expansion du flux, la température dans la section d'essai est de moins 80 degrés. Le nombre de Mach du débit dans le tuyau peut dépasser 5, alors le tuyau devient hypersonique.
Dans l'une des universités de Moscou avec une cour vaste mais complexe, dans l'un de ses recoins, il y avait une cabine en treillis qui ressemblait à un kiosque. Les auditoriums du département d'anglais pénétraient dans cette partie de la cour. Une fois par semaine, les cours étaient interrompus pendant une demi-minute par un mur de grondements continus, qui couvrait complètement toute tentative de parler des enseignants et des élèves. La cabine en treillis cachait le canal de sortie du tube supersonique de cette université, inondant la cour d'un rugissement pendant la purge. Ainsi, l'aérodynamique supersonique a envahi tous les domaines de la science qui sont sortis en auditoriums de ce stand.
Ludwig Prandtl, le pionnier des calculs supersoniques et le fondateur de l'aérodynamique supersonique, a pu calculer la tuyère donnant le nombre de Mach requis au débit disponible. En 1909, il construit en Allemagne, à Göttingen, où il travaille, le premier tube supersonique au monde. Aujourd'hui, toutes les buses sont comptées selon sa méthode de calcul d'une buse supersonique.
Les calculs permettent de profiler la buse. Le profil est la courbure de la forme de la buse, ce qui la distingue d'un simple cône, la géométrie exacte de la buse. Dans la section critique, la détente du gaz est la plus intense, et immédiatement après, il est nécessaire de donner rapidement au gaz un volume de détente. Les parois de la buse divergent ici sur les côtés avec une cloche en forte expansion. A l'extrémité de la buse, lorsque le travail de détente est terminé, le flux est dirigé par le bord cylindrique de la buse en un flux presque parallèle.
La transition en douceur de la partie en forte expansion au bord presque cylindrique rend la buse convexe, comme un verre ou une cloche. Ce sera la buse profilée. Une courbure des parois correctement choisie dilatera le gaz de manière optimale, avec la plus grande accélération du flux à la longueur la plus courte de la buse. Il s'agit du poids minimum, de la surface de refroidissement, du volume de matériau et de traitement et du coût. Par conséquent, presque toutes les buses sont profilées aujourd'hui. Leur profil est calculé en fonction des paramètres donnés du gaz source et du débit souhaité, permettant de mouler au mieux la courbure de la cuve pour le supersonique.
Indice possible d'une fusée entièrement réutilisable
La tuyère peut également devenir la solution principale à la réutilisation complète des lanceurs. Le problème du retour du deuxième étage de la fusée est dû à sa vitesse orbitale élevée. La température de stagnation de l'écoulement à cette vitesse, qui se produit à l'étage à l'entrée, atteint plusieurs milliers de degrés.
Vous pouvez créer une buse qui occupe toute la partie inférieure de la marche. Ensuite, sa surface résistante au feu peut agir comme un bouclier thermique. Dans ce cas, la buse métallique est activement refroidie par le composant combustible circulant dans les canaux de ses parois. Et le composant lui-même, s'écoulant sans combustion à travers la buse, va presser le coussin d'air chaud et comprimé de la fin de la scène. Le bord de la paroi de marche peut également être occupé par le bord refroidi de la buse. Ainsi, en intégrant stratégiquement la buse dans la base de la marche. Ensuite, la tuyère sera capable de résoudre deux tâches séparées dans le temps - à la fois la création de poussée et la protection thermique de l'étage lors de l'entrée dans l'atmosphère. Probablement, après avoir formé un nouveau type - une buse de protection thermique réactive.
Une telle buse ajoutera une tâche de protection thermique à sa fonction de base de la dynamique des gaz (accélération du flux), augmentant sa valeur.
Il faut beaucoup de calculs pour trouver l'optimum d'une conception pour les deux problèmes. Avec un diamètre de buse aussi grand, un verre supersonique allongé classique devient trop volumineux et lourd. Une buse avec un corps central ou une buse à clapet s'avérera beaucoup plus facile. Leur surface est plusieurs fois plus petite, nécessitant moins de refroidissement. Vous pouvez donner le refroidissement "enregistré" aux murs de marche adjacents. L'évaluation de ces décisions sera donnée par le calcul de projets spécifiques.
En 2020, la firme américaine Stoke Space Technologies a reçu deux subventions via SBIR (Small Business Innovation Research, programme de recherche et d'innovation dans les petites entreprises). Il s'agit d'un programme de recherche et développement (R&D) du gouvernement américain destiné à aider les petites entreprises. L'équipe de neuf membres est dirigée par Andy Lapsa, directeur et co-fondateur de Stoke, qui fabrique des moteurs chez Blue Origin depuis dix ans. Son équipe se concentre sur le développement d'un moteur d'étage supérieur réversible.
Une subvention SBIR de 225 000 $ a été attribuée par la National Science Foundation pour "une solution d'alimentation intégrée et réutilisable à l'étage supérieur". Le résumé de la subvention « propose de développer une nouvelle technologie pour permettre aux lanceurs spatiaux de rentrer dans l'atmosphère et d'atterrir à un point donné avec réutilisation. Les défis techniques incluent la combinaison d'un système de propulsion hautement efficace, d'une protection thermique fiable et d'une structure légère. » L'article envisage "une nouvelle solution technique qui combine les principales caractéristiques d'un étage avec l'efficacité d'un système séparé (on parle d'un système de refroidissement. - Note de l'auteur), qui permet la réutilisation du deuxième étage".
Une autre subvention SBIR de 125 000 $ a été reçue de la NASA pour « une nouvelle configuration de moteur de fusée pour les étages de propulseur et l'atterrisseur planétaire ». Le résumé de la subvention parle « d'une nouvelle géométrie pour la tuyère de la fusée, qui n'a pas été envisagée auparavant et sur laquelle se concentre la première phase. La buse offre un taux de dilatation élevé avec des dimensions dix fois plus courtes que les buses traditionnelles en forme de cloche, et permet un étranglement profond à pression atmosphérique. Lorsqu'elle est intégrée à la base de l'étage, la tuyère du moteur sert de bouclier thermique métallique activement refroidi lors de la rentrée. La première phase comprend le développement de la méthodologie de conception des buses, la prévision des performances des buses et la fabrication d'équipements pour les tests de paramètres. »
À quel point les efforts de Stoke seront fructueux, le temps nous le dira. Mais la formulation des tâches parle d'un besoin urgent d'une percée à un deuxième degré réutilisable. Et la buse est une solution clé possible pour les fusées entièrement réutilisables.