Plusieurs types de propulsion spatiale existent, selon la façon dont la masse propulsive est accélérée. Quel que soit la méthode retenue, la conception du système de propulsion fait appel à de nombreux principes et théories mécaniques. La connaissance et la maîtrise des outils mathématiques et physiques est nécessaire pour le dimensionnement et la réalisation du dispositif. Le présent article permet donc de rappeler les notions essentielles du vol (régimes, atmosphère standard...), les formules d'aérodynamique et de thermodynamique qui sont utilisées en propulsion, au stade d'avant-projet, ainsi que les différents niveaux de modélisation de l'air et de la combustion.
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Marc BOUCHEZ
: Diplômé de l'École catholique d'arts et métiers de Lyon et de l'École supérieure des techniques aérospatiales - Ingénieur au département Aérodynamique – Propulsion – Létalité de MBDA France - Professeur vacataire de propulsion dans plusieurs universités et grandes écoles
INTRODUCTION
Ce dossier de quatre articles sur la propulsion aérospatiale se veut une introduction de plus en plus détaillée aux systèmes propulsifs d'avions, fusées, missiles.
Le présent article permet donc de rappeler les notions essentielles du vol (régimes, atmosphère standard…), les formules d'aérodynamique et de thermodynamique qui sont utilisées en propulsion, au stade d'avant-projet, ainsi que les différents niveaux de modélisation de l'air et de la combustion.
Les définitions principales sont discutées : indice constructif, taux de dilution, impulsion spécifique.
Dans le présent exposé, un intérêt particulier est porté au lien avec la conception du véhicule volant dont on veut étudier la propulsion et aux ordres de grandeur des paramètres liés à un niveau donné de technologie.
Les exemples et les données fournis sont tirés de la littérature ouverte, parfois volontairement laissés en langue anglaise, les applications de ces moteurs conduisant forcément à des restrictions sur certains points particuliers de ces systèmes propulsifs d'un point de vue commercial ou militaire.
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Le nombre de Mach de vol d'un avion par exemple se définit par le rapport entre la vitesse de l'avion et la vitesse du son (locale) dans le milieu ambiant :
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Le nombre de Mach (introduit en 1877 par le physicien du même nom, cf. [BR 2 020] est défini pour un milieu donné (par exemple l'air à une certaine altitude, ou à l'entrée d'une chambre de combustion, ou dans les gaz brûlés éjectés par la tuyère d'un réacteur).
Pour les calculs comme pour les essais en soufflerie ou en banc moteur, on utilisera systématiquement l'équivalence entre un mobile se déplaçant dans une masse d'air immobile (cas du vol) et la masse d'air animée de la même vitesse autour du mobile… immobile (cas d'un essai en soufflerie).
Le domaine où le Mach de vol est proche de 1 est appelé transsonique, l'écoulement est dit subsonique ou supersonique « de chaque côté du mur du son ». Le vol est dit conventionnellement hypersonique au-dessus de Mach 5 (on peut alors parler de « mur de la chaleur » à Mach 5 comme on parlait de la barrière sonique (« mur du son ») à Mach 1) [BM 3 000].
Le passage du « mur du son » traduit un maximum de la résistance aérodynamique à l'avancement. Pour accélérer...
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Introduction to Flight.
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Fourth Edition, Mc Graw Hill (2000).
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Recherche et technologie dans le groupe Snecma, propulsion aéronautique.
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Revue Scientifique et Technique de la Défense, no 59, mars 2003.
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Collectif, sous la direction de JENSEN (G.E.), NETZER (D.W.) -
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International Reference Guide to Space Launch Systems.
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AIAA, second edition (1991).
Bibliographie & annexes
English
Rappels et définitions
