CAST : Nouvelle méthode pour refroidir à Mach 20

Dans un article publié le 11 Août 2016 par l’Institut CAST (China Academy of Space Technology), filiale du groupe aérospatial chinois CASC et spécialisé dans la conception générale des engins spatiaux, on apprend qu’un chercheur chinois de cet institut et son équipe ont fait de « percée technologique » significative dans le refroidissement actif des engins hypersoniques, pouvant voler à une vitesse de Mach 20.

« La protection thermique contre une température extrême, pour un engin hypersonique du proche espace volant à Mach 20 et qui est dédié à la frappe planétaire rapide en 1h, est une difficulté technique reconnue mondialement », indique l’article.

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Le chercheur XIANG Shuhong de l’Institut CAST

Et le chercheur chinois qui s’appelle XIANG Shuhong (向树红), aurait trouvé une solution pour balayer cette difficulté technique, et « rendre possible le développement d’une telle arme ».

Le texte met en avant trois points sur les travaux réalisés par XIANG –

  • Avoir créé pour la première fois au monde le modèle multi-physique (aéro-thermo-ion-dynamique) de refroidissement par film d’air en domaine hypersonique
  • Avoir mis en application les résultats de la simulation multi-physique en question dans le développement des technologies aérospatiales
  • Avoir résolu, pour la première fois en Chine, les problématiques associées à l’usinage par laser des trous microscopiques, sur des surface et des matériaux compliqués à traiter

« Cette solution est appliquée actuellement au développement du système de refroidissement actif par film d’air, dans un certain projet militaire majeur », rajoute l’article.

Refroidissement par film d’air, de l’aéronautique à l’aérospatiale

Dans le domaine hypersonique, si on prend l’exemple d’un planeur hypersonique, l’engin évoluera à 30km d’altitude et volera à une vitesse de Mach 20 (~6km/s) sur une durée de 1 000s environ.

Sous ces conditions de vol, la température de flux pourrait avoisiner les 10 000K sur les surfaces de stagnation de l’engin, alors que les composants à l’intérieur ne devraient pas subir une température de plus de 423K (~150°C), au risque de ne plus pouvoir fonctionner correctement.

C’est à cette température « extrême » et notamment sur une si longue durée, que les méthodes de protection thermique dites passives de nos jours – comme les tuiles, les matériaux C-C et C-SiC – pourraient être rapidement dépassées.

L’idée du chercheur chinois et de son équipe est donc d’utiliser le refroidissement par film d’air comme une solution « active » de protection thermique.

Le « Air film cooling » n’est absolument pas nouveau pour le secteur aéronautique. Cette technique consiste à former une couche d’air froide sur la surface à protéger, en faisant passer l’air à travers des petits trous percés dessus.

L’application la plus courante est le refroidissement des aubes de turbine pour les moteurs d’aviation, comme le montre cette photo –

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La performance de refroidissement d’une telle technique dépend d’un certain nombre de paramètres, comme la géométrie des trous d’injection, la courbure de la surface, la rugosité des matériaux, les propriétés de la turbulence ou encore le débit massique…etc.

Et, ces paramètres ne sont plus du tout les mêmes dans le cas d’un vol hypersonique, du fait des phénomènes comme l’interférence visqueuse entre la couche de l’onde de choc et la couche limite, les réactions chimiques de l’air sous la haute température, et l’effet d’ionisation…etc.

Modèle géométrique de simulation avec un trou de 2 à 10mm de diamètre

Modèle géométrique de simulation avec un trou de 2 à 10mm de diamètre

La première partie des travaux du chercheur chinois XIANG porte donc sur un modèle de simulation qui permet d’intégrer un certain nombre de ces paramètres, et de l’appliquer sur un modèle géométrique pour évaluer l’efficacité théorique du refroidissement par film d’air, le tout dans un vol hypersonique.

Dans un document R&D que XIANG a co-publié avec les autres chercheurs du CAST et de l’Université d’aéronautique et d’astronautique de Pékin en Janvier 2015, les résultats de ces simulations CFD ont été rendus publiques.

Le modèle géométrique de simulation est un cône, le même que celui dans l’étude TN D-5450 de la NASA effectuée en 1969.

Après avoir vérifié la validité du modèle de simulation avec les résultats de cette étude de NASA, les chercheurs chinois ont modélisé un trou à la pointe avant du cône, dont le diamètre varie progressivement de 2 à 10mm, à travers lequel ils ont simulé l’injection de l’air froid à 200K.

Les simulations montrent que sans le refroidissement, le flux d’air entrant au contact avec le cône à une vitesse de Mach 20 atteint la température de 9 827K, alors que cette température maximum est de 7 047K après l’injection d’air froid.

Dans certaines zones la diminution peut même atteindre -90%.

On peut voir la comparaison ici –

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La distribution de température sans et avec le refroidissement par film d’air

La conclusion de ce document universitaire indique que les résultats obtenus par cette technique sont encourageants, mais admet qu’il existe encore des points à retravailler, comme la prise en compte du stress thermique, la rugosité des matériaux, le choix de liquide de refroidissement (pour le refroidissement par convection à l’intérieur de l’engin on présume), les techniques d’usinage ainsi que la compatibilité des systèmes…etc. Les chercheurs ont également proposés des axes de travail pour la prochaine étape à la fin du document.

XIANG et deux autres chercheurs chinois ont présenté les fruits de leur travaux au congrès international ICSV22 (The 22nd International Congress on Sound and Vibration) qui a eu lieu du 12 au 16 Juillet 2015 à Florence, en Italie.

Vers un Prompt Global Strike chinois à Mach 20 ?

Comme, dans l’article du CAST, ils ont mentionné « l’application concrète » et « l’usinage », on peut donc supposer que les points qui étaient à retravailler ont été étudiés, et au moins partiellement résolus, pour que ce soit applicable dans un « projet militaire majeur ».

La question maintenant est, quel projet nécessite l’application des solutions pour voler à Mach 20 ?

以1小时全球感知和打击的高超声速临近空间飞行器(20马赫)为首要应用的高超声速飞行器极端温度热防护

Le texte du CAST a bien parlé de reconnaissance et de frappe planétaire rapide en 1h, le même concept se trouve aussi dans celui du Prompt Global Strike (PGS) des Américains.

Depuis que le concept de PGS est proposé dans les années 2000′, plusieurs programmes hypersoniques ont vu le jour aux États Unis, pour répondre à l’objectif d’atteindre n’importe quelle cible sur la planète en moins d’une heure.

On peut citer par exemple les planeurs hypersoniques AHW de l’US Army et HTV de l’USAF, les engins hypersoniques propulsés X-43 et X-51, ou encore les mini-navettes X-34 et X-37B.

Côté chinois, d’après les éléments qui sont connus publiquement aujourd’hui, on sait que l’un des projets scramjet a effectué son premier vol en 2012 et a atteint la vitesse de Mach 5, mais à ce jour il semble être difficile d’atteindre les Mach 20 à court terme.

La propulsion combinée comme le TRCC, le RBCC et le TBCC sont quant à eux encore au stade de pré-étude ou du début de développement, bien qu’un drone hypersonique à RBCC aurait effectué son vol inaugural en 2015.

Le programme qui semble être le plus avancé dans le cadre d’un concept similaire à PGS est donc, pour moi, le planeur hypersonique DF-ZF, qui totalise jusqu’à présent 7 essais réussis entre Janvier 2014 et Avril 2016.

Selon les sources américaines, la vitesse atteinte par ces planeurs hypersoniques chinois n’ont pas dépassé les Mach 10. Il est logique de penser que certaines difficultés techniques ont dû les limiter à cette vitesse, comme la protection thermique par exemple.

On peut donc raisonnablement penser que ce « projet militaire majeur » que parle l’article du CAST serait bien la version d’armement du DF-ZF.

Aujourd’hui, aucun élément officiel ne nous permet de connaître la spécification de ce planeur hypersonique chinois, mais un extrait de vidéo d’une simulation réalisée par les forces des fusées chinoises a montré ce qui pourrait être le DF-ZF –

Qu’il soit le DF-ZF ou pas, il se ressemble en tout cas à Hypersonic X-plance de DARPA mais évolue à une altitude bien plus haute (> 250km) qu’un planeur hypersonique. A moindre que ce soit juste après phase de vol propulsée qu’on voit dans la vidéo, auquel cas il s’agirait d’un lanceur dont la portée n’excède pas les 1 200km ?

Au niveau de la portée d’un tel planeur hypersonique, le document co-écrit par XIANG a mentionné la durée du vol plané qui est de 1 000s. Si le planeur vole à Mach 20 pendant 1 000s, cela donnera une distance planée de 6 000km.

Si on applique ensuite le ratio de la distance planée par rapport à la portée totale dans le cas du HTV-2, on obtiendra une portée de 9 677km, suffisante pour atteindre Hawaï depuis la province chinoise de Henan.

Maintenant, en supposant que le CAST ait résolu, totalement ou partiellement, le problème de protection thermique permettant un engin de voler à Mach 20, des essais supplémentaires de DF-ZF devraient être effectués.

Pour ces premiers essais de vol plané à Mach 20, si le missile porteur est lancé depuis le centre de Taiyuan (TSLC), le vol plané ne durera tout au plus que de 200s (pour 1 200km), il ne sera donc pas suffisant pour évaluer correctement l’ensemble du système. Des essais vers le Pacifique de l’Ouest seront alors nécessaires un moment ou un autre, comme étudiés dans un document R&D du département maritime chinois de contrôle des satellites –

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Et si ce premier essai hypersonique à Mach 20 est déjà pour aujourd’hui ? La Chine va mener aujourd’hui, le 12 Août, un essai balistique depuis le TSLC, avec la principale zone de NOTAM très inhabituelle.

Elle laisse penser que toute la zone sur la trajectoire du tir est hautement dangereuse, d’où la fermeture de l’espace aérien sur plus de 2 100km, alors qu’un essai balistique simple aura 3 à 4 « petites » zones de chute, tout au plus.

On verra donc ce que les Américains nous diront dans les jours à venir.

Pour finir, il est à noter qu’une équipe de l’Université d’aéronautique et d’astronautique de Pékin a déposé, en Août 2011, un brevet intitulé « Front edge impact, micro through passage and air film cooling structure of hypersonic vehicle », sur un dispositif de refroidissement par film d’air qui conçu pour un engin hypersonique.

Les schémas du brevet montrent les trous microscopiques de 0,5 à 1mm de diamètre qui se trouvent derrière le bord d’attaque frontal d’un engin.

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Sans entrer forcément dans les détails techniques, ce brevet nous dit avant tout que les études menées par les Chinois dans ce domaine particulier pourraient avoir commencé bien plus tôt que Janvier 2015, date à laquelle le document R&D du chercheur chinois XIANG a été soumis à la publication.

L’affaire à suivre.

Henri K.

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Et si la vision du monde est "biphasée" ? C'est ce que Henri a toujours cru, c'est également comme cela qu'il voit la Chine. Maladroit dans son écriture, souvent perdu dans ses pensées, ce responsable technique en aéronautique essaie pourtant de partager avec vous chaque jour les actualités sur l'Empire du Milieu, avec notamment les éléments à la source que vous ne verrez probablement jamais ailleurs en France.

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