Auteur: Serge Boisse
Date: Le 01/04/2023 à 13:04
Type: web/MOC
Tags: technique,aviation,militaire,hypersonique
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Ajax, Aurora, B3, X43... l'avion hypersonique secret des américains

Dans cette page nous allons faire le tour sur la question du très mystérieux avion militaire hypersonique américain, dont même le nom de code est inconnu. Cet avion semble capable d'un vitesse de Mach 20 en atmosphère dense, performance qui semble complètement impossible mais qui est réalisée grâce à un cocktail de technologies complètement nouvelles en aéronautique !

Depuis le bon vieux lockheed SR-71 (ci-dessous), qui date de  1968 et qui est capable de voler à Mach 3,5 (3529 Km/h), les militaires ne cessent de se poser la question "comment aller plus vite ?" et les ingénieurs ne cessent de leur répondre "c'est impossible".

[ci dessus : le SR-71]

Pourquoi ? A cause de ce que l'on appelle le mur de la chaleur :

La température de l'air au voisinage du bord d'attaque d'un avion volant à Mach M, exprimée en degrés kelvin,  est en effet
t= 293*(1+0.2 M^2).
Par exemple pour Mach 2, M=2 donc t =  527 K =  254°C
Pour Mach 3,5 (la vitesse du SR-71) : t =  1010 K =  737°C :
ça commence à chauffer sérieux !
Pour Mach 5 : t = 1758 K =  1485°C  :
presque de quoi faire fondre même le titane
Pour Mach 10 : t =  6153 K =  5880 °C :
la température de surface du soleil !
Pour Mach 20 : t =  23 460 °C ... rien ne résiste à ça !

Alors, comment un avion pourrait-il voler à Mach 20 sans se vaporiser instantanément ? La réponse, géniale, a été imaginée vers 1990 par un russe, Vladimir L. Fraidstadt. C'est ce que l'on appelle le concept Ajax.  Ce n'est alors qu'un concept théorique, cependant des preuves existent que les américains étaient au courant dès 1993. Alors que l'éclatement de l'URSS gèle tous les crédits consacrés à ce type de recherches, celles-ci vont continuer aux USA. Les français ne découvriront le concept Ajax qu'en janvier 2000, à l'occasion d'un article publié dans la revue Air et Cosmos :

Attention, comme beaucoup d'images consacrées au projet Ajax, l'image ci dessus contient beaucoup de "désinformation" : Le vrai concept Ajax n'a certainement pas d'aile, ni de dérive : celles-ci fondraient instantanément. En revanche, la forme générale du fuselage est correcte.

La maquette ci dessus, exposée au salon aéronautique de Moscou en 1993, n'est pas plus exacte. Ajax n'a pas de dérive, et la forme des entrées d'air est hautement fantaisiste, secret militaire oblige...

En réalité, le concept Ajax utilise un cocktail de cinq technologies, qui isolément sont déjà géniales, mais qui prises simultanément permettent des applications inouïes : ces technologies sont le "wave riding", le générateur de plasma, le véhicule virtuel, le pontage MHD et la reformation du carburant. Nous allons les passer en revue une à une.

Le wave riding

Commençons par la forme générale de l'avion : qui dit hypersonique du au moins supersonique, et qui dit supersonique dit onde de choc. Toute irrégularité ou courbure de la paroi de l'avion produit une onde de choc qui prend la forme d'un cône (le cône de Mach) tel que l'angle au sommet a un sinus qui est l'inverse du nombre de Mach.

Or, regardez le profil de l'ajax : la partie supérieure (l'extrados) est parfaitement plate. En particulier, il n'y a pas de cockpit, et pas de dérive ! Il n'y a pas d'onde de choc  au dessus, en dehors bien sûr de celle qui est générée par le nez de l'avion.  Le pilote ne voit rien bien sûr, il est complètement immergé dans l'avion, et  il pilote grâce à des caméras et des écrans.

Les choses intéressantes se passent en dessous.  Le profil inférieur (l'intrados) est conçu de telle manière que l'avion "surfe" littéralement sur sa propre onde de choc. On appelle cela le "wave riding" et ces avions les "wave riders".  L'onde de choc va en quelque sorte protéger (partiellement) la coque de l'avion de l'intense chaleur. Seul le nez sera exposé directement.  En réalité, même pas, grâce à une autre astuce, mais j'anticipe...

Vous me direz que l'angle du cône de Mach dépend de la vitesse (du nombre de Mach) et que donc le profil inférieur ne fonctionnera qu' à un seul nombre de Mach.  L'idée la plus évidente pour parer à cela est la géométrie variable. Mais dans dans la pratique c'est très compliqué. Ajax utilise donc une autre idée. La géométrie... virtuelle, créée par un plasma.

Plasma et véhicule virtuel

Aux vitesse hypersoniques, l'air est déjà partiellement ionisé (les atomes perdent leurs électrons) à cause de la température. L'idée consiste donc à lui donner un "coup de pouce", en l'ionisant complètement. C'est au niveau du nez que cela va se passer. Diverses techniques existent pour ioniser l'air : injection d'ions césium ou sodium, décharges électriques, micro-ondes à 3 GHz  (qui ionisent l'oxyde d'azote contenu dans l'air) et lasers.  Le concept Ajax utilise les décharges électriques et micro-ondes, mais les américains pourraient avoir utilisé également des lasers. Dans tous les cas, le but est le même : chauffer intensément l'air en amont de la pointe de l'avion, avant qu'il ne la touche, de manière à obtenir une ionisation intense. C'est très efficace: une conductivité de 3500 Ohms-1.m-1 peut être obtenue en ionisant seulement un atome sur mille !

A quoi cela sert-il ? Il se trouve que de l'air ionisé constitue un plasma, c'est à dire un fluide très chaud mais surtout chargé électriquement (positivement). Or une charge électrique, cela se manipule... il suffit d'un champ électrique pour l'attirer ou la repousser.  

Dans le concept Ajax, l'avion est donc immergé dans une gangue de plasma , dont la géométrie peut être modifiée à volonté instantanément,  et qui constitue un "véhicule virtuel",  dans lequel se trouve le véhicule réel. Surtout, le véhicule virtuel permet de manipuler les ondes de choc et donc d'obtenir l'effet "wave riding" à toutes les vitesses (disons au dessus de Mach 3 ou 4).  Enfin, il permet de piloter l'avion sans gouvernes, sans aileron et sans dérive : il suffit de diminuer ou augmenter un peu la portance du véhicule virtuel d'un côté ou de l'autre...

De plus, cette gangue ionisée présente l'avantage de dévier les ondes radar et donc d'assurer la furtivité de l'avion !

Bon, nous savons comment (partiellement) protéger l'avion de la chaleur, et comment le piloter. Mais comment le propulser ?

Propulsion hypersonique

Les turboréacteurs sont complètement inutilisable en hypersonique. La chaleur, et la vitesse de rotation nécessaire, les feraient fondre en moins d'une seconde.  Même les banals avions supersoniques doivent avoir des entrées d'air à la géométrie compliquée, dont le but est de ralentir l'air suffisamment  pour que le réacteur puisse fonctionner sans exploser. Mais à cause des ondes de choc, ces entrée d'air sont très peu efficaces, ce qui explique pourquoi un avion supersonique consomme tant de carburant.  Alors un avion hypersonique...

La solution la plus évidente, c'est de supprimer les turbines. C'est le principe du statoréacteur, ou scramjet en anglais.  On injecte l'air dans un convergent qui le compresse du seul fait de sa vitesse, on le brûle avec du carburant pour augmenter la pression, et on relâche le tout vers l'arrière. Petit inconvénient, les statoréacteurs ne fonctionnement correctement qu'à partir de Mach 2, voire Mach 3, et donc il faut accélérer l'avion jusqu'à cette vitesse soit à l'aide de moteurs fusées auxiliaires, soit à l'aide d'un turboréacteur conventionnel dont l'entrée d'air est fermée à Mach 2, en fait dès que le statoréacteur fonctionne.

Le X43 (ci-dessus) est le concept type du véhicule hypersonique à statoréacteur, dont on dit qu'il est capable d'atteindre Mach 10 pendant quelques secondes (c'est un avion sans pilote).  

Mais l'approche "statoréacteur" est limitée.  Elle consomme énormément et ne permet que des vols de très courte durée. Pour un avion à long réaction d'action, il faut autre chose. Cet autre chose, c'est le pontage MHD.

Le pontage MHD

La MHD, qu'est ce que c'est ? Un application simple des lois de l'électromagnétisme : si l'on considère un courant électrique I  et un champ magnétique B perpendiculaires, il se crée une poussée I ^ B (lire : I vectoriel B) qui est proportionnelle à l'intensité  du courant et au champ magnétique, et qui est perpendiculaire au plan dans lequel se trouvent ces deux champs :
 Le dessin ci-dessus est dû à Jean-Pierre Petit, le plus grand spécialiste français de MHD

On peut ainsi accélérer un fluide conducteur autant qu'on veut, si l'on dispose d'aimants très puissants (plus le champ magnétique est fort, meilleur est le rendement : Pour Ajax, un champ de 4 Tesla est un minimum) et d'un courant suffisamment intense.  Seul problème pour l'air : il n'est pas conducteur... Ah mais l'air ionisé, si !

Eh oui, dans le concept Ajax, l'air qui entoure l'avion est ionisé donc, on peut l'accélérer pour créer une poussée.... Sauf que cela ne marche pas !

Pourquoi ? Pour deux raisons :

Tout d'abord il faut une puissance électrique colossale :  on parle de dizaines de mégawatt ici. Si vous connaissez un générateur d'une telle puissance et pesant moins d'une tonne, faites moi signe !

Ensuite, le très fort courant électrique qui passe dans la "chambre MHD" va induire lui-même son propre champ magnétique, et donc créer une poussée, malheureusement en sens opposée de celle que l'on désire. C'est ce que l'on appelle l'effet Hall.

Alors ? Alors le concept Ajax utilise la MHD, mais pas comme nous venons de l'exposer. L'idée c'est d'utiliser deux moteurs MHD. L'un, en entrée du système, va fonctionner à fort effet Hall et ralentir le flux d'air grâce aux forces électromagnétiques. Tout en faisant cela, il va, selon le principe de conservation de l'énergie, récupérer de l'énergie électrique. Cette énergie va alors être utilisée pour réaccélerer l'air en sortie du système, dans la seconde "cellule MHD".

Mais à quoi cela-sert-il ? Tout simplement à ceci : l'air est tellement ralenti par la première cellule MHD qu'on va pouvoir l'utiliser pour faire fonctionner un statoréacteur ou même un turboréacteur conventionnel, qui va créer la poussée nécessaire. C'est ce que l'on appelle le pontage MHD :

Les énergies mises en jeu sont énormes : les cellules MHD fonctionnent en réalité en régime pulsé, avec des puissances crêtes de 100 MW. Une petite partie de cette énergie est d'ailleurs récupérée pour faire fonctionner les aimants supraconducteurs nécessaires. Une autre partie sert à alimenter les générateurs de plasma...

Les difficultés techniques sont grandes aussi, à cause de ce que l'on appelle l'instabilité de Vélikhov, qui nécessite un contrôle fin des forces de Laplace. Mais il n'y a rien d'insurmontable en principe.

Encore un mot sur ces "cellules MHD". Plutôt que des imaginer comme des boîtes carrées dans lesquelles circule le fluide, la solution la plus efficace est.. de supprimer les boîtes. Il ne reste qu'une surface (la surface de la coque de l'avion), que l'on va strier d'électrodes et soumettre à un champ magnétique intense mais sur une épaisseur de quelques centimètres seulement. C'est ce que l'on appelle un accélérateur (ou ralentisseur) MHD pariétal.

Finalement le principe global de l'Ajax est celui-ci :

Les performances du système sont incroyables. On parle d'unefinesse de 40 ! La finesse d'un avion, c'est la distance horizontale qu'il est capable de franchir en vol plané, c'est à dire sans alimenter les réacteurs, rapportée à l'altitude de départ. Un airbus a une finesse d'environ 20. Un avion qui aurait (grâce au pontage MHD) une finesse de 40 pourrait parcourir 400 Km en plané, sans consommer de carburant, s'il était lâché à 10 000m d'altitude ! Le rêve du vélivole...

Pour les spécialistes, la qualité d'un système de propulsion se mesure par ce que l'on appelle son impulsion spécifique. C'est la durée pendant laquelle le moteur peut fournir une poussée de 1kg (force) en consommant 1Kg de carburant. Selon une intéressante étude de la NASA, le pontage MHD est supérieur sur ce plan à tous les autres modes de propulsion jusque vers 4 km/s, mais ensuite son impulsion spécifique n'est pas meilleure que celle d'une fusée conventionnelle. Bon ça fait quand même du Mach 14...

Enfin, il y a une dernière technologie mise en oeuvre dans le concept Ajax, qui va fournir à la fois la très grande autonomie et le refroidissement : c'est la reformation du carburant.

La reformation du carburant.

Quel carburant, en effet, donner à un pareil engin ?  Il est hors de question d'utiliser l'hydrogène liquide, trop dangereux et surtout trop volumineux. Le méthane est une solution, mais l'idéal serait d'utiliser du kérosène ordinaire.  On lui rajoute un composé contenant de l'oxygène, comme de l'eau ou, mieux, du péroxyde d'hydrogène. On obtient une réaction chimique endothermique, c'est à dire qui absorbe de la chaleur. Le résultat est du CO, du méthane, de l'hydrogène et également des composés à base de graphite et de fullérènes qui améliorent la conductivité électrique pour mieux ioniser le mélange. Le rêve ! On va utiliser cette réaction à la fois pour refroidir les parties chaudes de l'avion et pour créer le carburant final !

Aurora

Selon différentes sources, le très mystérieux avion américain Aurora serait le premier avion utilisant intégralement le concept Ajax.
Peu d'informations fiables existent sur Aurora, dont l'existence même est contestée.

Ce qui est sûr, c'est qu'Aurora ne ressemble pas (en tout cas pas tout à fait) aux images ci-dessus,
Pour les raisons que j'ai exposées ci-dessus (l'avion véritable ne peut pas avoir de dérives, et son extrados doit être parfaitement plat).

Selon d'autres sources, certains exemplaires du bombardier B2 seraient équipés de pontages MHD, les autres exemplaires (ceux exposés au public) en étant dépourvu. Tout cela est de nature purement spéculative.  
On parle aussi du futur B3 (ci dessous).

En tant qu'ingénieur aéronautique, tout ce que je peux dire c'est que le concept Ajax tient la route et que cela m'étonnerait que les américains n'en n'aient pas tenté la réalisation. Si cela est vrai, ils détiennent un avion militaire piloté de classe Mach 14 ou même plus, d'une autonomie de plusieurs milliers de kilomètres, et, qui sait peut-être même capable de se satelliser (mais il faut atteindre Mach 28 pour cela !), ou au moins de faire des "sauts de puce" balistiques dans l'espace, en revenant de temps en temps dans l'atmosphère pour reprendre de la vitesse.

[edit 2018] Le récent discours de Vladimir Poutine semble démontrer que la Russie elle aussi possède cette technologie...