Statoréacteur

Essai dans un laboratoire de la NASA d'un statoréacteur en poussée maximale.

Le statoréacteur est un système de propulsion par réaction des aéronefs, dont la poussée est produite par éjection de gaz issus de la combustion d'un carburant, généralement le kérosène. Il n'est constitué que d'un tube et ne comporte aucune pièce mobile, d'où le terme « stato » pour statique.

Premier moteur à réaction de l'histoire, inventé par René Lorin en 1913, il est également le plus simple. Le Leduc 010 devient, lors de son premier vol en 1946, le premier avion à voler grâce à un statoréacteur, tandis que le premier missile opérationnel, le SNCASE SE-4200, s'élance en 1955. L'industrie aéronautique française s'est particulièrement illustrée en établissant un grand nombre de « premières » dans le domaine des statoréacteurs.

Bien qu'au delà de Mach 3, le statoréacteur soit le moteur à réaction le plus efficace, son impossibilité d'assurer la propulsion à vitesse nulle le contraint à céder sa place aux turboréacteurs. Par la suite, les statoréacteurs étant limités à des vitesses maximales comprises entre Mach 5 et 6, des statoréacteurs à combustion supersonique, ou superstatoréacteur, ont été développés.

Histoire

La France pionnière

Le Leduc 010, chasseur français expérimental à statoréacteur, exposé au Musée de l'air et de l'espace.

Les origines du statoréacteur débutent avec celles de l'aviation, dans les années 1900. Le français René Lorin publie en 1907, dans la revue « l'Aérophile », un article décrivant le principe d'un moteur à réaction sans hélice ni pièces en mouvement^[1]. Lorin ne peut cependant mettre en œuvre son invention par manque de moyens lui permettant de propulser son statoréacteur à une vitesse suffisamment élevée pour permettre son « démarrage ». L'idée est alors oubliée de tous pendant près de deux décennies avant qu'un autre Français, René Leduc, s'y intéresse, au début des années 1930^[2].

Tandis que B. S. Stetchkine découvre le principe du statoréacteur en URSS en 1929 et que les Américains réalisent les premières expérimentations pour la NACA à Langley en 1927, René Leduc dépose un brevet d'invention en 1933 pour sa tuyère thermopropulsive^[3]. Ce n'est qu'après avoir déposé ce brevet que Leduc prit connaissance des travaux de Lorin. Il tente d'ailleurs de prendre contact avec lui, mais apprend qu'il est décédé depuis quelques mois^[4]. Les militaires étant très intéressés, Leduc signe les premiers contrats d'étude avec le ministère français en 1934. Une première théorie détaillée du statoréacteur est ensuite publiée par Jean Villey, un collaborateur de René Leduc, en 1936^[2].

Tir de missile RIM-8 Talos depuis le croiseur USS Little Rock (CG-4).

Dès 1935, suite à des essais concluants, Leduc réalise les premières ébauches d'un avion expérimental, dénommé par la suite Leduc 010, propulsé par un statoréacteur. Financé par le ministère de l'air, le moteur, de 1 500 mm de diamètre, soit le plus imposant des statoréacteurs réalisés jusqu'alors, est officiellement présenté en juin 1936^[2],[4]. La Seconde Guerre mondiale éclate en 1939 et suspend le projet. Les premiers vols d'essais ne sont réalisés qu'entre 1947 et 1949 mais présagent le meilleur pour la suite puisque certaines caractéristiques du Leduc 010 étaient juste « exceptionnelles », tout particulièrement sa vitesse ascensionnelle maximale de 20 m/s à 10 000 m, soit le double du North American F-86 Sabre contemporain^[5].

Développements expérimentaux à travers le monde

Alors que les travaux en France sont pratiquement réduits au point mort, cette dernière étant en partie occupée par les nazis — ils reprirent à la Libération, lentement en raison de difficultés d'approvisionnement^[6] — les statoréacteurs poursuivent leur progression aux États-Unis, en Allemagne et surtout en URSS. Le 5 mars 1939, une petite fusée VR-3 soviétique avec un statoréacteur construit par Merkoulov^{[Qui ?]} s'élance de la piste de décollage. Un mélange de magnésium et d'aluminium octroyait une poussée de 40 kg permettant à la fusée d'atteindre les 800 km/h^[7].

Le Lockheed P-80 Shooting Star s'équipe d'un statoréacteur comme propulseur d'appoint.

Les Américains, quant à eux, lancent en 1944 le « premier grand programme militaire », dénommé Bumblebee, ayant pour objet les statoréacteurs. Meurtris et traumatisés par les attaques kamikazes lancées par les japonais durant la guerre, le gouvernement américain désire produire des missiles anti-aériens et confie la direction du programme à l'Applied Physics Laboratory de la prestigieuse Université Johns-Hopkins. L'université réalise de nombreux essais concluants, notamment le Cobra de 200 mm qui atteint 2 250 km/h à 6 000 m d'altitude, qui conduiront à la naissance du RIM-8 Talos, premier missile surface-air longue portée embarqué sur certains navires de la US Navy, en 1958^[8].

Alors que durant cette période de guerre, les statoréacteurs trouvent une application dans la propulsion des missiles, le constructeur américain Lockheed s'y intéresse comme propulseur d'appoint pour avions. Le statoréacteur souffre en effet d'un défaut majeur, celui de ne pouvoir décoller seul. Un appareil à statoréacteur doit nécessairement soit être équipé d'un autre système de propulsion supplémentaire, soit largué depuis un appareil porteur ou soit encore catapulté depuis un chariot spécial^[1]. Les années 1950 sont donc marquées par des appareils à combiné turbo-statoréacteur ou, plus rare, stato-fusée.

En 1947, les statoréacteurs Marquardt C-30 sont montés sur le chasseur à réaction Lockheed P-80 A Shooting Star. Les Russes s'engagent également dans cette voie et mettent au point l'avion de chasse Lavochkin La-7S, entre juin et septembre 1946, propulsé par deux statoréacteurs Bondariouk PVRD-430 installés sous les ailes^[8].

Premiers modèles opérationnels

Le Nord 1500 Griffon II est propulsé par un turboréacteur et un statoréacteur.

Ces précédents modèles demeurent néanmoins des modèles expérimentaux et il faudra attendre la seconde moitié des années 1950 pour voir l'avènement de modèles opérationnels.

Bien que René Leduc soit l'un des pionniers ayant proposé un avion autonome, le Leduc 022, grâce à une propulsion turboréacteur par Snecma Atar 101 D3 pour les phases de décollage et d'atterrissage et par statoréacteur pour le vol de croisière, il n'est pas le premier dont le modèle s'élance sans appareil porteur dans les airs. Il s'agit du Nord 1500 Griffon II du constructeur français Nord Aviation^[9].

Le fuselage-tonneau du Griffon, dont les lignes sont issues de son prédécesseur, le Nord N.1402 Gerfaut, est presque entièrement occupé par le combiné turbo-statoréacteur placé coaxialement. Esthétiquement, le Griffon est très différent du Leduc 022, dernier né des Leduc. Le cockpit n'est pas intégré dans le prolongement du moteur mais s'installe au-dessus de l'entrée d'air tandis que la voilure en delta rompt avec les ailes en flèche du Leduc. L'avion dans sa forme définitive réalise son premier vol le 23 janvier 1957, piloté par Michel Chalard, à Istres, propulsé uniquement par le turboréacteur, puis le 6 avril 1957 avec le statoréacteur. Ses performances sont phénoménales pour l'époque. Il atteint mach 1,85 et réalise une montée à une vitesse ascensionnelle de 150 m/s^[9].

De son côté, la SNCAC débute le développement d'engins balistiques destiné à l'armée de l'air. Faisant cependant face à des problèmes économiques, l'entreprise cède ses activités à la SNCASE, société développant des missiles guidés, qui lance le programme d'un missile tactique dénommé SE-4200^[10]. La propulsion du missile en vol de croisière est assurée par « un statoréacteur équipé d'un diffuseur subsonique classique suivis d'une chambre de combustion à deux viroles sur lesquelles sont montés des dispositifs en forme de clochettes qui servaient d'accroche-flammes »^[11]. Le missile SE-4200 est mis en service dans l'armée de terre française dans les 701^e et 702^e Groupe d'Artillerie Guidée. Il devient, lors de son premier tir réussi le 9 juin 1955, le premier engin balistique à statoréacteur opérationnel^[10].

Records de vitesse

La fusée Pegasus propulse l'engin X-43A qui atteindra Mach 10.

Les records de vitesses réalisés par les statoréacteurs n'ont cessé d'être améliorés au fil des années. Ces records sont généralement obtenus par des missiles et non par des avions. Les premiers records clairement établis sont détenus par la France : le ST-450 est le premier en 1955 et atteint Mach 3, suivi par le SE-4400 qui parvient successivement à Mach 3,15, Mach 3,2 et Mach 3,7. En 1960, le Lockheed X-7 réalise un grand pas en avant et atteint Mach 4,31.

La course au record de vitesse hypersonique débute peu avant les années 1970. Le 3 octobre 1967, un pilote de l'US Air Force atteint la vitesse record de Mach 6,7 à bord d'un North American X-15. L'engin était alors un avion-fusée capable d'atteindre une altitude de 100 km. Le record est battu en 2004 lorsque le X-43A, petit appareil sans pilote au profil plat et aux lignes effilées propulsé par un statoréacteur à combustion supersonique, dépasse brièvement Mach 10.

Le futur : l'avion orbital

Les ingénieurs de la NASA notamment, rêvent d'une navette spatiale capable de se satelliser depuis un aéroport et ce, sans utiliser d'étages consommables. Dénommées « Avion orbital » ou encore SSTO pour Single Stage To Orbit (satellisation à un seul étage), ces navettes se heurtent néanmoins depuis le commencement au problème de la propulsion^[12].

La seule motorisation permettant à ce jour de propulser une navette dans l'espace demeure le moteur-fusée, capable de fonctionner sans atmosphère. Cependant, ce qui est un avantage est également un inconvénient étant donné que ce moteur doit emporter d'énormes quantités de carburant et de comburant. Afin de réduire la quantité de comburant à emporter il est toutefois possible d'utiliser des statoréacteurs pendant certaines phases du vol, puisqu'ils permettraient d'utiliser l'oxygène atmosphérique au lieu d'avoir à l'emporter au complet dans ses réservoirs. Pour ce type d'opérations, un statoréacteur est préférable à un turboréacteur car il peut fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées.

Technique

Principe

Schéma illustrant le principe de fonctionnement du statoréacteur.

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 ». La première partie, dite entrée d'air ou diffuseur, permet de comprimer l'air (Théorème de Bernoulli) en abaissant sa vitesse^[13]. 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^[14].

Avantages et contraintes de fonctionnement

Largage d'un aéronef à statoréacteur depuis un avion porteur.

Le statoréacteur a l'avantage de ne comporter aucune pièce mécanique en mouvement. En effet, le taux de compression de l'air admis dans le moteur augmente proportionnellement avec sa vitesse. Lorsque le moteur atteint au minimum environ Mach 1, la compression est suffisante pour se passer de compresseur. Comme la turbine ne sert qu'à entraîner le compresseur, elle peut également être supprimée^[15].

Entre Mach 3 et Mach 6 environ, le statoréacteur est le moteur le plus efficace, il peut atteindre un rendement thermopropulsif de l'ordre de 50 %. Les fusées intercontinentales à statoréacteur, propulsées au lancement par une fusée à liquide ou à poudre, peuvent atteindre une portée de 8 000 km à 15 000 km d'altitude. Elles sont de surcroît largement moins coûteuses en raison de leur simplicité. En dessous de Mach 3, le statoréacteur devient moins efficace que le turboréacteur^[15].

Ce principe est par contre un inconvénient puisque le statoréacteur ne peut fonctionner en dessous de Mach 1, faute de compression suffisamment importante pour compenser les pertes par frottements et les irréversibilités du moteur. Il doit par conséquent être couplé à un autre système de propulsion pour atteindre sa vitesse minimale de fonctionnement, ce qui limite considérablement son champ d'application^[15].

Superstatoréacteurs

Vue d'artiste d'un NASA X-43 Scramjet à superstatoréacteur.

Le terme « statoréacteur » désigne usuellement le statoréacteur classique, ou statoréacteur à combustion subsonique. Dans ce type de statoréacteur, la vitesse de l'air dans la chambre de combustion est largement subsonique, de l'ordre de Mach 0,5.

Mais au-delà d'une certaine vitesse extérieure, l'abaissement de vitesse nécessaire devient trop important et l'efficacité du moteur décroît. Cette limite se situe entre Mach 5 et 6. Le souci est lié au temps de combustion du mélange air/carburant. Si la vitesse d'admission de l'air est trop grande, le carburant n'a pas le temps de brûler avant que le mélange ne sorte du réacteur, entraîné par le vent relatif dû au déplacement du réacteur. Il n'y a pas d'augmentation de la température, et donc de la pression, en sortie du réacteur, donc pas de propulsion.

Pour résoudre ce problème, la combustion doit s'effectuer en régime supersonique. On parle alors de statoréacteur à combustion supersonique ou superstatoréacteur.

Types de statoréacteurs

Le Tory-IIC, prototype de statoréacteur nucléaire.

Domaines d'application

Les statoréacteurs sont particulièrement utilisés pour les missiles.

Les statoréacteurs sont exclusivement utilisés en aéronautique, notamment pour la propulsion de missiles. Ce nouveau type de moteur à réaction offre en effet aux missiles une portée bien supérieure, permettant la réalisation de missiles de croisière intercontinentaux mais également de missiles surface-air et air-air.

Les aéronefs à statoréacteurs ont connu leur âge d'or dans les années 1950, essentiellement dans le secteur militaire. C'est à cette époque que les premiers avions de reconnaissance supersoniques font leur apparition, à l'image du Lockheed SR-71 Blackbird. Les turboréacteurs n'étaient pas encore suffisamment puissants pour permettre aux avions d'atteindre des vitesses de l'ordre de Mach 3. Quelques décennies plus tard, ce seront les drones de reconnaissance qui profiteront d'une propulsion à statoréacteur.

Dans le futur, les statoréacteurs pourraient être utilisés dans le cadre d'une propulsion conjointe avec les turboréacteur et moteur-fusée des navettes spatiales.

Annexes

Notes et références

Bibliographie

• Renaud Gicquel, Systèmes énergétiques, vol. 2, Les Presses - Mines Paris, 2001, 330 p. (ISBN 978-2911762321) [lire en ligne] 
• Philippe Arquès, Théorie générale des machines : Machines à réaction, motrices et réceptrices, à vapeur ou à gaz, Éditions Ophrys, 2007, 290 p. (ISBN 978-2710808954) [lire en ligne] 

Articles connexes

• Liste des motoristes aéronautiques par pays
• Collecteur Bussard

Liens externes

• (fr) Vidéo du fonctionnement d'un statoréacteur sur ONERA

v · d · m Moteur à réaction
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