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WP3 – PROPULSION PRINCIPALE
Défi Aérospatial Etudiant 2015
(WP3 – Propulsion Principale)
Alexis LEFEVRE - Antoine LEFEBVRE - Moutassem EL RAFEI - Laure DURAND -
Mohammed ALI SAAFI (avec la contribution de Thibault DE BRAS DE FER et Matthieu FLORIN)
ISAE-ENSMA - Chasseneuil-du-Poitou (Futuroscope)
L'idée
Comment est-ce que le secteur spatial pourrait se
développer rapidement, si le prix/kg de charge
utile est si élevé ? Si l'on imaginait des
lancements avec des vols suborbitaux
(intéressant au vu de la réutilisation des véhicules
= abaissement du prix de lancement et du prix de
vol par passager), comment se fait-il que 5,4t sur
les 11,6t du véhicule, soient réservées aux ergols,
constitués en majeur partie d'oxygène liquide, qui
pourrait très bien être récupéré le l'air environnant
pendant la majeure partie du vol ?
La technologie
Le moteur hybride aérobie/anaérobie SABRE,
développé par Reaction Engines Ltd., a
récemment prouvé pouvoir refroidir en 20 ms l'air
de l'atmosphère à 120 °K pour l'injecter dans un
moteur fusée, et continue son développement
vers un démonstrateur à taille réel.
La problématique
Au vu des dimensions d'un véhicule suborbital,
pourrait-on envisager l'utilisation du moteur
SABRE comme moyen de propulsion principal ?
Quel conception et trajectoire de vol faudrait-il
envisager ?
Contraintes
Concevoir un véhicule pour le vol habité (+5.4 G
max, Mach 3.8), avec des technologies
existantes, tout en garantissant une fiabilité totale,
et une réutilisation maximale afin de réduire les
coûts de maintenance.
L'application au VSH
Le propulseur SABRE a été réétudié pour être mis
à l'échelle de notre véhicule, et fournir ainsi une
poussée qui varie autour de 150 kN, pour une ISP
de 5189 s en vol aérobie, et de 441 s en vol
anaérobie.
Une trajectoire optimisée sous contraintes pour la
propulsion SABRE et ainsi minimiser la
consommation d'ergol a été établie :
On obtient ainsi plusieurs phases de vol distinctes
: une ascension à 20 km d'altitude puis une
accélération à Mach 3.5 en vol aérobie, ensuite la
propulsion anaérobie prend le relais pendant 59s,
aidée de forces aérodynamiques importantes, afin
de lancer la navette à 55 km dans un vol
parabolique en impesanteur de 3 min 11 s, pour
une consommation totale de 2,4 tonnes d'ergols.
L'aérodynamique, la chambre de combustion, la
tuyère, les entrées d'air, et les réservoirs ont donc
été étudiés afin de satisfaire ce concept de
véhicule suborbital (VSH).
Bilan
Un concept de VSH réalisable dans les 10 à 15
ans, moyennant financement, a été établi.
L'efficacité de propulsion du réacteur SABRE
permet, par son application aux vols suborbitaux
d'obtenir de très bonnes performances, et ouvre
la voie à son application à d'autres domaines : le
voyage transcontinental, et orbital.