Quand la propulsion à réaction et la propulsion par fusée s'allient…

Imaginez que vous montiez à bord d’un avion pour faire le tour du monde — un voyage qui prendrait environ 20 heures à bord d’un 747. Mais vous atteignez votre destination en à peine quatre heures, grâce à un vol hypersonique filant à des vitesses supérieures à Mach 5.

Cela peut sembler relever de la science-fiction, mais ce type de voyage deviendra bientôt une réalité économique grâce aux moteurs SABRE. 

SABRE™ — Synergetic Air Breathing Rocket Engine — est une nouvelle catégorie de moteurs actuellement en cours de développement, destinée à la propulsion d’aéronefs et d’engins spatiaux à grande vitesse. Les moteurs SABRE se distinguent par leur capacité à allier le rendement énergétique d’un moteur à réaction à la puissance et à la capacité de vol à grande vitesse d’une fusée.

Contrairement aux moteurs à réaction, qui ne permettent de propulser un véhicule qu’à une vitesse maximale de Mach 3, soit trois fois la vitesse du son, les moteurs SABRE peuvent atteindre Mach 5,4 en mode aérobie — ce qui permet de faire le tour du monde — et Mach 25 en mode fusée — ce qui permet d’accéder à l’orbite.

De plus, la combinaison, dans le SABRE, de la mécanique traditionnelle des moteurs à réaction et de la propulsion par fusée permet des décollages et des atterrissages horizontaux, ce qui permettra aux futurs spatioports d’accueillir la prochaine génération d’aéronefs et de vaisseaux spatiaux. Et, alors que la plupart des fusées ne sont réutilisables qu’une seule fois, la conception unique du SABRE lui permet de revenir sur Terre pour propulser un autre vol, encore et encore.

L'invention : pas seulement un produit, mais aussi un procédé

Au cœur de la conception du SABRE se trouve la percée technologique réalisée par Reaction Engines dans le domaine des moteurs aérospatiaux, grâce au développement d'échangeurs de chaleur ultra-légers (préréfrigeurs) qui empêchent la surchauffe des composants du moteur à grande vitesse de vol.

Le parcours qui a mené à cette technologie révolutionnaire a commencé il y a de nombreuses années dans l’imagination de quelques experts en R&D chez Reaction Engines. Mais avant que la véritable magie puisse opérer, ces inventeurs visionnaires devaient concevoir un prototype afin de démontrer la faisabilité d’un tout nouveau mode de propulsion.

La première étape a consisté à identifier des métaux et des matériaux à la fois ultra-légers et résistants, puis à déterminer comment les assembler. Ce moteur unique en son genre nécessiterait des métaux présentant une métallurgie radicalement différente et un cycle thermique extraordinaire afin de préparer ces matériaux à résister à des conditions extrêmes. Au cours de plus de 700 essais, les inventeurs du SABRE ont validé leurs principes tout en définissant — et en affinant — le processus méticuleux nécessaire à la mise au point d’un concept de moteur viable.

Une innovation aux proportions épiques

Alors que Reaction Engines évaluait les processus et les équipements nécessaires à cette entreprise, une chose est apparue clairement. La fabrication du prérefroidisseur du moteur — un système complexe composé de tubes métalliques ultra-fins mais incroyablement robustes — nécessiterait un four hautement spécialisé : un four capable de contrôler avec précision un processus de brasage minutieux afin d’obtenir une forme, une géométrie et une métallurgie tout à fait uniques.

Le système SABRE comprendra trois éléments clés : le prérefroidisseur, le cœur du moteur et la chambre de poussée. Le prérefroidisseur, indispensable pour atteindre des vitesses de Mach 5 et plus, est composé de milliers de tubes à paroi mince transportant un fluide de refroidissement. Il s’agit d’un système complexe : environ deux mille kilomètres de tubes microfins, dont l’épaisseur de paroi correspond à la moitié de la largeur d’un cheveu humain. Chaque raccord doit être hermétiquement scellé, ce qui permet au prérefroidisseur de faire passer la température de l’air de 1 000 °C à -150 °C en une fraction de seconde. Ce processus extrait de l’énergie de l’air à un rythme d’environ 400 MW — l’équivalent d’une petite centrale électrique !

Après avoir défini des spécifications précises, identifié les matériaux et les procédés métallurgiques optimaux, et mis au point un procédé thermique inédit, Reaction Engines s'est tourné vers Consarc, une société du groupe Inductotherm. Forte d'un demi-siècle d'expérience dans la fusion sous vide et en atmosphère contrôlée, Consarc était le seul partenaire capable de concevoir et de fabriquer un four sur mesure répondant aux besoins exceptionnels de ce client.

Outre plusieurs décennies d’expertise précieuse, la société britannique Consarc a mis à disposition une solide équipe de R&D, des ingénieurs salariés, des consultants techniques et des experts en installation afin de concevoir une technologie de four sur mesure répondant aux exigences spécifiques et sans précédent de Reaction. Tous les aspects du four, de sa capacité de vide à son contrôle de température, ont été calculés avec précision, sans pratiquement aucune marge d’erreur, afin de garantir des résultats exacts et reproductibles — ce qu’aucun four existant ne pouvait même approcher. Une prouesse que seul un véritable maître du métier pouvait accomplir.

C'est ainsi qu'un projet qui avait débuté comme une simple expérience menée par une petite équipe chez Reaction Engines a vu sa taille se multiplier par six, à mesure que l'équipe de professionnels de Consarc identifiait et présentait plusieurs solutions possibles. À mesure que les plans du four prenaient de l'ampleur, le groupe d'experts s'étoffait lui aussi ; les équipes d'ingénierie, de fabrication et d'installation du site britannique de Consarc ont toutes joué un rôle essentiel dans la conception et la construction de l'équipement sur mesure de Reaction.

Le fruit de leur collaboration est un four unique en son genre, capable de chauffer et de refroidir rapidement et avec précision des assemblages modulaires contenant de grandes quantités de tubes extrêmement fragiles, le tout dans des conditions hautement contrôlées et reproductibles à chaque fois. La taille de la zone chaude du four est l’une des plus grandes au monde dans cette catégorie, avec un diamètre de 2,5 m et une hauteur de 1,5 m. Ces dimensions imposantes garantissent que le four pourra accueillir non seulement les composants d’essai du pré-refroidisseur, mais aussi les sections qui constitueront à terme la version de série du SABRE.

Terrains d'essai

Grâce à un four de brasage sous vide Consarc entièrement sur mesure installé sur site, Reaction Engines a passé plusieurs années à perfectionner le processus de fabrication très exigeant nécessaire à la mise au point de la technologie d'échangeur de chaleur qui servira de précurseur au prérefroidisseur SABRE définitif.

La conception modulaire du SABRE permet de construire et de tester au sol chaque composant de manière indépendante. Les essais de la technologie représentative (appelée HTX) débuteront fin 2018 dans un centre d'essais dont la construction sera bientôt achevée à l'aéroport de Front Range, près de Watkins, dans le Colorado. Les essais menés dans ce centre simuleront les conditions de flux d'air à haute température auxquelles le SABRE sera soumis à Mach 5 et permettront de valider les performances de la technologie de prérefroidissement.

Dans un centre d'essais distinct, également en cours de construction à Westcott, dans le Buckinghamshire (Royaume-Uni), l'équipe Reaction commencera dès 2020 à mener des essais visant à évaluer les sous-systèmes critiques et le cœur du moteur SABRE. Une fois que tous ces essais au sol auront été validés, le processus se poursuivra afin de permettre au SABRE de prendre son envol, en propulsant un véhicule d'essai en vol et en entrant ainsi dans l'histoire de l'aviation.

Le ciel n'est plus la limite

Reaction Engines va révolutionner le transport aérien. En équipant la prochaine génération d’avions, le moteur SABRE permettra des déplacements plus efficaces, avec des vitesses deux fois supérieures à celles des réacteurs traditionnels actuels. De plus, grâce à sa double fonctionnalité, ce nouveau type de moteur fonctionnera non seulement dans l’atmosphère terrestre, mais aussi au-delà, rendant ainsi l’accès à l’espace bien plus économique, ce qui ouvrira la voie à des possibilités de plus en plus ambitieuses en matière de voyages spatiaux.

Pour en savoir plus sur le moteur révolutionnaire SABRE, rendez-vous sur ReactionEngines.co.uk.