La conception des moteurs-fusées à carburant liquide a largement suivi un modèle simple depuis le développement de la fusée allemande V-2 au milieu de la Seconde Guerre mondiale. Le propulseur et l’oxydant sont mélangés dans une chambre de combustion, créant un mélange de gaz chauds à haute pression qui souhaite vraiment laisser de côté l’arrière de la fusée, générant une poussée.

Cependant, l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA) a récemment terminé avec succès un test d’un type de fusée différent, connu sous le nom de moteur à détonation rotatif. Le moteur repose sur une méthode de combustion entièrement différente, dans le but de produire plus de poussée avec moins de carburant. Nous verrons comment cela fonctionne et comment le test japonais augure de l’avenir de cette technologie.

Déflagration vs Détonation

Les humains adorent brûler des combustibles pour faire un travail utile. Jusqu’à présent dans notre histoire, qu’il s’agisse de moteurs à vapeur, de moteurs à essence ou même de moteurs de fusée, toutes ces technologies ont un point commun : elles reposent toutes sur un carburant qui brûle lors d’une déflagration. C’est la manière facilement contrôlée de la combustion lente que nous connaissons tous depuis que nous avons commencé à nous asseoir autour des feux de camp.

Un schéma du moteur à détonation rotatif JAXA, montrant le fonctionnement prévu dans lequel l’onde de choc du carburant détonant se déplace autour du moteur dans le canal annulaire pour poursuivre le cycle de combustion. Source : JAXA

Cependant, il y a des gains d’efficacité potentiels à obtenir en brûlant du carburant dans une détonation à la place. C’est là que la combustion crée une onde de choc qui se déplace plus rapidement que la vitesse du son qui propage rapidement la réaction de détonation plus loin, et s’accompagne d’une énorme augmentation de la pression. Le principal avantage de brûler du carburant de cette manière est qu’il y a plus d’énergie à tirer de cette énorme augmentation de pression. Ainsi, en libérant plus d’énergie à partir de la même quantité de carburant, les moteurs fonctionnant selon un processus basé sur la détonation pourraient théoriquement être plus économes en énergie.

Cependant, le fonctionnement d’un moteur sur un cycle basé sur la détonation pose plusieurs problèmes. Il peut être difficile de maintenir une réaction de détonation continue. De plus, les fortes pointes de température et de pression dues au processus de détonation et les ondes de choc associées peuvent facilement endommager ou détruire des pièces constituées de matériaux même très résistants. Jusqu’à présent, les ingénieurs de nombreux domaines se sont efforcés d’apprivoiser et de contrôler les processus de détonation au point de pouvoir les utiliser avec succès.

Le moteur à détonation rotatif se compose d’une chambre de combustion qui a une construction annulaire de type annulaire. Dans cet anneau, le carburant et le comburant sont injectés et enflammés de manière à faire exploser le mélange. L’objectif est que l’onde de choc de cette détonation se propage autour de la chambre de combustion en forme d’anneau, provoquant d’autres détonations au cours d’un cycle continu.

Faire fonctionner le concept s’est avéré difficile; bien que le concept ait été développé pour la première fois dans les années 1950 à l’Université du Michigan, ce n’est que ces dernières années que les ingénieurs ont réussi à démontrer un moteur à détonation rotatif en fonctionnement continu. Une équipe de l’Université de Floride centrale a fait la démonstration d’un moteur à hydrogène-oxygène en 2020, produisant jusqu’à 200 lbf (890 N) de poussée lors des tests. L’exploit a été réalisé grâce à un réglage minutieux de la taille des jets qui injectent les propulseurs pour obtenir le mélange juste pour une détonation contrôlée. Faites un mauvais mélange et le carburant brûlera dans une déflagration plus lente, sans aucun avantage pour la poussée ou l’efficacité.

Test en direct du Japon

Contrairement à l’expérience de l’Université de Floride centrale, l’effort japonais impliquait le lancement d’une véritable fusée. Le test a utilisé une fusée-sonde standard avec un moteur conventionnel pour lancer la charge utile de test à des centaines de kilomètres au-dessus de la Terre, le deuxième étage de la fusée étant monté sur le moteur de détonation rotatif. La mission a eu lieu à l’aide de la fusée-sonde S-520-31, lancée depuis le centre spatial JAXA Uchinoura le 27 juillet 2021.

Le moteur à détonation rotatif JAXA en fonctionnement au-dessus de la Terre. Source : Université de Nagoya, JAXA

Le deuxième étage a tiré avec succès, fonctionnant pendant six secondes et produisant 112 lbf (500 N) de poussée au cours de cette période, soit 56% du démonstrateur au sol de l’équipe de Floride. Les données recueillies lors de l’expérience ont confirmé que le moteur fonctionnait comme prévu, brûlant son carburant en régime de détonation.

La JAXA espère mettre la technologie en applications pratiques d’ici cinq ans, compte tenu de la démonstration réussie du matériel de vol. Construit en collaboration avec une équipe de l’Université de Nagoya, l’espoir est de développer davantage la technologie pour créer des vaisseaux spatiaux plus efficaces à l’avenir. Il pourrait trouver des applications dans divers domaines, des moteurs de fusée des premier et deuxième étages aux missions dans l’espace lointain pour tirer le meilleur parti des ressources limitées en carburant.

La technologie a beaucoup évolué ces dernières années. Avec plusieurs groupes indépendants démontrant maintenant des moteurs fonctionnels, cela a ébranlé le titre « impossible » qui s’était attaché au concept de détonation rotative pendant un demi-siècle. De toute évidence, beaucoup d’ingénierie sera nécessaire pour construire des moteurs pratiques qui surpassent les conceptions existantes. Cependant, avec les récents progrès réalisés dans le domaine, il y a maintenant une lueur d’espoir qui nous dit que cela pourrait être fait.