Les objets hypersoniques sont ceux qui voyagent à plus de cinq fois la vitesse du son, soit 3 806 mph, assez vite pour voler de Londres à New York en moins d’une heure. Pour les missiles – tels que ceux récemment déployés par la Russie contre l’Ukraine ou ceux testés par les États-Unis – atteindre de telles vitesses peut leur permettre d’échapper aux défenses aériennes et aux systèmes de missiles anti-balistiques actuels. Cela les rend également plus aptes à pénétrer dans des structures fortement blindées et capables de détruire des cibles au moyen de la seule énergie cinétique, sans même tenir compte d’une charge utile d’explosifs brisants. Cependant, la capacité de se déplacer et de manœuvrer à des vitesses hypersoniques présente des défis techniques importants et variés.
Lorsqu’un missile ou un avion franchit le mur du son, il commence à générer une onde de choc plus chaude, plus dense et plus haute en pression que l’air ambiant.
Et dans le régime hypersonique, le frottement de l’air atteint une ampleur telle qu’il commencerait à faire fondre des pièces d’un avion commercial conventionnel.
En plus de tout cela, les ingénieurs aérospatiaux doivent considérer non seulement comment l’air circule autour de l’engin ou de l’arme en question, mais aussi comment il se comporte lorsqu’il se déplace dans les moteurs et interagit avec le carburant.
Les moteurs à réaction conventionnels à respiration aérienne, comme ceux que l’on voit dans les gros avions de ligne, aspirent et compriment activement l’oxygène pour leur permettre de brûler du carburant pendant leur vol, par exemple grâce à des pales de ventilateur en rotation.
Au-dessus de trois fois la vitesse du son, cependant, cela devient inutile, car le passage du jet ou de l’arme dans l’air y parvient par lui-même.
Les moteurs dits statoréacteurs et scramjets qui tirent parti de ce principe peuvent atteindre des niveaux d’efficacité énergétique que, à titre de comparaison, les fusées ne peuvent pas atteindre.
Cependant, les modèles de dynamique des fluides nécessaires pour développer de tels moteurs en prédisant comment ils réagiront aux forces fluides autour et à l’intérieur d’eux sont intrinsèquement épineux.
L’ingénieur en mécanique, le Dr Sibendu Som, du Centre de recherche avancée sur la propulsion et la puissance du Laboratoire national d’Argonne du département américain de l’Énergie, a déclaré : « Les interactions entre la chimie et la turbulence sont si complexes dans ces moteurs.
« Les scientifiques ont dû développer des modèles de combustion avancés et des codes de dynamique des fluides computationnels pour décrire avec précision et efficacité la physique de la combustion. »
La NASA, par exemple, a développé un code de dynamique des fluides computationnelle hypersonique baptisé VULCAN-CFD, du nom du dieu romain du feu, qui simule le comportement de la combustion dans les flux d’air turbulents des moteurs à des vitesses sous, super et hypersoniques.
Le logiciel fonctionne en représentant le combustible en combustion dans des tableaux massifs et multidimensionnels, où chaque entrée stocke un seul instantané unidimensionnel de la flamme appelé «flamelets».
Le défi de cette approche, cependant, est que la taille même de ces ensembles de données signifie qu’ils nécessitent une énorme quantité de mémoire informatique pour être traités.
Le Dr Sinan Demir, membre de l’équipe Argonne, a déclaré : « Travailler avec la NASA nous a donné l’opportunité d’intégrer nos nouveaux développements dans un code de dynamique des fluides informatique de pointe. »
Cela, a-t-il ajouté, contribuera « à améliorer encore les développements pour une conception et une optimisation plus efficaces des jets hypersoniques ».
Le Dr Demir a ajouté : « Le partenariat entre Argonne et la NASA est précieux car nos modèles et logiciels peuvent être appliqués efficacement aux leurs. »
« C’est une façon de faire différemment des simulations de dynamique des fluides computationnelles de propulsion à grande vitesse. »
Les résultats complets de l’étude ont été présentés au Forum et exposition SciTech de l’American Institute of Aeronautics and Astronautics plus tôt cette année.
