Cette figure montre que des anneaux de vortex à grande échelle sont produits à partir de la jante de l’injecteur lors des oscillations de combustion. Crédit : Satomi Shima, Kosuke Nakamura, Hiroshi Gotoda, Yuya Ohmichi et Shingo Matsuyama
Grâce à des analyses avancées, les scientifiques ont mis en lumière le mécanisme d’un problème fatal qui affecte les chambres de combustion des moteurs de fusée.
Les moteurs-fusées contiennent des systèmes de combustion confinés, qui sont essentiellement des chambres de combustion. Dans ces chambres, les interactions non linéaires entre les flux turbulents de combustible et d’oxydant, les ondes sonores et la chaleur produite par les réactions chimiques, provoquent un phénomène instable appelé « oscillations de combustion ». La force de ces oscillations sur le corps de la chambre de combustion – la contrainte mécanique sur la chambre – est suffisamment élevée pour menacer une défaillance catastrophique du moteur. Qu’est-ce qui cause ces oscillations ? La réponse reste à trouver.
Maintenant, dans une percée, publiée dans Physique des fluides, une équipe comprenant le professeur Hiroshi Gotoda, Mme Satomi Shima et M. Kosuke Nakamura de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), en collaboration avec le Dr Shingo Matsuyama et le Dr Yuya Ohmichi de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale (JAXA), ont utilisé des analyses de séries chronologiques avancées basées sur des systèmes complexes pour le découvrir.
Expliquant leur travail, le professeur Gotoda déclare : « Notre objectif principal était de révéler le mécanisme physique derrière la formation et le maintien des oscillations de combustion à haute fréquence dans une chambre de combustion cylindrique à l’aide de méthodes analytiques sophistiquées inspirées de la dynamique symbolique et des réseaux complexes. Ces constatations ont également été couvertes par le American Society of Physics dans leur section actualités, et par l’Institute of Physics sur leur plateforme d’information Monde de la physique.
La chambre de combustion que les scientifiques ont choisie pour simuler est l’un des modèles de moteurs de fusée. Ils ont pu localiser le moment de transition de l’état de combustion stable aux oscillations de combustion et le visualiser. Ils ont découvert que d’importantes fluctuations périodiques de la vitesse d’écoulement dans l’injecteur de carburant affectent le processus d’allumage, entraînant des modifications du taux de dégagement de chaleur. Les fluctuations du taux de dégagement de chaleur se synchronisent avec les fluctuations de pression à l’intérieur de la chambre de combustion, et l’ensemble du cycle se poursuit dans une série de boucles de rétroaction qui entretiennent les oscillations de la combustion.
De plus, en considérant un réseau spatial de fluctuations de pression et de taux de dégagement de chaleur, les chercheurs ont découvert que des grappes de sources d’énergie acoustique se forment et s’effondrent périodiquement dans la couche de cisaillement de la chambre de combustion près du bord du tuyau d’injection, contribuant ainsi à stimuler les oscillations de combustion.
Ces résultats fournissent des réponses raisonnables aux raisons pour lesquelles les oscillations de combustion se produisent, bien que spécifiques aux moteurs de fusée à liquide. Le professeur Gotoda explique : « Les oscillations de combustion peuvent causer des dommages mortels aux chambres de combustion des moteurs de fusée, des moteurs d’avion et des turbines à gaz pour la production d’électricité. Par conséquent, la compréhension du mécanisme de formation des oscillations de combustion est un sujet de recherche important. Nos résultats contribueront grandement à notre compréhension du mécanisme des oscillations de combustion générées dans les moteurs de fusée à liquide.
En effet, ces découvertes sont importantes et on peut s’attendre à ce qu’elles ouvrent des portes à de nouvelles voies d’exploration pour empêcher les oscillations de combustion dans les moteurs critiques.
Référence : « Mécanisme de formation des oscillations de combustion à haute fréquence dans un modèle de combustion de moteur de fusée » par Satomi Shima, Kosuke Nakamura, Hiroshi Gotoda, Yuya Ohmichi et Shingo Matsuyama, 22 juin 2021, Physique des fluides.
DOI : 10.1063/5.0048785
