Chambre de combustion pendant les oscillations de combustion dans un moteur de fusée miniature. Crédit : Hiroshi Gotoda
Les grappes de sources d’alimentation près des injecteurs de carburant des moteurs-fusées pourraient créer des oscillations de combustion.
Les moteurs à combustion peuvent développer des oscillations à haute fréquence, entraînant des dommages structurels aux moteurs et des conditions de fonctionnement dangereuses. Une compréhension détaillée du mécanisme physique qui provoque ces oscillations est nécessaire mais a fait défaut jusqu’à présent.
Dans Physique des fluides, par AIP Publishing, des recherches de l’Université des sciences de Tokyo et de l’Agence japonaise d’exploration aérospatiale clarifient les processus de rétroaction qui donnent lieu à ces oscillations dans les moteurs de fusée.
Les enquêteurs ont étudié des événements de combustion simulés dans un modèle informatique d’une chambre de combustion de fusée. Leur analyse impliquait des techniques sophistiquées, notamment la dynamique symbolique et l’utilisation de réseaux complexes pour comprendre la transition vers un comportement oscillatoire.
Les techniques de dynamique symbolique ont permis aux scientifiques de déterminer des similitudes de comportement entre deux variables qui caractérisent l’événement de combustion. Ils ont trouvé une relation entre les fluctuations de la vitesse d’écoulement de l’injecteur de carburant et les fluctuations du taux de dégagement de chaleur de la chambre de combustion.
Un moteur de fusée utilise des injecteurs pour fournir un carburant, généralement de l’hydrogène gazeux, H2, et un oxydant, de l’oxygène gazeux, O2, à une chambre de combustion où l’allumage et la combustion ultérieure du carburant se produisent.
« Contact périodique du mélange H2/O2 imbrûlé avec des produits à haute température du H2 [and] La flamme de l’air donne lieu à des fluctuations importantes du point d’allumage », a déclaré l’auteur Hiroshi Gotoda.
Les fluctuations dans l’emplacement d’allumage produisent des fluctuations du taux de dégagement de chaleur, ce qui affecte les fluctuations de pression dans la chambre de combustion.
“Nous avons constaté que les fluctuations de dégagement de chaleur et les fluctuations de pression se synchronisent”, a déclaré Gotoda.
Le produit des fluctuations de la pression et du taux de dégagement de chaleur dans la chambre de combustion est une grandeur physique importante pour comprendre l’origine des oscillations de combustion. Les régions où ce produit est supérieur à zéro correspondent à des sources de puissance acoustique qui entraînent les oscillations.
Les enquêteurs ont découvert des sources d’énergie dans la couche de cisaillement près de la jante de l’injecteur. Ces sources d’énergie s’effondreraient brutalement et réapparaîtraient en amont de façon périodique, entraînant des oscillations de la combustion.
“La répétition de la formation et de l’effondrement des grappes de sources thermoacoustiques dans la région de la couche de cisaillement hydrodynamique entre l’oxydant interne et les jets de carburant externes joue un rôle important dans la conduite des oscillations de combustion”, a déclaré Gotoda.
Les enquêteurs pensent que leur méthode d’analyse permettra de mieux comprendre les oscillations dangereuses qui surviennent parfois dans les moteurs de fusée et autres chambres de combustion.
Référence : « Mécanisme de formation d’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, Physique des fluides.
DOI : 10.1063/5.0048785
