Les avions hypersoniques repoussent les limites de l'impression 3D

Les avions hypersoniques représentent la pointe de l'ingénierie aérospatiale. Illustration avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

Les ingénieurs d'Hermeus développent une famille d'avions hypersoniques pour des applications commerciales et militaires. Illustration avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

Un moteur à cycle combiné à turbine est un hybride entre un turboréacteur et un statoréacteur. Photo publiée avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

Le Quarterhorse est un avion hypersonique sans pilote développé pour l'US Air Force. Illustration avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

L'avion de ligne commercial Halcyon permettra aux passagers de traverser l'océan Atlantique en moins de deux heures. Illustration avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

Le moteur Chimera a récemment subi une série de tests réussis. Photo publiée avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

Vers Mach 3, Chimera commence à contourner l'air entrant autour du turboréacteur et le statoréacteur prend complètement le relais. Illustration avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

Hermeus utilise la machine Sapphire XC pour imprimer des pièces métalliques grand format. Photo courtoisie Velo3D Inc.

La fabrication additive est utilisée pour imprimer des pièces de moteur complexes en Inconel 718. Photo publiée avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

Le Quarterhorse effectuera son vol inaugural l'année prochaine. Illustration avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

L'industrie aérospatiale a récemment célébré le 75e anniversaire du vol supersonique. Chuck Yeager a franchi le mur du son le 14 octobre 1947 à bord de l'avion-fusée Bell X-1.

Depuis, les ingénieurs et les pilotes d'essai équipés du "bon matériel" ont repoussé les limites. La prochaine frontière est le vol hypersonique, avec des avions se déplaçant à Mach 5 (plus de 3 000 mph) ou plus.

Voyageant plus de deux fois plus vite que les conceptions supersoniques, les avions hypersoniques représentent la pointe de l'ingénierie aérospatiale. Pour la propulsion, ils s'appuient sur un nouveau type de moteur appelé scramjet, dans lequel la combustion a lieu alors que l'air qui le traverse se déplace à grande vitesse.

Les Scramjets utilisent leur propre géométrie et leur propre vitesse pour comprimer l'air qui les traverse. Ils peuvent réduire le poids total des moteurs à réaction traditionnels en éliminant les pièces mobiles, telles que les aubes de turbine.

Les ingénieurs aérospatiaux envisagent des avions de ligne hypersoniques qui pourraient voler beaucoup plus haut et plus vite que le Concorde. Ils permettraient aux passagers de traverser l'océan Atlantique en moins de deux heures et l'océan Pacifique en moins de trois heures, tout en naviguant confortablement à 95 000 pieds. L'armée s'intéresse également à la technologie pour diverses applications de défense, telles que les missiles et les avions de surveillance sans pilote.

Cependant, le vol hypersonique nécessite une dynamique des fluides complexe et des matériaux capables de résister à une chaleur intense, aux ondes de choc et aux vibrations. L'aérodynamique, la température et les vibrations jouent des facteurs majeurs. Cela nécessite également de nouveaux types de techniques de production.

Malgré ces énormes défis, la technologie a donné naissance à une variété de start-up, telles que Destinus, Hermeus, New Frontier Aerospace, Radian Aerospace et Venus Aerospace.

L'une des entreprises qui ouvre la voie est Hermeus Corp., qui développe des avions pour des applications commerciales et militaires.

En 2021, l'US Air Force a attribué à Hermeus un contrat de 60 millions de dollars pour développer trois avions sans pilote, dont le Quarterhorse hypersonique. La start-up a récemment franchi une étape importante en lançant avec succès un turboréacteur-statoréacteur baptisé Chimera.

L'objectif de Quarterhorse est de valider le moteur Chimera en vol et de battre un record vieux de plusieurs décennies détenu par le Lockheed SR-71 Blackbird. Avant de prendre sa retraite au début des années 1990, l'avion légendaire a volé de Los Angeles à Washington en une heure seulement (depuis, il est exposé au Smithsonian National Air and Space Museum).

Le vol inaugural de Quarterhorse est prévu pour l'année prochaine. Hermeus espère également avoir une version passager plus grande, baptisée Halcyon, prête d'ici la fin de cette décennie.

En cours de route, la société prévoit de développer une série d'avions, similaires au développement par SpaceX de ses fusées Dragon, Falcon et Starship. Outre Halcyon et Quarterhorse, les ingénieurs d'Hermeus travaillent sur Darkhorse, un avion autonome qui servira les clients de la défense et du renseignement.

Un obstacle a récemment été franchi lorsque le moteur Chimera a subi une série de tests réussis au laboratoire de turbomachines de l'Université Notre Dame. De l'air chauffé a été utilisé pour simuler des températures et des pressions élevées à Mach.

Chimera est un moteur à cycle combiné à turbine (TBCC) qui est un hybride entre un turboréacteur et un statoréacteur. La possibilité de basculer entre ces deux modes permettra à Quarterhorse de décoller d'une piste régulière, puis d'accélérer jusqu'à des vitesses hypersoniques.

Les ingénieurs d'Hermeus ont conçu, construit et testé le moteur à réaction de nouvelle génération en 21 mois pour 18 millions de dollars. La plupart des observateurs ont prédit que cette étape technique prendrait beaucoup plus de temps et coûterait plus cher.

À basse vitesse, Chimera est en mode turboréacteur, comme n'importe quel avion à réaction. Mais, à mesure que la température et la vitesse de l'air entrant augmentent, les turboréacteurs atteignent leur limite de performance. Cela se produit généralement autour de Mach 2.

Chimera dispose d'un pré-refroidisseur qui réduit la température de l'air entrant dans le turboréacteur. Cela permet aux ingénieurs d'Hermeus de tirer un peu plus de performances du turboréacteur avant de passer au statoréacteur.

Vers Mach 3, Chimera commence à contourner l'air entrant autour du turboréacteur et le statoréacteur prend complètement le relais.

Un statoréacteur est un système de propulsion simple qui "enfonce" l'air entrant à haute pression pour créer une compression. Le carburant est mélangé à cet air comprimé et enflammé pour la poussée. Les statoréacteurs sont optimaux entre Mach 3 et Mach 5.

"Le moteur TBCC est unique dans le domaine de l'hypersonique", déclare Glenn Case, directeur de la technologie chez Hermeus. "La plupart des plates-formes hypersoniques sont propulsées par un moteur-fusée. Mais cette approche rend la réutilisation beaucoup plus difficile et intrinsèquement plus dangereuse pour le vol des passagers."

En fabriquant un moteur hypersonique à respiration aérienne à gamme complète qui ne nécessite pas de fusée pour accélérer, Case affirme qu'Hermeus prépare le terrain pour un vol hypersonique opérationnel et des avions qui peuvent être rapidement réutilisés.

"Un avantage supplémentaire de cette conception de moteur est qu'elle s'adapte à l'infrastructure de transport existante", explique Case. "[Nos] avions sont conçus pour être opérationnels dans les aéroports traditionnels. C'est important, non seulement pour les tests hypersoniques, mais aussi critique étant donné [notre] objectif d'accélérer radicalement le voyage des passagers grâce au vol hypersonique."

Pour produire la Chimera et le Quarterhorse, Hermeus a construit une usine verticalement intégrée à Atlanta. Selon Case, la fabrication en interne permet une boucle de rétroaction étroite entre les ingénieurs et les techniciens, ce qui est essentiel à la capacité de l'entreprise à itérer rapidement. De plus, dit-il, l'intégration verticale réduit la dépendance vis-à-vis des fournisseurs externes et permet un meilleur contrôle de la chaîne d'approvisionnement.

Hermeus s'appuie sur la technologie de fabrication additive pour produire rapidement des pièces métalliques complexes. En fait, environ 15 % du moteur Chimera est constitué de composants imprimés.

"La fabrication additive métallique est un élément central de notre plan d'intégration verticale de la production", déclare Case. "Alors que nous explorons les capacités de [la] technologie, nous chercherons des moyens d'augmenter les performances, de consolider les composants, de réduire le poids de nos avions et de minimiser les dépendances externes."

"La fabrication additive est un excellent moyen pour les ingénieurs aérospatiaux de produire des pièces et des composants de plus en plus complexes", ajoute Matt Karesh, responsable du compte de développement commercial technique chez Velo3D Inc. "Si vous savez comment tirer parti de la technologie, vous pouvez satisfaire une combinaison de fonctions , performance, fabricabilité et coût en une seule partie.

"La fabrication additive donne aux ingénieurs aérospatiaux beaucoup plus de liberté, du point de vue de la conception, pour obtenir les bons taux de refroidissement et de coefficients de transfert de chaleur dans une pièce", explique Karesh. "C'est aussi un moyen de consolider les pièces et d'éliminer certains processus traditionnels de coulée, de forgeage, d'usinage, de brasage et de soudage.

"Cependant, la fabrication additive ne remplace aucun de ceux-ci", souligne Karesh. "Les technologies sont complémentaires. Vous n'avez presque jamais une pièce imprimée qui sort d'une machine et va directement à son application d'utilisation finale. Les pièces nécessitent généralement un certain type de traitement thermique et de finition de surface."

Hermeus utilise les machines Sapphire et Sapphire XC de Velo3D. Cette dernière est une imprimante grand format conçue pour la production à grand volume. Les deux machines sont calibrées pour imprimer des pièces en Inconel 718.

Sapphire a une enveloppe de construction de 315 par 400 millimètres, tandis que Sapphire XC est capable d'imprimer des pièces de 600 millimètres de large et 550 millimètres de haut. Les deux machines sont idéales pour imprimer des formes complexes qui exigent de nouveaux matériaux et de nouvelles tolérances.

"Les pièces d'avions hypersoniques ne sont pas spécifiquement différentes de toute autre pièce aérospatiale", explique Case. "Beaucoup de ce qui est exigé de ces pièces est un peu différent. Vous avez des charges thermiques extrêmes dans certaines pièces. Vous avez beaucoup de forces et de pressions aérodynamiques, des températures, des choses comme ça, qui agissent sur elles qui sont beaucoup plus sévères que vous auriez dans un avion typique.

"En général, nous travaillons avec des alliages à base de nickel et des alliages de titane ; plus que dans le monde aérospatial traditionnel", explique Case. "Généralement, vous utiliseriez beaucoup d'alliages d'aluminium et peut-être des alliages de titane dans les sections chaudes.

"La fabrication additive permet le refroidissement couplé de certains composants", souligne Case. « Fondamentalement, pensez-y comme dans une petite maison où chaque petit meuble doit essentiellement remplir deux fonctions. La fabrication additive permet cela. Vous pouvez avoir plusieurs fonctions dans une pièce et être en mesure de produire réellement cette pièce plutôt que d'avoir un très processus de fabrication coûteux."

La technologie de fabrication additive permet également aux ingénieurs d'Hermeus de maximiser les pièces.

"Contrairement aux moteurs de fusée, où vous pourriez être en mesure de consolider de nombreux injecteurs dans une seule tête d'injecteur ou une seule chambre de combustion, l'avantage que nous retirons de l'impression 3D concerne moins la consolidation des pièces que la capacité de produire des pièces. plus vite », déclare Case.

Hermeus utilise la machine Sapphire XC pour imprimer des pièces métalliques grand format. Photo courtoisie Velo3D Inc.

"Ce que l'impression 3D nous permet de faire, c'est un prototype rapide", ajoute Case. "En réalité, ce n'est pas tant la consolidation des pièces pour nous. C'est la consolidation de la chaîne d'approvisionnement. Nous pouvons aller acheter un tas de poudre, ou un tas de fil, et être en mesure d'imprimer et de développer un grand nombre de pièces à partir de cela.

"Une fois que vous arrivez à une bonne partie, ce n'est pas nécessairement plus difficile à produire", explique Case. "Je pense que c'est plus difficile à concevoir, simplement à cause de la nature couplée des pièces réelles qui interagissent dans un avion hypersonique. Le moteur affecte l'admission. L'admission affecte le véhicule. Le véhicule affecte le moteur.

"C'est très circulaire et vous devez tout concevoir ensemble", note Case. "Donc, du point de vue de la conception, c'est très difficile. Si vous pouvez imprimer une pièce en 3D ou créer plusieurs utilisations dans des pièces dans ces environnements très difficiles et extrêmes, [c'est avantageux]."

L'Inconel 718 est idéal pour de nombreux types d'applications d'avions hypersoniques, car il offre une résistance élevée et une résistance à l'oxydation même à des températures proches du point de fusion. Le matériau nickel-chrome résistant à la corrosion peut résister à de nombreuses températures extrêmes.

"L'Inconel 718 est un alliage bien développé dans le domaine de la fabrication additive", déclare Karesh de Velo3D. "Il peut être beaucoup plus économique d'imprimer des pièces fabriquées à partir du matériau au lieu d'usiner ces pièces. Le coût du matériau lui-même représente généralement 10 à 15 % du coût d'une pièce imprimée. L'Inconel 625 est également populaire pour l'hypersonique. applications de fabrication."

En plus de l'Inconel, les ingénieurs d'Hermeus utilisent d'autres types de matériaux avancés pour produire des moteurs, des fuselages et des ailes.

"Nous utilisons beaucoup l'Inconel 718", déclare Case. "Cependant, nous utilisons aussi beaucoup de titane. La majeure partie de la cellule sera en titane.

"Lorsqu'un avion hypersonique se déplace à Mach 5, les températures de stagnation peuvent atteindre 1 900 F", explique Case. "Mais, si vous regardez la température d'équilibre radiatif le long de la surface du véhicule - en particulier les côtés sous le vent de l'avion - vous déversez beaucoup de chaleur dans la cellule, mais vous en rejetez également beaucoup par rayonnement. .

Le Quarterhorse effectuera son vol inaugural l'année prochaine. Illustration avec l'aimable autorisation d'Hermeus Corp.

"Ainsi, la température de surface finit par se situer autour de 800 F", souligne Case. "Cela se prête vraiment aux alliages de titane. Je n'aime pas utiliser le terme "structure chaude", car cela implique des composites à matrice céramique. Nous utilisons davantage une "structure chaude" afin de pouvoir nous en sortir avec des alliages de titane tels que 6Al-4V. Il y a quelques autres petites saveurs que nous envisageons également d'utiliser.

"Nous n'utilisons pas beaucoup d'aluminium là-dedans, mais nous envisageons également d'imprimer des pièces en cuivre pour des applications de propulsion, car c'est un matériau à haute température", explique Case.