Comment Annihiler des Ondes de choc
Une idée 100 % Jean-Pierre Petit, de la fin des années soixante-dix
21 nov 2003
Lorsque j'ai donné cette conférence à l'Ecole Supérieure de l'Aéronautique de Toulouse, en juin 2003, j'ai exposé cette idée-clé, et j'ai été immédiatement compris, par eux et par les enseignants en mécanique des fluides supersoniques qui se trouvaient présents.
Je m'aperçois, avant de reprendre l'exposé de cette idée, qu'elle est présente dans mon site depuis ... janvier 2001. A la fin des années soixante-dix il s'agissait d'une idée totalement inédite (si ce n'est dans les sanctuaires militaires US et Russes où oeuvraient des gens qui étaient, eux, loin d'être des imbéciles). Une idée qui débouchait sur une totale révolution en matière de Mécanique des Fluides Supersoniques, montrant que l'apparition d'ondes de chocs, phénomènes hautement dissipatifs et cause de beaucoup d'ennuis (traîné d'onde, flux thermique important) n'était nullement indispensable, n'en déplaise au spécialiste de la question, un certain Couturier, du Cnrs, qui n'avait pu en me visitant après mon accident de travail, en 1976 que répéter "mais ton onde de choc, il faut bien que tu la retrouves quelque part!". Une idée qui aurait pu déboucher sur ... des dizaines de thèses de doctorat, dès ces années soixante-dix et qui donna naissance à un projet de recherche entièrement construit, décrit dans ce dossier, qui fut étouffé par les militaires Français, par crainte de voir le "problème ovni" leur exploser soudain sous les moustaches.
Supposons que vous ayez déjà parcouru ce dossier datant de janvier 2001 (et dont les participants de la rencontre commentée par Szamès ne doivent pas connaître la teneur). Pourquoi l'entrée d'air "contrôlée par la MHD", équipant les appareils évoluant à vitesse supersonique, comme Aurora (je prétends : opérationnel depuis 1990) est-elle placée sur le dessus ?
Premier point : sur le dessus, ces machines sont plates comme la main. Référez-vous au cliché montrant une maquette de l'engin Ajax, pris en soufflerie :
Ce n'est pas moi qui ai été cherché ce cliché c'est ... Szamès, dans la papier qu'il publian dans Air et Cosmo fin 2000, juste avant le colloque de Brighton, auquel il participa. Simple détail : après ce colloque il me dit :
- Vous avez bien été le seul à entendre parler de MHD à ce colloque. Personnellement, je n'ai pas entendu prononcer ce mot un seul instant.
Notre marchand de chaussure ignore que, dans les congrès, les discussions les plus importantes ne se tiennent pas en salle, mais entre spécialistes, loin des oreilles indiscrètes (ou simplement incompétentes). Prenons ce dessin et faisons figurer les caractéristiques et les ondes de choc qui s'établissent autour de l'appareil (simple remarque : le phénomène lumineux qu'on peut voir à l'extrême gauche de la photo, au voisinage du bord d'attaque en lame de couteau de l'engin ne correspond pas à l'onde de choc mais à la décharge électrique qui était appliquée pour mesurer lors de cette expérienceaxée sur la réduction afférente des effets thermiques dans cette région).
Les ondes de choc s'établissent à la partie inférieure de l'appareil, pas sur le dessus qui est "dans le lit du vent". Pour qu'il y ait onde de choc il faut qu'il y ait modification de la direction de la vitesse. On le biseau du bord d'attaque d'Aurora-Ajax et conçu pour que sa partie supérieure soit tangente aux "lignes de courant" à la direction du flux gazeux amont.
A la partie inférieure on trouve deux ondes de choc, la seconde partant du bord en biseau de l'entrée d'air (très semblable à celle du "Concorde", qui débouche sur des turboréacteurs conventionnels !
Quand la vitesse de la machine s'accroît le saut de température varie grosso-modo comme le carré du nombre de Mach. A un certain moment, au delà de Mach 3 l'entrée d'air inférieure ne peut plus être utilisée, sinon l'échauffement du gaz volatiliserait les aubes de la turbine constituant le compresseur. A haut nombre de Mach (dix-douze) cette remontée en température serait telle que même une entrée d'air de statoréacteur, refroidie par circulation d'un carburant stocké à l'état liquide ne pourrait résister. La thèse du scramjet (statoréacteur avec combustion en régime supersonique), prônée par les Américains dans leurs "projets" n'est qu'un jolie désinformation dans laquelle les Européens se jettent tête baissée. Le journaliste aéronautique Bernard Thouanel, totalement incompétent en matière de MHD, y adhère évidemment (puisque ... c'est dans internet).
L'entrée d'air inférieure sera donc fermée et la surpression qu'engendre l'onde de choc fournira la portance. Ces engins "surfent" sur leur onde de choc inférieure, on les appelle des "wave-riders". Le concept date ... des années cinquante, renseignez vous, lorsqu'on envisageait une "combustion externe", sous l'appareil, derrière l'onde de choc (mais qui, hélas, "chauffait les petits oiseaux, s'il y en avait bien sûr à cette altitude).
On ouvre une entrée d'air à la partie supérieure dont la géométrie évoque la sortie de certaines imprimantes laser. Devant elle, une longue section équipée en générateur MHD pariétal (voir mon livre). Ce générateur MHD produit de l'énergie électrique, qui sera ensuite réinjectée à l'arrière de l'engin, dans la section de la veine semi-guidée, en "cul de canard", située à l'arrière, pour accroître l'impulsions spécifique du jet de sortie. C'est le système du "pontage MHD" (MHD bypass), mot capté par Szamès en 2000 (mais dont la signification lui est très probablement restée à l'époque étrangère). Il y avait des masses d'informations dans ce papier composé par Alexandre Szamès, dont la mention, dès 2000, de l'importance de l'affet Hall (pour lui : de l'Hébreu, comme pour Thouanel d'ailleurs). Je dois reconnaître que c'est le contenu de l'article de Szamès, correspondant à des propos tenus par le Russe Fraistadt, initiateur du projet Ajax, qui avait motivé ma montée à Brighton et orienté mon questionnement des spécialistes Américains présents là-bas, dont Thouanel s'empressa de révéler le nom à tout le monde.
Cette production d'énergie électrique s'effectue au détriment de l'énergie cinétique du gaz, qui se trouve ainsi recomprimé en douceur, et non à travers une onde de choc, qu'il faut absolument éviter (ce qui n'est pas possible si on procès à la partie inférieure de l'appareil, autre désinformation mise en oeuvre par les Américains et les Russe, lors de colloques, et dans laquelle les "spécialistes" Français tombent tête baissée). C'est là qu'on met en oeuvre l'idée de Jean-Pierre Petit : éviter la naissance d'une onde de choc en empêchant les caractéristiques de se croiser, puisque c'est précisément leur télescopage qui entraîne la naissance de ces ondes indésirables. On crée alors un classique " éventail de détente", que les étudiants de Supaéro connaissent bien. Voici ce qui se passerait au voisinage de cette entrée d'air MHD sans que n'entre en jeu le "ralentisseur-générateur MHD" :
Un convergent, figure en bas et à droite, redresse les caractéristiques, des surfaces de Mach, provoque leur télescopage et l'accumulation de ces perturbations de pression. Le gaz est ralenti, recomprimé, mais une onde de choc apparaît. Le lieu de télescopage est celui où se crée celle-ci.
Un "éventail de détente" (figure en haut et à droite) accélère au contraire le gaz, accroît le nombre de Mach. Les ligne de Mach s'épanouissent et ne peuvent donc se croiser, créer une onde de choc. C'est de la mécanique des fluides d'avant la guerre de 39-45. Si le générateur MHD n'est pas branché l'éventail de détente de l'entrée d'air fera pénétrer le gaz, déboulant à vitesse hypersonique, à une vitesse encore plus grande, à un nombre de Mach encore plus élevé au niveau du compresseur : inenvisageable (bien que ces entrées d'air, en retrait, aient la propriété d'empêcher le retour des ondes radar sur les aubes et soient donc "furtives" (voir le drone USA X-47A dont la photo , maladroitement retouché par le maquettiste, figure sur la couverture de mon livre.
Le X-47A vu de face
Ci-après, le même appareil, un drone, de profil :
Le X-47A vu de profil
On voit très bien la façon dont la disposition en retrait de cette entrée d'air empêche les dondes radar frappant les aubes de turbine de revenir (ce sont elles qui constituent le plus fort obstacle vis à vis de la furtivité. On remarquera que ce drone est un problème en soi. Comment une telle entrée d'air pourrait-elle fonctionner en supersonique ? Cela parait a priori impossible. Mais alors, s'il s'agit d'un drone de combat (il est présenté comme tel par les Américains, mais sans un mot de précision quant à ses performances) serait-il, même hyper-manoeuvrant (bien que sa tuyère ne semble pas "vectorisée", c'est à dire avec jet orientable) ..... subsonique ? Le B2 représente, au delà du célèbre B-52, vecteur clé du Strategic Air Command des années cinquante, l'engin le plus élaboré. Or on le présente comme subsonique. L'est-il vraiment lui aussi ? Ces problèmes ne sont nullement abordées par les journalistes aéronautiques, et Bernard Thouanel en est un. Pourtant ce serait à eux de se poser ces question-là.
Mais revenons au "décodage" des hypersoniques Américains et du secret de leur entrée d'air contrôlée par la MHD. Sur la figure centrale on montre l'évolution des surface de Mach dans l'entrée d'air, sans intervention des forces électromagnétique J x B liée au fonctionnement naturel du générateur MHD pariétal.
Si on combine cette fois l'effet lié à la présence de l'éventail de détente et celui du ralentissement du gaz par les forces de Laplace on pourra, à condition de jouer finement (masses de thèses de doctorat pour des département de physique qui sont ces temps-ci en chute libre complète, faute d'idées neuves) redresser avec toute la progressivité voulue ces caractéristiques, ces surfaces de Mach en les empêchant de se croiser dans la veine, donc sans apparition d'ondes de choc. Quand ces caractéristiques sont totalement redressées, perpendiculaires au lignes de l'écoulement fluide, c'est gagné : vous êtes en subsonique et vous pouvez alors tout tranquillement envoyer ce gaz, recomprimé mais non échauffé, vers les aubes du turboréacteur conventionnel de l'appareil. C'est alors le même moteur qui sert au décollage, au vol supersonique jusqu'à Mach 3,5 et au vol hypersonique à Mach 12. Génial, non ? Ce qui est fantastique c'est que l'énergie requise pour ralentir le gaz et l'amener à pression ad hoc à l'entrée du turbo est fournie... par celui-ci ! C'est un concept qui était déjà explicitement présent dans la thèse de Bertrand Lebrun, en 1986, et dans les publications scientifiques qui suivirent. Mais je ne suis pas très sûr que les gens de la DGA (armée) ou de l'ONERA (Office National d'Etudes et de Recherches Aéronautiques aient totalement compris ce concept (où on parle timidement de "réduction de traînée d'onde). A l'inverse, après cette soutenance de thèse le chercheur Bernard Fontaine (ancien de l'Institut de mécanique des Fluides où j'avais travaillé de 1965 à 1972, devenu par la suite directeur du département Sciences Physique des l'Ingénieur au CNRS) me spécifia téléphonique "que comme Lebrun avait travaillé avec moi il était vain qu'il espère trouver un poste dans un quelconque laboratoire de recherche Français".
Au passage, le fort régime d'effet Hall lié au fonctionnement du générateur en basse densité (pression ambiante : un millimètre de mercure) s'accompagne de la création de fortes tensions qui, envoyée tout naturellement au bord d'attaque de l'appareil y crée un coussin de plasma protecteur (l'expérience correspondant à la photo de la maquette d'Ajax en soufflerie). Les effets thermique de l'onde de choc de tête sont ainsi réduits. Mais celle-ci ne s'établit pas en permanence. En effet lors de la croisière de cet avion-espion hypersonique celui-ci acquiert un gain de vitesse qui le fait bondir cers les hautes couches atmosphériques, vers 120 km d'altitude, là où l'air est si raréfié que le flux de chaleur devient négligeable. Aurora vole ainsi en rebondissant sur les basses couches (tout est relatif : 80 km d'altitude) en volant comme un galet qui rebondirait "à la surface de la haute atmosphère". Les pilotes passent donc par des alternances d'accroissement de leur poids et de moments d'impesanteur, lors de trajectoires paraboliques avec une période de quelques dizaines de secondes (voir le dossier consacré à l'Hypersoar, sur mon site). Eux sont habitués, mais dans la version civile de ces appareils il faudrait faire absorber aux passagers de la dramamine ou les munir précautionneusement de sacs pratiques.
Dans le principe ces idées peuvent être comprises par n'importe quel étudiant. Dans la pratique c'est une autre paire de manches. Se cachent là-dessous des problèmes formidables, dont je connais à la fois la nature et les solutions, de même que mes homologues Américains (et Russes). Ce fut même un de nos sujets de discussions à Brigthon, mais je n'ai pas jugé bon d'en faire état dans mon livre. Je laisserai les Français payer le prix de leur sottise en se jetant tête baissée dans ces sables mouvants dont ils ne suspectent même pas l'existence. Il ne faudra pas compter sur moi pour indiquer les solutions, qui ne figurent sur aucune notes écrites et dont j'ai réservé l'évocation aux étudiants de Supaéro lors de mon séminaire de juin 2003 à l'Ecole.
Bon courage, les amis. La leçon de l'affaire est que d'une part, comme disait un certain Jésus en sortant de la synagogue de Capharnaüm "nul n'est prophète en son pays". D'autre part des idées réellement révolutionnaires mettent des décennies à s'imposer dans des pays où le conservatisme est la règle absolue (ajoutant, en France, l'impact aggravant de la main mise de toute la recherche dans le domaine par des gens issus de .. l'Ecole Polytechnique). Vous vous souvenez peut être de la phrase de Poincaré :
- Si vous voulez détruire le potentiel militaires de l'Allemagne créez-y une Ecole Polychnique (Gilbert Payan est issu de ce célèbre "moule").
Je me suis tourné pendant les quinze années suivantes vers l'astrophysique et la cosmologie. Mais j'ai bien peur que là encore, en tout cas en France, je m'exprime avec un peu trop d'avance. Voir "Journal d'un Savanturier", en cours de rédaction.
Ma foi, ma solution actuelle, après abandon de ces domaines en 2001 a été de me tourner vers l'égyptologie. Je m'active en ce moment pour publier mes travaux dans ce domaine (ce qui ne sera probablement pas de la tarte), ayant, je pense, percé à jour tous les secrets d'Immothep concernant le mode de construction des pyramides (rassurez-vous : ça n'est pas de l'antigravitation).
Dernière anecdote : savez-vous à qui nous devons la naissance de la série de Lanturlu ? A Hubert Curien, qui dirigeait à l'époque le Cnes où Esterle et Zappoli faisaient de leur mieux pour essayer de développer une première et mienne idée de MHD (avec la bénédiction de Payan et de l'armée). Je lui avais demandé d'intervenir en lui disant :
- Vos gars ont préféré se passer de mes services, en dépit de leur totale incompétence en la matière. Il y a alors gros à parier qu'ils vont ce planter (ce qui est immédiatement arrivé, comme cela sera montré). Ma foi, si vous n'intervenez pas, je reporterai ma créativité et ce temps libre vers la vulgarisation scientifique. Vous trouverez ci-joint les premiers manuscrits d'albums pouvant constituer une série.
Curien ( aujourd'hui décédé ) ne répondit jamais à mon courrier.
Une dernière remarque.
Avec beaucoup de difficulté, en utilisant mon scanner en 1200 dpi j'ai essayé de grossir la figure reproduite dans le numéro de VSD et fortement réduite par Thouanel. En écarquillant les yeux j'ai pu lire les texte, les effacer et les recomposer pour qu'ils deviennent lisibles. Voici donc cette figure :
C'est censé être le schéma du projet Ajax. Si le bord d'attaque est bien en biseau, ce qui n'est pas précisé mais apparaît sur les images d'artiste reproduites par exemple sur une couverture d'Air et Cosmos (de décembre 2000, si je me souviens bien), on doit s'attendre à voir s'établir deux ondes de choc, comme ceci :
Or c'est justement ce qu'on veut éviter. Le schéma montre un "ioniser", c'est à dire un système ionisateur. Pourquoi là ? Pourquoi pas au bord d'attaque où il serait plus judicieux de le placer ? On trouve un " générateur MHD externe ", c'est à dire "pariétal". Le dessin le complète par un générateur MHD interne, situé dans l'entrée d'air, les deux fonctionnant en ralentisseurs de gaz. Le "pontage MHD" fait qu'en sortie de tuyère le dessinateur a placé un accélérateur MHD. Mais tout cela n'est pas d'une limpidité extrême. Je pense que ce schéma correspond à une désinformation et que le schéma ramené du colloque de Brighton est le bon et je défie un mécanicien des fluides, connaisseurs en physique des gaz ionisés de me prouver le contraire. Les mécaniciens des fluides présents lors de ma conférences à Supaéro ont été de mon avis.