Un projet pour la conception d'un nouveau genre de missiles hypersoniques.
Le projet X-51A est un programme de l'US Air Force, lancé en 2005, pour mettre au point une nouvelle génération de missiles, qui seraient à propulsion hypersonique. Suite aux progrès apporté par cette nouvelle technologie de propulsion, entre autres, par les programmes "Falcon" et "Hyper-X".(1)
Le démarrage du projet.
Dans une lettre datée du 27 septembre 2005, l'US Air Force (sous la référence "USAF AC/XPPE") a officiellement accordé à l'US Air Force Research Laboratory (AFRL), la direction d'un programme de recherche sur la propulsion "scramjet". Pour la mise au point d'un véhicule d'essai en vol, sous la désignation "X-51A". La Direction du AFRL a travaillé avec "Pratt & Whitney Rocketdyne", spécialisé dans la propulsion spatiale et la "Boeing Transformational Space Systems Division" sur la conception du véhicule X-51A, pour explorer tout le potentiel possible au niveau du nouveau système de moteur "scramjet".
La recherche sur le modèle de moteur scramjet, qui a aboutie à un moteur de démonstration en vol (appelé "EFSEFD"), a été lancé au début de 2003. A cette époque, le premier vol d'essai avait été prévue pour la fin de 2006. En cas de succès, de 5 à 11 vols pourraient être réalisés, suivit de 4 autres au cours d'une prochaine période d'environ 18 mois, et les vols suivants, durant les 18 mois plus tard. Ces vols d'essai diffèrent sensiblement de ceux de la NASA avec leur "X-43C". Un module scramjet avec trois trajet de circulation de l'air mettant l'accent sur les entrées "à géométrie variable" devaient être effectué, avec les trajets de circulation monté dans une configuration parallèle. En revanche, les démonstrateurs de vol utilisés pour tester la propulsion scramjet, pour des utilisations militaires seront chacun alimenté par une seule turbine scramjet, avec une entrée à géométrie fixe. Comme vous pouvez le voir sur le schéma ci-dessous (cliquez pour agrandir):
En janvier 2004, une équipe composée de personnel de Pratt & Whitney et de "Boeing Phantom Works" (2) a été sélectionné par l'US Air Force Research Laboratory (AFRL) pour assurer les essais du moteur de démonstration en vol (EFSEFD), également connu sous le nom de "Demonstration Scramjet motor - WaveRider (SED-WR). Le contrat pour la première année, a été évalué à 7,7 millions de dollars (la totalité du programme est estimé à environ 140 millions de dollars), a été accordé à l'équipe choisie pour explorer le potentiel de propulsion au niveau du système de scramjet, par de multiples essais en vol qui devaient avoir lieu vers 2007-2008.
Un modèle du chassie réalisé en cuivre, bien sûr non fixé au X-51 et sans son fuselage. Et dans lequel on intègre le moteur "scramjet" lui-même. (cliquez pour agrandir):
Un prototype du moteur "scramjet" du X-51 en position statique, pour les différentes études au sol: montage, configuration, branchement,...etc. (cliquez pour agrandir):
De 7,90 mètres de long et pesant 1810 kilos, le système qui sera utilisé dans la démonstration du moteur unique inclut, d'avant en arrière, un véhicule à moteur à combustion supersonique en vol libre comportant un fuselage avant la compression, une section de transition et un lanceur (à partir d'un missile ATACMS). Chaque démonstrateur de vol sera composée d'un moteur Pratt & Whitney à combustion supersonique, basé sur la technologie développée par l'AFRL/PR, avec la "hydrocarbures Scramjet Engine Technology" (HySET). Un programme d'intégration conçut par Boeing, pour pouvoir configurer et adapter au mieux un engin propulsé par un moteur de type "WaveRider". Au cours de la démonstration en vol, un B-52 porte le véhicule SED-WR à une altitude d'environ 10600 mètres, puis le largue. Au départ propulsé par un système de missiles tactiques armée (ATACMS) utilisé comme lanceur et propulseur auxiliaire, le scramjet prend ensuite le relais à la vitesse de Mach 4,5 environ, et le SED-WR accélère à une vitesse de croisière comprise entre Mach 6 et 7. Les demandes pour ce concept de propulsion comprennent un accès à l'espace et aussi de pouvoir disposer de systèmes militaires à réaction rapide.
Une vue "en coupe" du X-51A, sans son propulseur (cliquez pour agrandir):
Le détail de l'alimentation en carburant, du moteur Scramjet (cliquez pour agrandir):
Les essais du moteur au sol (cliquez pour agrandir):
Un premier essai en vol concluant.
Un démonstrateur de vol X-51A "WaveRider" a fait un vol lors d'un essai, le 26 mai 2010 au large de la côte, au sud de la Californie, au-dessus du Pacifique. c'était le plus long vol réalisé à l'aide d'un moteur "scramjet", permettant un vol en vitesse hypersonique. Le X-51 construit par "Pratt & Whitney Rocketdyne" dispose d'une arrivée d'air, du moteur à combustion supersonique, qui par la circulation de l'air, assure l'accélérération du véhicule à Mach 6. (La plus longue utilisation précédente d'un moteur "scramjet" lors d'un test en vol était jusque la de 12 secondes, par un appareil de la série "X-43" de la NASA). L'US Air Force a annoncé que ce test, le première des quatre prévues, avait été un franc succès. Ce test fût considéré comme la première utilisation d'un hydrocarbure alimentant un moteur scramjet en vol.
Le "WaveRider" installé sous l'aile d'un B-52 pour un essai du moteur (cliquez pour agrandir):
La formation d'un consortium réunissant les différents constructeurs.
L'utilisation d'une "convention de transaction", mise en place le 9 septembre 2003 a permis aux deux traditionnels entrepreneurs de la Défense, de former un consortium d'intérêts mutuels, plutôt que d'avoir une relation "Constructeur principal/Sous-traitant" dans le cadre du contrat de base habituel (FAR). Le démonstrateur du moteur du type "WaveRider" (WR), est développé par le Consortium. Ce dernier est composé des constructeurs Pratt & Whitney, de Boeing, de Advanced Space et de Lancer System. En formant un consortium, le gouvernement est sensé obtenir d'importants efforts supplémentaires pour le développement de prototypes, en convertissant les coûts indirects liés à une relation Constructeur/Sous-traitant, pour ne pas avoir à financer des coûts directs supplémentaires. Cela favorise aussi un partenariat d'affaires et une relation entre le consortium et le gouvernement, qui utiliseront une approche concerter pour permettre à tous d'être flexibles, dans leur décision de gestion des processus du programme.
De nouveaux constructeurs sont choisis pour le projet.
L'utilisation d'une convention de transaction (OTA) (3) a abouti à la participation de nouveaux entrepreneurs de la Défense, qui se répartissent comme suit, avec entres parenthèses, leurs compétences respectives utilisées pour le projet:
- Ormond LLC, à Kent, dans le Wyoming (fabrication d'éléments complexes par fraisage à jet d'eau et de modèles d'échangeur de chaleur);
- Dynamic Technologies Gunver LLC, à Manchester, dans le Connecticut (chargé des soudures au laser des panneaux du moteur, sans détériorer l'échangeur de chaleur);
- Jansen Aircraft Systems Controls, à Tempe, en Arizona (fourniture et installation de clapet d'étanchéité avec des technologies de commandes électroniques, fonctionnant parfaitement à des températures et des pressions élevées);
- Pioneer Aerospace, à South Windsor, dans le Connecticut (fourniture du système de récupération);
- Howmet Castings, à Hillsboro, au Texas (fabrication par coulé continue et fourniture de différents éléments composant le fuselage du véhicule);
- Systems Starfire, à Malte, dans l'Etat de New-York (fourniture du carbone, pour les éléments avant et arrière du fuselage);
- Veridian Engineering, à Buffalo, dans l'Etat de New-York (s'occupe des essais en soufflerie).
Les essais aéro-acoustiques du missile X-51A, sans son lanceur d'appoint (cliquez pour agrandir):
Le tout assemblé dans les ateliers de Boeing, comme vous pouvez le voir sur la photo ci-dessous (cliquez pour agrandir):
La Direction de la ARFL, dirigeant la recherche sur le moteur de démonstration scramjet (SED), qui a commencé en décembre 2003, s'est terminé avec succès, par un examen de conception préliminaire (PDR) en décembre 2004. Un second contrat a été attribué le 7 janvier 2005 pour la conception détaillée d'un démonstrateur de vol en utilisant la technologie hypersonique (HyTech) et la conception des moteurs à combustion supersonique. Le contrat "SED-WaveRider" du Consortium, est évalué à environ 70 millions de dollars, et a eu pour tâche, la première phase du programme. La première phase, élaborant la conception détaillée, a ensuite mené à ce que l'on appel une "revue critique de conception" (CDR) en janvier 2007.
Une option de prix avait également été négocié, évaluée à environ 60 millions de dollars, afin de permettre la fabrication et d'essais en vol du SED avec un premier vol, qui était prévu au départ pour décembre 2008. Le programme pouvant ainsi faire l'acquisition des données de test de l'exploitation du SED au sol et en vol, du procédé de refroidissement, et du prototype d'auto-régulation du moteur à combustion supersonique.
Au début de 2006, il était prévu d'exécuter de multiples essais en vol du véhicule "SED-WR" en 2009-2010 (essais qui ont bien eu lieu). L'objectif de ces tests en vol de l'Hypersonic Technology (appelé la "HyTech" par l'USAF) et du moteur à combustion supersonique, qui utilisait alors un combustible hydrocarboné endothermique. Les objectifs du programme sont d'acquérir au sol et en vol, des données de test d'exploitation, et ainsi démontrer la viabilité de la technologie d'un moteur "HyTech" endothermique alimenté en combustible endothermique, durant le vol, et prouver la faisabilité d'une combustion supersonique en vol libre.
Le "SED-WR" , installé pour les essais et l'envol du B-52 (cliquez pour agrandir):
Le bilan et le futur du projet.
Quatre missiles X-51A ont été construits pour l'Air Force (avec les compétences de la DARPA, "Defense Advanced Research Projects Agency") par les partenaires de l'industrie que sont "Pratt & Whitney Rocketdyne" et Boeing. L'Air Force a l'intention de faire voler trois autres X-51A pour des essais en vol, normalement prévus à l'automne 2010. Pour pouvoir encore renforcer les connaissances acquises, à la suite de chaque vol successifs.
(1) Depuis le vol du légendaire X-1 en 1946, premier engin Américain à atteindre le mur du son, les scientifiques ont utilisé une déclinaison des appellations d'avions "X", pour identifier les avions et les fusées expérimentales utilisées pour explorer de nouvelles technologies aérospatiale.
(2) Les "ateliers des projets secrets" de Boeing, pour la Défense.
(3) L'utilisation d'un "OTA" facilite l'utilisation des sous-traitants pour la fabrication de matériel prototype (ou encore des services) dont les systèmes comptables et la qualité ne doivent pas être soumis à la norme "FAR / DFAR". Les "FAR", en tant que "Fournisseurs du Gouvernement", sont liés par des closes de contrats spécifiques, les "DFAR". C'est une manière de procéder, plus pratique et qui engendre pour eux (les sous-traitants) moins de contraintes.
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