L’énorme fusée Starship de SpaceX a décollé pour son deuxième vol d’essai ce week-end. Parmi les images et vidéos époustouflantes issues du lancement qui ont retenu notre attention, il y avait la vue de son propulseur de fusée super-lourd générant de gigantesques « diamants mach » ou « diamants de choc ». Ce qui est particulièrement impressionnant, c’est la façon dont les 33 moteurs Raptor du propulseur de fusée se sont combinés pour créer un diamant mach parfaitement formé lorsque la pile s’est décollée de la plateforme.
Étant donné à quel point cet exemple de physique visualisé à grande échelle semble incroyable sur les photos, nous avons pensé que c’était le moment opportun pour approfondir la science qui les sous-tend, ainsi que pour expliquer ce qui rend leur apparition unique lors du récent lancement d’essai de Starship si intrigante. .
Le système « Starship », composé d’un propulseur de fusée super-lourd et d’un vaisseau spatial, a décollé de l’installation Starbase de SpaceX près de la plage de Boca Chica, dans le sud du Texas, le 18 novembre. Il s’agit d’un développement important pour SpaceX, et par rapport au premier lancement d’essai de Starship. en avril, le propulseur de fusée a réussi à se séparer du vaisseau spatial. C’était avant que le propulseur de fusée n’explose au-dessus du golfe du Mexique à une altitude de 91 milles (148 kilomètres). De plus, le contact a été perdu avec le vaisseau spatial après son arrivée dans l’espace, la société ayant dû déclencher sa fonction d’autodestruction peu de temps après. À terme, Space X prévoit que son système Starship transportera l’équipage et le fret en orbite terrestre, sur la Lune, sur Mars et au-delà.
Alors que les mach diamants sont plus souvent observés lorsque les avions à réaction haute performance sont en postcombustion, le cas de Starships est unique car ce phénomène était le point culminant du tir de 33 moteurs de fusée à l’unisson.
Les 33 moteurs de son propulseur de fusée super-lourd comprennent 13 au centre et 20 autour du périmètre de l’extrémité commerciale du propulseur. Brûlant du méthane avec de l’oxygène liquide, le propulseur de fusée est capable de créer un effet ahurissant 16,7 millions de livres de pousséesoit plus du double de la puissance de la fusée super-lourde Saturn V de la NASA de l’ère Apollo.
Afin de comprendre comment les diamants de choc ont été produits lors du lancement de Starship, nous avons contacté le Dr Chris Combs (@DrChrisCombs), professeur adjoint d’aérodynamique doté par Dee Howard au département de génie mécanique de l’Université du Texas à San Antonio. Le Dr Combs a commencé par expliquer en détail comment les diamants Mach sont formés :
« La nature veut toujours ramener les choses à l’équilibre, dans un sens, (pour) ramener les choses comme elles étaient au début », a-t-il déclaré. « Il existe de nombreux processus différents dans la nature qui fonctionnent de cette façon, et les différences de pression en font partie. »
« Lorsque vous avez quelque chose comme une fusée ou un moteur à réaction, qui crée des différences de pression vraiment énormes par rapport à l’air atmosphérique… la physique va vouloir changer cela, et elle va vouloir faire correspondre ces valeurs d’une manière ou d’une autre. Et si les différences de pression sont suffisamment grandes, la seule façon pour que cela puisse se produire est avec une onde de choc ou un ventilateur d’expansion. Ce sont donc des caractéristiques d’écoulement compressibles et des vagues qui apparaissent lorsque, fondamentalement, vous avez un très grand déséquilibre de pression entre deux masses. d’air. »
« Au niveau de la mer, lorsque vous lancez une fusée, les gaz d’échappement qui sortent de la fusée sont inférieurs à la pression atmosphérique… (ce qui entraîne) des pressions de chambre très élevées. Mais ensuite, vous détendez ce gaz à travers une tuyère divergente convergente, pour accélérer. à une vitesse très élevée, car cela vous donne une poussée. Vous essayez donc d’accélérer cet échappement aussi vite que possible. Et lorsque vous faites cela, l’énergie qui était là en termes de pression est… transférée en vitesse et en élan. » Et donc vous obtenez cette poussée, mais vous perdez de la pression dans le processus. Donc ce gaz sort à une pression inférieure à la pression atmosphérique, quand il sort des pots d’échappement de la fusée. Et il est suffisamment bas où… la seule façon pour que cela peut être adapté à la pression atmosphérique avec une onde de choc, et ainsi l’air est traité par l’onde de choc.
« La raison pour laquelle vous voyez un motif en losange », a-t-il indiqué, « c’est parce que l’angle de cette onde de choc va être déterminé, en réalité uniquement par le rapport de pression. »
Combs a ensuite expliqué pourquoi les 33 moteurs Raptor de Starships étaient capables de former des diamants à mach unique lors du lancement.
« Lorsque vous voyez généralement un diamant de choc ou un diamant de mach, cela peut provenir d’un test de moteur à réaction ou d’un test de tuyère unique. (Quand vous) regardez-les de près… vous voyez le même effet de diamant de choc sur le plus petit. échelle. »
« Mais ce qui était intéressant, en particulier dans ce cas (le deuxième lancement du Starship), c’est que vous aviez 33 moteurs qui allaient ensemble, ce qui, d’après vous, créerait un environnement plutôt désordonné. Je pense que de près, c’est probablement vrai. , il y a une dynamique compliquée qui se produit là-bas.
« (Quand) vous effectuez un zoom arrière suffisamment loin, et en réalité, cela se résume à ce qu’ils (les 33 moteurs) agissent comme un seul moteur. Et vous avez donc une région de basse pression causée par le fonctionnement de tous ces moteurs. ensemble. Et cela forme cette structure de diamant Mach plus grande, en quelque sorte dans le champ lointain, lorsque vous effectuez un zoom arrière. Vous avez donc tous ces petits diamants Mini Mach de chacun de ces moteurs qui sont générés… C’est particulièrement unique, car il n’y a pas de » Il n’y a pas beaucoup de fusées… qui ont essayé de fonctionner avec autant de tuyères de fusée si étroitement assemblées… la comparaison la plus proche étant la N1 soviétique.
Il convient de noter que les images prises lors du lancement ont également formé une chaîne de diamants supplémentaires, visible ci-dessous. « Ce que vous remarquerez, si vous regardez le lancement d’une fusée, alors que cette fusée monte dans les airs… (c’est) cet angle va changer lentement avec le temps », a noté Combs.
« Et en fait, cela va lentement se rapprocher du corps de la fusée. À mesure que la fusée monte, cette pression atmosphérique va baisser parce que vous montez en altitude. Et donc cet angle de choc devient plus mince à mesure que la fusée avance. jusqu’à ce que finalement l’échappement de la fusée monte et descende tout droit, et vous ne voyez aucun type d’effet diamant. Et c’est… ce que nous appelons un échappement parfaitement dilaté. Parce que… la pression d’échappement est exactement la même que la pression ambiante à l’extérieur. « .
« Je pense que les gens sont parfois frustrés quand je dis que c’est loin », a-t-il noté à propos de Starship. « Mais vous devez comprendre… qu’il s’agit d’une technologie relativement immature à l’heure actuelle, qu’il faudra des années pour comprendre si elle ne fonctionnera jamais. Je ne pense pas nécessairement que cela ne fonctionnera jamais. Je pense que là Il y a de très gros obstacles que ces ingénieurs doivent surmonter. Et cela va prendre du temps. Je pense donc que les gens doivent un peu niveler les attentes, mais c’est certainement un projet intéressant à suivre, extrêmement ambitieux et à haut risque.
Voilà donc un examen approfondi des diamants de choc gargantuesques et de la raison pour laquelle leur apparence fusionnée lors du deuxième vol d’essai de Starship est si unique. Un merci spécial au Dr Chris Combs pour avoir pris le temps de nous fournir un aperçu aussi merveilleux sur ce sujet.
Gn En bus
