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Juil
29

Un réacteur sur le dos

Est il possible de voler avec un réacteur sur le dos ? Depuis les années 60, nous savons que ce rêve n’est pas réservé au héros de bande dessinée Rocketeer. Depuis la Bell Rocket Belt de 1960 et ses 40 secondes d’autonomie, les développements ont continué et aujourd’hui, il est possible de rester en l’air plus d’une demi heure avec les descendants du jetpack originel.

La physique du vol à réaction

Pour comprendre les limitations physiques du vol à réaction, commençons par une estimation d’ordre de grandeur

  • Pour soulever une personne d’une masse de 100 kilogrammes (avec équipement), il faut une force de 1 000 newtons.
  •  Si le fluide propulseur est éjecté à une vitesse de 1 000 mètres par seconde, il faut un débit de un kilogramme de matière par seconde
  • Cela correspond à l’équivalent d’un mètre cube d’air par seconde  (à pression atmosphérique).
  •  La section totale des tuyeres doit donc être de dix centimètres carrés. Soit deux tuyères d’environ 3 centimètres de diamètre.
  • L’énergie cinétique du gaz éjecté par seconde, qui est au rendement près la puissance requise du moteur, est de un demi-mégawatt, soit 700 chevaux.
Ces chiffres correspondent à peu de chose près à la Rocket Belt initiale. Pour aller un peu plus loin et comprendre comment on peut faire évoluer le dispositif, un calcul est nécessaire.

Pour une tuyère de section S ejectant un fluide de masse volumique \rho à une vitesse  V,

  • le débit massique, c’est à dire la masse ejectée par unité de temps est D_m=\rho VS.
  • La force propulsive S est la quantité de mouvement de cette masse ejectée par unité de temps est le produit de cette masse par la vitesses soit F=\rho V^2 S
  • La puissance P nécessaire à propulser cette masse est son énergie cinétique, soit : \mathcal{P}=\frac{1}{2}D_m V^2 ou encore \mathcal{P}=\frac{1}{2}\rho V^3 S

Il est alors possible d’éliminer la vitesse d’éjection du fluide propulseur entre l’expression de la force et celle de la puissance pour obtenir une relation qui donne la puissance nécessaire à exercer une force donnée en connaissant la masse volumique du fluide et la section des tuyères : \mathcal{P}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{F^{3} }{\rho\cdot S}} . Pour obtenir une même force propulsive avec une puissance moindre, il suffit soit d’augmenter la masse volumique du fluide (JetLev Flyer) soit d’augmenter la section des tuyères (Martin Jetpack).

La Bell Rocket Belt

Schéma d'une rocket belt (jet pack) pour le brevet USA No 3243144 déposé en 1966. (Document wikimedia).

Développé dans les années 60, présenté en démonstration en 1984 aux jeux Olympiques de Los Angeles, la Bell Rocket Belt est un dispositif très compact. La puissance nécessaire était obtenue grâce à une réaction chimique : la décomposition de peroxyde d’hydrogène (H2O2) à l’aide d’un catalyseur tel que l’argent. En moins d’un dixième de seconde, le liquide se décompose en eau et oxygène selon la réaction 2 H2O2 —> 2 H2O + O2 ; on obtient un gaz (mélange de vapeur d’eau et d’oxygène) à près de 750 °C et à la pression de 20 atmosphères.

L’avantage de ce procédé est qu’il est beaucoup moins dangereux et plus facile à mettre au point qu’un réacteur ordinaire à combustion, dont la température est bien plus élevée. En revanche, toute la matière éjectée doit être emportée dans le réservoir. En utilisant les estimations faites au paragraphe précédent, cela signifie qu’une quarantaine de kilogrammes de peroxyde d’hydrogène assurent une quarantaine de secondes d’autonomie.

Le JetLev Flyer

« Ever dreamed about flying !  (Vous avez toujours rêvé de voler ! )
Stop Dreaming  ( Arrêtez de rêver )
Start Flying  » (Commencez à voler)
(Publicité pour le JetLev Flyer)

Pour parvenir à ce résultat impressionnant, deux idées : remplacer comme fluide propulseur l’air par de l’eau, dont la masse volumique est mille fois plus importante, et débarrasser le pilote du moteur et du réservoir en le plaçant dans une petite embarcation. Le prix à payer est de devoir voler au dessus d’une étendue d’eau dans laquelle l’eau est pompée, et de tirer dans son dos un tuyau d’une quinzaine de mètres de long. Pour une activité de loisir, ces deux contraintes ne sont pas trop lourdes. Seul le prix, de l’ordre de 100 000 euros reste conséquent !

 

Le site du jetlev flyer : http://www.jetlev-flyer.com/

Le Martin Jetpack

 

Un autre choix est d’augmenter le diamètre des tuyères d’éjection. La puissance nécessaire est alors beaucoup moins importante. Cela permet d’utiliser des hélices pour propulser l’air vers le bas et autorise une autonomie bien plus grande que le jetpack originel. Le prix à payer est un encombrement bien plus important.

Un vol de démonstration en interieur

 

Un vol en extérieur jusqu’à l’altitude de 1500 mètres.

 

Le site du Martin Jetpack : http://martinjetpack.com/

 

 

 

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