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Le cœur du SR-71 "Blackbird" : le puissant réacteur J-58

Genèse

1.3 : Les essais

par  Philippe Ricco

Malgré les importantes difficultés inhérentes à ce programme ambitieux, le premier prototype du A-12 fut prêt en moins de deux ans. De son côté, la mise au point du JT-11 était plus lente et les premiers vols du A-12, en 1962, durent être effectués avec des Pratt & Whitney J-75, deux fois moins puissants, mais ayant déjà fait leurs preuves. Le premier vol du A-12 eut lieu le 26 avril 1962, 3 mois avant la fin des essais préalables à l'avionnage des nouveaux moteurs, 3 ans et 4 mois après le feu vert gouvernemental.

De nombreux tests furent menés sur des moteurs prototypes ou préséries avant de pouvoir entreprendre les essais en vol sur le A-12. L'un des problèmes à surmonter résidait dans le fait qu'aucun moteur n'ayant jusqu'alors exploré ces domaines de performances, aucune réglementation n'était prévue. Pratt & Whitney dut non seulement mettre au point son moteur, mais aussi en même temps les procédures de validation. Parmi les innombrables tests, figurent des essais d'endurance, dont le fonctionnement continu au régime maximum durant 150 heures.

Aucun banc d'essais ne permettant de simuler les échauffements rencontrés en opération, il fallu en concevoir un spécialement. La solution adoptée consista à utiliser l'échappement d'un réacteur J-75 pour alimenter en air brûlant l'intérieur et l'enveloppe du J-58 en cours d'expérimentation. De plus, l'instrumentation disponible ne permettait pas d'obtenir les résultats voulus en temps réel. Au fur et à mesure que Pratt & Whitney développait des appareillages de mesure plus résistants et des moyens de calibration plus adaptés, des résultats bien plus précis purent être enregistrés. Lockheed fut bien entendu tenu au courant des progrès et de l'exploitation des données.

En juillet 1962 s'achevaient avec succès les derniers tests avant-vol. Ce n'est qu'en janvier 1963, neuf mois après le premier vol du A-12 que le 60-6924 reçut le premier J-58 dans la nacelle droite afin que ce dernier effectue ses premiers essais en vol.

Dès le démarrage, le J-58 fit des siennes. À cause de la géométrie particulière des nacelles et de l'appétit démesuré du JT-11, le compresseur manquait d'air. Les modèles de souffleries ne prenaient pas bien en compte le flux d'air nécessaire aux propulseurs. Le réacteur se mit à aspirer ce qui lui manquait par l'arrière, par l'intermédiaire des conduits de dérivation. Au début, ce problème obligea Lockheed à démarrer le J-58 en maintenant certaines trappes d'accès ouvertes, en attendant de modifier les carénages en y ajoutant deux prises d'air additionnelles, en aval du compresseur, pour éliminer les ennuis de mise en route. Le premier A-12 vola ainsi plusieurs mois encore avec un J-75 et un J-58, jusqu'à ce que ce dernier ait fait ses preuves.

Mais les plus grandes difficultés apparurent lors des essais en vol. Le J-58 se révéla très sensible à l'ingestion de débris. À cause de sa grande puissance, son appétit en air démesuré et son système d'admission tortueux à travers la structure complexe de la nacelle, le moindre écrou, boulon ou fragment de métal oublié lors de l'usinage était aspiré à la mise en route, avec des conséquences dévastatrices. Le moindre gravier ou morceau d'asphalte présent sur la piste au roulage ou sur le taxiway provoquait des dégâts catastrophiques. De nombreuses mésaventures ponctuèrent ainsi les premiers tests, allant de l'ingestion de gravillons et débris divers, jusqu'à l'insigne du constructeur qui dût être déplacé pour ne plus risquer d'être avalé. Un jour, un inspecteur dont la tâche était précisément d'éliminer de tels débris dans les entrées d'air, y oublia sa lampe de poche. Celle-ci fut avalée au démarrage par le compresseur. Le montant des réparations s'éleva à 250 000 $. Une campagne intensive de lutte contre les corps étrangers de toute sorte fut alors entreprise à tous les stades de la fabrication et des opérations de mise en œuvre. Des tests furent pratiqués en secouant la nacelle lors de sa construction, des rideaux de protection furent disposés un peu partout, ainsi que des panneaux de mise en garde du personnel travaillant dans les ateliers, la piste et ses abords furent systématiquement balayés et inspectés par deux fois avant toute mise en route des moteurs... Le problème fut ainsi réduit à des proportions nettement plus raisonnables.

Le système assez complexe des entrées d'air rendait très difficile l'alimentation régulière du compresseur. Il s'ensuivit de violentes extinctions, provoquant de nombreuses embardées de l'avion. Ce problème chronique des Blackbird ne put être à peu près résolu qu'avec le perfectionnement des ordinateurs qui permirent de compenser les moindres variations d'alimentation pour éviter les extinctions intempestives. Cela obligea Lockheed à remplacer les systèmes pneumatiques de contrôle des entrées d'air par des systèmes électroniques plus efficaces, en dépit des difficultés dues à la chaleurs et aux vibrations. Néanmoins, cet aspect resta l'un des points critiques du vol à basse altitude, qui rendait le maniement du SR-71 assez délicat.

Bien d'autres problèmes de mise au point intervinrent durant la phase des essais en vol. Kelly Johnson raconte que lors de l'un des premiers vols, à la suite d'une extinction, un A-12 dut se poser d'urgence, mais l'enveloppe du réacteur refroidissant plus vite que le corps lui-même, les aubes du compresseur vinrent toucher la paroi rétrécie. Cela provoqua "
l'un des plus formidables feux d'artifice du monde", selon les propres termes de l'ingénieur en chef des Skunk Works. Pour éviter qu'un tel événement ne se reproduise, le pilote devait maintinir la puissance durant la phase de descente, afin d'empêcher un refroidissement trop rapide lors de la décélération. En cas d'urgence, le pilote devait couper carrément les gaz pour rejoindre rapidement une altitude de sécurité.

Les hautes températures rencontrées lors des essais en vol obligèrent les ingénieurs à développer des instruments de mesures adéquats ou, à défaut, d'adapter ceux disponibles aux difficiles conditions d'environnement rencontrées par le J-58 en fonctionnement, et pour lesquelles ils n'étaient pas étudiés. C'est ainsi que des installations d'essais durent être réfrigérées par un système de refroidissement par eau, spécialement installé à cet effet, juste afin de pouvoir obtenir les données nécessaires à la phase de mise au point. Plusieurs millions de points de mesures furent ainsi relevés durant la phase d'essais, en particulier pour étudier le comportement de l'entrée d'air et de la tuyère.

Plus tard, un second J-58 prit place dans la nacelle gauche, remplaçant le J-75 restant. Si les premiers essais laissaient présager des difficultés et pouvaient faire craindre des performances inférieures à celles attendues, la suite apaisa petit à petit toutes les craintes, grâce aux efforts conjoints de Pratt & Whitney et de Lockheed. Le pilote d'essais Bill Parks, qui a procédé aux premiers essais à Mach 3 pour la société Lockheed, disait qu'il disposait d'une puissance propulsive de plus du double de celle des moteurs combinés du "Queen Mary".

D'importantes usures et fissures du long arbre de transmission reliant le moteur à son boîtier de commande déporté posèrent également de nombreux problèmes, avec les torsions et la fatigue importante des paliers de maintient de l'arbre. Les ingénieurs motoristes durent se rendre à l'évidence qu'ils étaient dans l'incapacité de connaître avec précision la position relative du boîtier et du moteur durant les phases opérationnelles, la puissance de calcul disponible à l'époque étant insuffisante. Des mesures furent donc réalisées en vol. Ils constatèrent avec étonnement un déplacement d'une bonne dizaine de centimètres (4 in) du boîtier mécanique par rapport au réacteur durant les phases de vol à grande vitesse. C'était bien plus que ne pouvait en supporter l'arbre de transmission. Il n'était donc pas étonnant de le trouver régulièrement tordu. Le problème fut résolu par l'adjonction d'un double joint sur un nouvel arbre reliant les deux éléments.

Le système de carburant, en avant des moteurs, donna lui aussi des signes de fatigue et de distorsion. Des mesures effectuées à l'aide d'un enregistreur rapide montrèrent que les niveaux de pression du carburant envoyé dans le réacteur dépassaient leurs limites. Cette surpression provenait d'un refoulement du système hydraulique du moteur. Ce phénomène n'était pas apparu lors des tests de gavage ni durant les tests moteurs au sol car seules de petites quantités de liquide avaient été employées. Pour en venir à bout, Lockheed inventa une "
éponge hautes températures", (immédiatement surnommée "football") qui fut installée dans un accumulateur en amont du réacteur. Les pointes de pression furent ainsi ramenées à des niveaux acceptables.

Les principales difficultés rencontrées en vol provinrent des phases transsoniques, où il est très difficile de corréler les tests en soufflerie et les essais en vol. Certaines manœuvres entraînèrent des dégradations importantes des alignements moteurs, comme si la moitié externe de la nacelle tournait autour du réacteur. Le motoriste dut redessiner l'attache de l'arrière du propulseur. Les rails de fixation situés sur le dessus du réacteur, renforcés par une liaison de stabilisation entre le réacteur et la cellule, furent remplacés par des fixations tangentielles entre la partie inférieure de l'enveloppe moteur et la partie externe de la nacelle. Une distance bien définie était ainsi maintenue entre les deux, dans tous les cas.

Curieusement, Pratt & Whitney était si obsédé par les hautes températures et la quasi-impossibilité de refroidissement que ses ingénieurs en arrivèrent à négliger le fait que, dans certaines phases, le carburant était froid alors que l'environnement était chaud, et inversement. Lorsque cela se produisait, le système de contrôle d'alimentation en combustible se mettait à mal fonctionner. Pour corriger cela, il fallut réchauffer le contrôleur central à partir de l'environnement et modifier la réponse des servos.

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Aérostories 2002                                                                    > suite

Sommaire du dossier

1 : Genèse

> 1.1 Développement
> 1.2 Évolutions
> 1.3  Les essais
> 1.4  Perfectionnements
> 1.5  Projets et dérivés
> 1.6  Notes sur les désignations

2 : Description technique

> 2.1  Le compresseur
> 2.2  La chambre de combustion
> 2.3  La turbine
> 2.4  La postcombustion
> 2.5  Le dispositif de dérivation
> 2.6  Équipements et accessoires
> 2.7  Régulation
> 2.8  Lubrification
> 2.9  Le carburant
> 2.10 Performances

3 : Utilisation (à paraître : N°13)

> 3.1 Introduction
> 3.2 Le combiné turbo-stato de Pratt & Whitney
> 3.3 L'entrée d'air
> 3.4 La tuyère
> 3.5 En vol
> 3.6 Désamorçages
> 3.7 Commande automatique
> 3.8 Mise à jour des techniques
> 3.9 Préparatifs

4 : En savoir plus sur le SR-71

Pour mener à bien les essais "hautes températures" du J-58, un banc fut spécialement mis en place à Wilgoos pour envoyer l'air brûlant d'un J-75 directement vers un J-58.
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Lockheed

Le J-58 était un réacteur conçu pour fonctionner en continu à Mach 3, PC allumée durant tout le vol, ce qui donne des résultats très spectaculaires: on voit ici un J-58-P2 au banc, de nuit, avec la PC portée au rouge. On distingue très bien les ondes de choc dites "en diamant" dans le flux brûlant. ©Pratt & Whitney               Clic

L'insigne métallique d'un J-58 presque intact, après absorption par son compresseur. Par la suite, la marque fut apposée directement contre le carter, par gravure.
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Lockheed

Quelques exemples de débris absorbés lors des essais au roulage par un J-58: éléments de tournevis, graviers, morceaux de bitume…
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Lockheed

Entrée d'air d'un J-58 après le passage intempestif d'une lampe de poche oubliée par un inspecteur chargé de vérifier qu'aucun élément ne traînait… Montant des dégâts: 250 000 $.
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Lockheed

Aube du premier étage de compresseur du même J-58 après l'impact de la lampe de poche.
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Lockheed

Ci-dessus : Cette superbe vue des ateliers de montage des SR-71 fait apparaître quelques unes des mesures de précaution mises en place à la suite des problèmes rencontrés par les puissants J-58 lors des premiers essais.
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Lockheed                                                  Clic 

Ci-dessous : En particulier, Lockheed mit en place une vaste campagne de sensibilisation des personnels travaillant à la fabrication des SR-71, avec entre autres de grands panneaux rappelant de faire très attention aux "FOD": foreign objects damage (corps étrangers destructeurs).
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Lockheed                                                     Clic

La version finale du J-58: le J-58-P4, alias JT11-D20B, avec ses six conduits de dérivation caractéristiques.
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Pratt & Whitney