În era actuală a explorării spațiale, numele jocului este „rentabil”. Prin reducerea costurilor asociate lansărilor individuale, agențiile spațiale și companiile aerospatiale private (aka NewSpace) se asigură că accesul la spațiu este mai mare. Iar când vine vorba de costurile lansărilor, cea mai mare cheltuială este cea a propulsorului. Pentru a spune, pur și simplu, eliberarea de gravitatea Pământului necesită multă rachetă!
Pentru a aborda acest lucru, cercetătorii de la Universitatea Washington au dezvoltat recent un model matematic care descrie funcționarea unui nou mecanism de lansare: motorul de detonare rotativ (RDE). Acest design ușor oferă o eficiență mai mare în materie de combustibil și este mai puțin complicat de construit. Cu toate acestea, vine cu compromisul destul de mare de a fi prea imprevizibil pentru a fi pus în funcțiune chiar acum.
Studiul care descrie cercetările lor („Undele de detonație rotative blocate în modul: Experimente și o ecuație de model”) a apărut recent în jurnal Revista fizică E. Echipa de cercetare a fost condusă de James Koch, un student doctoral în domeniul aeronauticii și astronauticii, și a inclus Mitsuru Kurosaka și Carl Knowlen, ambii profesori ai Aeronauticii și Astronauticii din UW; și J. Nathan Kutz, profesor UW de matematică aplicată.
Într-un motor rachetă convențional, propulsorul este ars într-o cameră de aprindere și apoi canalizat din spate prin duze pentru a genera o tracțiune. Într-un RDE, lucrurile funcționează diferit, așa cum a explicat Koch într-un comunicat UW News:
„Un motor de detonare rotativ adoptă o abordare diferită a modului în care acesta arde combustibil. Este fabricat din cilindri concentrici. Propulsorul curge în golul dintre cilindri și, după aprindere, eliberarea rapidă de căldură formează o undă de șoc, un impuls puternic de gaz cu presiune și temperatură semnificativ mai mari, care se mișcă mai repede decât viteza sunetului.
Acest lucru diferențiază RDE de motoarele convenționale, care necesită o mulțime de utilaje pentru a direcționa și controla reacția de ardere, astfel încât să poată fi transformată în accelerație. Dar într-un RDE, unda de șoc generată de aprinderi creează tracțiune în mod natural și fără a fi nevoie de piese suplimentare pentru motor.
Cu toate acestea, așa cum indică Koch, câmpul motorului de detonare rotativ este încă la început și inginerii încă nu sunt siguri de ce sunt capabili. De aceea, el și colegii săi au decis să testeze conceptul, care a constat în reformarea datelor disponibile și analizarea formațiunilor de model. În primul rând, au dezvoltat un RDE experimental (prezentat mai jos), care le-a permis să controleze diferiți parametri (cum ar fi dimensiunea spațiului dintre cilindri).
Au înregistrat apoi procesele de ardere (care au durat doar 0,5 secunde pentru a finaliza de fiecare dată) cu o cameră de mare viteză. Camera a înregistrat fiecare aprindere la o viteză de 240.000 de cadre pe secundă, permițând echipei să urmărească reacțiile desfășurate în mișcare lentă. După cum a explicat Koch, el și colegii săi au descoperit că motorul a funcționat de fapt.
„Acest proces de ardere este literalmente o detonare - o explozie - dar în spatele acestei faze inițiale de pornire, vedem o serie de impulsuri stabile de combustie care continuă să consume combustibil disponibil. Aceasta produce o presiune și o temperatură ridicată care antrenează evacuarea din spate a motorului la viteze mari, ceea ce poate genera o tracțiune.
În continuare, cercetătorii au dezvoltat un model matematic pentru a imita ceea ce au observat cu experimentul lor. Acest model, primul de acest fel, a permis echipei să stabilească pentru prima dată dacă un RDE va fi stabil. Și deși acest model nu este încă pregătit pentru alți ingineri să-l folosească, ar putea permite altor echipe de cercetare să evalueze cât de performanțe vor fi performanțele specifice ale CDI.
După cum sa menționat, designul motorului are un dezavantaj, care este natura sa imprevizibilă. Pe de o parte, procesul de șocuri antrenate de combustie duce în mod natural la comprimarea șocurilor de către camera de ardere, ceea ce duce la împingere. Pe de altă parte, odată începute, detonațiile sunt violente și necontrolate - ceva care este complet inacceptabil atunci când vine vorba de rachete.
Dar, după cum a explicat Koch, această cercetare a avut un succes prin faptul că a testat acest design al motorului și i-a măsurat cantitativ comportamentul. Acesta este un prim pas bun și ar putea ajuta la deschiderea drumului către dezvoltarea și realizarea efectivă a REE.
„Scopul meu aici a fost doar de a reproduce comportamentul pulsurilor pe care le-am văzut - pentru a ne asigura că ieșirea modelului este similară cu rezultatele noastre experimentale”, a spus Koch. „Am identificat fizica dominantă și modul în care acestea se interacționează. Acum pot lua ceea ce am făcut aici și o pot face cantitativă. De acolo putem vorbi despre cum să creăm un motor mai bun. ”
Cercetarea lui Koch și a colegului său a fost posibilă datorită finanțării oferite de Biroul de Cercetări Științifice ale Forțelor Aeriene din SUA și Oficiul de Cercetări Navale. Deși este prea curând să spunem, implicațiile acestei cercetări ar putea fi de anvergură, ducând la motoare rachetă mai ușor de produs și mai rentabile. Tot ceea ce este necesar este să vă asigurați că designul motorului în sine este sigur și de încredere.
