W obecnej erze eksploracji kosmosu nazwa gry jest „opłacalna”. Poprzez zmniejszenie kosztów związanych z poszczególnymi startami, agencje kosmiczne i prywatne firmy z branży lotniczej (aka NewSpace) zapewniają większy dostęp do przestrzeni kosmicznej. A jeśli chodzi o koszt uruchomienia, największy koszt to propelent. Mówiąc prościej, uwolnienie się do ziemskiej grawitacji wymaga dużo paliwa rakietowego!
Aby temu zaradzić, naukowcy z University of Washington niedawno opracowali model matematyczny opisujący działanie nowego mechanizmu odpalającego: wirującego silnika detonacyjnego (RDE). Ta lekka konstrukcja zapewnia większą oszczędność paliwa i jest mniej skomplikowana w budowie. Jednak wiąże się z dość dużym kompromisem polegającym na tym, że jest zbyt nieprzewidywalny, aby można go było teraz uruchomić.
Badanie, które opisuje ich badania („Zablokowane modem obrotowe fale detonacyjne: eksperymenty i równanie modelowe”) pojawiło się niedawno w czasopiśmie Przegląd fizyczny E. Zespół badawczy był kierowany przez Jamesa Kocha, doktoranta UW z aeronautyki i astronautyki, w skład którego wchodzili Mitsuru Kurosaka i Carl Knowlen, obaj profesorowie UW z Aeronautyki i Astronautyki; oraz J. Nathan Kutz, profesor matematyki stosowanej na UW.
W konwencjonalnym silniku rakietowym paliwo jest spalane w komorze zapłonowej, a następnie kierowane z tyłu przez dysze w celu wytworzenia ciągu. W RDE wszystko działa inaczej, jak Koch wyjaśnił w komunikacie UW News:
„Obrotowy silnik detonacyjny stosuje inne podejście do sposobu spalania paliwa. Wykonany jest z koncentrycznych cylindrów. Pędnik przepływa przez szczelinę między cylindrami, a po zapłonie szybkie uwalnianie ciepła tworzy falę uderzeniową, silny puls gazu o znacznie wyższym ciśnieniu i temperaturze, który porusza się szybciej niż prędkość dźwięku.
To odróżnia RDE od konwencjonalnych silników, które wymagają wielu maszyn do kierowania reakcją spalania i kontrolowania jej, tak aby można ją było przekształcić w przyspieszenie. Ale w RDE fala uderzeniowa generowana przez stacyjki wytwarza ciąg naturalnie i bez potrzeby stosowania dodatkowych części silnika.
Jednak, jak wskazuje Koch, pole wirującego silnika detonacyjnego jest jeszcze w powijakach, a inżynierowie wciąż nie są pewni, do czego są zdolni. Stąd też on i jego koledzy postanowili przetestować koncepcję, która polegała na przekształceniu dostępnych danych i przyjrzeniu się formacjom wzorów. Po pierwsze, opracowali eksperymentalny RDE (pokazany poniżej), który pozwolił im kontrolować różne parametry (takie jak wielkość szczeliny między cylindrami).
Następnie zarejestrowali procesy spalania (których ukończenie zajęło tylko 0,5 sekundy) za pomocą kamery o wysokiej prędkości. Kamera rejestrowała każdy zapłon w tempie 240 000 klatek na sekundę, umożliwiając zespołowi obserwowanie reakcji zachodzących w zwolnionym tempie. Jak wyjaśnił Koch, on i jego koledzy stwierdzili, że silnik rzeczywiście działał dobrze.
„Ten proces spalania jest dosłownie detonacją - eksplozją - ale za tą początkową fazą rozruchu widzimy szereg stabilnych impulsów spalania, które nadal zużywają dostępny gaz pędny. Powoduje to wytwarzanie wysokiego ciśnienia i temperatury, które napędzają wydech z tyłu silnika przy dużych prędkościach, co może generować ciąg.
Następnie naukowcy opracowali model matematyczny naśladujący to, co zaobserwowali podczas eksperymentu. Ten model, pierwszy w swoim rodzaju, pozwolił zespołowi ustalić po raz pierwszy, czy RDE będzie stabilny. I chociaż ten model nie jest jeszcze gotowy do użycia przez innych inżynierów, może pozwolić innym zespołom badawczym ocenić, jak dobrze będą działać określone RDE.
Jak wspomniano, konstrukcja silnika ma wadę, która jest nieprzewidywalna. Z jednej strony proces wyładowań spowodowanych spalaniem w naturalny sposób prowadzi do ściskania wyładowań przez komorę spalania, co skutkuje ciągiem. Z drugiej strony, po uruchomieniu detonacje są gwałtowne i niekontrolowane - co jest całkowicie nie do przyjęcia, jeśli chodzi o rakiety.
Ale jak wyjaśnił Koch, badania te zakończyły się sukcesem, ponieważ przetestowały ten silnik i ilościowo zmierzyły jego zachowanie. To dobry pierwszy krok i może pomóc utorować drogę do faktycznego rozwoju i realizacji RDE.
„Moim celem było wyłącznie odtworzenie zachowania impulsów, które widzieliśmy - aby upewnić się, że wyniki modelu są podobne do naszych wyników eksperymentalnych”, powiedział Koch. „Zidentyfikowałem dominującą fizykę i sposób ich wzajemnego oddziaływania. Teraz mogę wziąć to, co tutaj zrobiłem, i uczynić to ilościowym. Stamtąd możemy porozmawiać o tym, jak stworzyć lepszy silnik. ”
Badania Kocha i jego kolegi były możliwe dzięki funduszom zapewnionym przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych USA i Biuro Badań Marynarki Wojennej. Chociaż jest jeszcze za wcześnie, aby powiedzieć, implikacje tych badań mogą być dalekosiężne, w wyniku czego silniki rakietowe są łatwiejsze do wyprodukowania i bardziej opłacalne. Wszystko, czego potrzeba, to upewnić się, że sama konstrukcja silnika jest bezpieczna i niezawodna.
