У сучасну епоху дослідження космосу назва гри - «економічно вигідна». Скорочуючи витрати, пов'язані з окремими запусками, космічні агенції та приватні аерокосмічні компанії (ака. NewSpace) забезпечують збільшення доступу до космосу. А що стосується вартості пусків, то найбільшим витратом є витрата палива. Простіше кажучи, вирватися до сили тяжіння Землі вимагає багато ракетного палива!
Для вирішення цього питання недавно дослідники Вашингтонського університету розробили математичну модель, яка описує роботу нового механізму запуску: двигуна обертової детонації (RDE). Ця легка конструкція пропонує більшу економічність палива і менш складна в конструкції. Однак, це стосується досить великого компромісу, який є надто непередбачуваним, щоб його можна було зараз ввести в експлуатацію.
Дослідження, яке описує їх дослідження ("Обертові хвилі детонації, що обертаються режимом: експерименти та рівняння моделі"), нещодавно з'явилося в журналі Фізичний огляд E. Дослідницьку групу очолював Джеймс Кох, докторант з аеронавтики та космонавтики, і включав Міцуру Куросаку та Карл Ноулен, обидва викладачі з аеронавтики та космонавтики. та Дж. Натан Куц, професор прикладної математики в Університеті.
У звичайному ракетному двигуні пальне спалюється в камері запалювання, а потім направляється зі спини через форсунки для створення тяги. У RDE все працює інакше, як пояснив Кох у випуску новин UW:
"Двигун, що обертається, детонації застосовує інший підхід до способу спалювання палива. Він виготовлений із концентричних циліндрів. Паливо протікає в зазорі між циліндрами, і після запалювання швидке виділення тепла утворює ударну хвилю, сильний імпульс газу зі значно більшим тиском і температурою, що рухається швидше, ніж швидкість звуку.
Це виділяє RDE, крім звичайних двигунів, яким потрібно багато техніки для управління та контролю реакції горіння, щоб вона могла перетворитися на прискорення. Але в RDE ударна хвиля, що створюється запаленнями, створює тягу природно і без необхідності в додаткових деталях двигуна.
Однак, як вказує Кох, поле двигуна, що обертається, детонаційне ще знаходиться в зародковому стані, і інженери все ще не впевнені, на що вони здатні. Отже, він і його колеги вирішили перевірити концепцію, яка полягала у переробці наявних даних та перегляді моделей. По-перше, вони розробили експериментальний RDE (показаний нижче), який дозволив їм контролювати різні параметри (наприклад, розмір зазору між циліндрами).
Потім вони записували процеси горіння (що займало лише 0,5 секунди для завершення кожного разу) за допомогою високошвидкісної камери. Камера фіксувала кожне запалювання зі швидкістю 240 000 кадрів в секунду, що дозволяє команді спостерігати, як реакції розгортаються у повільному темпі. Як пояснив Кох, він та його колеги виявили, що двигун насправді спрацював добре.
«Цей процес горіння є буквально детонацією - вибухом, - але, позаду цієї початкової фази пуску, ми бачимо низку стабільних імпульсів згоряння, які продовжують споживати доступне пальне. Це створює високий тиск і температуру, які виганяють вихлопні частини двигуна з високими швидкостями, що може створювати тягу.
Далі, дослідники розробили математичну модель, щоб імітувати те, що вони спостерігали під час свого експерименту. Ця модель, перша в своєму роді, дозволила команді вперше визначити, чи буде RDE стабільним. І хоча ця модель ще не готова для використання інженерами, вона може дозволити іншим дослідницьким групам оцінити, наскільки добре працюватимуть конкретні RDE.
Як зазначалося, конструкція двигуна має і зворотний бік, що є його непередбачуваним характером. З одного боку, процес ударів, спричинених горінням, природно призводить до стиснення ударів камерою згоряння, що призводить до тяги. З іншого, щойно розпочалися, детонації бувають насильницькими та неконтрольованими - те, що зовсім неприпустимо, якщо мова йде про ракети.
Але, як пояснив Кох, це дослідження мало успіх у тому, що воно випробувало цю конструкцію двигуна і кількісно виміряло його поведінку. Це хороший перший крок і може допомогти прокласти шлях до реальної розробки та реалізації RDE.
"Моя мета тут полягала лише у тому, щоб відтворити поведінку імпульсів, які ми бачили - переконатися, що вихід моделі аналогічний нашим експериментальним результатам", - сказав Кох. «Я визначив домінуючу фізику і те, як вони взаємодіють. Тепер я можу взяти те, що я тут зробив, і зробити це кількісним. Звідти ми можемо поговорити про те, як зробити кращий двигун ».
Дослідження Коха та його колеги стало можливим завдяки фінансуванню, наданому Управлінням наукових досліджень ВВС США та Управлінням військово-морських досліджень. Хоча говорити поки що рано, наслідки цього дослідження можуть бути далекосяжними, в результаті чого ракетні двигуни простіші у виробництві та економічніші. Все, що потрібно - це забезпечити безпеку та надійність конструкції самого двигуна.
