Az űrkutatás jelenlegi korszakában a játék neve „költséghatékony”. Az egyes indítások költségeinek csökkentésével az űrügynökségek és a magánrepülő társaságok (más néven NewSpace) biztosítják, hogy nagyobb hozzáférés legyen az űrbe. És amikor az indítás költségeiről van szó, akkor az egyik legnagyobb költség a hajtógázé. Egyszerűen fogalmazva: a Föld gravitációjának megszabadulása sok rakétaüzembe jár!
Ennek megoldására a washingtoni egyetem kutatói nemrégiben kifejlesztettek egy matematikai modellt, amely leírja egy új indító mechanizmus működését: a forgó robbanómotorot (RDE). Ez a könnyű kialakítás nagyobb üzemanyag-hatékonyságot kínál, és kevésbé bonyolult a kivitelezése. Ugyanakkor a meglehetősen nagy kompromisszummal jár, hogy túlságosan kiszámíthatatlanok ahhoz, hogy most üzembe helyezhessük.
Nemrég jelent meg a folyóiratban a kutatásukat leíró tanulmány („Mode-locked rotating dettonation hullámok: Kísérletek és modell egyenlet”) Fizikai áttekintés E. A kutatócsoportot James Koch, a légiforgalmi és űrhajózás doktori hallgató vezette, és Mitsuru Kurosaka és Carl Knowlen, a légiforgalmi és űrhajózás professzorainak egyetemi tanára; J. Nathan Kutz, az UW alkalmazott matematika professzora.
Egy hagyományos rakétamotorban a hajtóanyagot egy gyújtókamrában égetik el, majd a hátulról fúvókákon keresztül vezetik, hogy tolóerőt hozzon létre. Az RDE-ben a dolgok másképp működnek, ahogy Koch kifejtette egy UW News kiadásban:
„A forgó robbanómotor eltérő megközelítést alkalmaz attól függően, hogy miként éget a hajtógáz. Koncentrikus hengerekből készül. A hajtógáz a hengerek közötti résben áramlik, és meggyulladás után a gyors hőkibocsátás sokkhullámot képez, egy erőteljes gázimpulzust jelentősen magasabb nyomással és hőmérsékleten, amely gyorsabban mozog, mint a hangsebesség.
Ez megkülönbözteti az RDE-t a hagyományos motoroktól, amelyekhez sok gépre van szükség az égési reakció irányításához és vezérléséhez, hogy az gyorsulássá válhasson. De egy RDE-ben a gyújtások által generált lökéshullám természetesen és a motor további alkatrészeinek igénybevétele nélkül hozza létre a tolóerőt.
Amint Koch rámutat, a forgó robbanómotor mező még gyerekcipőben jár, és a mérnökök még mindig nem biztosak abban, hogy mire képesek. Ezért ő és kollégái úgy döntöttek, hogy kipróbálják a koncepciót, amely a rendelkezésre álló adatok átdolgozásáról és a minta kialakulásának vizsgálatából állt. Először kifejlesztettek egy kísérleti RDE-t (lásd alább), amely lehetővé tette számukra, hogy ellenőrizzék a különböző paramétereket (például a hengerek közötti rés méretét).
Ezután nagy sebességű kamerával rögzítették az égési folyamatokat (amelyek mindössze 0,5 másodpercig tartottak, hogy az egyes esetek teljes legyen). A kamera minden gyújtást 240 000 képkocka / másodperc sebességgel rögzített, lehetővé téve a csapatnak, hogy figyelje a reakciók lassított mozgását. Ahogy Koch elmagyarázta, kollégái azt találták, hogy a motor valóban jól működött.
„Ez az égési folyamat szó szerint robbanás - robbanás -, de a kezdeti indulási szakasz mögött számos stabil égési impulzus látható, amelyek továbbra is fogyasztják a rendelkezésre álló hajtóanyagot. Ez magas nyomást és hőmérsékletet eredményez, amely nagy sebességgel kiszorítja a motor hátsó részét, ami tolóerőt generál.
Ezután a kutatók matematikai modellt dolgoztak ki, hogy utánozzák azt, amit megfigyeltek a kísérletükkel. Ez a modell, az első ilyen jellegű, lehetővé tette a csapat számára, hogy először határozza meg, hogy az RDE stabil-e. És bár ez a modell még nem áll készen arra, hogy más mérnökök felhasználhassák, ez lehetővé teheti más kutatócsoportok számára, hogy felmérjék, hogy az egyes RDE-k milyen jól teljesítenek.
Mint megjegyeztük, a motor kialakításának van hátránya, ami kiszámíthatatlan jellege. Egyrészről, az égés által vezérelt ütések folyamata természetesen ahhoz vezet, hogy az ütések az égési kamrában összenyomódnak, ami tolóerőt eredményez. Másrészt, amint elindultak, a robbantások heves és ellenőrizetlenek - ez teljesen elfogadhatatlan a rakétáknál.
De amint Koch elmagyarázta, ez a kutatás abban a tekintetben volt sikeres, hogy kipróbálta ezt a motortervezést és kvantitatív módon mérte viselkedését. Ez jó első lépés, és elősegítheti az utat az RDE-k tényleges fejlesztése és megvalósítása felé.
"Célom itt kizárólag az általunk látott impulzusok viselkedésének reprodukálása volt - annak biztosítása érdekében, hogy a modell kimenete hasonló legyen a kísérleti eredményekhez" - mondta Koch. „Meghatároztam a domináns fizikát és azt, hogy miként működnek egymással. Most el tudom venni azt, amit itt csináltam, és számszerűsíthetem. Innentől beszélhetünk arról, hogyan lehetne jobb motort készíteni. ”
Koch és kollégája kutatása az Egyesült Államok Légierő Tudományos Kutatási Hivatala és a Haditengerészeti Kutatási Hivatal által nyújtott finanszírozásnak köszönhetően vált lehetővé. Még túl korai lenne azt mondani, hogy ennek a kutatásnak a következményei messzemenőek lehetnek, könnyebb gyártású és költséghatékonyabb rakétamotorokat eredményezve. Csak annyit kell biztosítani, hogy a motor tervezése biztonságos és megbízható.
