I den aktuella eran av rymdutforskning är spelets namn "kostnadseffektivt." Genom att minska kostnaderna för individuella lanseringar säkerställer rymdbyråer och privata flyg- och rymdföretag (aka NewSpace) att tillgången till rymden blir större. Och när det gäller kostnaden för lanseringar är den enskilt största kostnaden för drivmedel. För att uttrycka det enkelt, att bryta sig fri från jordens tyngdkraft tar mycket raketbränsle!
För att ta itu med detta utvecklade forskare vid University of Washington nyligen en matematisk modell som beskriver hur en ny lanseringsmekanism fungerar: den roterande detonationsmotorn (RDE). Denna lätta design erbjuder större bränsleeffektivitet och är mindre komplicerad att konstruera. Men det kommer med den ganska stora avvägningen av att vara för oförutsägbar för att tas i bruk just nu.
Studien som beskriver deras forskning ("Mode-låst roterande detonationsvågor: Experiment och en modellekvation") dykte nyligen upp i tidskriften Fysisk granskning E. Forskningsteamet leddes av James Koch, en UW-doktorand i flyg- och astronautik, och inkluderade Mitsuru Kurosaka och Carl Knowlen, båda UW-professorer i aeronautics & astronautics; och J. Nathan Kutz, en UW-professor i tillämpad matematik.
I en konventionell raketmotor bränns drivmedel i en tändkammare och kanaliseras sedan utifrån genom munstycken för att generera tryck. I en RDE fungerar saker annorlunda, som Koch förklarade i en UW News-release:
”En roterande detonationsmotor har en annan inställning till hur den förbränner drivmedel. Den är gjord av koncentriska cylindrar. Drivmedel flyter i mellanrummet mellan cylindrarna, och efter tändning bildar den snabba värmeavgivningen en chockvåg, en stark gaspuls med betydligt högre tryck och temperatur som rör sig snabbare än ljudets hastighet.
Detta skiljer RDE från konventionella motorer, som kräver mycket maskiner för att styra och kontrollera förbränningsreaktionen så att den kan förvandlas till acceleration. Men i en RDE skapar chockvågen som genereras av tändningarna kraftigt naturligt och utan behov av ytterligare motordelar.
Men som Koch indikerar är det roterande detonationsmotorfältet fortfarande i sin barndom och ingenjörerna är fortfarande inte säkra vad de kan. Därför beslutade han och hans kollegor att testa konceptet, som bestod av att omarbeta tillgängliga data och titta på mönsterformationer. Först utvecklade de en experimentell RDE (visas nedan) som tillät dem att kontrollera olika parametrar (som storleken på mellanrummet mellan cylindrarna).
De spelade sedan in förbränningsprocesserna (som bara tog 0,5 sekunder att slutföra varje gång) med en höghastighetskamera. Kameran spelade in varje tändning med en hastighet av 240 000 bilder per sekund, vilket gör det möjligt för teamet att se reaktionerna utvecklas i långsam rörelse. Som Koch förklarade fann han och hans kollegor att motorn faktiskt fungerade bra.
”Denna förbränningsprocess är bokstavligen en detonation - en explosion - men bakom denna inledande startfas ser vi ett antal stabila förbränningspulser som fortsätter att konsumera tillgängligt drivmedel. Detta producerar högt tryck och temperatur som driver utloppet från motorns baksida med höga hastigheter, vilket kan generera drivkraft.
Därefter utvecklade forskarna en matematisk modell för att härma vad de observerade med sitt experiment. Denna modell, den första i sitt slag, gjorde det möjligt för laget att bestämma för första gången om en RDE skulle vara stabil. Och även om den här modellen ännu inte är redo för andra ingenjörer att använda, kan den göra det möjligt för andra forskargrupper att bedöma hur väl specifika RDE: er kommer att prestera.
Som nämnts har motordesignen en nackdel, vilket är dess oförutsägbara karaktär. Å ena sidan leder processen med förbränningsdrivna chocker naturligtvis till komprimering av chockerna av förbränningskammaren, vilket resulterar i tryck. Å andra sidan är detonationerna våldsamma och okontrollerade när de börjat - något som är helt oacceptabelt när det gäller raketer.
Men som Koch förklarade var denna forskning en framgång genom att den testade denna motordesign och mätte sitt beteende kvantitativt. Detta är ett bra första steg och kan hjälpa till att bana vägen mot den faktiska utvecklingen och realiseringen av RDE: er.
"Mitt mål här var enbart att reproducera beteendet hos de pulser vi såg - att se till att modellutgången liknar våra experimentella resultat," sade Koch. ”Jag har identifierat den dominerande fysiken och hur de samverkar. Nu kan jag ta det jag har gjort här och göra det kvantitativt. Därifrån kan vi prata om hur man gör en bättre motor. ”
Koch och hans kollegas forskning möjliggjordes tack vare finansiering från U.S. Air Force Office of Scientific Research och Office of Naval Research. Det är för tidigt att säga, men konsekvenserna av denna forskning kan vara långtgående och resultera i raketmotorer som är lättare att producera och mer kostnadseffektiva. Allt som behövs är att se till att själva motordesignen är säker och pålitlig.
