Avaruustutkimuksen nykykaudella pelin nimi on ”kustannustehokas”. Vähentämällä yksittäisiin laukaisuihin liittyviä kustannuksia, avaruusjärjestöt ja yksityiset ilmailuyritykset (alias NewSpace) varmistavat, että pääsy avaruuteen on suurempi. Ja kun kyse on laukaisuista, suurin kustannus on ponneaineella. Yksinkertaisesti sanottuna, vapautuminen maan painovoimasta vie paljon rakettipolttoainetta!
Tämän ratkaisemiseksi Washingtonin yliopiston tutkijat kehittivät äskettäin matemaattisen mallin, joka kuvaa uuden laukaisumekanismin: pyörivän räjäytysmoottorin (RDE) toimintaa. Tämä kevyt muotoilu tarjoaa paremman polttoainetaloudellisuuden, ja sen rakentaminen on vähemmän monimutkaista. Siihen liittyy kuitenkin suhteellisen suuri kompromissi siitä, että se on liian arvaamaton, jotta se voidaan ottaa käyttöön juuri nyt.
Tutkimus, joka kuvaa heidän tutkimustaan (”Moodilukitut pyörivät räjähdysaallat: Kokeet ja malliyhtälö”), ilmestyi äskettäin lehdessä Fyysinen arviointi E. Tutkimusryhmää johti UW: n ilmailun ja astronautian jatko-opiskelija James Koch. Tutkimustyöryhmään kuuluivat Mitsuru Kurosaka ja Carl Knowlen, molemmat UW: n ilmailun ja astronautian professorit; ja J. Nathan Kutz, UW: n soveltavan matematiikan professori.
Tavanomaisessa rakettimoottorissa polttoaine poltetaan sytytyskammiossa ja kanavoidaan sitten takaa suuttimien kautta työntövoiman tuottamiseksi. RDE: ssä asiat toimivat eri tavalla, kuten Koch selitti UW News -julkaisussa:
”Pyörivä räjähdysmoottori suhtautuu eri tavalla siihen, kuinka se polttaa ponneainetta. Se on tehty samankeskisistä sylintereistä. Ponneaine virtaa sylinterien välisessä raossa, ja syttymisen jälkeen nopea lämmönvapautus muodostaa iskun aallon, voimakkaan kaasupulssin, jolla on huomattavasti korkeampi paine ja lämpötila ja joka liikkuu äänen nopeutta nopeammin.
Tämä erottaa RDE: n perinteisistä moottoreista, jotka vaativat paljon koneita palamisreaktion ohjaamiseksi ja ohjaamiseksi, jotta se voidaan muuttaa kiihdytykseksi. Mutta RDE: ssä, sytytysten muodostama iskuaalto luo työntövoimaa luonnollisesti ilman moottorin lisäosien tarvetta.
Kuten Koch toteaa, pyörivä räjähdysmoottorikenttä on kuitenkin vielä alkuvaiheessa ja insinöörit eivät ole vielä varmoja mihin kykenevät. Siksi hän ja hänen kollegansa päättivät testata konseptin, joka koostui käytettävissä olevan tiedon uudelleenlaadinnasta ja mallien muodostumisen tarkastelusta. Ensin he kehittivät kokeellisen RDE: n (esitetty alla), jonka avulla he pystyivät hallitsemaan erilaisia parametrejä (kuten sylinterien välisen raon koko).
Sitten he tallensivat palamisprosessit (joiden kuluminen kesti vain 0,5 sekuntia joka kerta) nopealla kameralla. Kamera tallensi jokaisen sytytyksen nopeudella 240 000 kuvaa sekunnissa, jolloin joukkue voi seurata reaktioita etenemässä hidastettuna. Kuten Koch selitti, hän ja hänen kollegansa totesivat, että moottori todella toimi hyvin.
”Tämä palamisprosessi on kirjaimellisesti räjähdys - räjähdys -, mutta tämän ensimmäisen käynnistysvaiheen takana näemme joukon vakaita palamispulsseja, jotka jatkavat käytettävissä olevan ponneaineen kulutusta. Tämä tuottaa korkean paineen ja lämpötilan, joka ajaa pakokaasun moottorin takaosaan suurilla nopeuksilla, mikä voi aiheuttaa työntövoimaa.
Seuraavaksi tutkijat kehittivät matemaattisen mallin jäljittelemään sitä, mitä he havaitsivat kokeellaan. Tämä malli, ensimmäinen laatuaan, antoi joukkueelle päättää ensimmäistä kertaa, oliko RDE vakaa. Ja vaikka tämä malli ei ole vielä valmis muiden insinöörien käytettäväksi, se voi antaa muiden tutkimusryhmien arvioida kuinka hyvin tietyt RDE: t toimivat.
Kuten todettiin, moottorin suunnittelulla on kuitenkin haittapuoli, mikä on sen arvaamaton luonne. Yhtäältä, palamisen aiheuttamat iskut aiheuttavat luonnollisesti iskujen puristamisen palamiskammiossa, mikä johtaa työntövoimaan. Toisaalta, kun räjähdykset ovat alkaneet, räjähdykset ovat väkivaltaisia ja hallitsemattomia - jotain, jota ei voida täysin hyväksyä rakettien suhteen.
Mutta kuten Koch selitti, tämä tutkimus oli menestys siinä, että siinä testattiin moottorin suunnittelua ja mitattiin kvantitatiivisesti sen käyttäytymistä. Tämä on hyvä ensimmäinen askel ja voisi auttaa tasoittamaan tietä RDE: ien tosiasialliseen kehittämiseen ja toteuttamiseen.
"Tavoitteenani oli tässä vain toistaa näkemämme pulssien käyttäytyminen - varmistaa, että mallilähtö on samanlainen kuin koetuloksemme", sanoi Koch. ”Olen tunnistanut hallitsevan fysiikan ja sen, kuinka ne ovat vuorovaikutuksessa. Nyt voin tehdä täällä tekemäni ja tehdä siitä kvantitatiivisen. Sieltä voimme puhua siitä, kuinka tehdä parempi moottori. ”
Kochin ja hänen kollegansa tutkimus tehtiin mahdolliseksi Yhdysvaltain ilmavoimien tieteellisen tutkimuksen toimiston ja merivoimien tutkimuksen toimiston myöntämän rahoituksen ansiosta. Vaikka on liian aikaista sanoa, tämän tutkimuksen vaikutukset voivat olla kauaskantoisia, mikä johtaa rakettimoottoreihin, jotka on helpompi tuottaa ja kustannustehokkaampia. Tarvitaan vain varmistaa, että moottorin suunnittelu on itsessään turvallinen ja luotettava.
