Pašreizējā kosmosa izpētes laikmetā spēles nosaukums ir “rentabls”. Samazinot izmaksas, kas saistītas ar individuālām palaišanām, kosmosa aģentūras un privāti kosmiskās aviācijas uzņēmumi (pazīstami arī kā NewSpace) nodrošina lielāku piekļuvi kosmosam. Un, runājot par palaišanas izmaksām, lielākie izdevumi ir raķešu degvielai. Vienkārši sakot, atbrīvošanās no Zemes gravitācijas prasa daudz raķešu degvielas!
Lai to risinātu, Vašingtonas universitātes pētnieki nesen izstrādāja matemātisku modeli, kas apraksta jauna palaišanas mehānisma darbību: rotējošo detonācijas motoru (RDE). Šis vieglais dizains piedāvā lielāku degvielas patēriņa efektivitāti, un tā konstrukcija ir mazāk sarežģīta. Tomēr tas ir saistīts ar diezgan lielo kompromisu, jo tas ir pārāk neparedzams, lai to tūlīt varētu nodot ekspluatācijā.
Nesen žurnālā parādījās pētījums, kas apraksta viņu pētījumu (“Režīmu bloķēti rotējoši detonācijas viļņi: eksperimenti un modeļa vienādojums”) Fiziskā pārbaude E. Pētniecības komandu vadīja Džeimss Kohs, UW doktorants aeronautikā un astronautikā, un tajā bija Mitsuru Kurosaka un Carl Knowlen, abi UW aeronautikas un astronautikas profesori; un J. Natans Kutzs, UW lietišķās matemātikas profesors.
Parastā raķešu dzinējā propelentu sadedzina aizdedzes kamerā un pēc tam caur sprauslām novirza no aizmugures, lai radītu vilci. RDE lietas darbojas savādāk, kā Kočs paskaidroja UW ziņu izlaidumā:
“Rotējošs detonācijas dzinējs izmanto atšķirīgu pieeju tam, kā tas sadedzina degvielu. Tas ir izgatavots no koncentriskiem cilindriem. Propelents plūst spraugā starp cilindriem, un pēc aizdegšanās strauja siltuma izdalīšanās veido trieciena vilni, spēcīgu gāzes impulsu ar ievērojami augstāku spiedienu un temperatūru, kas pārvietojas ātrāk nekā skaņas ātrums.
Tas RDE atšķir no parastajiem motoriem, kuriem ir vajadzīgs daudz mašīnu, lai vadītu un kontrolētu degšanas reakciju, lai to varētu pārvērst paātrinājumā. Bet RDE aizdedzes radītais trieciena vilnis rada vilci dabiski un bez nepieciešamības pēc papildu motora detaļām.
Tomēr, kā norāda Kočs, rotējošās detonācijas dzinēja lauks joprojām ir sākuma stadijā, un inženieri joprojām nav pārliecināti, uz ko viņi ir spējīgi. Tāpēc viņš un viņa kolēģi nolēma pārbaudīt koncepciju, kas sastāvēja no pieejamo datu pārstrādāšanas un modeļa veidojumu apskatīšanas. Pirmkārt, viņi izstrādāja eksperimentālu RDE (parādīts zemāk), kas ļāva viņiem kontrolēt dažādus parametrus (piemēram, plaisa lielumu starp cilindriem).
Pēc tam viņi ar ātrgaitas kameru reģistrēja degšanas procesus (kuru pabeigšana katru reizi prasīja tikai 0,5 sekundes). Kamera ierakstīja katru aizdedzi ar ātrumu 240 000 kadru sekundē, ļaujot komandai novērot reakcijas, kas izvēršas palēninātā kustībā. Kā skaidroja Kočs, viņš un viņa kolēģi atklāja, ka motors faktiski darbojas labi.
Šis sadegšanas process burtiski ir detonācija - eksplozija, bet aiz šīs sākotnējās sākuma fāzes mēs redzam vairākus stabilus sadegšanas impulsus, kas turpina patērēt pieejamo propelentu. Tas rada augstu spiedienu un temperatūru, kas lielā ātrumā izsviež dzinēja aizmuguri, kas var radīt vilci.
Tālāk pētnieki izstrādāja matemātisko modeli, lai atdarinātu to, ko viņi novēroja ar savu eksperimentu. Šis pirmais šāda veida modelis ļāva komandai pirmo reizi noteikt, vai RDE būs stabils. Un, lai gan šis modelis vēl nav gatavs citu inženieru lietošanai, tas varētu ļaut citām pētniecības grupām novērtēt, cik labi konkrēti RDE darbosies.
Kā minēts, motora konstrukcijai ir negatīvie punkti, kas ir tā neparedzamība. No vienas puses, sadegšanas izraisītu triecienu process dabiski noved pie tā, ka sadedzināšanas triecieni tiek sadedzināti ar sadegšanas kameru, kā rezultātā rodas vilce. No otras puses, reiz uzsāktās detonācijas ir vardarbīgas un nekontrolētas - kaut kas ir pilnīgi nepieņemams, ja runa ir par raķetēm.
Bet kā skaidroja Kočs, šis pētījums bija veiksmīgs, jo tika pārbaudīts šī dzinēja dizains un kvantitatīvi izmērīta tā izturēšanās. Šis ir labs pirmais solis, un tas varētu palīdzēt bruģēt ceļu uz RDE faktisko attīstību un realizāciju.
"Mans mērķis šeit bija vienīgi atkārtot redzēto impulsu uzvedību - pārliecināties, ka modeļa izvade ir līdzīga mūsu eksperimentālajiem rezultātiem," sacīja Kočs. “Es esmu identificējis dominējošo fiziku un to, kā tās mijiedarbojas. Tagad es varu ņemt vērā šeit paveikto un padarīt to kvantitatīvu. Turpmāk mēs varam runāt par to, kā padarīt labāku motoru. ”
Koča un viņa kolēģa pētījumi bija iespējami, pateicoties finansējumam, kuru piešķīra ASV Gaisa spēku Zinātniskās pētniecības birojs un Jūras pētniecības birojs. Lai gan vēl ir pāragri teikt, šī pētījuma sekas varētu būt tālejošas, kā rezultātā raķešu dzinēji ir vieglāk ražojami un rentablāki. Viss, kas nepieciešams, ir nodrošināt, ka pats motora dizains ir drošs un uzticams.
