V súčasnej dobe prieskumu vesmíru je názov hry „nákladovo efektívny“. Vesmírne agentúry a súkromné letecké spoločnosti (aka. NewSpace) znižujú náklady spojené s jednotlivými spusteniami a zaisťujú, že prístup do vesmíru je väčší. A pokiaľ ide o náklady na uvedenie na trh, najväčším nákladom sú náklady na pohonné látky. Zjednodušene povedané, prelomenie zemskej tiaže vyžaduje veľa raketového paliva!
Na riešenie tohto problému vedci z Washingtonskej univerzity nedávno vyvinuli matematický model, ktorý opisuje fungovanie nového spúšťacieho mechanizmu: rotačného detonačného motora (RDE). Táto ľahká konštrukcia ponúka vyššiu palivovú účinnosť a je menej zložitá na konštrukciu. Prichádza však k pomerne veľkému kompromisu, ktorý je príliš nepredvídateľný na to, aby sa dal teraz uviesť do prevádzky.
V časopise sa objavila štúdia, ktorá popisuje ich výskum („Mode-lock rotujúce detonačné vlny: experimenty a modelová rovnica“). Fyzická kontrola E, Výskumný tím viedol James Koch, doktorand UW v oblasti letectva a astronautiky, a jeho členmi boli Mitsuru Kurosaka a Carl Knowlen, obaja profesori letectva a astronautiky; a J. Nathan Kutz, UW profesor aplikovanej matematiky.
V konvenčnom raketovom motore sa pohonná látka spaľuje v zapaľovacej komore a potom sa vedie cez chrbát cez dýzy, aby sa dosiahol ťah. V RDE to funguje inak, ako vysvetlil Koch vo vydaní UW News:
„Rotačný detonačný motor má iný prístup k spaľovaniu paliva. Je vyrobený z koncentrických valcov. Hnací plyn prúdi v medzere medzi valcami a po zapálení rýchle uvoľnenie tepla vytvára rázovú vlnu, silný pulz plynu s výrazne vyšším tlakom a teplotou, ktorý sa pohybuje rýchlejšie ako rýchlosť zvuku.
Toto nastavuje RDE na rozdiel od konvenčných motorov, ktoré vyžadujú veľa strojov na riadenie a riadenie spaľovacej reakcie, aby sa mohla zmeniť na zrýchlenie. V RDE však rázová vlna generovaná zapaľovaním vytvára ťah prirodzene a bez potreby ďalších častí motora.
Ako však naznačuje Koch, pole rotujúceho detonačného motora je stále v plienkach a inžinieri si stále nie sú istí, čo sú schopní. Preto sa on a jeho kolegovia rozhodli testovať koncept, ktorý pozostával z prepracovania dostupných údajov a preskúmania formácií vzorov. Najprv vyvinuli experimentálny RDE (ukázaný nižšie), ktorý im umožnil kontrolovať rôzne parametre (ako je veľkosť medzery medzi valcami).
Potom pomocou vysokorýchlostnej kamery zaznamenali procesy spaľovania (ktoré trvalo vždy len 0,5 sekundy). Kamera zaznamenala každé zapálenie rýchlosťou 240 000 snímok za sekundu, čo tímu umožnilo sledovať spomalené reakcie. Ako vysvetlil Koch, on a jeho kolegovia zistili, že motor skutočne fungoval dobre.
„Tento proces spaľovania je doslova detonáciou - explóziou -, ale za touto začiatočnou fázou vidíme množstvo stabilných spaľovacích impulzov, ktoré naďalej spotrebúvajú dostupnú hnaciu látku. To vedie k vysokému tlaku a teplote, ktorá pri vysokých otáčkach vedie výfukový plyn zo zadnej časti motora, čo môže spôsobiť ťah.
Vedci potom vyvinuli matematický model, ktorý imituje to, čo pozorovali pri svojom experimente. Tento model, prvý svojho druhu, umožnil tímu prvýkrát určiť, či bude RDE stabilný. Aj keď tento model ešte nie je pripravený na použitie inými inžiniermi, mohol by ostatným výskumným tímom umožniť posúdiť, ako dobre budú špecifické RDE.
Ako už bolo uvedené, konštrukcia motora má nevýhodu, čo je jeho nepredvídateľná povaha. Na jednej strane proces šokmi vyvolaných spaľovaním prirodzene vedie ku stlačeniu šokov spaľovacou komorou, čo vedie k ťahu. Na druhej strane, akonáhle začali detonácie, sú násilné a nekontrolované - niečo, čo je úplne neprijateľné, pokiaľ ide o rakety.
Ako však vysvetlil Koch, tento výskum bol úspechom v tom, že testoval tento dizajn motora a kvantitatívne meral jeho správanie. Toto je dobrý prvý krok a mohlo by to pomôcť pripraviť cestu k skutočnému vývoju a realizácii RDE.
„Mojím cieľom tu bolo iba reprodukovať správanie pulzov, ktoré sme videli - zabezpečiť, aby výstup modelu bol podobný našim experimentálnym výsledkom,“ povedal Koch. „Identifikoval som dominantnú fyziku a to, ako spolu hrajú. Teraz môžem vziať to, čo som tu urobil, a urobiť to kvantitatívnym. Odtiaľto môžeme hovoriť o tom, ako vyrobiť lepší motor. “
Koch a jeho kolegovia výskum bol umožnený vďaka financovaniu Úradom pre vedecký výskum leteckých síl USA a Úradom pre námorný výskum. Aj keď je príliš skoro na to, dôsledky tohto výskumu by mohli byť ďalekosiahle, čoho výsledkom by boli raketové motory, ktoré sa ľahšie vyrábajú a sú nákladovo efektívnejšie. Všetko, čo je potrebné, je zabezpečiť, aby samotná konštrukcia motora bola bezpečná a spoľahlivá.
