Praegusel kosmoseuuringute ajastul on mängu nimi “tasuv”. Individuaalsete kaatritega seotud kulude vähendamisega tagavad kosmoseagentuurid ja erasektori kosmoseettevõtted (teise nimega NewSpace), et juurdepääs kosmosele on parem. Ja kui rääkida kaatrite maksumusest, siis kõige suurem kulu on raketikütuse kulu. Lihtsamalt öeldes võtab Maa gravitatsioonile vabaks laskmine palju raketikütust!
Selle lahendamiseks töötasid Washingtoni ülikooli teadlased hiljuti välja matemaatilise mudeli, mis kirjeldab uue käivitusmehhanismi toimimist: pöörlevat detonatsioonimootorit (RDE). See kerge disain pakub suuremat kütusesäästlikkust ja selle ehitamine on vähem keeruline. Sellega kaasneb aga üsna suur kompromiss, mis on liiga ettearvamatu, et seda kohe kasutusele võtta.
Hiljuti ilmus ajakirjas nende uurimistööd kirjeldav uuring (“Režiimilukuga pöörlevad detonatsioonilained: katsed ja mudeli võrrand”) Füüsiline ülevaade E. Uurimisrühma juhtis UW lennunduse ja astronautika doktorant James Koch ning sinna kuulusid Mitsuru Kurosaka ja Carl Knowlen, mõlemad UW lennunduse ja astronautika professorid; ja J. Nathan Kutz, UW rakendusmatemaatika professor.
Tavalises rakettmootoris põletatakse raketikütus süütekambris ja suunatakse seejärel düüside kaudu tagant välja tõukejõu tekitamiseks. RDE-s toimivad asjad erinevalt, nagu Koch selgitas UW News väljaandes:
Pöörleva detonatsioonimootori lähenemine sellele, kuidas see raketikütust põletab, on erinev. See on valmistatud kontsentrilistest silindritest. Raketikütus voolab silindrite vahelises lõhes ja pärast süütamist moodustab kiire kuumuse eraldumine lööklaine, tugeva kõrgema rõhu ja temperatuuriga tugeva impulsi gaasil, mis liigub kiiremini kui heli kiirus.
See eristab RDE tavapärastest mootoritest, mis vajavad palju masinaid, et põlemisreaktsiooni suunata ja juhtida, et seda saaks kiirenduseks muuta. Kuid RDE-s tekitab süüte tekitatud lööklaine tõukejõu loomulikult ja ilma vajaduseta täiendavate mootoriosade järele.
Nagu Koch osutab, on pöörleva detonatsioonimootori väli alles lapsekingades ja insenerid pole endiselt kindlad, milleks nad võimelised on. Seetõttu otsustasid tema ja ta kolleegid katsetada kontseptsiooni, mis seisnes olemasolevate andmete uuesti sõnastamises ja mustrimoodustiste vaatlemises. Esiteks töötasid nad välja eksperimentaalse RDE (näidatud allpool), mis võimaldas neil kontrollida erinevaid parameetreid (näiteks silindrite vahelise tühiku suurus).
Seejärel registreerisid nad kiirkaamera abil põlemisprotsessid (mille iga kord kulus vaid 0,5 sekundit). Kaamera salvestas iga süüdet kiirusega 240 000 kaadrit sekundis, võimaldades meeskonnal jälgida reaktsioone aegluubis. Nagu Koch selgitas, leidsid tema ja ta kolleegid, et mootor töötas tegelikult hästi.
See põlemisprotsess on sõna otseses mõttes detonatsioon - plahvatus -, kuid selle algse käivitusfaasi taga näeme mitmeid stabiilseid põlemisimpulsse, mis jätkavad saadaoleva raketikütuse tarbimist. See tekitab kõrge rõhu ja temperatuuri, mis juhib suurel kiirusel mootori tagaosa välja, mis võib tekitada tõukejõudu.
Järgmisena töötasid teadlased välja matemaatilise mudeli, et jäljendada seda, mida nad oma eksperimendiga täheldasid. See mudel, esimene omataoline, võimaldas meeskonnal esimest korda kindlaks teha, kas RDE on stabiilne. Ja kuigi see mudel pole veel teiste inseneride kasutamiseks valmis, võiks see lubada teistel uurimisrühmadel hinnata, kui hästi konkreetsed RDE-d toimivad.
Nagu märgitud, on mootori konstruktsioonil siiski varjukülg, mis on selle ettearvamatu olemus. Ühelt poolt viib põlemisprotsessist põhjustatud löökide loomulikult löökide kokkusurumine põlemiskambri poolt, mille tulemuseks on tõukejõud. Teisest küljest, kord alustatud, on detonatsioonid vägivaldsed ja kontrollimatud - see on rakettide puhul täiesti vastuvõetamatu.
Kuid nagu Koch selgitas, oli see uurimistöö edu, kuna katsetati selle mootori konstruktsiooni ja mõõdeti kvantitatiivselt selle käitumist. See on hea esimene samm ja see võib aidata sillutada teed RDEde tegeliku arendamise ja realiseerimise poole.
"Minu eesmärk oli siin ainult nähtavate impulsside käitumise reprodutseerimine - veenduda, et mudeli väljund sarnaneb meie eksperimentaalsete tulemustega," ütles Koch. „Olen tuvastanud domineeriva füüsika ja selle, kuidas need omavahel mõjutavad. Nüüd saan võtta enda tehtud teod ja muuta need kvantitatiivseks. Sealt saame rääkida, kuidas paremat mootorit teha. ”
Kochi ja tema kolleegi uurimistöö sai võimalikuks tänu USA õhuväe teadusuuringute büroo ja mereväe uuringute büroo rahastamisele. Kuigi on veel liiga vara öelda, võib selle uurimistöö tagajärjed olla kaugeleulatuvad, mille tulemuseks on kergemini toodetavad ja kulutõhusamad rakettmootorid. Vaja on vaid tagada, et mootori konstruktsioon ise oleks ohutu ja usaldusväärne.
