Στην τρέχουσα εποχή της εξερεύνησης του διαστήματος, το όνομα του παιχνιδιού είναι «οικονομικά αποδοτικό». Μειώνοντας το κόστος που σχετίζεται με μεμονωμένες εκτοξεύσεις, διαστημικές υπηρεσίες και ιδιωτικές αεροδιαστημικές εταιρείες (γνωστός και ως NewSpace) διασφαλίζουν ότι η πρόσβαση στο διάστημα είναι μεγαλύτερη. Και όταν πρόκειται για το κόστος των εκτοξεύσεων, το μοναδικό μεγαλύτερο κόστος είναι αυτό του προωθητικού. Για να το πούμε απλά, η απελευθέρωση της βαρύτητας της Γης απαιτεί πολύ καύσιμο πυραύλων!
Για να το αντιμετωπίσουν αυτό, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον ανέπτυξαν πρόσφατα ένα μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τη λειτουργία ενός νέου μηχανισμού εκτόξευσης: τον περιστρεφόμενο κινητήρα έκρηξης (RDE). Αυτή η ελαφριά σχεδίαση προσφέρει μεγαλύτερη απόδοση καυσίμου και είναι λιγότερο περίπλοκη στην κατασκευή. Ωστόσο, έρχεται με το μάλλον μεγάλο αντάλλαγμα ότι είναι πολύ απρόβλεπτο για να τεθεί σε λειτουργία τώρα.
Η μελέτη που περιγράφει την έρευνά τους ("Λειτουργικά κλειδωμένα κύματα περιστρεφόμενης έκρηξης: Πειράματα και εξίσωση μοντέλου") εμφανίστηκε πρόσφατα στο περιοδικό Φυσική αναθεώρηση Ε. Η ερευνητική ομάδα διευθύνεται από τον James Koch, φοιτητή διδακτορικού στην UW στην αεροναυτική και την αστροναυτική, και περιελάμβανε τον Mitsuru Kurosaka και τον Carl Knowlen, και τους δύο καθηγητές της AW στην αεροναυτική και την αστροναυτική. και J. Nathan Kutz, καθηγητής εφαρμοσμένων μαθηματικών του UW.
Σε έναν συμβατικό πυραυλικό κινητήρα, το προωθητικό καίγεται σε θάλαμο ανάφλεξης και στη συνέχεια διοχετεύεται από το πίσω μέρος μέσω ακροφυσίων για να δημιουργηθεί ώθηση. Σε ένα RDE, τα πράγματα λειτουργούν διαφορετικά, όπως εξήγησε ο Koch σε ένα δελτίο ειδήσεων UW:
«Ένας κινητήρας περιστρεφόμενης έκρηξης ακολουθεί μια διαφορετική προσέγγιση ως προς τον τρόπο καύσης του προωθητικού. Είναι κατασκευασμένο από ομόκεντρους κυλίνδρους. Το προωθητικό ρέει στο κενό μεταξύ των κυλίνδρων και, μετά την ανάφλεξη, η ταχεία απελευθέρωση θερμότητας σχηματίζει ένα κύμα σοκ, έναν ισχυρό παλμό αερίου με σημαντικά υψηλότερη πίεση και θερμοκρασία που κινείται γρηγορότερα από την ταχύτητα του ήχου.
Αυτό ξεχωρίζει το RDE από τους συμβατικούς κινητήρες, οι οποίοι απαιτούν πολλά μηχανήματα για να κατευθύνουν και να ελέγχουν την αντίδραση καύσης έτσι ώστε να μπορεί να μετατραπεί σε επιτάχυνση. Αλλά σε ένα RDE, το κύμα σοκ που δημιουργείται από τις ανάφλεξεις δημιουργεί ώθηση φυσικά και χωρίς την ανάγκη για πρόσθετα μέρη του κινητήρα.
Ωστόσο, όπως δείχνει ο Koch, το περιστρεφόμενο πεδίο κινητήρα έκρηξης είναι ακόμη στα σπάργανα και οι μηχανικοί δεν είναι ακόμα σίγουροι για το τι μπορούν. Γι 'αυτό και αυτός και οι συνάδελφοί του αποφάσισαν να δοκιμάσουν την ιδέα, η οποία συνίστατο στην αναδιατύπωση των διαθέσιμων δεδομένων και στην εξέταση των σχηματισμών μοτίβων. Πρώτον, ανέπτυξαν ένα πειραματικό RDE (φαίνεται παρακάτω) που τους επέτρεψε να ελέγχουν διαφορετικές παραμέτρους (όπως το μέγεθος του κενού μεταξύ των κυλίνδρων).
Στη συνέχεια κατέγραψαν τις διαδικασίες καύσης (οι οποίες χρειάστηκαν μόνο 0,5 δευτερόλεπτα για να ολοκληρωθούν κάθε φορά) με μια κάμερα υψηλής ταχύτητας. Η κάμερα κατέγραψε κάθε ανάφλεξη με ρυθμό 240.000 καρέ ανά δευτερόλεπτο, επιτρέποντας στην ομάδα να παρακολουθεί τις αντιδράσεις που ξετυλίγονται σε αργή κίνηση. Όπως εξήγησε ο Koch, αυτός και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι ο κινητήρας είχε πραγματικά καλή απόδοση.
«Αυτή η διαδικασία καύσης είναι κυριολεκτικά μια έκρηξη - μια έκρηξη - αλλά πίσω από αυτήν την αρχική φάση εκκίνησης, βλέπουμε έναν αριθμό σταθερών παλμών καύσης που συνεχίζουν να καταναλώνουν διαθέσιμο προωθητικό. Αυτό παράγει υψηλή πίεση και θερμοκρασία που οδηγεί την εξάτμιση στο πίσω μέρος του κινητήρα σε υψηλές ταχύτητες, οι οποίες μπορούν να προκαλέσουν ώθηση.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο για να μιμηθούν αυτό που παρατήρησαν με το πείραμά τους. Αυτό το μοντέλο, το πρώτο του είδους του, επέτρεψε στην ομάδα να καθορίσει για πρώτη φορά εάν ένα RDE θα ήταν σταθερό. Και ενώ αυτό το μοντέλο δεν είναι ακόμη έτοιμο για χρήση από άλλους μηχανικούς, θα μπορούσε να επιτρέψει σε άλλες ερευνητικές ομάδες να εκτιμήσουν πόσο καλά θα αποδώσουν συγκεκριμένα RDE.
Όπως σημειώθηκε, ο σχεδιασμός του κινητήρα έχει μειονέκτημα, που είναι η απρόβλεπτη φύση του. Από τη μία πλευρά, η διαδικασία των κλονισμών που οδηγούνται από την καύση οδηγεί φυσικά στη συμπίεση των κραδασμών από τον θάλαμο καύσης, με αποτέλεσμα την ώθηση. Από την άλλη, μόλις ξεκινήσει, οι εκρήξεις είναι βίαιες και ανεξέλεγκτες - κάτι που είναι εντελώς απαράδεκτο όταν πρόκειται για ρουκέτες.
Αλλά όπως εξήγησε ο Koch, αυτή η έρευνα ήταν επιτυχής στο ότι δοκίμασε αυτόν τον σχεδιασμό κινητήρα και μετρήθηκε ποσοτικά τη συμπεριφορά του. Αυτό είναι ένα καλό πρώτο βήμα και θα μπορούσε να βοηθήσει στο άνοιγμα του δρόμου προς την πραγματική ανάπτυξη και υλοποίηση των RDE.
«Ο στόχος μου εδώ ήταν αποκλειστικά η αναπαραγωγή της συμπεριφοράς των παλμών που είδαμε - για να βεβαιωθώ ότι η έξοδος του μοντέλου είναι παρόμοια με τα πειραματικά μας αποτελέσματα», δήλωσε ο Koch. «Έχω εντοπίσει την κυρίαρχη φυσική και πώς αλληλεπιδρούν. Τώρα μπορώ να πάρω αυτό που έχω κάνει εδώ και να το κάνω ποσοτικό. Από εκεί μπορούμε να μιλήσουμε για το πώς να κάνουμε έναν καλύτερο κινητήρα. "
Η έρευνα του Koch και του συναδέλφου του κατέστη δυνατή χάρη στη χρηματοδότηση που παρέχεται από το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ και το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών. Αν και είναι πολύ νωρίς για να πούμε, οι συνέπειες αυτής της έρευνας θα μπορούσαν να είναι εκτεταμένες, με αποτέλεσμα οι πυραυλοκινητήρες που είναι ευκολότεροι στην παραγωγή και πιο οικονομικοί. Το μόνο που χρειάζεται είναι να διασφαλιστεί ότι ο ίδιος ο σχεδιασμός του κινητήρα είναι ασφαλής και αξιόπιστος.
