I den nuværende æra med rumforskning er spillet ”omkostningseffektivt”. Ved at reducere omkostningerne forbundet med individuelle lanceringer sikrer rumfartsbureauer og private luftfartsselskaber (alias NewSpace), at adgangen til rummet er større. Og når det kommer til omkostningerne ved lanceringer, er den største største udgift for drivmiddel. For at sige det enkelt, at det at bryde fri for jordens tyngdekraft kræver en masse raketbrændstof!
For at tackle dette udviklede forskere ved University of Washington for nylig en matematisk model, der beskriver arbejdet med en ny lanceringsmekanisme: den roterende detonationsmotor (RDE). Dette lette design tilbyder større brændstofeffektivitet og er mindre kompliceret at konstruere. Imidlertid følger det med den temmelig store afvejning af at være for uforudsigelig til at blive taget i brug lige nu.
Undersøgelsen, der beskriver deres forskning (“Mode-locked roterende detonationsbølger: Eksperimenter og en modelligning”) for nylig dukkede op i tidsskriftet Fysisk gennemgang E. Forskningsteamet blev ledet af James Koch, en UW-doktorand i aeronautik og astronautik, og omfattede Mitsuru Kurosaka og Carl Knowlen, begge UW-professorer i aeronautics & astronautics; og J. Nathan Kutz, en UW-professor i anvendt matematik.
I en konventionel raketmotor brændes drivmiddel i et tændingskammer og kanaliseres derefter ud af ryggen gennem dyser for at generere tryk. I en RDE fungerer tingene anderledes, som Koch forklarede i en UW News-udgivelse:
”En roterende detonationsmotor tager en anden tilgang til, hvordan den forbrænder drivmiddel. Det er lavet af koncentriske cylindre. Drivmiddel strømmer i mellemrummet mellem cylindrene, og efter antændelse danner den hurtige varmefrigivelse en chokbølge, en stærk puls med gas med markant højere tryk og temperatur, der bevæger sig hurtigere end lydhastigheden.
Dette adskiller RDE fra konventionelle motorer, som kræver en masse maskiner for at styre og kontrollere forbrændingsreaktionen, så den kan omdannes til acceleration. Men i en RDE skaber stødbølgen, der genereres af antændelserne, skubbe naturligt og uden behov for yderligere motordele.
Som Koch viser, er det roterende detonationsmotorfelt stadig i sin spædbarn, og ingeniører er stadig ikke sikre, hvad de er i stand til. Derfor besluttede han og hans kolleger at teste konceptet, der bestod af omarbejdning af de tilgængelige data og se på mønsterformationer. Først udviklede de en eksperimentel RDE (vist nedenfor), der gjorde det muligt for dem at kontrollere forskellige parametre (som størrelsen på mellemrummet mellem cylindre).
De registrerede derefter forbrændingsprocesserne (som kun tog 0,5 sekunder at gennemføre hver gang) med et højhastighedskamera. Kameraet registrerede hver tænding med en hastighed på 240.000 billeder i sekundet, hvilket giver teamet mulighed for at se reaktionerne udfolde sig i langsom bevægelse. Som Koch forklarede, fandt han og hans kolleger, at motoren faktisk fungerede godt.
”Denne forbrændingsproces er bogstaveligt talt en detonation - en eksplosion - men bag denne første startfase ser vi et antal stabile forbrændingsimpulser, der fortsætter med at forbruge tilgængeligt drivmiddel. Dette producerer højt tryk og temperatur, der driver udstødningen ud af motorens bagside i høje hastigheder, hvilket kan generere tryk.
Derefter udviklede forskerne en matematisk model til at efterligne, hvad de observerede med deres eksperiment. Denne model, den første af sin art, gjorde det muligt for teamet at bestemme for første gang, om en RDE ville være stabil. Og selvom denne model endnu ikke er klar til at bruge andre ingeniører, kan den give andre forskerteam mulighed for at vurdere, hvor godt specifikke RDE'er vil fungere.
Som bemærket har motordesignet en ulempe, hvilket er dets uforudsigelige karakter. På den ene side fører processen med forbrændingsdrevne stød naturligt til komprimering af stød ved forbrændingskammeret, hvilket resulterer i skub. På den anden side, detoner, der først var startet, er voldelige og ukontrollerede - noget, der er helt uacceptabelt, når det kommer til raketter.
Men som Koch forklarede, var denne forskning en succes, idet den testede dette motordesign og målte dets opførsel kvantitativt. Dette er et godt første skridt og kan hjælpe med at bane vejen mod den faktiske udvikling og realisering af RDE'er.
”Mit mål her var udelukkende at gengive opførslen af de impulser, vi så - for at sikre, at modeludgangen svarer til vores eksperimentelle resultater,” sagde Koch. ”Jeg har identificeret den dominerende fysik, og hvordan de spiller sammen. Nu kan jeg tage det, jeg har gjort her, og gøre det kvantitativt. Derfra kan vi tale om, hvordan man laver en bedre motor. ”
Koch og hans kollegas forskning blev muliggjort takket være finansiering leveret af U.S. Air Force Office of Scientific Research og Office of Naval Research. Selvom det er for tidligt at sige, kan konsekvenserne af denne forskning være vidtgående, hvilket resulterer i raketmotorer, der er lettere at fremstille og mere omkostningseffektive. Det eneste, der er nødvendigt, er at sikre, at selve motordesignet er sikkert og pålideligt.
