V současné době výzkumu vesmíru je název hry „nákladově efektivní“. Vesmírné agentury a soukromé letecké společnosti (aka. NewSpace) snižováním nákladů spojených s jednotlivými starty zajišťují lepší přístup do vesmíru. A pokud jde o náklady na vypuštění, největší náklad představuje pohonná hmota. Jednoduše řečeno, osvobození od zemské gravitace vyžaduje hodně raketového paliva!
Vědci z Washingtonské univerzity nedávno vyvinuli matematický model, který popisuje fungování nového spouštěcího mechanismu: rotačního detonačního motoru (RDE). Tato lehká konstrukce nabízí vyšší spotřebu paliva a je méně složitá na konstrukci. Přichází však s poměrně velkým kompromisem, že je příliš nepředvídatelné, než aby mohlo být uvedeno do provozu právě teď.
Studie, která popisuje jejich výzkum („Mode-Locked Detonation Waves: Experimentales and Model rovnice“), se nedávno objevila v časopise Fyzická kontrola E. Výzkumný tým vedl James Koch, doktorand UW v letectví a astronautice, a zahrnoval Mitsuru Kurosaka a Carl Knowlen, oba UW profesoři Aeronautics & Astronautics; a J. Nathan Kutz, UW profesor aplikované matematiky.
V konvenčním raketovém motoru je pohonná látka spálena v zapalovací komoře a poté odváděna ven ze zad tryskami, aby se vytvořil tah. V RDE fungují věci jinak, jak vysvětlil Koch ve zprávě UW News:
„Rotující detonační motor zaujímá odlišný přístup k tomu, jak spaluje pohonnou látku. Je vyroben ze soustředných válců. Hnací plyn proudí v mezeře mezi válci a po zapálení vytváří rychlé uvolňování tepla rázovou vlnu, silný puls plynu s výrazně vyšším tlakem a teplotou, který se pohybuje rychleji než rychlost zvuku.
Toto nastavuje RDE na rozdíl od konvenčních motorů, které vyžadují mnoho strojů pro řízení a řízení spalovací reakce tak, aby mohla být přeměněna na zrychlení. V RDE však rázová vlna generovaná zapálením vytváří tah přirozeně a bez potřeby dalších částí motoru.
Jak však naznačuje Koch, pole rotujícího detonačního motoru je stále ještě v plenkách a inženýři si stále nejsou jisti, co jsou schopni. Proto se on a jeho kolegové rozhodli testovat koncept, který spočíval v přepracování dostupných údajů a při pohledu na formace vzorů. Nejprve vyvinuli experimentální RDE (viz níže), který jim umožnil řídit různé parametry (jako je velikost mezery mezi válci).
Poté pomocí vysokorychlostní kamery zaznamenali spalovací procesy (jejichž dokončení trvalo vždy jen 0,5 sekundy). Kamera zaznamenala každé zapálení rychlostí 240 000 snímků za sekundu, což týmu umožnilo sledovat zpomalené reakce. Jak vysvětlil Koch, on a jeho kolegové zjistili, že motor skutečně fungoval dobře.
„Tento spalovací proces je doslova detonací - explozí - ale za touto počáteční fází spouštění vidíme řadu stabilních spalovacích pulzů, které nadále spotřebovávají dostupnou hnací látku. To produkuje vysoký tlak a teplotu, která vytlačuje výfuk ze zadní části motoru při vysokých otáčkách, což může generovat tah.
Dále vědci vyvinuli matematický model, který napodobuje to, co pozorovali při svém experimentu. Tento model, první svého druhu, umožnil týmu poprvé určit, zda bude RDE stabilní. A i když tento model ještě není připraven pro další inženýry k použití, mohl by umožnit jiným výzkumným týmům posoudit, jak dobře budou specifické RDE fungovat.
Jak již bylo uvedeno, konstrukce motoru má nevýhodu, což je jeho nepředvídatelná povaha. Na jedné straně vede proces šokem poháněných šoků přirozeně ke stlačování šoků spalovací komorou, což vede k tahu. Na druhou stranu, jakmile začaly, jsou detonace násilné a nekontrolované - něco, co je naprosto nepřijatelné, pokud jde o rakety.
Jak však vysvětlil Koch, tento výzkum byl úspěšný v tom, že otestoval tento návrh motoru a kvantitativně změřil jeho chování. Toto je dobrý první krok a mohlo by to pomoci připravit cestu ke skutečnému vývoji a realizaci RDE.
"Mým cílem zde bylo pouze reprodukovat chování pulsů, které jsme viděli - zajistit, aby výstup modelu byl podobný našim experimentálním výsledkům," řekl Koch. "Identifikoval jsem dominantní fyziku a jak spolu hrají." Teď můžu vzít to, co jsem zde udělal, a učinit z něj kvantitativní. Odtud můžeme mluvit o tom, jak vyrobit lepší motor. “
Koch a jeho kolegy výzkum byl umožněn díky financování poskytované úřadem amerického letectva vědeckého výzkumu a úřadem námořního výzkumu. I když je příliš brzy na to říci, důsledky tohoto výzkumu by mohly být dalekosáhlé, což by mělo za následek vznik raketových motorů, které by byly snadněji vyrobitelné a nákladově efektivnější. Vše, co je potřeba, je zajistit, aby samotná konstrukce motoru byla bezpečná a spolehlivá.
