V trenutni dobi raziskovanja vesolja je ime igre "stroškovno učinkovito." Z zmanjšanjem stroškov, povezanih s posameznimi izstrelki, vesoljske agencije in zasebna vesoljska podjetja (aka. NewSpace) skrbijo za večji dostop do vesolja. In ko gre za ceno izstrelitev, je največji strošek goriva. Preprosto povedano, za osvoboditev Zemljine gravitacije je potrebno veliko raketnega goriva!
Za reševanje tega so raziskovalci z univerze v Washingtonu nedavno razvili matematični model, ki opisuje delovanje novega mehanizma za zagon: vrtečega se detonacijskega motorja (RDE). Ta lahka zasnova ponuja večjo porabo goriva in je manj zapletena pri izdelavi. Vendar gre za precej velik kompromis, da bi bil preveč nepredvidljiv, da bi ga lahko takoj začeli uporabljati.
Študija, ki opisuje njihovo raziskovanje ("Vrtljivi detonacijski valovi, zaklenjeni z modelom: Poskusi in enačba modela"), se je nedavno pojavila v reviji Fizični pregled E. Raziskovalno skupino je vodil James Koch, doktorski študent na področju letalstva in astronavtike, vključevala pa sta Mitsuru Kurosaka in Carla Knowlena, oba profesorja UW za letalsko in astronavtiko; in J. Nathan Kutz, profesor uporabne matematike na UW.
V običajnem raketnem motorju pogonsko gorivo gori v komori za vžig, nato pa se skozi šobe spelje iz zadka, da ustvari potisk. V RDE stvari delujejo drugače, kot je Koch pojasnil v izjavi za UW News:
"Z vrtečim se detonacijskim motorjem je drugačen pristop, kako gorivo poganja. Narejena je iz koncentričnih cilindrov. Pogonsko gorivo teče v reži med valji in po vžigu hitro sproščanje toplote tvori udarni val, močan impulz plina z bistveno višjim tlakom in temperaturo, ki se giblje hitreje od hitrosti zvoka.
To RDE loči od običajnih motorjev, ki potrebujejo veliko strojev za usmerjanje in nadzor zgorevalne reakcije, tako da se lahko spremeni v pospešek. V RDE pa udarni val, ki ga ustvarijo vžigi, ustvari potisk po naravni poti in brez potrebe po dodatnih delih motorja.
Kakor navaja Koch, pa je vrtljivo detonacijsko motorno polje še vedno v povojih in inženirji še vedno niso prepričani, česa so sposobni. Zato sta se s sodelavci odločila preizkusiti koncept, ki je vseboval prenovitev razpoložljivih podatkov in ogled vzorčnih formacij. Najprej so razvili eksperimentalni RDE (prikazan spodaj), ki jim je omogočil nadzor različnih parametrov (kot je velikost reže med valji).
Nato so z visokohitrostno kamero posneli procese zgorevanja (ki so trajali le 0,5 sekunde). Kamera je posnela vsak vžig s hitrostjo 240.000 sličic na sekundo, kar je ekipi omogočilo opazovanje reakcij, ki se odvijajo v počasnem teku. Kot je pojasnil Koch, so s sodelavci ugotovili, da je motor dejansko deloval dobro.
"Ta postopek zgorevanja je dobesedno eksplozija - eksplozija -, vendar v tej začetni fazi zagona vidimo številne stabilne impulze zgorevanja, ki še naprej porabljajo razpoložljivo pogonsko gorivo. Tako nastane visok tlak in temperatura, ki izpuhuje zadnji del motorja pri visokih hitrostih, kar lahko ustvari potisk.
Nato so raziskovalci razvili matematični model, s katerim so posnemali, kar so opazili s svojim poskusom. Ta model, prvi te vrste, je ekipi omogočil, da je prvič ugotovila, ali bo RDE stabilen. In čeprav ta model še ni pripravljen za uporabo drugih inženirjev, bi lahko drugim raziskovalnim skupinam omogočil, da ocenijo, kako uspešni bodo specifični RDE.
Kot rečeno, ima oblikovanje motorja slabost, kar je njegova nepredvidljiva narava. Po eni strani postopek sunkov, ki jih poganja zgorevanje, seveda privede do stiskanja sunkov v zgorevalni komori, kar ima za posledico potisk. Po drugi strani pa so detonacije silovite in nenadzorovane - nekaj, kar je pri raketah povsem nesprejemljivo.
A kot je pojasnil Koch, je bila ta raziskava uspešna, saj je preizkusila to obliko motorja in količinsko izmerila njegovo obnašanje. To je dober prvi korak in bi lahko pripomogel k dejanskemu razvoju in uresničevanju RDE.
"Moj cilj tukaj je bil samo reproducirati vedenje impulzov, ki smo jih videli - zagotoviti, da je izhod modela podoben našim eksperimentalnim rezultatom," je dejal Koch. "Ugotovil sem prevladujočo fiziko in njihovo medsebojno delovanje. Zdaj lahko vzamem, kar sem tukaj naredil, in naredim količinsko količino. Od tam se lahko pogovarjamo o tem, kako narediti boljši motor. "
Raziskovanje Kocha in njegovega kolega je bilo mogoče zaradi finančnih sredstev, ki sta jih zagotovila ameriški urad za znanstveno raziskovanje zračnih sil in Urad za pomorske raziskave. Čeprav je še prezgodaj reči, so lahko posledice te raziskave daljnosežne, kar bi povzročilo lažje izdelave raketnih motorjev in stroškovno učinkovitejše. Vse, kar je potrebno, je zagotoviti, da je zasnova motorja varna in zanesljiva.
