Инженеры предлагают новый «детонационный» ракетный двигатель

Москва, 10:26, 25 Фев 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

В нынешнюю эпоху освоения космоса важна экономическая эффективность. Сокращая расходы, связанные с отдельными запусками, космические агентства и частные аэрокосмические компании обеспечивают более дешевый доступ к космосу.

Когда дело касается стоимости пусков, самой большой затратой является расход топлива. Проще говоря, чтобы оторваться от Земли, нужно много ракетного топлива.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета Вашингтона недавно разработали математическую модель, которая описывает работу нового механизма запуска: вращающегося детонационного двигателя (RDE).

Эта легкая конструкция обеспечивает большую топливную экономичность и менее сложна в изготовлении. Однако, существует довольно большой компромисс из-за того, что он слишком непредсказуем, чтобы быть введенным в эксплуатацию прямо сейчас.

Статья, в которой описываются исследования, вращающиеся детонационные волны с синхронизацией режимов — эксперименты и модельное уравнение, недавно появилось в журнале Physical Review E.

Исследовательская группа возглавлялась специалистом по аэронавтике Джеймсом Кохом в содружестве с экспертами в физике и математике.

Принцип работы RDE

В обычном ракетном двигателе пропеллент сжигается в камере зажигания, а затем направляется из задней части через форсунки для создания тяги.

В RDE все работает иначе, как объяснил Кох:

«Вращающийся детонационный двигатель использует другой подход к тому, как он сжигает топливо. Он сделан из концентрических цилиндров. Пропеллент течет в зазоре между цилиндрами, и после зажигания быстрое выделение тепла образует ударную волну, сильный импульс газа с значительно более высокими давлением и температурой, который движется быстрее, чем скорость звука».

Это отличает RDE от обычных двигателей, которым требуется много оборудования для управления и контроля реакции сгорания, чтобы она могла превращаться в ускорение. Но в RDE ударная волна, генерируемая зажиганием, создает тягу естественным образом и без необходимости в дополнительных деталях двигателя.

Однако, как указывает Кох, поле вращающегося детонационного двигателя все еще находится в зачаточном состоянии, и инженеры все еще не уверены в своих способностях. Поэтому он и его коллеги решили протестировать эту концепцию, которая состояла из пересчета имеющихся.

Во-первых, они разработали экспериментальный RDE (показанный ниже), который позволил им контролировать различные параметры (например, размер зазора между цилиндрами).

Затем они записали процессы сгорания (которые длились всего 0,5 секунды каждый раз) с помощью высокоскоростной камеры. Камера записывала каждое воспламенение со скоростью 240 000 кадров в секунду, позволяя команде наблюдать за разворачивающимися реакциями в замедленном режиме.

Как объяснил Кох, он и его коллеги обнаружили, что двигатель действительно работал хорошо.

«Этот процесс сгорания буквально является детонацией — взрывом — но за этой начальной фазой запуска мы видим ряд стабильных импульсов сгорания, которые продолжают потреблять доступное топливо. Это создает высокое давление и температуру, которые вытесняют выхлопные газы сзади двигателя на высоких оборотах, который может генерировать тягу.

Затем исследователи разработали математическую модель для имитации того, что они наблюдали в ходе своего эксперимента. Эта модель, первая в своем роде, позволила команде впервые определить, будет ли RDE стабильным.

И хотя эта модель еще не готова для использования другими инженерами, она может позволить другим исследовательским группам оценить, насколько хорошо будут работать конкретные RDE.

Недостатки RDE и перспективы

Как уже отмечалось, у конструкции двигателя есть и обратная сторона, которая заключается в ее непредсказуемости. С одной стороны, процесс взрывов, вызванных горением, естественным образом приводит к сжатию взрывов камерой сгорания, что приводит к тяге.

С другой стороны, начавшиеся взрывы являются мощными и неконтролируемыми, что совершенно неприемлемо, когда речь идет о ракетах.

Но, как объяснил Кох, это исследование было успешным в том смысле, что оно проверило конструкцию этого двигателя и количественно измерило его поведение. Это хороший первый шаг и может помочь проложить путь к фактической разработке и реализации RDE.

«Моя цель здесь состояла исключительно в том, чтобы воспроизвести поведение импульсов, которые мы видели, — чтобы убедиться, что результаты модели похожи на наши экспериментальные результаты», — сказал Кох.

«Я определил доминирующую физику и то, как они взаимодействуют. Теперь я могу взять то, что я сделал здесь, и сделать это количественно. Оттуда мы можем поговорить о том, как сделать лучший двигатель».

Исследование Коха и его коллеги стало возможным благодаря финансированию Научного управления ВВС США.