Enkel, brændstofeffektiv raketmotor kunne muliggøre billigere, lettere rumfartøj

Det kræver meget brændstof at sende noget ud i rummet. At sende NASAs rumfærge i kredsløb krævede mere end 3,5 millioner pund brændstof, som er omkring 15 gange tungere end en blåhval.

Men en ny type motor - kaldet en roterende detonationsmotor - lover at gøre raketter ikke kun mere brændstofeffektive, men også mere lette og mindre komplicerede at konstruere. Der er bare et problem:Lige nu er denne motor for uforudsigelig til at blive brugt i en egentlig raket.

Forskere ved University of Washington har udviklet en matematisk model, der beskriver, hvordan disse motorer fungerer. Med disse oplysninger, ingeniører kan, for første gang, udvikle tests for at forbedre disse motorer og gøre dem mere stabile. Holdet offentliggjorde disse resultater 10. januar in Fysisk gennemgang E .

"Det roterende detonationsmotorfelt er stadig i sin vorden. Vi har tonsvis af data om disse motorer, men vi forstår ikke hvad der foregår, " sagde hovedforfatter James Koch, en UW doktorand i luftfart og astronautik. "Jeg forsøgte at omarbejde vores resultater ved at se på mønsterformationer i stedet for at stille et ingeniørspørgsmål – såsom hvordan man får den højest ydende motor – og så boom, det viste sig, at det virker."

En konventionel raketmotor virker ved at brænde drivmiddel og derefter skubbe det ud af motorens bagside for at skabe fremdrift.

"En roterende detonationsmotor har en anden tilgang til, hvordan den forbrænder drivmiddel, " sagde Koch. "Den er lavet af koncentriske cylindre. Drivmiddel strømmer i mellemrummet mellem cylindrene, og, efter tænding, den hurtige varmeafgivelse danner en chokbølge, en stærk gaspuls med væsentligt højere tryk og temperatur, der bevæger sig hurtigere end lydens hastighed.

"Denne forbrændingsproces er bogstaveligt talt en detonation - en eksplosion - men bag denne indledende opstartsfase, vi ser en række stabile forbrændingsimpulser, der fortsætter med at forbruge tilgængeligt drivmiddel. Dette producerer højt tryk og temperatur, der driver udstødningen ud bag på motoren ved høje hastigheder, som kan generere fremdrift."

Konventionelle motorer bruger en masse maskiner til at styre og kontrollere forbrændingsreaktionen, så den genererer det nødvendige arbejde for at drive motoren. Men i en roterende detonationsmotor, chokbølgen gør naturligvis alt uden behov for yderligere hjælp fra motordele.

"De forbrændingsdrevne stød komprimerer naturligt strømmen, når de bevæger sig rundt i forbrændingskammeret, " sagde Koch. " Ulempen ved det er, at disse detonationer har deres eget sind. Når du detonerer noget, det går bare. Det er så voldsomt«.

For at prøve at kunne beskrive, hvordan disse motorer fungerer, forskerne udviklede først en eksperimentel roterende detonationsmotor, hvor de kunne kontrollere forskellige parametre, såsom størrelsen af ​​mellemrummet mellem cylindrene. Derefter optog de forbrændingsprocesserne med et højhastighedskamera. Hvert eksperiment tog kun 0,5 sekunder at fuldføre, men forskerne registrerede disse eksperimenter ved 240, 000 billeder i sekundet, så de kunne se, hvad der skete i slowmotion.

Derfra, forskerne udviklede en matematisk model til at efterligne, hvad de så i videoerne.

"Dette er den eneste model i litteraturen, der i øjeblikket er i stand til at beskrive den mangfoldige og komplekse dynamik af disse roterende detonationsmotorer, som vi observerer i eksperimenter, " sagde medforfatter J. Nathan Kutz, en UW professor i anvendt matematik.

Modellen gjorde det muligt for forskerne for første gang at bestemme, om en motor af denne type ville være stabil eller ustabil. Det gav dem også mulighed for at vurdere, hvor godt en specifik motor ydede.

"Denne nye tilgang er forskellig fra konventionel visdom på området, og dets brede anvendelser og nye indsigter var en komplet overraskelse for mig, " sagde medforfatter Carl Knowlen, en UW forskningslektor i luftfart og astronautik.

Lige nu er modellen ikke helt klar til brug for ingeniører.

"Mit mål her var udelukkende at reproducere adfærden af ​​de pulser, vi så - for at sikre, at modellens output ligner 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."