Find årsagen til et fatalt problem i raketmotorforbrændere

Raketmotorer indeholder indelukkede forbrændingssystemer, som i det væsentlige er forbrændingskamre. I disse kamre, ikke-lineære interaktioner mellem turbulente brændstof- og oxidationsstrømme, lydbølger, og varme fra kemiske reaktioner forårsager et ustabilt fænomen kaldet "forbrændingsoscillationer". Kraften af ​​disse oscillationer på forbrændingskammerets krop - den mekaniske belastning på kammeret - er høj nok til at true med katastrofalt svigt af motoren. Hvad forårsager disse svingninger? Svaret mangler at blive fundet.

Nu, i et gennembrud, udgivet i Fysik af væsker , et team, der inkluderer prof. Hiroshi Gotoda, Fru Satomi Shima, og Mr. Kosuke Nakamura fra Tokyo University of Science (TUS), i samarbejde med Dr. Shingo Matsuyama og Dr. Yuya Ohmichi fra Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), har brugt avancerede tidsserieanalyser baseret på komplekse systemer til at finde ud af det.

Forklarer deres arbejde, Prof. Gottoda siger, "Vores hovedformål var at afsløre den fysiske mekanisme bag dannelsen og opretholdelsen af ​​højfrekvente forbrændingssvingninger i en cylindrisk forbrænder ved hjælp af sofistikerede analytiske metoder inspireret af symbolsk dynamik og komplekse netværk."

Forbrændingskammeret, som forskerne valgte at simulere, er en model af raketmotorer. De var i stand til at lokalisere overgangsøjeblikket fra den stabile forbrændingstilstand til forbrændingsoscillationer og visualisere det. De fandt ud af, at betydelige periodiske udsving i strømningshastigheden i brændstofinjektoren påvirker tændingsprocessen, resulterer i ændringer i varmeafgivelseshastigheden. Udsvingene i varmeafgivelseshastigheden synkroniseres med tryksvingningerne inde i forbrændingskammeret, og hele cyklussen fortsætter i en række feedback-loops, der opretholder forbrændingssvingninger.

Derudover ved at overveje et rumligt netværk af tryk- og varmeudslipshastighedssvingninger, forskerne fandt ud af, at klynger af akustiske strømkilder med jævne mellemrum dannes og kollapser i forbrændingskammerets forskydningslag nær indsprøjtningsrørets kant, hjælper yderligere med at drive forbrændingssvingningerne.

Disse resultater giver rimelige svar på, hvorfor forbrændingssvingninger opstår, omend specifik for flydende raketmotorer. Prof. Gottoda forklarer, "Forbrændingssvingninger kan forårsage fatal skade på brændere i raketmotorer, flymotorer, og gasturbiner til elproduktion. Derfor, forståelse af dannelsesmekanismen for forbrændingssvingninger er et vigtigt forskningsemne. Vores resultater vil i høj grad bidrage til vores forståelse af mekanismen for forbrændingsoscillationer, der genereres i flydende raketmotorer. "

Ja, disse resultater er væsentlige og kan forventes at åbne døre til nye udforskningsruter for at forhindre forbrændingssvingninger i kritiske motorer.