Uzay araştırmalarında günümüzde oyunun adı “maliyet-etkin” dir. Bireysel lansmanlar, uzay ajansları ve özel havacılık şirketleri (yani NewSpace) ile ilişkili maliyetleri azaltarak, alana erişimin daha büyük olmasını sağlar. Ve lansmanların maliyeti söz konusu olduğunda, en büyük masraf itici yakıttır. Basitçe söylemek gerekirse, Dünya’nın yerçekiminden kurtulmak çok fazla roket yakıtı gerektirir!
Bunu ele almak için Washington Üniversitesi'ndeki araştırmacılar yakın zamanda yeni bir fırlatma mekanizmasının işleyişini tanımlayan bir matematik modeli geliştirdiler: dönen patlama motoru (RDE). Bu hafif tasarım daha yüksek yakıt verimliliği sunar ve yapısı daha az karmaşıktır. Bununla birlikte, şu anda hizmete sunulamayacak kadar öngörülemez olmanın oldukça büyük değiş tokuşu ile birlikte geliyor.
Araştırmalarını (“Mod kilitli dönen patlama dalgaları: Deneyler ve bir model denklemi”) açıklayan çalışma dergide son zamanlarda ortaya çıktı Fiziksel İnceleme E. Araştırma ekibi, havacılık ve uzay bilimleri alanında UW doktora öğrencisi olan James Koch tarafından yönetildi ve her ikisi de Havacılık ve Uzay Bilimleri UW profesörleri Mitsuru Kurosaka ve Carl Knowlen; ve UW uygulamalı matematik profesörü J. Nathan Kutz.
Geleneksel bir roket motorunda, itici bir ateşleme odasında yakılır ve daha sonra itme oluşturmak için memelerden arkaya doğru kanalize edilir. Bir RDE'de, Koch'un bir UW News sürümünde açıkladığı gibi, işler farklı çalışır:
“Dönen bir patlama motoru itici yakıtla nasıl yakıldığına farklı bir yaklaşım getiriyor. Eşmerkezli silindirlerden yapılmıştır. İtici silindirler arasındaki boşlukta akar ve ateşlemeden sonra, hızlı ısı salınımı bir şok dalgası, ses hızından daha hızlı hareket eden önemli ölçüde daha yüksek basınç ve sıcaklığa sahip güçlü bir gaz darbesi oluşturur.
Bu, RDE'yi, yanma reaksiyonunu yönlendirmek ve kontrol etmek için çok fazla makine gerektiren ve hızlanmaya dönüştürülebilen geleneksel motorlardan ayırır. Ancak bir RDE'de, ateşlemelerin oluşturduğu şok dalgası doğal olarak ve ek motor parçalarına ihtiyaç duymadan itme yaratır.
Bununla birlikte, Koch'un belirttiği gibi, dönen patlama motoru alanı hala başlangıç aşamasındadır ve mühendisler hala neler yapabildiklerinden emin değildir. Bu yüzden o ve meslektaşları, mevcut verilerin yeniden oluşturulması ve kalıp oluşumlarına bakılmasından oluşan kavramı test etmeye karar verdiler. İlk olarak, farklı parametreleri (silindirler arasındaki boşluğun boyutu gibi) kontrol etmelerine izin veren deneysel bir RDE (aşağıda gösterilmiştir) geliştirdiler.
Daha sonra yanma işlemlerini (her seferinde tamamlanması sadece 0,5 saniye sürdü) yüksek hızlı bir kamerayla kaydetti. Kamera her ateşlemeyi saniyede 240.000 kare hızında kaydetti ve ekibin reaksiyonları yavaş çekimde açmasını izledi. Koch'un açıkladığı gibi, o ve meslektaşları motorun gerçekten iyi performans gösterdiğini buldular.
“Bu yanma işlemi tam anlamıyla bir patlama - bir patlama - ancak bu ilk başlangıç aşamasının arkasında, mevcut itici yakıt tüketmeye devam eden bir dizi kararlı yanma darbesi görüyoruz. Bu, motorun arkasını yüksek hızlarda dışarı atarak tahrik edebilen yüksek basınç ve sıcaklık üretir.
Daha sonra, araştırmacılar deneyleriyle gözlemlediklerini taklit etmek için bir matematiksel model geliştirdiler. Türünün ilk örneği olan bu model, ekibin ilk kez bir RDE'nin kararlı olup olmayacağını belirlemesine izin verdi. Ve bu model henüz diğer mühendislerin kullanımına hazır olmasa da, diğer araştırma ekiplerinin belirli RDE'lerin ne kadar iyi performans göstereceklerini değerlendirmelerine izin verebilir.
Belirtildiği gibi, motor tasarımının öngörülemeyen doğası olan bir dezavantajı vardır. Bir yandan, yanma kaynaklı şoklar süreci doğal olarak şokların yanma odası tarafından sıkıştırılmasına neden olarak itme ile sonuçlanır. Öte yandan, bir kez başladığında, patlamalar şiddetli ve kontrolsüzdür - roketler söz konusu olduğunda tamamen kabul edilemez bir şey.
Ancak Koch'un açıkladığı gibi, bu araştırma, bu motor tasarımını test ettiği ve davranışını nicel olarak ölçtüğü için başarılı oldu. Bu iyi bir ilk adımdır ve RDE'lerin gerçek gelişimi ve gerçekleştirilmesine giden yolu açmaya yardımcı olabilir.
“Buradaki amacım yalnızca gördüğümüz darbelerin davranışını yeniden üretmekti - model çıktısının deneysel sonuçlarımıza benzediğinden emin olmak,” dedi Koch. “Baskın fiziği ve nasıl etkileştiklerini belirledim. Şimdi burada yaptığım şeyi alıp nicel yapabilirim. Oradan daha iyi bir motorun nasıl üretileceğinden bahsedebiliriz. ”
Koch ve meslektaşının araştırması, ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi ve Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından sağlanan fon sayesinde mümkün oldu. Söylemek için çok erken olsa da, bu araştırmanın sonuçları çok geniş olabilir, bu da üretimi daha kolay ve daha düşük maliyetli roket motorları ile sonuçlanabilir. Tek gereken motor tasarımının kendisinin güvenli ve güvenilir olmasını sağlamaktır.
