In het huidige tijdperk van ruimteverkenning is de naam van het spel 'kosteneffectief'. Door de kosten in verband met individuele lanceringen te verlagen, zorgen ruimteagentschappen en particuliere ruimtevaartbedrijven (ook bekend als NewSpace) ervoor dat de toegang tot de ruimte groter is. En als het gaat om de kosten van lanceringen, is de grootste uitgave die van drijfgas. Simpel gezegd, kost het loskomen van de zwaartekracht van de aarde veel raketbrandstof!
Om dit aan te pakken, hebben onderzoekers van de Universiteit van Washington onlangs een wiskundig model ontwikkeld dat de werking beschrijft van een nieuw lanceringsmechanisme: de roterende detonatiemotor (RDE). Dit lichtgewicht ontwerp biedt een lager brandstofverbruik en is minder gecompliceerd om te bouwen. Het komt echter met de vrij grote afweging dat het te onvoorspelbaar is om nu in gebruik te worden genomen.
De studie die hun onderzoek beschrijft ("Mode-vergrendelde roterende detonatiegolven: experimenten en een modelvergelijking") verscheen onlangs in het tijdschrift Fysieke beoordeling E. Het onderzoeksteam stond onder leiding van James Koch, een UW-doctoraatsstudent in luchtvaart en ruimtevaart, en omvatte Mitsuru Kurosaka en Carl Knowlen, beide UW-professoren van Aeronautics & Astronautics; en J. Nathan Kutz, een UW-professor in toegepaste wiskunde.
In een conventionele raketmotor wordt drijfgas verbrand in een ontstekingskamer en vervolgens via sproeiers uit de rug geleid om stuwkracht te genereren. In een RDE werken de dingen anders, zoals Koch uitlegde in een UW News-release:
“Een roterende ontstekingsmotor heeft een andere benadering voor de verbranding van drijfgas. Hij is gemaakt van concentrische cilinders. Drijfgas stroomt in de opening tussen de cilinders en na ontsteking vormt de snelle warmteafgifte een schokgolf, een sterke gaspuls met een aanzienlijk hogere druk en temperatuur die sneller beweegt dan de geluidssnelheid.
Hiermee onderscheidt de RDE zich van conventionele motoren, die veel machines vereisen om de verbrandingsreactie te sturen en te regelen, zodat deze in versnelling kan worden omgezet. Maar in een RDE creëert de schokgolf die door de ontstekingen wordt gegenereerd op natuurlijke wijze stuwkracht en zonder de noodzaak van extra motoronderdelen.
Zoals Koch aangeeft, staat het veld van de roterende detonatiemotor echter nog in de kinderschoenen en zijn ingenieurs nog steeds niet zeker waartoe ze in staat zijn. Daarom besloten hij en zijn collega's het concept te testen, dat bestond uit het herschikken van de beschikbare gegevens en het bekijken van patroonformaties. Ten eerste ontwikkelden ze een experimentele RDE (hieronder weergegeven) waarmee ze verschillende parameters konden regelen (zoals de grootte van de opening tussen cilinders).
Vervolgens legden ze de verbrandingsprocessen vast (die elke keer slechts 0,5 seconden in beslag namen) met een snelle camera. De camera registreerde elke ontsteking met een snelheid van 240.000 frames per seconde, waardoor het team de reacties in slow motion kon volgen. Zoals Koch uitlegde, ontdekten hij en zijn collega's dat de motor eigenlijk goed presteerde.
“Dit verbrandingsproces is letterlijk een ontploffing - een explosie - maar achter deze eerste opstartfase zien we een aantal stabiele verbrandingspulsen ontstaan die het beschikbare drijfgas blijven verbruiken. Dit produceert hoge druk en temperatuur die uitlaatgassen aan de achterkant van de motor met hoge snelheden aandrijven, wat stuwkracht kan genereren.
Vervolgens ontwikkelden de onderzoekers een wiskundig model om na te bootsen wat ze met hun experiment hadden waargenomen. Met dit model, het eerste in zijn soort, kon het team voor het eerst bepalen of een RDE stabiel zou zijn. En hoewel dit model nog niet gereed is voor gebruik door andere ingenieurs, zou het andere onderzoeksteams in staat kunnen stellen te beoordelen hoe goed specifieke RDE's zullen presteren.
Zoals opgemerkt, heeft het motorontwerp een keerzijde, wat het onvoorspelbare karakter is. Enerzijds leidt het proces van door verbranding aangedreven schokken natuurlijk tot het samenpersen van de schokken door de verbrandingskamer, resulterend in stuwkracht. Aan de andere kant, eenmaal begonnen, zijn de ontploffingen gewelddadig en ongecontroleerd - iets dat volkomen onaanvaardbaar is als het gaat om raketten.
Maar zoals Koch uitlegde, was dit onderzoek een succes omdat het dit motorontwerp testte en het gedrag kwantitatief mat. Dit is een goede eerste stap en kan de weg effenen voor de daadwerkelijke ontwikkeling en realisatie van RDE's.
"Mijn doel hier was alleen om het gedrag van de pulsen die we zagen te reproduceren - om ervoor te zorgen dat de output van het model vergelijkbaar is met onze experimentele resultaten," zei Koch. 'Ik heb de dominante fysica geïdentificeerd en hoe ze op elkaar inwerken. Nu kan ik nemen wat ik hier heb gedaan en het kwantitatief maken. Van daaruit kunnen we praten over hoe we een betere motor kunnen maken. ”
Het onderzoek van Koch en zijn collega werd mogelijk gemaakt dankzij de financiering van het US Air Force Office of Scientific Research en het Office of Naval Research. Hoewel het te vroeg is om te zeggen, kunnen de implicaties van dit onderzoek verstrekkende gevolgen hebben, met als resultaat raketmotoren die gemakkelijker te produceren en kosteneffectiever zijn. Het enige dat nodig is, is ervoor te zorgen dat het motorontwerp zelf veilig en betrouwbaar is.
