sobota, 31 października, 2020

Oszczędny silnik rakietowy może umożliwić tańszy, lżejszy statek kosmiczny

Wystrzelenie czegoś w kosmos wymaga dużo paliwa. Wysłanie promu kosmicznego NASA na orbitę wymagało ponad 3,5 miliona funtów paliwa.

   Ale nowy typ silnika – zwany obrotowym silnikiem detonacyjnym – może sprawić, że rakiety będą nie tylko bardziej oszczędne pod względem zużycia paliwa, ale również będą bardziej lekkie i mniej skomplikowane w budowie. Jest tylko jeden problem: w tej chwili ten silnik jest zbyt nieprzewidywalny, aby można go było użyć w rzeczywistej rakiecie.

   Naukowcy z University of Washington opracowali model matematyczny opisujący działanie tych silników. Dzięki tym informacjom inżynierowie mogą po raz pierwszy opracować testy w celu ulepszenia tych silników i zwiększenia ich stabilności. Zespół opublikował te wyniki 10 stycznia w Physical Review.

University of Washington / Steve Ginn flickr.com

„Pole obracających się silników detonacyjnych jest wciąż w powijakach. Mamy mnóstwo danych na temat tych silników, ale nie rozumiemy, co się dzieje” – powiedział główny autor James Koch, doktorant UW z dziedziny aeronautyki i astronautyki. „Próbowałem przekształcić nasze wyniki, patrząc na formacje wzorów zamiast zadawać pytania techniczne – na przykład jak uzyskać silnik o najwyższej wydajności – a potem boom, okazało się, że działa”.

   Konwencjonalny silnik rakietowy działa poprzez spalanie paliwa, a następnie wypchnięcie go z tylnej części silnika w celu wytworzenia ciągu.

- Reklama -

 „Obrotowy silnik detonacyjny ma inne podejście do spalania paliwa napędowego” – powiedział Koch. „Składa się z koncentrycznych cylindrów. Pęd przepływa przez szczelinę między cylindrami, a po zapłonie szybkie uwalnianie ciepła tworzą falę uderzeniową, silny puls gazu o znacznie wyższym ciśnieniu i temperaturze, który porusza się szybciej niż prędkość dźwięku .

   „Ten proces spalania jest dosłownie detonacją – eksplozją – ale za tą początkową fazą rozruchu widzimy pewną liczbę stabilnych impulsów spalania, które nadal zużywają dostępny gaz napędowy. To wytwarza wysokie ciśnienie i temperaturę, które napędzają spaliny z tyłu silnika przy dużych prędkościach, które mogą generować ciąg.”

 Konwencjonalne silniki wykorzystują wiele maszyn do kierowania reakcją spalania i kontrolowania jej, tak że generuje ona pracę potrzebną do napędzania silnika. Ale w obracającym się silniku detonacyjnym fala uderzeniowa naturalnie robi wszystko bez potrzeby dodatkowej pomocy ze strony części silnika.

Jak kawa stała się ulubionym narkotykiem kapitalizmu, pozostawiając alkohol za sobą
Jak kawa stała się ulubionym narkotykiem kapitalizmu, pozostawiając alkohol za sobą

   „Wstrząsy spowodowane spalaniem w naturalny sposób kompresują przepływ podczas przemieszczania się wokół komory spalania” – powiedział Koch. „Minusem tego jest to, że te detonacje mają swój własny umysł. Gdy coś zdetonujesz, to po prostu idzie. Jest tak gwałtowny”.

   Aby spróbować opisać działanie tych silników, naukowcy opracowali najpierw eksperymentalny silnik z detonacją obrotową, w którym mogliby kontrolować różne parametry, takie jak wielkość szczeliny między cylindrami. Następnie zarejestrowali procesy spalania za pomocą kamery o wysokiej prędkości. Każdy eksperyment trwał tylko 0,5 sekundy, ale naukowcy zarejestrowali te eksperymenty z prędkością 240 000 klatek na sekundę, aby mogli zobaczyć, co dzieje się w zwolnionym tempie.

 Następnie naukowcy opracowali model matematyczny naśladujący to, co widzieli na filmach.

   „Jest to jedyny model w literaturze, który jest obecnie w stanie opisać różnorodną i złożoną dynamikę tych wirujących silników detonacyjnych, które obserwujemy w eksperymentach” – powiedziała J. Nathan Kutz, profesor matematyki stosowanej na UW.

   Model ten pozwolił naukowcom po raz pierwszy ustalić, czy silnik tego typu będzie stabilny czy niestabilny. Pozwoliło im to również ocenić, jak dobrze działa dany silnik.

   „To nowe podejście różni się od konwencjonalnej wiedzy w tej dziedzinie, a jego szerokie zastosowania i nowe spostrzeżenia były dla mnie całkowitym zaskoczeniem” – powiedział Carl Knowlen, profesor nadzwyczajny UW z dziedziny aeronautyki i astronautyki.

  W tej chwili model nie jest jeszcze gotowy do użycia przez inżynierów.