V-kosmose.com

Ученые разрабатывают новый тип ракет, который дешевле и легче строить: вращающийся детонационный двигатель

Запуск космического корабля «Союз» с космодрома Байконур в Казахстане в 2017 году с использованием обычного, энергоемкого двигателя. Исследователи разработали математическую модель, которая описывает, как работает новый тип двигателя, обещающий сделать ракеты экономичными, более легкими и менее сложными в конструировании. Фото: NASA/Bill Ingalls

Запуск космического корабля «Союз» с космодрома Байконур в Казахстане в 2017 году с использованием обычного, энергоемкого двигателя. Исследователи разработали математическую модель, которая описывает, как работает новый тип двигателя, обещающий сделать ракеты экономичными, более легкими и менее сложными в конструировании. Фото: NASA/Bill Ingalls

Нынешняя эпоха освоения космоса проходит под эгидой «экономически выгодно». Сокращая затраты, связанные с отдельными запусками, космические агентства и частные аэрокосмические компании делают запуски в космос более доступными. И когда речь идет о стоимости запусков, самые большие затраты - это расход топлива. Проще говоря, чтобы вырваться из-под гравитации Земли, нужно много ракетного топлива!

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Вашингтонского университета недавно разработали математическую модель, которая описывает работу нового механизма запуска: вращающегося детонационного двигателя (RDE). Эта легкая конструкция обеспечивает большую экономичность топлива и менее сложна в изготовлении. Однако эта модель не лишена и минусов: пока эта конструкция слишком не предсказуема, чтобы быть введена в эксплуатацию прямо сейчас.

Результаты исследования недавно появились в журнале Physical Review E. Исследовательскую группу возглавлял Джеймс Кох, Митсуру Куросака, Карл Ноулен и Натан Куц.

В обычном ракетном двигателе топливо сжигается в камере зажигания, а затем направляется через форсунки в задней части ракеты для создания тяги. Как объяснил Кох, новая модель RDE работает иначе:

«Вращающийся детонационный двигатель использует иной подход к сжиганию топлива. Он сделан из концентрических цилиндров. Топливо течет в зазоре между цилиндрами и после воспламенения быстрое выделение тепла образует ударную волну – сильный импульс газа со значительно более высоким давлением и температурой, который движется быстрее, чем скорость звука».

Это отличает RDE от обычных двигателей, которые требуют большого количества машин для управления и контроля реакции сгорания, чтобы она могла превращаться в ускорение. Но в RDE ударная волна, генерируемая зажиганием, создает тягу естественным образом и без необходимости в дополнительных деталях двигателя.

Однако, как указывает Кох, модель вращающегося детонационного двигателя все еще находится в зачаточном состоянии, и инженеры все еще не уверены, на что способны эти двигатели. Поэтому он и его коллеги решили протестировать эту концепцию. Во-первых, они разработали экспериментальный RDE (показанный ниже), который позволил им контролировать различные параметры (например, размер зазора между цилиндрами).

Экспериментальный вращающийся детонационный двигатель, разработанный командой исследователей во главе с Джеймсом Кохом. Фото: James Koch/University of Washington

Экспериментальный вращающийся детонационный двигатель, разработанный командой исследователей во главе с Джеймсом Кохом. Фото: James Koch/University of Washington

Затем они записали процессы сгорания (которые длились всего 0,5 секунды каждый раз) с помощью высокоскоростной камеры. Камера записывала каждое воспламенение со скоростью 240 000 кадров в секунду, позволяя команде наблюдать за разворачивающимися реакциями в замедленном режиме. Как объяснил Кох, он и его коллеги обнаружили, что двигатель действительно работал хорошо.

«Этот процесс сгорания буквально является взрывом, но за этой начальной фазой запуска мы видим ряд устойчивых импульсов сгорания. Это создает высокое давление и температуру, которые приводят выхлопные газы к задней части двигателя на высоких скоростях, что может создавать тягу».

Затем исследователи разработали математическую модель для имитации того, что они наблюдали в ходе своего эксперимента. Эта модель, первая в своем роде, позволила команде впервые определить, будет ли RDE стабильным. И хотя эта модель еще не готова для использования другими инженерами, она может позволить другим исследовательским группам оценить, насколько хорошо будут работать конкретные RDE.


Видео, снятое в лаборатории Вашингтонского университета.

Как уже отмечалось, у конструкции двигателя есть и обратная сторона, которая заключается в ее непредсказуемости. С одной стороны, процесс ударов, вызванных горением, естественным образом приводит к тяге. С другой стороны, взрывы являются неконтролируемыми, что совершенно неприемлемо, когда речь идет о ракетах.

Но, как объяснил Кох, это исследование было успешным в том смысле, что оно проверило конструкцию этого двигателя и количественно измерило его поведение. Это хороший первый шаг и может помочь проложить путь к фактической разработке и реализации RDE.

«Моя цель здесь состояла исключительно в том, чтобы воспроизвести поведение импульсов, которые мы видели, чтобы убедиться, что результаты модели похожи на наши экспериментальные результаты», - сказал Кох.

Исследования Коха и его коллег стали возможными благодаря финансированию, предоставленному Управлением научных исследований ВВС США и Управлением военно-морских исследований. Пока еще слишком рано делать выводы, что результаты этого исследования могут быть далеко идущими. Все, что нужно - это обеспечить безопасность и надежность самой конструкции двигателя.