Một nghệ sĩ dựng hình của Trình diễn Powerhead tích hợp. Tín dụng hình ảnh: NASA. Nhấn vào đây để phóng to.
Khi bạn nghĩ về công nghệ tên lửa trong tương lai, có lẽ bạn nghĩ về lực đẩy ion, động cơ phản vật chất và các khái niệm kỳ lạ khác.
Không quá nhanh! Chương cuối cùng trong tên lửa nhiên liệu lỏng truyền thống vẫn chưa được viết. Nghiên cứu đang được tiến hành để tạo ra một thế hệ mới các thiết kế tên lửa nhiên liệu lỏng, có thể tăng gấp đôi hiệu suất so với các thiết kế hiện nay, đồng thời cải thiện độ tin cậy.
Tên lửa nhiên liệu lỏng đã có từ rất lâu: Lần phóng đầu tiên chạy bằng chất lỏng được thực hiện vào năm 1926 bởi Robert H. Goddard. Tên lửa đơn giản đó tạo ra lực đẩy khoảng 20 pound, đủ để mang nó khoảng 40 feet lên không trung. Kể từ đó, các thiết kế đã trở nên tinh vi và mạnh mẽ. Chẳng hạn, tàu con thoi ba động cơ chạy bằng nhiên liệu lỏng, có thể tạo ra hơn 1,5 triệu pound lực đẩy kết hợp trên đường đến quỹ đạo Trái đất.
Bạn có thể cho rằng, đến bây giờ, mọi tinh chỉnh có thể tưởng tượng được trong các thiết kế tên lửa nhiên liệu lỏng phải được thực hiện. Bạn đã sai. Hóa ra có phòng cải tiến.
Dẫn đầu là Không quân Hoa Kỳ, một nhóm bao gồm NASA, Bộ Quốc phòng và một số đối tác trong ngành đang nghiên cứu các thiết kế động cơ tốt hơn. Chương trình của họ được gọi là Công nghệ đẩy tên lửa tích hợp cao, và họ đang xem xét nhiều cải tiến có thể. Một trong những hứa hẹn nhất cho đến nay là một kế hoạch mới cho dòng nhiên liệu:
Ý tưởng cơ bản đằng sau một tên lửa nhiên liệu lỏng khá đơn giản. Một nhiên liệu và chất oxy hóa, cả ở dạng lỏng, được đưa vào buồng đốt và đốt cháy. Ví dụ, tàu con thoi sử dụng hydro lỏng làm nhiên liệu và oxy lỏng làm chất oxy hóa. Các khí nóng do quá trình đốt cháy thoát ra nhanh chóng qua vòi phun hình nón, do đó tạo ra lực đẩy.
Các chi tiết, tất nhiên, phức tạp hơn nhiều. Đối với một, cả nhiên liệu lỏng và chất oxy hóa phải được đưa vào buồng rất nhanh và chịu áp lực lớn. Các động cơ chính của Shuttle đưa đón một bể bơi đầy nhiên liệu chỉ trong 25 giây!
Dòng chảy tràn nhiên liệu này được điều khiển bởi một tuabin. Để cung cấp năng lượng cho tuabin, một lượng nhỏ nhiên liệu là đốt trước, do đó tạo ra các khí nóng điều khiển tuabin, từ đó bơm phần còn lại của nhiên liệu vào buồng đốt chính. Một quá trình tương tự được sử dụng để bơm chất oxy hóa.
Ngày nay, tên lửa nhiên liệu lỏng chỉ gửi một lượng nhỏ nhiên liệu và chất oxy hóa thông qua các bộ đốt. Phần lớn chảy trực tiếp vào buồng đốt chính, bỏ qua hoàn toàn bộ đốt trước.
Một trong nhiều sáng kiến đang được Không quân và NASA thử nghiệm là gửi tất cả nhiên liệu và chất oxy hóa thông qua các bộ đốt trước tương ứng của chúng. Chỉ có một lượng nhỏ được tiêu thụ ở đó, chỉ đủ để chạy các tuabin; phần còn lại chảy qua buồng đốt.
Thiết kế chu trình đầy đủ dòng chảy này có một ưu điểm quan trọng: với khối lượng lớn hơn đi qua tuabin dẫn động tuabin, tuabin được điều khiển mạnh hơn, do đó đạt áp suất cao hơn. Áp suất cao hơn hiệu suất lớn hơn bằng tên lửa.
Thiết kế như vậy chưa bao giờ được sử dụng trong một tên lửa nhiên liệu lỏng ở Hoa Kỳ trước đây, theo Gary Genge tại Trung tâm bay không gian NASA Marshall Marshall. Genge là Phó giám đốc dự án cho công cụ kiểm tra tích hợp Powerhead Demonstrator (IPD) cho các khái niệm này.
Những thiết kế mà chúng tôi khám phá có thể tăng hiệu suất theo nhiều cách, Genge nói. Cúng chúng tôi hy vọng cho hiệu quả nhiên liệu tốt hơn, tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng cao hơn, độ tin cậy được cải thiện tất cả với chi phí thấp hơn.
Tuy nhiên, ở giai đoạn này của dự án, chúng tôi chỉ cố gắng để mô hình dòng chảy thay thế này hoạt động chính xác, anh ấy lưu ý.
Họ đã đạt được một mục tiêu quan trọng: một động cơ chạy mát hơn. Turbopumps sử dụng mô hình dòng chảy truyền thống có thể nóng lên đến 1800 C, Genge nói. Đó là rất nhiều căng thẳng nhiệt trên động cơ. Dòng chảy đầy đủ của dòng máy làm mát bằng máy lạnh, vì nó có khối lượng lớn hơn chạy qua nó, nhiệt độ thấp hơn có thể được sử dụng và vẫn đạt được hiệu suất tốt. Ông Weveve hạ nhiệt độ xuống vài trăm độ, ông nói.
IPD chỉ có ý nghĩa như một thử nghiệm cho những ý tưởng mới, Genge lưu ý. Người biểu tình sẽ không bao giờ bay vào vũ trụ. Nhưng nếu dự án thành công, một số cải tiến của IPD có thể tìm đường vào các phương tiện phóng trong tương lai.
Gần một trăm năm và hàng ngàn lần phóng sau Goddard, những tên lửa nhiên liệu lỏng tốt nhất có thể vẫn chưa xuất hiện.
Nguồn gốc: Bài báo khoa học của NASA
