Trong kỷ nguyên thám hiểm không gian hiện nay, tên của trò chơi là hiệu quả về chi phí. Bằng cách giảm chi phí liên quan đến các vụ phóng riêng lẻ, các cơ quan không gian và các công ty hàng không vũ trụ tư nhân (còn gọi là NewSpace) đang đảm bảo rằng quyền truy cập vào không gian lớn hơn. Và khi nói đến chi phí ra mắt, chi phí lớn nhất là chi phí nhiên liệu. Nói một cách đơn giản, việc phá vỡ tự do đối với lực hấp dẫn của Trái đất cần rất nhiều nhiên liệu tên lửa!
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington gần đây đã phát triển một mô hình toán học mô tả hoạt động của một cơ chế phóng mới: động cơ kích nổ xoay (RDE). Thiết kế gọn nhẹ này mang lại hiệu quả nhiên liệu lớn hơn và ít phức tạp hơn khi thi công. Tuy nhiên, nó đi kèm với sự đánh đổi khá lớn là quá khó lường để được đưa vào phục vụ ngay bây giờ.
Nghiên cứu mô tả nghiên cứu của họ (Sóng kích nổ xoay khóa bị khóa Chế độ: Các thí nghiệm và phương trình mô hình định dạng) gần đây đã xuất hiện trên tạp chí Đánh giá vật lý E. Nhóm nghiên cứu được dẫn dắt bởi James Koch, một sinh viên tiến sĩ của UW về hàng không và du hành vũ trụ, và bao gồm Mitsuru Kurosaka và Carl knowlen, cả hai giáo sư về Hàng không & Du hành vũ trụ của UW; và J. Nathan Kutz, giáo sư toán ứng dụng của UW.
Trong một động cơ tên lửa thông thường, nhiên liệu được đốt trong buồng đánh lửa và sau đó được đưa ra khỏi lưng thông qua các vòi phun để tạo lực đẩy. Trong một RDE, mọi thứ hoạt động khác nhau, như Koch đã giải thích trong một bản phát hành UW News:
Một động cơ kích nổ xoay có một cách tiếp cận khác với cách nó chống lại nhiên liệu đẩy. Nó làm bằng xi lanh đồng tâm. Propellant chảy trong khe giữa các xi lanh và sau khi đánh lửa, sự giải phóng nhiệt nhanh tạo thành sóng xung kích, một xung khí mạnh với áp suất và nhiệt độ cao hơn đáng kể đang di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh.
Điều này đặt RDE ngoài các động cơ thông thường, đòi hỏi rất nhiều máy móc để điều khiển và kiểm soát phản ứng đốt cháy để có thể biến thành gia tốc. Nhưng trong một RDE, sóng xung kích do đánh lửa tạo ra lực đẩy một cách tự nhiên và không cần thêm các bộ phận động cơ.
Tuy nhiên, như Koch chỉ ra, lĩnh vực động cơ kích nổ xoay vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và các kỹ sư vẫn không chắc chắn những gì họ có khả năng. Do đó, tại sao ông và các đồng nghiệp của mình quyết định thử nghiệm khái niệm này, bao gồm việc lấy lại dữ liệu có sẵn và xem xét sự hình thành mẫu. Đầu tiên, họ đã phát triển một RDE thử nghiệm (hiển thị bên dưới) cho phép họ kiểm soát các tham số khác nhau (như kích thước của khoảng cách giữa các xi lanh).
Sau đó, họ đã ghi lại các quá trình đốt cháy (chỉ mất 0,5 giây để hoàn thành mỗi lần) bằng một camera tốc độ cao. Máy ảnh đã ghi lại mọi đánh lửa với tốc độ 240.000 khung hình mỗi giây, cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi các phản ứng diễn ra trong chuyển động chậm. Như Koch giải thích, anh và các đồng nghiệp của mình thấy rằng động cơ thực sự hoạt động tốt.
Quy trình đốt cháy này thực sự là một vụ nổ - một vụ nổ - nhưng đằng sau giai đoạn khởi động ban đầu này, chúng ta thấy một số dạng xung đốt cháy ổn định tiếp tục tiêu thụ nhiên liệu có sẵn. Điều này tạo ra áp suất và nhiệt độ cao giúp đẩy khí thải ra phía sau động cơ ở tốc độ cao, có thể tạo ra lực đẩy.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình toán học để bắt chước những gì họ quan sát được với thí nghiệm của họ. Mô hình này, lần đầu tiên thuộc loại này, cho phép nhóm xác định lần đầu tiên liệu RDE có ổn định hay không. Và trong khi mô hình này chưa sẵn sàng cho các kỹ sư khác sử dụng, nó có thể cho phép các nhóm nghiên cứu khác đánh giá RDEs cụ thể sẽ hoạt động tốt như thế nào.
Như đã lưu ý, thiết kế động cơ không có nhược điểm, đó là bản chất không thể đoán trước. Một mặt, quá trình các cú sốc do đốt cháy tự nhiên dẫn đến việc nén các cú sốc bởi buồng đốt, dẫn đến lực đẩy. Mặt khác, một khi đã bắt đầu, các vụ nổ là bạo lực và không được kiểm soát - một điều hoàn toàn không thể chấp nhận được khi nói về tên lửa.
Nhưng như Koch giải thích, nghiên cứu này là một thành công ở chỗ nó đã thử nghiệm thiết kế động cơ này và đo lường một cách định lượng hành vi của nó. Đây là bước đầu tiên tốt và có thể giúp mở đường cho sự phát triển và hiện thực hóa RDEs.
Mục tiêu của tôi ở đây là chỉ để tái tạo hành vi của các xung mà chúng ta đã thấy - để đảm bảo rằng đầu ra mô hình tương tự như kết quả thử nghiệm của chúng tôi, ông nói. Tôi đã xác định được vật lý thống trị và cách chúng tương tác với nhau. Bây giờ tôi có thể lấy những gì tôi đã làm ở đây và làm cho nó định lượng. Từ đó chúng ta có thể nói về cách tạo ra một động cơ tốt hơn.
Nghiên cứu của Koch và đồng nghiệp đã được thực hiện nhờ vào nguồn tài trợ được cung cấp bởi Văn phòng Nghiên cứu Khoa học của Không quân Hoa Kỳ và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân. Mặc dù còn quá sớm để nói, ý nghĩa của nghiên cứu này có thể sẽ lan rộng, dẫn đến động cơ tên lửa dễ sản xuất hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Tất cả những gì cần thiết là để đảm bảo rằng bản thân thiết kế động cơ là an toàn và đáng tin cậy.
