Η εκτόξευση ενός αντικειμένου στο διάστημα είναι κάτι που απαιτεί μεγάλες ποσότητες καυσίμου, και ως εκ τούτου συνεπάγεται μεγάλα κόστη- ωστόσο ένα νέο είδος κινητήρα, που αποκαλείται «κινητήρας περιστροφικής πυροδότησης» (rotating detonation engine) «υπόσχεται» να καταστήσει τους πυραύλους όχι μόνο πιο οικονομικούς από πλευράς κατανάλωσης καυσίμου, αλλά και πιο ελαφρείς και λιγότερο πολύπλοκους ως προς την κατασκευή τους. Ωστόσο, προς το παρόν υπάρχει ένα πρόβλημα: Επί της παρούσης ο κινητήρας αυτός είναι πολύ απρόβλεπτος για να χρησιμοποιηθεί σε πυραύλους.
Ερευνητές στο University of Washington ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο περιγράφει πώς λειτουργούν αυτοί οι κινητήρες. Με αυτές τις πληροφορίες οι μηχανικοί μπορούν, για πρώτη φορά, να αναπτύξουν δοκιμές για τη βελτίωση αυτών των κινητήρων, προκειμένου να γίνουν πιο σταθεροί.
Τα ευρήματα της σχετικής έρευνας δημοσιεύτηκαν στις αρχές του Ιανουαρίου στο Physical Review E. «Ο τομέας του κινητήρα περιστροφικής πυροδότησης είναι ακόμα σε πρώιμο στάδιο. Έχουμε τόνους δεδομένων για αυτούς τους κινητήρες, αλλά δεν κατανοούμε τι συμβαίνει» είπε ο Τζέιμς Κοχ, lead author της σχετικής έρευνας και διδακτορικός φοιτητής του UW στην αεροναυτική και την αστροναυτική. «Προσπάθησα να επεξεργαστώ εκ νέου τα αποτελέσματά μας εξετάζοντας σχηματισμούς μοτίβων αντί να κάνω μια μηχανολογική ερώτηση- όπως το πώς θα έχουμε τον κινητήρα με τις υψηλότερες επιδόσεις- και, ορίστε, αποδείχτηκε πως λειτουργεί».
_ HIGH ENTHALPY FLOW LABORATORY
Ένας συμβατικός πυραυλοκινητήρας καίει προωθητικό καύσιμο και μετά το ωθεί έξω από το πίσω μέρος του για να δημιουργήσει ώθηση. «Ένας κινητήρας περιστροφικής πυροδότησης έχει διαφορετική προσέγγιση όσον αφορά στην ανάφλεξη προωθητικού» είπε ο Κοχ. «Αποτελείται από ομόκεντρους κυλίνδρους. Το προωθητικό ρέει στο κενό μεταξύ των κυλίνδρων και, μετά την πυροδότησης, η ταχεία απελευθέρωση θερμότητας σχηματίζει ένα ωστικό κύμα, έναν ισχυρό παλμό αερίου με σημαντικά υψηλότερη πίεση και θερμοκρασία, που κινείται ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου».
«Αυτή η διαδικασία καύσης είναι κυριολεκτικά μια πυροδότηση- μια έκρηξη- μα πίσω από αυτή την αρχική φάση έναρξης βλέπουμε να δημιουργείται ένας αριθμός σταθερών παλμών ανάφλεξης που συνεχίζουν να καταναλώνουν διαθέσιμο προωθητικό. Αυτό παράγει υψηλή πίεση και θερμοκρασία, που στέλνει τα καυσαέρια έξω από το πίσω μέρος του κινητήρα σε υψηλές ταχύτητες, κάτι που μπορεί να παράγει ώθηση».
Οι συμβατικοί κινητήρες χρησιμοποιούν πολύπλοκους μηχανισμούς για να κατευθύνονται και να ελέγχονται οι αντιδράσεις ανάφλεξης, έτσι ώστε να κάνουν αυτό για το οποίο (οι κινητήρες) έχουν κατασκευαστεί- να ωθούν το σκάφος. Ωστόσο, σε έναν κινητήρα περιστροφικής πυροδότησης το ωστικό κύμα κάνει τα πάντα χωρίς να χρειάζεται επιπλέον βοήθεια από μηχανικά τμήματα.
«Τα σοκ από την ανάφλεξη συμπιέζουν τη ροή καθώς κινούνται στον θάλαμο σύντηξης. Το μειονέκτημα είναι πως αυτές οι πυροδοτήσεις είναι ανεξέλεγκτες. Όταν πυροδοτήσεις κάτι, απλά σκάει. Είναι τόσο βίαιο».
Για να περιγράψουν πώς λειτουργούν αυτοί οι κινητήρες, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν πειραματικό κινητήρα περιστροφικής πυροδότησης όπου μπορούσαν να ελέγξουν διαφορετικές παραμέτρους, όπως το μέγεθος του κενού μεταξύ των κυλίνδρων. Μετά κατέγραψαν τις διαδικασίες ανάφλεξης με μια κάμερα υψηλών ταχυτήτων. Το κάθε πείραμα χρειάστηκε μόνο 0,5 δευτερόλεπτα, αλλά οι ερευνητές κατέγραψαν αυτά τα πειράματα στα 240.000 frames per second, για να μπορούν να δουν τι συνέβαινε σε αργή κίνηση. Από εκεί και πέρα, ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο που μιμείται αυτό που είδαν στα βίντεο. Το μοντέλο αυτό, σύμφωνα με τον Νέιθαν Κουτζ, καθηγητή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του UW και co-author της έρευνας, είναι το μόνο μοντέλο που υπάρχει το οποίο μπορεί να περιγράψει τις πολύπλοκες δυναμικές και διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στους εν λόγω κινητήρες. Σε αυτό το πλαίσιο, επέτρεψε στους ερευνητές να διαπιστώσουν για πρώτη φορά εάν ένας κινητήρας τέτοιου τύπο θα ήταν σταθερός ή ασταθής και να αξιολογήσουν τις επιδόσεις του.
Ωστόσο, το μοντέλο δεν είναι ακόμα έτοιμο για χρήση από μηχανικούς. «Σκοπός μου εδώ ήταν απλά να αναπαράγω τη συμπεριφορά των παλμών που είδαμε- να διασφαλίσω πως η απόδοση του μοντέλου είναι παρόμοια με τα πειραματικά μας αποτελέσματα» είπε ο Κοχ. «Ταυτοποίησα τις κυρίαρχες διεργασίες φυσικής και το πώς αλληλεπιδρούν. Τώρα μπορώ να πάρω αυτά που έκανα εδώ και να τα ποσοτικοποιήσω. Από εκεί και πέρα, μπορούμε να μιλήσουμε για το πώς μπορούμε να φτιάξουμε έναν καλύτερο κινητήρα».
