В 2020 году ученые из Вашингтонского университета разработали математическую модель, которая описывает работу нового механизма запуска ракет — вращающегося детонационного двигателя (ВДД), и создали его экспериментальный образец.
В эпоху активного освоения космоса особую важность приобретает эффективность ракетных двигателей и стоимость запусков. Сокращая затраты, космические агентства и частные аэрокосмические компании делают космос ближе. Основной статьей расходов при запуске ракет является цена топлива. Проще говоря, чтобы вырваться из цепких лап гравитации нужно много ракетного топлива!
Новая конструкция отличается удивительной топливной экономичностью и не так сложна в изготовлении, как привычный ракетный двигатель. Но беда в том, что новый двигатель пока слишком непредсказуем. Над ним предстоит еще работать и работать.
Группу ученых, разработавших модель, возглавлял докторант по аэронавтике и космонавтике Вашингтонского университета Джеймс Кох. Также над теорией нового двигателя работали профессоры по аэронавтике и астронавтике Митсуру Куросака и Карл Новлен, а также профессор прикладной математики Натан Куц.
В обычном ракетном двигателе пропеллент сжигается в камере, а затем выбрасывается через форсунки для создания тяги. ВДД работает совершенно иначе, как объяснил Кох в пресс-релизе: «Вращающийся детонационный двигатель использует другой подход к процессу сжигания топлива. Он сделан из концентрических цилиндров. Пропеллент попадает в зазор между цилиндрами, и после его воспламенения происходит быстрое тепловыделение, которое образует ударную волну — импульс газа со значительно более высоким давлением и температурой, который движется быстрее скорости звука».
В привычных ракетных двигателях требуется множество устройств, контролирующих процесс горения, но в ВДД ударная волна, генерируемая зажиганием, создает тягу естественным образом и без использования дополнительных приборов и устройств.
James Koch/University of Washington
Экспериментальный вращающийся детонационный двигатель
Ученые разработали экспериментальный ВДД, который позволил им контролировать различные параметры. Например, ширину зазора между цилиндрами. Затем они записали процесс горения топлива, который длился всего половину секунды, с помощью камеры, делающей 240 000 кадров в секунду. Это позволило наблюдать за происходящими процессами в замедленном режиме.
«Процесс сгорания буквально является детонацией — взрывом. Мы наблюдаем ряд устойчивых импульсов сгорания, которые продолжают сжигать доступное топливо. Это создает высокое давление и температуру, которые вытесняют выхлопные газы из двигателя на высоких оборотах, создавая тягу», — описывают процесс ученые.
Затем исследователи разработали математическую модель для имитации того, что они наблюдали в ходе своего эксперимента. Эта модель, первая в своем роде, позволила ученым определить, будет ли новый двигатель стабильным.
Как уже отмечалось, у конструкции двигателя есть и слабая сторона — ее непредсказуемость: с одной стороны, взрывы, вызванные горением, приводят к созданию тяги, а с другой, начавшись, они становятся жестокими и неконтролируемыми, что неприемлемо, когда речь идет о ракетах.
Пока еще слишком рано говорить о прорыве в области ракетных двигателей, который сделает полеты в космос более рентабельными. Прежде необходимо обеспечить безопасность и надежность конструкции двигателя, сделав процесс сгорания контролируемым и мягким.