In der gegenwärtigen Ära der Weltraumforschung ist der Name des Spiels "kostengünstig". Durch die Reduzierung der mit einzelnen Starts verbundenen Kosten stellen Raumfahrtagenturen und private Luft- und Raumfahrtunternehmen (auch bekannt als NewSpace) sicher, dass der Zugang zum Weltraum besser ist. Und wenn es um die Kosten für Starts geht, sind die größten Kosten die Kosten für Treibmittel. Um es einfach auszudrücken: Um sich von der Schwerkraft der Erde zu befreien, wird viel Raketentreibstoff benötigt!
Um dies zu beheben, haben Forscher der University of Washington kürzlich ein mathematisches Modell entwickelt, das die Funktionsweise eines neuen Startmechanismus beschreibt: des rotierenden Detonationsmotors (RDE). Dieses leichte Design bietet eine höhere Kraftstoffeffizienz und ist weniger kompliziert zu konstruieren. Es ist jedoch mit einem ziemlich großen Kompromiss verbunden, zu unvorhersehbar zu sein, um jetzt in Betrieb genommen zu werden.
Die Studie, die ihre Forschung beschreibt („Modengekoppelte rotierende Detonationswellen: Experimente und eine Modellgleichung“), erschien kürzlich in der Zeitschrift Körperliche Überprüfung E.. Das Forschungsteam wurde von James Koch, einem UW-Doktoranden für Luft- und Raumfahrt, geleitet und umfasste Mitsuru Kurosaka und Carl Knowlen, beide UW-Professoren für Luft- und Raumfahrt; und J. Nathan Kutz, ein UW-Professor für angewandte Mathematik.
Bei einem herkömmlichen Raketentriebwerk wird das Treibmittel in einer Zündkammer verbrannt und dann durch Düsen aus dem Rücken geleitet, um Schub zu erzeugen. In einer RDE funktionieren die Dinge anders, wie Koch in einer UW-Pressemitteilung erklärte:
„Ein rotierender Detonationsmotor verfolgt einen anderen Ansatz als die Verbrennung von Treibmittel. Es besteht aus konzentrischen Zylindern. Das Treibmittel fließt in den Spalt zwischen den Zylindern, und nach der Zündung bildet die schnelle Wärmeabgabe eine Stoßwelle, einen starken Gasimpuls mit deutlich höherem Druck und Temperatur, der sich schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegt.
Dies unterscheidet den RDE von herkömmlichen Motoren, bei denen viele Maschinen erforderlich sind, um die Verbrennungsreaktion so zu steuern und zu steuern, dass sie in Beschleunigung umgewandelt werden kann. In einer RDE erzeugt die durch die Zündungen erzeugte Stoßwelle einen natürlichen Schub, ohne dass zusätzliche Motorteile erforderlich sind.
Wie Koch angibt, steckt das Feld der rotierenden Detonationsmotoren jedoch noch in den Kinderschuhen, und die Ingenieure sind sich noch nicht sicher, wozu sie in der Lage sind. Deshalb beschlossen er und seine Kollegen, das Konzept zu testen, das darin bestand, die verfügbaren Daten neu zu formulieren und Musterformationen zu untersuchen. Zunächst entwickelten sie eine experimentelle RDE (siehe unten), mit der sie verschiedene Parameter (wie die Größe des Spaltes zwischen den Zylindern) steuern konnten.
Anschließend zeichneten sie die Verbrennungsvorgänge (die jeweils nur 0,5 Sekunden dauerten) mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf. Die Kamera zeichnete jede Zündung mit einer Geschwindigkeit von 240.000 Bildern pro Sekunde auf, sodass das Team die Reaktionen in Zeitlupe verfolgen konnte. Wie Koch erklärte, stellten er und seine Kollegen fest, dass der Motor tatsächlich eine gute Leistung erbrachte.
„Dieser Verbrennungsprozess ist buchstäblich eine Detonation - eine Explosion - aber hinter dieser anfänglichen Startphase sehen wir eine Reihe stabiler Verbrennungsimpulse, die weiterhin verfügbares Treibmittel verbrauchen. Dies erzeugt einen hohen Druck und eine hohe Temperatur, die das Abgas bei hohen Drehzahlen aus dem hinteren Teil des Motors treiben und so Schub erzeugen können.
Als nächstes entwickelten die Forscher ein mathematisches Modell, um nachzuahmen, was sie bei ihrem Experiment beobachtet hatten. Mit diesem Modell, dem ersten seiner Art, konnte das Team erstmals feststellen, ob eine RDE stabil ist. Dieses Modell ist zwar noch nicht für andere Ingenieure einsatzbereit, es könnte jedoch anderen Forschungsteams ermöglichen, die Leistung bestimmter RDEs zu bewerten.
Wie bereits erwähnt, hat das Motorkonzept einen Nachteil, der unvorhersehbar ist. Einerseits führt der Prozess von verbrennungsgetriebenen Stößen natürlich zur Kompression der Stöße durch die Brennkammer, was zu Schub führt. Andererseits sind die Detonationen nach dem Start gewalttätig und unkontrolliert - etwas, das bei Raketen völlig inakzeptabel ist.
Aber wie Koch erklärte, war diese Forschung insofern ein Erfolg, als sie dieses Motorkonzept testete und sein Verhalten quantitativ maß. Dies ist ein guter erster Schritt und könnte dazu beitragen, den Weg für die tatsächliche Entwicklung und Realisierung von RDEs zu ebnen.
"Mein Ziel hier war es ausschließlich, das Verhalten der Impulse zu reproduzieren, die wir gesehen haben - um sicherzustellen, dass die Modellausgabe unseren experimentellen Ergebnissen ähnelt", sagte Koch. „Ich habe die dominante Physik und ihr Zusammenspiel identifiziert. Jetzt kann ich das, was ich hier getan habe, quantitativ gestalten. Von dort aus können wir darüber sprechen, wie man einen besseren Motor herstellt. “
Die Forschung von Koch und seinem Kollegen wurde dank der Finanzierung durch das US-Luftwaffenamt für wissenschaftliche Forschung und das Amt für Marineforschung ermöglicht. Obwohl es noch zu früh ist zu sagen, könnten die Auswirkungen dieser Forschung weitreichend sein und zu Raketentriebwerken führen, die einfacher herzustellen und kostengünstiger sind. Alles, was benötigt wird, ist sicherzustellen, dass das Motordesign selbst sicher und zuverlässig ist.
