Конструкция жидкостного ракетного двигателя в значительной степени следовала простому шаблону с момента разработки немецкой ракеты Фау-2 в середине Второй мировой войны. Топливо и окислитель смешиваются в камере сгорания, создавая смесь горячих газов под высоким давлением, которая очень хочется оставить позади ракету, генерирующую тягу.
Тем не менее, Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) недавно завершило успешное испытание ракеты другого типа, известной как вращающийся детонационный двигатель . В двигателе используется совершенно другой метод сгорания с целью получения большей тяги при меньшем количестве топлива. Мы расскажем, как это работает, и как японские испытания предвещают будущее этой технологии.
ДЕФЛАГРАЦИЯ ПРОТИВ ДЕТОНАЦИИ
Люди любят сжигать топливо для выполнения полезной работы. До сих пор в нашей истории, будь то паровые двигатели, бензиновые или даже ракетные двигатели, все эти технологии имели одну общую черту: все они полагаются на топливо, которое сгорает при горении. Это легко управляемый способ медленного горения, с которым мы все знакомы с тех пор, как начали сидеть у костра.
Однако есть потенциальный выигрыш в эффективности за счет сжигания топлива при взрыве . Здесь сгорание создает ударную волну, которая распространяется быстрее скорости звука, которая быстро распространяет реакцию детонации дальше и сопровождается огромным увеличением давления. Ключевым преимуществом такого сжигания топлива является то, что от такого огромного повышения давления можно получить больше энергии. Таким образом, высвобождая больше энергии из того же количества топлива, двигатели, работающие на основе процесса детонации, теоретически могут быть более энергоэффективными.
Однако есть несколько проблем с работой двигателя по детонационному циклу. Может быть трудно поддерживать непрерывную реакцию детонации. Кроме того, большие скачки температуры и давления в результате процесса детонации и связанные с ним ударные волны могут легко повредить или разрушить детали, сделанные даже из очень твердых материалов. До сих пор инженеры во многих областях изо всех сил пытались приручить и контролировать процессы детонации до такой степени, чтобы их можно было успешно использовать.
Вращающийся детонационный двигатель состоит из камеры сгорания кольцевой конструкции кольцевого типа. В этом кольце впрыскивается топливо и окислитель, которые воспламеняются таким образом, чтобы взорвать смесь. Цель состоит в том, чтобы ударная волна этой детонации прошла по кольцевой камере сгорания, вызывая дальнейшие детонации, поскольку она проходит в непрерывном цикле.
Заставить концепцию работать оказалось непросто; Несмотря на то, что эта концепция была впервые разработана в 1950-х годах в Мичиганском университете, только в последние годы инженеры успешно продемонстрировали вращающийся детонационный двигатель в непрерывном режиме работы. В 2020 году команда из Университета Центральной Флориды продемонстрировала двигатель, работающий на водородно-кислородном топливе, который в ходе испытаний развивал тягу до 890 Н · м. Подвиг был достигнут за счет тщательной настройки размера форсунок, которые впрыскивают топливо, чтобы получить смесь, подходящую для контролируемой детонации. Сделайте неправильную смесь, и топливо будет гореть медленнее, без каких-либо преимуществ для тяги или эффективности.
ТЕСТ В ЯПОНИИ
В отличие от эксперимента Университета Центральной Флориды, японцы запустили настоящую ракету. В ходе испытаний использовалась ракета со стандартным зондированием с обычным двигателем для запуска испытательного груза на сотни километров над Землей, причем на второй ступени ракеты был установлен вращающийся детонационный двигатель. Миссия проходила с использованием ракеты-зонда S-520-31, запущенной из космического центра JAXA Uchinoura 27 июля 2021 года.
Вторая ступень сработала успешно, проработав шесть секунд и создав за это время тягу 112 фунтов силы (500 Н), что составляет 56% от наземного демонстратора команды Флориды. Данные, собранные в ходе эксперимента, подтвердили, что двигатель работал, как ожидалось, сжигая топливо в режиме детонации.
JAXA надеется применить эту технологию на практике в течение пяти лет, учитывая успешную демонстрацию летного оборудования. Созданный в сотрудничестве с командой из Университета Нагои, мы надеемся на дальнейшее развитие технологии для создания более эффективных космических кораблей в будущем. Он может найти применение в самых разных областях, от ракетных двигателей первой и второй ступеней до применения в дальних космических полетах, чтобы максимально использовать ограниченные топливные ресурсы.
Технология прошла долгий путь за последние несколько лет. Теперь, когда несколько независимых групп демонстрируют работающие двигатели, это пошатнуло название «невозможное», которое на протяжении полувека закреплялось за концепцией вращающейся детонации. Очевидно, что для создания практических двигателей, превосходящих существующие конструкции, потребуется много инженерного труда. Однако благодаря недавним успехам, достигнутым в этой области, появилась искра надежды, которая говорит нам, что это возможно.
#Наука #космос #технологии #ракеты #двигатель