По данным аналитического сайта Planetoscope, космическая отрасль в настоящее время находится на подъеме, и ожидается, что к 2030 году ее оборот составит около 1006 миллиардов евро. Однако, по заключениям экологов, запуски ракет, которые участились в последние несколько лет, оказывают значительное воздействие на окружающую среду: ракеты-носители выделяют CO2, а также другие твердые частицы в верхних слоях атмосферы, такие как сажа или оксид алюминия, которые могут в значительной степени способствовать глобальному потеплению.
Чтобы позволить космическим кораблям совершать космические путешествия без нанесения ущерба экологии нашей планеты, профессора и студенты Университета Вирджинии провели с использованием оптических датчиков исследование технологии Scramjet – гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), который отличается от обычного сверхзвуковым сгоранием.
Технология Scramjet обладает потенциалом для создания гиперзвуковых военных систем и многоразовых ракет-носителей для быстрого доступа в космос. Такие концепции, как NASA X-43A, были разработаны для демонстрации практического использования технологии Scramjet. Специальный тип ГПВРД, известный как двухрежимный ГПВРД (DMSJ), широко использует изолятор перед камерой сгорания. Изолятор снижает набегающий поток воздуха до дозвуковых значений за счет ударной волны. Это расширяет рабочий диапазон двигателя, позволяя ему работать в режиме прямоточного реактивного двигателя (ПВРД). Таким образом, примерно в диапазоне от 3 до 6 Махов DMSJ обычно работает с системой предварительного воспламенения в изоляторе и дозвуковым смешиванием топлива и воздуха и сгоранием в камере сгорания. Незавершенный запуск вреден для летательного аппарата, поскольку значительно снижает массовый расход топлива в двигателе, что, в свою очередь, понижает тягу двигателя на начальном этапе и увеличивает лобовое сопротивление при полете в атмосфере Земли. Для гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей требуется предотвращение незавершения его запуска, поскольку неожиданное событие, связанное с незавершением, может привести к потере летательного аппарата.
Чтобы космический корабль мог решить эти проблемы при запуске, он должен быть оснащен особенно мощным двигателем, Так, используемый в таких проектах, как X-43 НАСА, двигатель позволяет развивать особенно высокие скорости до 10 Маха, или более 12 200 км/ч. Однако эта технология все еще далека от внедрения, поскольку датчики давления, используемые в двигателях, не могут эффективно их контролировать. Чтобы найти решение этой проблемы, команда ученых из Инженерной школы прикладных наук Университета Вирджинии выбрала оптические датчики.
Исследования, проведенные этими учеными, показали, что оптические датчики позволяют лучше определять изменения, которые происходят внутри ГПВРД, а также в контуре потока. По словам Лори Элковиц, аспиранта, работающей над проектом, они анализируют свет, вызванный «расслаблением молекулярных частиц, повторно возбуждаемых в процессах горения», и предоставляют информацию о состоянии двигателя, которая не может быть получена традиционными датчиками давления. С помощью оптической эмиссионной спектроскопии команде удалось лучше контролировать ГПВРД, особенно создаваемые ударные волны, во время лабораторных испытаний.
Оптические датчики, использованные в ходе исследований, проведенных американскими учеными, позволили адаптивно управлять двигателем и переключать его из режима ПВРД в режим ГПВРД. Переключение между двумя режимами происходит плавно и без перерывов.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале ScienceDirect.
В настоящее время команда исследователей лаборатории аэрокосмических исследований Университета Вирджинии находится в процессе тестирования конфигураций датчиков и разработки прототипа, считая, что двухрежимным ГПВРД все еще требуется «ускорение», чтобы иметь возможность приводить в движение «космический аппарат» как минимум на скорости 4 Маха.
Указанная работа, проделанная командой Инженерной школы прикладных наук, была поддержана грантом НАСА при участии университета Пердью.