การแสดงผลของศิลปินจาก Powerhead Demonstrator เครดิตรูปภาพ: NASA คลิกเพื่อดูภาพขยาย
เมื่อคุณนึกถึงเทคโนโลยีจรวดในอนาคตคุณอาจนึกถึงการขับเคลื่อนด้วยไอออนเครื่องยนต์ปฏิสสารและแนวคิดแปลกใหม่อื่น ๆ
ไม่เร็วมาก! บทสุดท้ายของจรวดเชื้อเพลิงเหลวแบบดั้งเดิมยังไม่ได้เขียน การวิจัยกำลังดำเนินไปสู่การออกแบบจรวดเชื้อเพลิงเหลวรุ่นใหม่ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพเป็นสองเท่าในการออกแบบของวันนี้ในขณะที่ยังปรับปรุงความน่าเชื่อถือ
จรวดเชื้อเพลิงเหลวมีมานานแล้ว: การเปิดตัวการขับเคลื่อนด้วยของเหลวครั้งแรกเกิดขึ้นในปี 1926 โดย Robert H. Goddard จรวดง่าย ๆ นั้นสร้างแรงขับประมาณ 20 ปอนด์เพียงพอที่จะอุ้มมันขึ้นไปในอากาศประมาณ 40 ฟุต ตั้งแต่นั้นมาการออกแบบได้กลายเป็นความซับซ้อนและมีประสิทธิภาพ ยกตัวอย่างเช่นเครื่องยนต์ออนบอร์ดที่ใช้เชื้อเพลิงเหลว 3 ตัวสามารถส่งแรงขับมากกว่า 1.5 ล้านปอนด์ไปยังวงโคจรของโลก
คุณอาจคิดว่าในตอนนี้การปรับแต่งทุกอย่างที่เป็นไปได้ในการออกแบบจรวดเชื้อเพลิงเหลวต้องได้รับการสร้างขึ้น คุณผิด ปรากฏว่ามีห้องสำหรับการปรับปรุง
นำโดยกองทัพอากาศสหรัฐซึ่งประกอบด้วย NASA กระทรวงกลาโหมและพันธมิตรอุตสาหกรรมหลายแห่งกำลังทำงานในการออกแบบเครื่องยนต์ที่ดีขึ้น โปรแกรมของพวกเขาเรียกว่า Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies และพวกเขากำลังมองหาการปรับปรุงที่เป็นไปได้มากมาย หนึ่งในแนวโน้มที่ดีที่สุดคือแผนการใหม่สำหรับการไหลของเชื้อเพลิง:
แนวคิดพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังจรวดที่ใช้เชื้อเพลิงเหลวนั้นค่อนข้างง่าย เชื้อเพลิงและตัวออกซิไดเซอร์ทั้งในรูปของเหลวจะถูกป้อนเข้าห้องเผาไหม้และจุดติดไฟ ตัวอย่างเช่นกระสวยใช้ไฮโดรเจนเหลวเป็นเชื้อเพลิงและออกซิเจนเหลวเป็นตัวออกซิไดเซอร์ ก๊าซร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้จะหลบหนีไปอย่างรวดเร็วผ่านหัวฉีดทรงกรวยซึ่งทำให้เกิดแรงผลัก
แน่นอนว่ารายละเอียดนั้นซับซ้อนกว่ามาก สำหรับหนึ่งทั้งเชื้อเพลิงเหลวและออกซิไดเซอร์จะต้องป้อนเข้าห้องอย่างรวดเร็วและภายใต้ความกดดัน เครื่องยนต์หลักของรถรับส่งจะระบายสระว่ายน้ำที่เต็มไปด้วยน้ำมันในเวลาเพียง 25 วินาที!
ฝนตกหนักพุ่งกระหน่ำของเชื้อเพลิงนี้ขับเคลื่อนโดย turbopump เพื่อให้พลังงานกับ turbopump น้ำมันเชื้อเพลิงจำนวนเล็กน้อยคือ“ preburned” ดังนั้นจึงสร้างก๊าซร้อนที่ขับ turbopump ซึ่งจะสูบเชื้อเพลิงที่เหลือเข้าไปในห้องเผาไหม้หลัก กระบวนการที่คล้ายกันนี้ใช้ในการปั๊มสารออกซิไดเซอร์
จรวดเชื้อเพลิงเหลวที่เป็นของเหลวในวันนี้ส่งเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์เพียงเล็กน้อยผ่านเตาเผา ส่วนใหญ่ไหลโดยตรงไปยังห้องเผาไหม้หลักโดยข้าม preburners ทั้งหมด
หนึ่งในหลาย ๆ นวัตกรรมที่ถูกทดสอบโดยกองทัพอากาศและองค์การนาซ่าคือการส่งเชื้อเพลิงและออกซิไดเซอร์ทั้งหมดผ่านโรงไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง มีการบริโภคเพียงเล็กน้อยเท่านั้น - เพียงพอที่จะใช้เทอร์โบ ส่วนที่เหลือจะไหลผ่านไปยังห้องเผาไหม้
การออกแบบแบบเต็มวงจรการไหลแบบนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญ: ด้วยมวลที่มากขึ้นผ่านกังหันที่ขับ turbopump ทำให้ turbopump นั้นถูกขับเคลื่อนให้หนักขึ้น แรงกดดันที่สูงกว่าก็เท่ากับประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นจากจรวด
Gary Genge ที่ศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลของ NASA กล่าวว่าการออกแบบดังกล่าวไม่เคยถูกใช้ในจรวดเชื้อเพลิงเหลวในสหรัฐอเมริกามาก่อน Genge เป็นรองผู้จัดการโครงการสำหรับเครื่องทดสอบ Powerhead Demonstrator (IPD) - เป็นเครื่องมือสำหรับแนวคิดเหล่านี้
“ การออกแบบเหล่านี้ที่เราสำรวจอยู่นั้นสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้หลายวิธี” Genge กล่าว “ เราหวังว่าจะได้รับการประหยัดเชื้อเพลิงที่ดีขึ้นอัตราส่วนความดันต่อน้ำหนักที่สูงขึ้นและความน่าเชื่อถือที่ดีขึ้น - ทั้งหมดนี้ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า”
“ ในขั้นตอนนี้ของโครงการเราแค่พยายามทำให้รูปแบบการไหลอื่นทำงานอย่างถูกต้อง” เขากล่าว
พวกเขาได้บรรลุเป้าหมายสำคัญแล้ว: เครื่องมือที่ทำงานได้เย็นกว่า “ Turbopumps ที่ใช้รูปแบบการไหลแบบดั้งเดิมสามารถให้ความร้อนสูงถึง 1,800 C” Genge กล่าว นั่นคือความเครียดจากความร้อนในเครื่องยนต์ turbopump“ การไหลแบบเต็ม” นั้นเย็นกว่าเนื่องจากมีมวลมากกว่าไหลผ่านทำให้สามารถใช้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าและยังคงให้ประสิทธิภาพที่ดี “ เราได้ลดอุณหภูมิลงหลายร้อยองศา” เขากล่าว
IPD นั้นถูกออกแบบมาเพื่อทดสอบความคิดใหม่เท่านั้น Genge กล่าว ผู้สาธิตจะไม่บินไปในอวกาศ แต่หากโครงการประสบความสำเร็จการปรับปรุงบางอย่างของ IPD สามารถหาทางเข้าไปในยานพาหนะที่จะเปิดตัวในอนาคต
เกือบหนึ่งร้อยปีและมีการยิงหลายพันครั้งหลังจากก็อดดาร์ดจรวดเชื้อเพลิงเหลวที่ดีที่สุดอาจยังมาไม่ถึง
แหล่งต้นฉบับ: บทความวิทยาศาสตร์ของนาซา
