ในยุคปัจจุบันของการสำรวจอวกาศชื่อของเกมคือ "คุ้มค่า" ด้วยการลดค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการเปิดตัวรายบุคคลหน่วยงานอวกาศและ บริษัท การบินและอวกาศเอกชน (aka NewSpace) มั่นใจว่าการเข้าถึงพื้นที่มีมากขึ้น และเมื่อพูดถึงค่าใช้จ่ายในการเปิดตัวค่าใช้จ่ายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเพียงอย่างเดียวคือแรงผลักดัน พูดง่ายๆก็คือการทำลายแรงดึงดูดของโลกนั้นต้องใช้เชื้อเพลิงจรวดมากมาย!
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายถึงการทำงานของกลไกการเปิดตัวใหม่: เครื่องยนต์ระเบิด detonation (RDE) การออกแบบที่มีน้ำหนักเบานี้ให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่มากขึ้นและมีความซับซ้อนน้อยกว่าในการสร้าง อย่างไรก็ตามมันมาพร้อมกับการแลกเปลี่ยนที่ค่อนข้างใหญ่ของการคาดเดาไม่ได้มากเกินไปที่จะได้รับการบริการในขณะนี้
การศึกษาที่อธิบายงานวิจัยของพวกเขา (“ คลื่นระเบิดที่หมุนด้วยโหมดล็อค: การทดลองและสมการโมเดล”) เพิ่งปรากฏในวารสาร การทบทวนทางกายภาพ E. ทีมวิจัยนำโดย James Koch นักศึกษาปริญญาเอก UW ในสาขาวิชาการบินและอวกาศและรวมถึง Mitsuru Kurosaka และ Carl Knowlen ทั้งอาจารย์ UW ของ Aeronautics & Astronautics; และเจนาธานคุทซ์ศาสตราจารย์วิชาคณิตศาสตร์ประยุกต์
ในเครื่องยนต์จรวดธรรมดาจรวดถูกเผาไหม้ในห้องจุดระเบิดจากนั้นพุ่งออกจากด้านหลังผ่านหัวฉีดเพื่อสร้างแรงขับ ใน RDE สิ่งต่าง ๆ ทำงานต่างกันตามที่ Koch อธิบายไว้ในข่าว UW News:
“ เครื่องยนต์ระเบิดที่หมุนรอบจะใช้วิธีที่แตกต่างในการขับเคลื่อนของจรวด มันทำมาจากกระบอกสูบศูนย์กลาง Propellant จะไหลในช่องว่างระหว่างกระบอกสูบและหลังจากการจุดระเบิดการปล่อยความร้อนอย่างรวดเร็วจะก่อตัวเป็นคลื่นช็อกซึ่งเป็นพัลส์ของก๊าซที่แข็งแกร่งซึ่งมีความดันและอุณหภูมิสูงกว่าอย่างมากซึ่งเคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วของเสียง
สิ่งนี้ทำให้ RDE แตกต่างจากเครื่องยนต์ทั่วไปซึ่งต้องใช้เครื่องจักรจำนวนมากในการควบคุมและควบคุมปฏิกิริยาการเผาไหม้เพื่อให้สามารถเร่งความเร็วได้ แต่ใน RDE คลื่นกระแทกที่เกิดจากการจุดระเบิดจะสร้างแรงขับตามธรรมชาติและไม่จำเป็นต้องมีชิ้นส่วนเครื่องยนต์เพิ่มเติม
อย่างไรก็ตามตามที่ Koch ระบุว่าเขตข้อมูลของเครื่องยนต์จุดระเบิดแบบหมุนยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นและวิศวกรก็ยังไม่แน่ใจในสิ่งที่พวกเขาสามารถทำได้ ดังนั้นทำไมเขาและเพื่อนร่วมงานของเขาจึงตัดสินใจทดสอบแนวคิดซึ่งประกอบไปด้วยการรีไซเคิลข้อมูลที่มีอยู่และดูที่การสร้างรูปแบบ ขั้นแรกพวกเขาพัฒนา RDE ทดลอง (แสดงด้านล่าง) ที่อนุญาตให้พวกเขาควบคุมพารามิเตอร์ต่าง ๆ (เช่นขนาดของช่องว่างระหว่างกระบอกสูบ)
จากนั้นพวกเขาบันทึกกระบวนการเผาไหม้ (ซึ่งใช้เวลาเพียง 0.5 วินาทีในการทำให้สมบูรณ์ในแต่ละครั้ง) ด้วยกล้องความเร็วสูง กล้องบันทึกการจุดระเบิดทุกครั้งในอัตรา 240,000 เฟรมต่อวินาทีทำให้ทีมดูการตอบสนองในการเคลื่อนไหวช้า ตามที่ Koch อธิบายเขาและเพื่อนร่วมงานของเขาพบว่าเครื่องยนต์ทำงานได้ดีจริง ๆ
“ กระบวนการเผาไหม้นี้เป็นการจุดชนวน - การระเบิด - แต่หลังขั้นตอนการเริ่มต้นเริ่มต้นนี้เราจะเห็นรูปแบบของการเผาไหม้ที่คงที่จำนวนหนึ่งซึ่งยังคงใช้เชื้อเพลิงขับเคลื่อนต่อไป สิ่งนี้สร้างแรงดันและอุณหภูมิสูงซึ่งจะขับไอเสียด้านหลังของเครื่องยนต์ออกด้วยความเร็วสูงซึ่งสามารถสร้างแรงผลักดันได้
จากนั้นนักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อเลียนแบบสิ่งที่พวกเขาสังเกตเห็นจากการทดลอง รุ่นนี้เป็นรุ่นแรกที่อนุญาตให้ทีมพิจารณาเป็นครั้งแรกว่า RDE จะเสถียรหรือไม่ และในขณะที่รุ่นนี้ยังไม่พร้อมสำหรับวิศวกรคนอื่น ๆ ที่จะใช้มันก็อาจอนุญาตให้ทีมวิจัยอื่น ๆ ประเมินว่า RDE ที่เฉพาะเจาะจงจะทำงานได้ดีเพียงใด
ดังที่กล่าวไว้การออกแบบเครื่องยนต์มีข้อเสียซึ่งเป็นลักษณะที่คาดเดาไม่ได้ ในอีกด้านหนึ่งกระบวนการของแรงกระแทกจากการเผาไหม้นำไปสู่การบีบอัดแรงกระแทกโดยห้องเผาไหม้ทำให้เกิดแรงผลักดัน ในอีกด้านหนึ่งเมื่อเริ่มต้นการระเบิดจะรุนแรงและไม่สามารถควบคุมได้ - เป็นสิ่งที่ไม่สามารถยอมรับได้อย่างสมบูรณ์เมื่อพูดถึงจรวด
แต่ดังที่โคช์อธิบายว่าการวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการทดสอบการออกแบบเครื่องยนต์และวัดปริมาณของพฤติกรรม นี่เป็นขั้นตอนแรกที่ดีและสามารถช่วยปูทางสู่การพัฒนาและการใช้ RDE ที่แท้จริง
“ เป้าหมายของฉันที่นี่เพียงเพื่อทำซ้ำพฤติกรรมของพัลส์ที่เราเห็น - เพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์ของแบบจำลองนั้นใกล้เคียงกับผลการทดลองของเรา” โคช์กล่าว “ ฉันได้ระบุฟิสิกส์ที่โดดเด่นและวิธีการที่พวกเขามีปฏิสัมพันธ์กัน ตอนนี้ฉันสามารถทำสิ่งที่ฉันทำที่นี่และทำให้เป็นเชิงปริมาณ จากนั้นเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับวิธีสร้างเครื่องยนต์ที่ดีขึ้น”
Koch และการวิจัยของเพื่อนร่วมงานของเขาเป็นไปได้ด้วยการระดมทุนจากสำนักงานกองทัพอากาศสหรัฐของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ ในขณะที่มันเร็วเกินไปที่จะพูดความหมายของการวิจัยนี้อาจจะส่งผลให้เครื่องยนต์จรวดสามารถผลิตได้ง่ายขึ้นและคุ้มค่ากว่า สิ่งที่จำเป็นต้องมีเพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบเครื่องยนต์นั้นปลอดภัยและเชื่อถือได้
