Er is veel brandstof nodig om iets de ruimte in te lanceren. Het sturen van NASA's Space Shuttle in een baan om de aarde vereiste meer dan 3,5 miljoen pond brandstof, die ongeveer 15 keer zwaarder is dan een blauwe vinvis.

Maar een nieuw type motor - een roterende detonatiemotor genoemd - belooft raketten niet alleen zuiniger te maken, maar ook lichter en minder gecompliceerd om te bouwen. Er is alleen een probleem:op dit moment is deze motor te onvoorspelbaar om in een echte raket te worden gebruikt.

Onderzoekers van de Universiteit van Washington hebben een wiskundig model ontwikkeld dat beschrijft hoe deze motoren werken. Met deze informatie, ingenieurs kunnen, Voor de eerste keer, testen ontwikkelen om deze motoren te verbeteren en stabieler te maken. Het team publiceerde deze bevindingen op 10 januari in Fysieke beoordeling E .

"Het veld van roterende detonatiemotoren staat nog in de kinderschoenen. We hebben tonnen gegevens over deze motoren, maar we begrijpen niet wat er aan de hand is, " zei hoofdauteur James Koch, een UW-promovendus in de luchtvaart en ruimtevaart. "Ik heb geprobeerd onze resultaten te herschikken door naar patroonformaties te kijken in plaats van een technische vraag te stellen, zoals hoe de best presterende motor te krijgen, en dan boem, het bleek dat het werkt."

Een conventionele raketmotor werkt door drijfgas te verbranden en het vervolgens uit de achterkant van de motor te duwen om stuwkracht te creëren.

"Een roterende detonatiemotor heeft een andere benadering van de manier waarop hij drijfgas verbrandt, ' zei Koch. 'Het is gemaakt van concentrische cilinders. Drijfgas stroomt in de opening tussen de cilinders, en, na ontsteking, de snelle warmteafgifte vormt een schokgolf, een sterke gaspuls met een aanzienlijk hogere druk en temperatuur die sneller beweegt dan de snelheid van het geluid.

"Dit verbrandingsproces is letterlijk een ontploffing - een explosie - maar achter deze eerste opstartfase, we zien een aantal stabiele verbrandingspulsen ontstaan ​​die beschikbaar drijfgas blijven verbruiken. Dit produceert een hoge druk en temperatuur die uitlaatgassen bij hoge snelheden uit de achterkant van de motor drijft, die stuwkracht kan genereren."

Conventionele motoren gebruiken veel machines om de verbrandingsreactie te sturen en te controleren, zodat deze het werk genereert dat nodig is om de motor voort te stuwen. Maar in een roterende detonatiemotor, de schokgolf doet natuurlijk alles zonder extra hulp van motoronderdelen.

"De door verbranding aangedreven schokken comprimeren op natuurlijke wijze de stroom terwijl ze door de verbrandingskamer reizen, "Zei Koch. "Het nadeel daarvan is dat deze ontploffingen een eigen willetje hebben. Zodra je iets laat ontploffen, het gaat gewoon. Het is zo gewelddadig."

Om te proberen te beschrijven hoe deze motoren werken, de onderzoekers ontwikkelden eerst een experimentele roterende detonatiemotor waarmee ze verschillende parameters konden regelen, zoals de grootte van de opening tussen de cilinders. Vervolgens legden ze de verbrandingsprocessen vast met een hogesnelheidscamera. Elk experiment duurde slechts 0,5 seconden om te voltooien, maar de onderzoekers registreerden deze experimenten bij 240, 000 frames per seconde, zodat ze in slow motion konden zien wat er gebeurde.

Vanaf daar, de onderzoekers ontwikkelden een wiskundig model om na te bootsen wat ze in de video's zagen.

"Dit is het enige model in de literatuur dat momenteel in staat is om de diverse en complexe dynamiek van deze roterende detonatiemotoren te beschrijven die we in experimenten waarnemen, " zei co-auteur J. Nathan Kutz, een UW hoogleraar toegepaste wiskunde.

Met het model konden de onderzoekers voor het eerst bepalen of een dergelijke motor stabiel of instabiel zou zijn. Het stelde hen ook in staat om te beoordelen hoe goed een specifieke motor presteerde.

"Deze nieuwe aanpak is anders dan conventionele wijsheid in het veld, en de brede toepassingen en nieuwe inzichten waren voor mij een complete verrassing, " zei co-auteur Carl Knowlen, een UW-onderzoeksdocent in luchtvaart en ruimtevaart.

Op dit moment is het model nog niet helemaal klaar voor gebruik door ingenieurs.

"Mijn doel hier was alleen om het gedrag van de pulsen die we zagen te reproduceren - om ervoor te zorgen dat de modeluitvoer vergelijkbaar is met onze experimentele resultaten, " zei Koch. "Ik heb de dominante fysica geïdentificeerd en hoe ze samenwerken. Nu kan ik nemen wat ik hier heb gedaan en het kwantitatief maken. Van daaruit kunnen we praten over hoe we een betere motor kunnen maken."