Raketmotoren bevatten beperkte verbrandingssystemen, die in wezen verbrandingskamers zijn. In deze kamers, niet-lineaire interacties tussen turbulente brandstof- en oxidatiemiddelstromen, geluidsgolven, en warmte geproduceerd door chemische reacties veroorzaken een onstabiel fenomeen dat 'verbrandingsoscillaties' wordt genoemd. De kracht van deze trillingen op het lichaam van de verbrandingskamer - de mechanische spanning op de kamer - is hoog genoeg om een ​​catastrofale storing van de motor te dreigen. Wat veroorzaakt deze trillingen? Het antwoord moet nog gevonden worden.

Nutsvoorzieningen, bij een doorbraak, gepubliceerd in Fysica van vloeistoffen , een team waaronder prof. Hiroshi Gotoda, mevrouw Satomi Shima, en de heer Kosuke Nakamura van de Tokyo University of Science (TUS), in samenwerking met Dr. Shingo Matsuyama en Dr. Yuya Ohmichi van het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), hebben geavanceerde tijdreeksanalyses gebruikt op basis van complexe systemen om erachter te komen.

Hun werk uitleggen, Prof. Gotoda zegt, "Ons belangrijkste doel was om het fysieke mechanisme achter de vorming en het onderhoud van hoogfrequente verbrandingsoscillaties in een cilindrische verbrandingskamer te onthullen met behulp van geavanceerde analytische methoden die zijn geïnspireerd op symbolische dynamiek en complexe netwerken."

De verbrander die de wetenschappers hebben uitgekozen om te simuleren, is een van de modelraketmotoren. Ze waren in staat om het moment van overgang van de stabiele verbrandingstoestand naar verbrandingsoscillaties te lokaliseren en te visualiseren. Ze ontdekten dat significante periodieke fluctuaties in de stroomsnelheid in de brandstofinjector het ontstekingsproces beïnvloeden, resulterend in veranderingen in de warmteafgiftesnelheid. De schommelingen in de warmteafgiftesnelheid synchroniseren met de drukschommelingen in de verbrandingskamer, en de hele cyclus gaat verder in een reeks feedbacklussen die verbrandingsoscillaties in stand houden.

Aanvullend, door rekening te houden met een ruimtelijk netwerk van fluctuaties in druk en warmteafgiftesnelheid, de onderzoekers ontdekten dat clusters van akoestische krachtbronnen zich periodiek vormen en instorten in de schuiflaag van de verbrander nabij de rand van de injectiepijp, verder helpen bij het aandrijven van de verbrandingsoscillaties.

Deze bevindingen bieden redelijke antwoorden op waarom verbrandingsoscillaties optreden, zij het specifiek voor vloeibare raketmotoren. Prof. Gotoda legt uit, "Verbrandingsoscillaties kunnen dodelijke schade toebrengen aan verbranders in raketmotoren, vliegtuigmotoren, en gasturbines voor energieopwekking. Daarom, het begrijpen van het vormingsmechanisme van verbrandingsoscillaties is een belangrijk onderzoeksonderwerp. Onze resultaten zullen in grote mate bijdragen aan ons begrip van het mechanisme van verbrandingsoscillaties die worden gegenereerd in vloeibare raketmotoren."

Inderdaad, deze bevindingen zijn significant en zullen naar verwachting deuren openen naar nieuwe verkenningsroutes om verbrandingsoscillaties in kritieke motoren te voorkomen.