Nell'attuale era dell'esplorazione dello spazio, il nome del gioco è "conveniente". Riducendo i costi associati ai singoli lanci, le agenzie spaziali e le compagnie aerospaziali private (alias NewSpace) garantiscono che l'accesso allo spazio sia maggiore. E quando si tratta del costo dei lanci, la spesa maggiore è quella del propellente. Per dirla semplicemente, liberarsi dalla gravità terrestre richiede molto carburante per missili!
Per ovviare a questo, i ricercatori dell'Università di Washington hanno recentemente sviluppato un modello matematico che descrive il funzionamento di un nuovo meccanismo di lancio: il motore a detonazione rotante (RDE). Questo design leggero offre una maggiore efficienza del carburante ed è meno complicato da costruire. Tuttavia, si arriva con il piuttosto grande compromesso di essere troppo imprevedibile per essere messo in servizio in questo momento.
Lo studio che descrive la loro ricerca ("Onde di detonazione rotanti bloccate in modalità: esperimenti e un'equazione modello") è apparso di recente sulla rivista Revisione fisica E. Il team di ricerca era guidato da James Koch, uno studente di dottorato UW in aeronautica e astronautica, e comprendeva Mitsuru Kurosaka e Carl Knowlen, entrambi professori UW di aeronautica e astronautica; e J. Nathan Kutz, un professore UW di matematica applicata.
In un convenzionale motore a razzo, il propellente viene bruciato in una camera di accensione e quindi convogliato dalla parte posteriore attraverso ugelli per generare spinta. In una RDE, le cose funzionano diversamente, come Koch ha spiegato in un comunicato stampa UW:
“Un motore a detonazione rotante adotta un approccio diverso a come combatte il propellente. È fatto di cilindri concentrici. Il propellente scorre nello spazio tra i cilindri e, dopo l'accensione, il rapido rilascio di calore forma un'onda d'urto, un forte impulso di gas con pressione e temperatura significativamente più elevate che si muove più velocemente della velocità del suono.
Ciò distingue l'RDE dai motori convenzionali, che richiedono molti macchinari per dirigere e controllare la reazione di combustione in modo che possa essere trasformata in accelerazione. Ma in una RDE, l'onda d'urto generata dalle accensioni crea una spinta naturale e senza la necessità di ulteriori componenti del motore.
Tuttavia, come indica Koch, il campo del motore di detonazione rotante è ancora agli inizi e gli ingegneri non sono ancora certi di cosa siano capaci. Ecco perché lui e i suoi colleghi hanno deciso di testare il concetto, che consisteva nel rifondere i dati disponibili e guardare le formazioni dei modelli. In primo luogo, hanno sviluppato un RDE sperimentale (mostrato di seguito) che ha permesso loro di controllare diversi parametri (come la dimensione dello spazio tra i cilindri).
Hanno quindi registrato i processi di combustione (che per completare ogni volta richiedevano solo 0,5 secondi) con una telecamera ad alta velocità. La telecamera ha registrato ogni accensione a una velocità di 240.000 fotogrammi al secondo, consentendo al team di osservare le reazioni che si svolgono al rallentatore. Come ha spiegato Koch, lui e i suoi colleghi hanno scoperto che il motore funzionava davvero bene.
"Questo processo di combustione è letteralmente una detonazione - un'esplosione - ma dietro questa fase iniziale di avvio, vediamo una serie di impulsi di combustione stabili che continuano a consumare propellente disponibile. Questo produce alta pressione e temperatura che fa espellere la parte posteriore del motore ad alte velocità, il che può generare spinta.
Successivamente, i ricercatori hanno sviluppato un modello matematico per imitare ciò che hanno osservato con il loro esperimento. Questo modello, il primo del suo genere, ha permesso al team di determinare per la prima volta se un RDE sarebbe stato stabile. E mentre questo modello non è ancora pronto per essere utilizzato da altri ingegneri, potrebbe consentire ad altri team di ricerca di valutare le prestazioni specifiche di RDE.
Come notato, il design del motore ha un aspetto negativo, che è la sua natura imprevedibile. Da un lato, il processo di shock guidato dalla combustione porta naturalmente alla compressione degli shock da parte della camera di combustione, con conseguente spinta. Dall'altro, una volta avviate, le detonazioni sono violente e incontrollate - qualcosa di completamente inaccettabile quando si tratta di missili.
Ma come ha spiegato Koch, questa ricerca è stata un successo in quanto ha testato il design di questo motore e ha misurato quantitativamente il suo comportamento. Questo è un buon primo passo e potrebbe aiutare a spianare la strada verso l'effettivo sviluppo e realizzazione di RDE.
"Il mio obiettivo qui era solo quello di riprodurre il comportamento degli impulsi che abbiamo visto - per assicurarsi che l'output del modello sia simile ai nostri risultati sperimentali", ha affermato Koch. “Ho identificato la fisica dominante e il modo in cui interagiscono. Ora posso prendere ciò che ho fatto qui e renderlo quantitativo. Da lì possiamo parlare di come realizzare un motore migliore ".
La ricerca di Koch e del suo collega è stata resa possibile grazie ai finanziamenti forniti dall'Ufficio delle ricerche scientifiche dell'aeronautica statunitense e dall'Ufficio di ricerca navale. Anche se è troppo presto per dirlo, le implicazioni di questa ricerca potrebbero essere di vasta portata, risultando in motori a razzo più facili da produrre e più economici. Tutto ciò che serve è garantire che il design del motore stesso sia sicuro e affidabile.
