في العصر الحالي لاستكشاف الفضاء ، يعد اسم اللعبة "فعال من حيث التكلفة". من خلال تقليل التكاليف المرتبطة بعمليات الإطلاق الفردية ، تضمن وكالات الفضاء وشركات الطيران الخاصة (المعروفة أيضًا باسم NewSpace) زيادة الوصول إلى الفضاء. وعندما يتعلق الأمر بتكلفة الإطلاق ، فإن أكبر حساب منفرد هو نفقة الوقود. بكل بساطة ، فإن التحرر من جاذبية الأرض يتطلب الكثير من وقود الصواريخ!
ولمعالجة ذلك ، طور باحثون في جامعة واشنطن مؤخرًا نموذجًا رياضيًا يصف طريقة عمل آلية إطلاق جديدة: محرك التفجير الدوار (RDE). يوفر هذا التصميم خفيف الوزن كفاءة أكبر في استهلاك الوقود وأقل تعقيدًا في البناء. ومع ذلك ، فإنه يأتي مع مقايضة كبيرة إلى حد لا يمكن التنبؤ به بحيث لا يتم وضعه في الخدمة الآن.
ظهرت الدراسة التي تصف بحثهم ("موجات التفجير الدوارة المقفلة بالوضع: التجارب والمعادلة النموذجية") مؤخرًا في المجلة المراجعة البدنية E. قاد فريق البحث جيمس كوتش ، طالب الدكتوراه في UW في علم الطيران والفضاء ، وشمل ميتسورو كوروساكا وكارل نويلن ، كلا أساتذة UW في علم الطيران والفضاء ؛ وجيه ناثان كوتز ، أستاذ الرياضيات التطبيقية بجامعة دبليو دبليو.
في محرك الصواريخ التقليدي ، يتم حرق الوقود الدافع في غرفة الإشعال ثم يتم توجيهه من الخلف من خلال الفتحات لتوليد الدفع. في RDE ، تعمل الأشياء بشكل مختلف ، كما أوضح كوخ في بيان صحفي لـ UW:
"يأخذ محرك التفجير الدوار طريقة مختلفة في كيفية احتراق الوقود. إنها مصنوعة من أسطوانات متحدة المركز. يتدفق الوقود الدافع في الفجوة بين الأسطوانات ، وبعد الاشتعال ، يشكل إطلاق الحرارة السريع موجة صدمة ، نبضًا قويًا من الغاز مع ضغط ودرجة حرارة أعلى بشكل كبير يتحرك أسرع من سرعة الصوت.
وهذا يميز RDE بعيدًا عن المحركات التقليدية ، التي تتطلب الكثير من الآلات لتوجيه والتحكم في تفاعل الاحتراق بحيث يمكن تحويله إلى تسارع. ولكن في RDE ، تولد موجة الصدمة الناتجة عن الإشعال قوة الدفع بشكل طبيعي ودون الحاجة إلى أجزاء محرك إضافية.
ومع ذلك ، كما يشير كوخ ، فإن مجال محرك التفجير الدوار لا يزال في مهده ولا يزال المهندسون غير متأكدين من قدرتهم. ولهذا السبب قرر هو وزملاؤه اختبار المفهوم ، الذي يتألف من إعادة صياغة البيانات المتاحة والنظر في تشكيلات الأنماط. أولاً ، طوروا RDE تجريبي (كما هو موضح أدناه) سمح لهم بالتحكم في المعلمات المختلفة (مثل حجم الفجوة بين الأسطوانات).
ثم سجلوا عمليات الاحتراق (التي استغرقت 0.5 ثانية فقط لإكمالها في كل مرة) بكاميرا عالية السرعة. سجلت الكاميرا كل إشعال بمعدل 240،000 إطار في الثانية ، مما يسمح للفريق بمشاهدة ردود الفعل تتكشف بالحركة البطيئة. كما أوضح كوخ ، وجد هو وزملاؤه أن المحرك كان أداؤه جيدًا.
"إن عملية الاحتراق هذه هي حرفيا انفجار - انفجار - ولكن خلف مرحلة البدء الأولية هذه ، نرى عددًا من نبضات الاحتراق المستقرة التي تستمر في استهلاك الوقود المتاح. ينتج عن ذلك ضغطًا عاليًا ودرجة حرارة تدفع العادم من الجزء الخلفي للمحرك بسرعات عالية ، مما قد يولد قوة دفع.
بعد ذلك ، طور الباحثون نموذجًا رياضيًا لمحاكاة ما لاحظوه في تجربتهم. سمح هذا النموذج ، وهو الأول من نوعه ، للفريق بتحديد ما إذا كان RDE سيكون مستقرًا. وعلى الرغم من أن هذا النموذج ليس جاهزًا بعد لاستخدام المهندسين الآخرين ، إلا أنه قد يسمح لفرق البحث الأخرى بتقييم مدى جودة أداء RDEs محددة.
كما لوحظ ، فإن تصميم المحرك له جانب سلبي ، وهو طبيعته التي لا يمكن التنبؤ بها. من ناحية ، تؤدي عملية الصدمات المدفوعة بالاحتراق بشكل طبيعي إلى ضغط الصدمات بواسطة غرفة الاحتراق ، مما يؤدي إلى الدفع. من ناحية أخرى ، بمجرد أن تبدأ ، فإن التفجيرات تكون عنيفة ولا يمكن السيطرة عليها - وهو أمر غير مقبول تمامًا عندما يتعلق الأمر بالصواريخ.
ولكن كما أوضح كوخ ، فإن هذا البحث كان ناجحًا في اختباره لتصميم المحرك هذا وقياس سلوكه كمًا. هذه خطوة أولى جيدة ويمكن أن تساعد في تمهيد الطريق نحو التطوير الفعلي وتحقيق RDEs.
قال كوتش: "كان هدفي هنا فقط إعادة إنتاج سلوك النبضات التي رأيناها - للتأكد من أن ناتج النموذج مشابه لنتائجنا التجريبية". "لقد حددت الفيزياء السائدة وكيف تتفاعل. يمكنني الآن أخذ ما قمت به هنا وجعله كميًا. من هناك يمكننا التحدث عن كيفية صنع محرك أفضل ".
أصبح البحث الذي أجراه كوخ وزميله ممكناً بفضل التمويل المقدم من مكتب البحث العلمي التابع للقوات الجوية الأمريكية ومكتب البحوث البحرية. في حين أنه من السابق لأوانه القول ، يمكن أن تكون آثار هذا البحث بعيدة المدى ، مما يؤدي إلى محركات صاروخية أسهل في الإنتاج وأكثر فعالية من حيث التكلفة. كل ما هو مطلوب هو التأكد من أن تصميم المحرك نفسه آمن وموثوق.
