วิธีการทำงานของเครื่องยนต์จรวด

แต่เครื่องยนต์ชนิดใหม่ที่เรียกว่าเครื่องยนต์จุดระเบิดแบบหมุนได้สัญญาว่าจะทำให้จรวดไม่เพียงแค่ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังมีน้ำหนักเบาขึ้นและซับซ้อนน้อยลงในการสร้างอีกด้วย มีเพียงปัญหาเดียว: ตอนนี้เครื่องยนต์นี้คาดเดาไม่ได้เกินกว่าที่จะใช้กับจรวดจริงๆ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอชิงตันได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายวิธีการทำงานของเครื่องยนต์เหล่านี้ ด้วยข้อมูลนี้ เป็นครั้งแรกที่วิศวกรสามารถพัฒนาการทดสอบเพื่อปรับปรุงเครื่องยนต์เหล่านี้และทำให้มีเสถียรภาพมากขึ้น ทีมงานเผยแพร่ผลการวิจัยเหล่านี้ในวันที่ 10 มกราคมในPhysical Review E "ฟิลด์เครื่องยนต์ระเบิดแบบหมุนยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น เรามีข้อมูลมากมายเกี่ยวกับเครื่องยนต์เหล่านี้ แต่เราไม่เข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้น" เจมส์ คอค ผู้เขียนนำ นักศึกษาปริญญาเอกด้านการบินและอวกาศของ UW กล่าว "ฉันพยายามสร้างผลลัพธ์ของเราใหม่โดยดูที่การก่อตัวของรูปแบบ แทนที่จะถามคำถามทางวิศวกรรม เช่น ทำอย่างไรจึงจะได้เครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด จากนั้นบูม ปรากฎว่าได้ผล" เครื่องยนต์จรวดทั่วไปทำงานโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงขับเคลื่อนแล้วดันออกจากด้านหลังของเครื่องยนต์เพื่อสร้างแรงขับ Koch กล่าวว่า "เครื่องยนต์จุดระเบิดแบบหมุนใช้วิธีการที่แตกต่างออกไปในการเผาไหม้เชื้อเพลิงขับเคลื่อน" "มันทำจากกระบอกสูบที่มีศูนย์กลาง จรวด จะไหลในช่องว่างระหว่างกระบอกสูบ และหลังจากจุดระเบิดแล้ว ความร้อนที่ปล่อยออกมาอย่างรวดเร็วจะก่อตัวเป็นคลื่นกระแทก ซึ่งเป็นพัลส์ของก๊าซที่มีแรงดันและอุณหภูมิสูงกว่าอย่างมาก ซึ่งเคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วของเสียง . "กระบวนการเผาไหม้นี้แท้จริงแล้วเป็นการระเบิด -- การระเบิด -- แต่เบื้องหลังระยะการเริ่มต้นเริ่มต้นนี้ เราเห็นรูปแบบพัลส์การเผาไหม้ที่เสถียรจำนวนหนึ่งซึ่งยังคงใช้เชื้อเพลิงขับเคลื่อนที่มีอยู่ ซึ่งทำให้เกิดแรงดันและอุณหภูมิสูงที่ขับไอเสียออกจาก หลังเครื่องยนต์ด้วยความเร็วสูงซึ่งสามารถสร้างแรงขับได้" เครื่องยนต์ทั่วไปใช้เครื่องจักรจำนวนมากเพื่อสั่งการและควบคุมปฏิกิริยาการเผาไหม้ เพื่อสร้างงานที่จำเป็นในการขับเคลื่อนเครื่องยนต์ แต่ในเครื่องยนต์ระเบิดแบบหมุน คลื่นกระแทกจะทำทุกอย่างตามธรรมชาติโดยไม่ต้องใช้ความช่วยเหลือเพิ่มเติมจากชิ้นส่วนเครื่องยนต์ Koch กล่าวว่า "แรงกระแทกที่ขับเคลื่อนด้วยการเผาไหม้ตามธรรมชาติจะบีบอัดการไหลขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ห้องเผาไหม้" Koch กล่าว "ข้อเสียของสิ่งนั้นก็คือการระเบิดเหล่านี้มีความคิดของมันเอง เมื่อคุณจุดชนวนอะไรบางอย่าง มันก็ดับไปเอง มันรุนแรงมาก" เพื่อพยายามอธิบายวิธีการทำงานของเครื่องยนต์เหล่านี้ นักวิจัยได้พัฒนาเครื่องยนต์ระเบิดแบบหมุนทดลองขึ้นเป็นครั้งแรก โดยสามารถควบคุมพารามิเตอร์ต่างๆ ได้ เช่น ขนาดของช่องว่างระหว่างกระบอกสูบ จากนั้นจึงบันทึกกระบวนการเผาไหม้ด้วยกล้องความเร็วสูง การทดลองแต่ละครั้งใช้เวลาเพียง 0.5 วินาทีเท่านั้น แต่นักวิจัยบันทึกการทดลองเหล่านี้ที่ 240,000 เฟรมต่อวินาที เพื่อให้พวกเขาเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นในแบบสโลว์โมชั่น จากนั้น นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อเลียนแบบสิ่งที่พวกเขาเห็นในวิดีโอ "นี่เป็นแบบจำลองเดียวในเอกสารที่สามารถอธิบายไดนามิกที่หลากหลายและซับซ้อนของกลไกการระเบิดแบบหมุนที่เราสังเกตเห็นในการทดลอง" ผู้เขียนร่วม J. Nathan Kutz ศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์ประยุกต์ UW กล่าว แบบจำลองนี้ทำให้นักวิจัยสามารถระบุได้เป็นครั้งแรกว่าเครื่องยนต์ประเภทนี้จะเสถียรหรือไม่เสถียร นอกจากนี้ยังช่วยให้พวกเขาประเมินว่าเครื่องยนต์ใดทำงานได้ดีเพียงใด "วิธีการใหม่นี้แตกต่างจากภูมิปัญญาดั้งเดิมในสาขานี้ และการนำไปใช้อย่างกว้างๆ และข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ ตอนนี้โมเดลยังไม่พร้อมให้วิศวกรใช้ Koch กล่าวว่า "เป้าหมายของฉันที่นี่คือการสร้างพฤติกรรมของพัลส์ที่เราเห็นเท่านั้น - เพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์ของแบบจำลองนั้นคล้ายคลึงกับผลการทดลองของเรา" Koch กล่าว "ฉันได้ระบุฟิสิกส์ที่โดดเด่นและวิธีที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กัน ตอนนี้ฉันสามารถนำสิ่งที่ฉันทำที่นี่มาสร้างเป็นเชิงปริมาณได้ จากนั้นเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับวิธีสร้างเครื่องยนต์ที่ดีขึ้น" Mitsuru Kurosaka ศาสตราจารย์ด้านการบินและอวกาศของ UW เป็นผู้เขียนร่วมในบทความนี้ด้วย งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากสำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศสหรัฐและสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ