בעידן הנוכחי של חקר החלל, שם המשחק הוא "חסכוני". על ידי הפחתת העלויות הנלוות לשיגורים פרטיים, סוכנויות חלל וחברות תעופה וחלל פרטיות (המכונה NewSpace) מבטיחות שהגישה לחלל תהיה גדולה יותר. וכשמדובר בעלות ההשקה, ההוצאה הגדולה ביותר היא הוצאה של דחף. במילים פשוטות, להשתחרר מכוח המשיכה של כדור הארץ לוקח הרבה דלק טילים!
כדי לטפל בכך, חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון פיתחו לאחרונה מודל מתמטי המתאר את פעולתו של מנגנון שיגור חדש: מנוע הפיצוץ המסתובב (RDE). עיצוב קל משקל זה מציע חסכוני דלק גדולים יותר ופחות מסובך לבנייה. עם זאת, זה מגיע עם הסחר הגדול למדי של היותו בלתי צפוי מכדי שיוכל לשמש עכשיו.
המחקר המתאר את מחקרם ("גלי פיצוץ מסתובבים במצב נעול: ניסויים ומשוואת מודל") הופיע לאחרונה בכתב העת סקירה גופנית ה. צוות המחקר הוביל על ידי ג'יימס קוך, סטודנט לדוקטורט באוניברסיטת אוירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה, וכלל את מיצורו קורוסקה וקרל קנולן, שניהם פרופסורים באוניברסיטת אירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה; וג'יי נתן קוץ, פרופסור UW למתמטיקה יישומית.
במנוע רקטות קונבנציונאלי נשרף דחף בתא הצתה ואז מנותב מהגב דרך חרירים ליצירת דחף. ב- RDE הדברים עובדים אחרת, כפי שהסביר קוך במהדורת חדשות UW:
"מנוע פיצוץ מסתובב נוקט בגישה שונה לאופן בו הוא מבשר דלק. זה עשוי צילינדרים קונצנטריים. המונע זורם בפער בין הצילינדרים, ואחרי הצתה, שחרור החום המהיר יוצר גל הלם, דופק גז חזק עם לחץ וטמפרטורה גבוהים משמעותית שנע מהיר יותר ממהירות הצליל.
זה מבדיל את ה- RDE ממנועים קונבנציונליים, הדורשים מכונות רבות בכדי לכוון ולשלוט בתגובת הבעירה כך שניתן יהיה להפוך לתאוצה. אך ב- RDE, גל ההלם הנוצר מההצתה יוצר דחף באופן טבעי וללא צורך בחלקי מנוע נוספים.
עם זאת, כפי שמעיד קוך, שדה מנוע הפיצוץ המסתובב עדיין בחיתוליו והמהנדסים עדיין לא בטוחים למה הם מסוגלים. מכאן הסביר כי הוא ועמיתיו החליטו לבדוק את הרעיון, אשר מורכב מחדש את הנתונים הזמינים והסתכלות על תצורות דפוס. ראשית, הם פיתחו RDE ניסיוני (המוצג להלן) המאפשר להם לשלוט בפרמטרים שונים (כמו גודל הפער בין הצילינדרים).
לאחר מכן הם הקליטו את תהליכי הבעירה (שלקח 0.5 שניות בלבד לסיים כל פעם) באמצעות מצלמה במהירות גבוהה. המצלמה הקליטה כל הצתה בקצב של 240,000 פריימים לשנייה, מה שמאפשר לצוות לצפות בתגובות שנפרשות בהילוך איטי. כפי שהסביר קוך, הוא ועמיתיו גילו שהמנוע אכן ביצע טוב.
"תהליך הבעירה הזה הוא ממש פיצוץ - פיצוץ - אבל מאחורי שלב ההתחלה הראשוני הזה, אנו רואים מספר פולסי בעירה יציבים הממשיכים לצרוך דלק זמין. זה מייצר לחץ וטמפרטורה גבוהים המונעים את האגזוז מהחלק האחורי של המנוע במהירויות גבוהות שיכולים ליצור דחף.
בשלב הבא פיתחו החוקרים מודל מתמטי כדי לחקות את מה שצפו בניסוי שלהם. מודל זה, הראשון מסוגו, איפשר לצוות לקבוע לראשונה האם RDE יהיה יציב. ואף שמודל זה עדיין אינו מוכן לשימושם של מהנדסים אחרים, הוא יכול לאפשר לצוותי מחקר אחרים להעריך עד כמה ביצועים טובים של RDE ספציפיים.
כאמור, לעיצוב המנוע יש חיסרון, שהוא אופיו הבלתי צפוי. מצד אחד, התהליך של זעזועים מונעים בעירה מוביל באופן טבעי לדחיסת הזעזועים על ידי תא הבעירה, וכתוצאה מכך דחף. מצד שני, ברגע שהתחיל, הפיצוצים הם אלימים ולא מבוקרים - דבר שאינו מקובל לחלוטין כשמדובר ברקטות.
אך כפי שהסביר קוך, מחקר זה זכה להצלחה בכך שהוא בדק את תכנון המנוע הזה ומדד כמותית את התנהגותו. זהו צעד ראשון טוב ויכול לעזור לסלול את הדרך לעבר התפתחות ומימוש בפועל של RDEs.
"המטרה שלי כאן הייתה אך ורק לשחזר את התנהגות הפולסים שראינו - לוודא שהתפוקה של הדגם דומה לתוצאות הניסוי שלנו," אמרה קוך. "זיהיתי את הפיזיקה הדומיננטית וכיצד הם קשורים זה לזה. עכשיו אני יכול לקחת את מה שעשיתי כאן ולהפוך אותו לכמותי. משם אנחנו יכולים לדבר על איך לייצר מנוע טוב יותר. "
המחקר של קוך ועמיתו התאפשר בזכות המימון שהוענק על ידי משרד חיל האוויר האמריקני למחקר מדעי והמשרד למחקר ימי. אמנם מוקדם לומר, אך ההשלכות של מחקר זה עשויות להיות מרחיקות לכת, וכתוצאה מכך מנועי טילים קלים יותר לייצור וחסכוניים יותר. כל מה שצריך זה להבטיח שעיצוב המנוע עצמו בטוח ואמין.
