Инженеры разработали прототип ракетного двигателя, который ранее эксперты объявляли невозможным. Новая система использует непрерывные взрывы в камере сгорания. Она сделает космические ракеты более экономичными и грузоподъёмными.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Combustion and Flame.
В существующих ракетных двигателях топливо горит, а не взрывается. Горение – куда более стабильный и поддающийся контролю процесс, чем детонация. Но вот беда: при этом продукты сгорания топлива покидают двигатель с дозвуковой скоростью. А вот взрывная волна распространяется со сверхзвуковой.
Между тем от скорости реактивной струи напрямую зависит эффективность двигателя. Поэтому с 1960-х годов исследователи работают над системами, использующими детонацию.
Особенно привлекательна концепция ротационного детонационного двигателя (rotating detonation engine, или RDE). В таком устройстве камера сгорания имеет форму кольца. Взрывная волна, прежде чем покинуть двигатель и стать реактивной струёй, обходит это кольцо по кругу.
Если вовремя и в нужных местах подавать новые порции топлива, процесс станет непрерывным. Детонатором для каждого нового взрыва послужит предыдущий, и двигатель будет работать без остановок. Создаваемая им сверхзвуковая струя будет толкать ракету вперёд куда эффективнее, чем дозвуковая струя обычного двигателя.
Это значит, что при том же количестве топлива ракета станет более грузоподъёмной. А это настоящий подарок для разработчиков космических аппаратов, пытающихся втиснуть свои проекты в прокрустово ложе ограничений по массе.
Так обстоит дело в теории. А на практике оказалось необычайно сложно создать подобную систему. Топливная смесь всё время норовила перейти от детонации к обычному горению, сводя на нет все потенциальные преимущества разработки.
Теперь специалисты из нескольких исследовательских центров США нашли решение. Они создали прототип подобного двигателя, работающий на смеси водорода и кислорода.
"Всего за несколько месяцев до этого ряд американских экспертов по ракетным двигателям публично объявил, что водородно-кислородные детонационные двигатели невозможны, – говорит соавтор статьи Карим Ахмед (Kareem Ahmed) из Университета Центральной Флориды. – Тем не менее представленные в статье экспериментальные данные без сомнения демонстрируют, что внутри ротационного детонационного ракетного двигателя происходит детонация [смеси] кислорода и водорода".
В кольцевой камере диаметром около восьми сантиметров продукты взрыва движутся со скоростью, впятеро превышающей звуковую. Прочный корпус из латуни и меди выдерживает эту нагрузку. Вырываясь из сопла, реактивная струя создаёт тягу почти в 900 ньютонов. Этого достаточно, чтобы поднять груз массой в 90 килограммов.
Разумеется, крупные космические аппараты весят куда больше. Но тяга прямо пропорциональна количеству топлива в камере сгорания, так что для увеличения грузоподъёмности достаточно сделать двигатель побольше.
Как же разработчики заставили топливо взрываться, а не гореть? Их секрет – точная настройка количества водорода и кислорода, ежесекундно подаваемых в двигатель. Инженеры подобрали режим, в котором газы успевают хорошо перемешаться между собой и образовать взрывчатую смесь.
Специалисты надеются, что уже через несколько лет новый двигатель отправит ракету в экспериментальный полёт. Потенциально он может стать заменой существующим установкам, разработанным более полувека назад.
К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о ракетном двигателе, который "дышит" кислородом воздуха, и о перспективном топливе для новых ракет.
