Eine neue Art von Rakete, die leicht und einfacher zu bauen ist: ein rotierender, detonierender Motor. Leider ist es auch völlig unberechenbar
In der aktuellen Ära der Weltraumforschung lautet der Name des Spiels „kostengünstig“. Durch die Reduzierung der mit einzelnen Starts verbundenen Kosten stellen Raumfahrtagenturen und private Luft- und Raumfahrtunternehmen (auch bekannt als NewSpace) sicher, dass der Zugang zum Weltraum verbessert wird. Und wenn es um die Startkosten geht, sind die Kosten für Treibstoff die größten Kosten. Um es einfach auszudrücken, braucht man viel Raketentreibstoff, um sich von der Schwerkraft der Erde zu befreien!
Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher der University of Washington kürzlich ein mathematisches Modell entwickelt, das die Funktionsweise eines neuen Startmechanismus beschreibt: der rotierender Detonationsmotor (RDE). Diese Leichtbauweise bietet eine höhere Kraftstoffeffizienz und ist weniger kompliziert in der Konstruktion. Es geht jedoch mit dem ziemlich großen Kompromiss einher, dass es zu unberechenbar ist, um es jetzt in Betrieb zu nehmen.
Die Studie, die ihre Forschung beschreibt („ Modengekoppelte rotierende Detonationswellen: Experimente und eine Modellgleichung “) ist kürzlich in der Zeitschrift erschienenPhysische Überprüfung E. Das Forschungsteam wurde geleitet von James Koch , ein UW-Doktorand in Luft- und Raumfahrt, und umfassten Mitsuru Kurosaka und Carl Knowlen, beide UW-Professoren für Luft- und Raumfahrt; und J. Nathan Kutz, UW-Professor für angewandte Mathematik.
Bei einem herkömmlichen Raketentriebwerk wird Treibmittel in einer Zündkammer verbrannt und dann durch Düsen nach hinten geleitet, um Schub zu erzeugen. Bei einer RDE läuft das anders, wie Koch in einer UW News erklärt Veröffentlichung :
„Ein rotierender Detonationsmotor verfolgt einen anderen Ansatz, wie er Treibmittel verbrennt. Es besteht aus konzentrischen Zylindern. Im Spalt zwischen den Zylindern strömt Treibgas, und die schnelle Wärmefreisetzung bildet nach der Zündung eine Stoßwelle, einen starken Gaspuls mit deutlich höherem Druck und Temperatur, der sich schneller als Schallgeschwindigkeit bewegt.
Damit hebt sich der RDE von herkömmlichen Motoren ab, die eine Menge Maschinen benötigen, um die Verbrennungsreaktion zu lenken und zu steuern, damit sie in Beschleunigung umgewandelt werden kann. Bei einer RDE erzeugt die von den Zündungen erzeugte Stoßwelle jedoch auf natürliche Weise und ohne zusätzliche Motorteile Schub.
Wie Koch jedoch angibt, steckt das Feld der rotierenden Detonationsmotoren noch in den Kinderschuhen und die Ingenieure sind sich immer noch nicht sicher, wozu sie fähig sind. Daher beschlossen er und seine Kollegen, das Konzept zu testen, das darin bestand, die verfügbaren Daten neu zu formen und Musterformationen zu untersuchen. Zuerst entwickelten sie eine experimentelle RDE (siehe unten), die es ihnen ermöglichte, verschiedene Parameter (wie die Größe des Spalts zwischen den Zylindern) zu steuern.
Der vom UW-Team entwickelte experimentelle rotierende Detonationsmotor. Bildnachweis: James Koch/Universität Washington
Anschließend zeichneten sie die Verbrennungsvorgänge (die jeweils nur 0,5 Sekunden dauerten) mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf. Die Kamera zeichnete jede Zündung mit einer Rate von 240.000 Bildern pro Sekunde auf, sodass das Team die Reaktionen in Zeitlupe verfolgen konnte. Als Koch erklärt , stellten er und seine Kollegen fest, dass der Motor tatsächlich gut funktionierte.
„Dieser Verbrennungsprozess ist buchstäblich eine Detonation – eine Explosion – aber hinter dieser anfänglichen Startphase sehen wir eine Reihe stabiler Verbrennungsimpulse, die weiterhin verfügbares Treibmittel verbrauchen. Dies erzeugt einen hohen Druck und eine hohe Temperatur, die Abgase bei hohen Geschwindigkeiten nach hinten aus dem Triebwerk treiben, was Schub erzeugen kann.
Als nächstes entwickelten die Forscher ein mathematisches Modell, um das nachzuahmen, was sie bei ihrem Experiment beobachtet hatten. Mit diesem Modell, dem ersten seiner Art, konnte das Team erstmals feststellen, ob eine RDE stabil ist. Und obwohl dieses Modell noch nicht für andere Ingenieure bereit ist, könnte es anderen Forschungsteams ermöglichen, die Leistung bestimmter RDEs zu bewerten.
Wie bereits erwähnt, hat das Motordesign einen Nachteil, nämlich seine Unvorhersehbarkeit. Einerseits führt der Prozess der verbrennungsgetriebenen Stoßdämpfer natürlich zu einer Verdichtung der Stoßdämpfer durch die Brennkammer, wodurch Schub entsteht. Andererseits sind die Detonationen nach dem Start heftig und unkontrolliert – was bei Raketen völlig inakzeptabel ist.
Aber wie Koch erklärte, war diese Forschung insofern ein Erfolg, als sie diese Motorkonstruktion testete und ihr Verhalten quantitativ maß. Dies ist ein guter erster Schritt und könnte den Weg zur eigentlichen Entwicklung und Realisierung von RDEs ebnen.
„Mein Ziel war es hier ausschließlich, das Verhalten der von uns gesehenen Pulse zu reproduzieren – um sicherzustellen, dass die Modellausgabe unseren experimentellen Ergebnissen ähnelt“, sagte Koch. „Ich habe die vorherrschende Physik und ihr Zusammenspiel identifiziert. Jetzt kann ich das, was ich hier gemacht habe, quantitativ machen. Von dort aus können wir darüber sprechen, wie wir einen besseren Motor bauen können.“
Die Forschungen von Koch und seinem Kollegen wurden durch die Förderung des US Air Force Office of Scientific Research und der Amt für Marineforschung . Es ist zwar noch zu früh, um zu sagen, die Auswirkungen dieser Forschung könnten weitreichend sein und zu Raketentriebwerken führen, die einfacher herzustellen und kostengünstiger sind. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass die Motorkonstruktion selbst sicher und zuverlässig ist.
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