Людство отримало нову технологію польотів у космос: неможливий ракетний двигун став реальністю

Розробники з Університету Центральної Флориди та фахівці військово-повітряних сил США провели історичне випробування ракетного двигуна. Це двигун на основі обертової детонації, працездатність якого раніше вважалася неможливою.

Коротко про ракетні двигуни

Для подолання земної гравітації та виходу на навколоземну орбіту потрібен двигун, який розвиває велику тягу. Наприклад, використовуваний компанією SpaceX у своїх ракетах-носіях двигун Merlin 1D розвиває тягу близько 84500 кілограмів на рівні моря.

Створити тягу подібної величини дозволяють хімічні джерела енергії, у яких одна речовина (паливо) у хімічній реакції поєднується з іншою речовиною (окиснювач) з вивільненням великої кількості тепла. Це може бути тверде паливо, як у бокових прискорювачах космічного шатла, рідина (керосин) чи зріджений газ (водень, метан). Двигуни на твердому паливі мають великий недолік – у них неможливо точно регулювати тягу та вмикати/вимикати в польоті.

Основний тип двигунів у сучасних ракетах-носіях використовують рідину чи зріджений газ як паливо. Такий тип двигунів дозволяє точно регулювати тягу, а також їх можна вмикати та вимикати в процесі роботи.

Нормальна робота таких двигунів – плавне та відносно повільне згоряння, однак за деяких умов можливе різке згоряння, яке називається детонацією. При детонації відбувається майже миттєве, якщо порівнювати з нормальним горінням, вивільнення енергії. Про небезпечність детонації знає майже кожен автомобіліст, а деякі навіть відчули його своїм гаманцем, оплативши ремонт двигуна свого авто.

Детонацію – у ракетний двигун

Через хаотичний характер детонація вважається негативним явищем, але вона також приносить багато енергії при меншій витраті палива. Науковці понад 60 років намагалися приборкати детонацію та створити на її основі ракетний двигун. Такий двигун був би легшим та мав би більшу тягу за звичайні ракетні двигуни на основі плавного згоряння.

Професор Університету Центральної Флориди Карім Ахмед каже, що механічно детонаційний двигун дуже простий. Але в динаміці він виявляється дуже складним та вимагає точно скоординованої в часі доставки палива.

Детонаційний двигун починається з циліндра, що вставлений у трохи більший циліндр. Між ними є проміжок та отвори і щілини, крізь які прокачується готова паливно-окиснювальна суміш. Її підпалюють, і вона згоряє в режимі детонації, виштовхуючи гази в потрібному напрямі.

Також це створює ударну хвилю, яка проходить круговим каналом на швидкості в п’ять разів вищій за швидкість звуку. Ця ударна хвиля використовується для генерації інших зон детонацій.

Додаючи в потрібний момент нові порції паливно-окиснювальної суміші, можна отримати ракетний двигун на основі обертової детонації.

Уперше двигун на основі такої концепції спробували розробити в Університеті Мічигану в 50-х роках. Але виявилося, що утворити та підтримувати такий обертовий режим детонації надзвичайно складно.

«Кілька місяців тому декілька фахівців у ракетних двигунах публічно заявили, що водень-кисневий двигун обертової детонації неможливий», – каже Ахмед.

Сучасне рішення

Науковці Університету Центральної Флориди, працюючи в рамках дослідницької програми військово-повітряних сил США, створили та випробували детонаційний ракетний двигун. Лабораторний зразок використовував суміш водню та кисню.

Створений двигун працював, поки йому не перекрили потік горючої суміші. Прототип має невеликі розміри – близько 3 дюймів (майже 8 см). Він видав тягу до 90 кг. Секрет роботи двигуна – точний підбір отворів, крізь які подається горюча суміш.

Розробники кажуть що тягу можна лінійно нарощувати, додаючи більше горючої суміші.

Ахмед говорить, що конструкцію його двигуна вже оцінюють для заміни Aerojet Rocketdyne RL-10. Цей двигун створили в 1962 році, і він досі використовується у верхніх ступенях ракет-носіїв Atlas V та Delta IV. Також він модифікується для Exploration, OmegA та Vulcan.

Польотні тести нового детонаційного двигуна планують на 2025 рік.

Не лише для космосу

Детонаційний двигун також може виявитися ефективнішою заміною газотурбінних двигунів. У 2012 році військово-морські сили США підрахували, що така заміна заощадила близько 15-20% на рахунках за паливо. Це відомство тоді витрачало на паливо близько $2 млрд на рік для 100 своїх кораблів з газотурбінними двигунами.

Новий двигун також може відкрити нову еру в авіації, зробивши реальністю надзвукові та гіперзвукові польоти. Сучасні технології роблять такі польоти економічно неефективними.

За матеріалами: University of Central Florida, Combustion and Flame, nrl.navy.mil