Как инженеры НАСА испытывают детонационные двигатели для космических ракет: рев и пламя
Двигатели внутреннего сгорания проверены и надежны, и как бы яростно они ни выглядели и не звучали в драгстере или в космическом ракетном ускорителе, процесс сгорания окисляющегося топлива в воздухе относительно медленный и предсказуемый. С другой стороны, детонация настолько же хаотична и разрушительна. Так работает большинство бомб: вы берете взрывчатое топливо и ударяете по нему зарядом энергии, в результате чего химические связи, удерживающие каждую молекулу вместе, разрываются, высвобождая дикое количество энергии в ударной волне, которая распространяется со сверхзвуковой скоростью.
НАСА, наряду со многими другими группами, хочет использовать эти взрывы по нескольким ключевым причинам. Во-первых, детонационные двигатели имеют значительно более высокий теоретический уровень КПД, чем двигатели внутреннего сгорания — озвучены цифры до 25%; кроме того, такие двигатели должны иметь возможность производить большую тягу, используя меньше топлива и ракету меньшего размера. В технике и экономике космических полетов это означает более дешевые запуски, более оплачиваемую полезную нагрузку и большие расстояния.
Детонационные двигатели также имеют отношение к гиперзвуковому полету. Двигатели внутреннего сгорания могут работать только на дозвуковых скоростях полета. Чтобы перейти в сверхзвуковой или гиперзвуковой режим, всасываемый воздух необходимо быстро замедлить до дозвуковой скорости, чтобы произошло сгорание. Этот процесс генерирует тепло и дополнительное сопротивление. Детонация происходит на сверхзвуковых скоростях, поэтому в дополнение к большей эффективности вы также снижаете тепло и сопротивление в гиперзвуковых приложениях, поскольку вам не нужно почти так сильно замедлять воздух.
Вращающиеся детонационные двигатели (ВДД), в отличие от двигателей с косой детонацией или двигателей с импульсной детонацией, используют кольцевые камеры и точно рассчитанный по времени впрыск топлива для создания постоянной тяги. Каждый взрыв посылает ударную волну, которая создает толчок, но она также проходит по кольцу, вызывая следующий взрыв.
От теории к практическим испытаниям
В настоящее время ряд групп сообщает об успешных испытаниях вращающихся детонационных двигателей, начиная с Университета Центральной Флориды, работающего с Исследовательской лабораторией ВВС, и заканчивая австралийским RMIT, работающим с DefendTex, хьюстонской компанией Venus Aerospace, Aerojet Rocketdyne и другими. Jaxa, японское космическое агентство, даже зашло так далеко, что испытало небольшой ВДД прямо в космосе.
НАСА пока проводит испытания на твердой земле, но в прошлом году агентство объявило об успешных пусках небольшого ВДД в партнерстве с компанией In Space LLE из Индианы. Двигатель запускался «более дюжины раз общей продолжительностью около 10 минут», поэтому он явно справился с основной задачей разработки ВДД — не дать вашему двигателю разорваться на куски.
Двигатель построен с использованием порошковой 3D-печати с использованием собственного медного сплава НАСА GRCop-42, который, по словам агентства, является ключом к его способности выдерживать экстремальные условия продолжительной детонации без перегрева.
На полном газу, как сообщает НАСА, ВДД создавал «более 1800 килограммов тяги в течение почти минуты при среднем давлении в камере в 42,3 атмосферы, что является самым высоким номинальным давлением для этой конструкции за всю историю наблюдений». Тестирование включало «успешное выполнение как глубокого дросселирования, так и внутреннего зажигания».
Получив многообещающие результаты, НАСА объявило о переходе к полностью многоразовому ВДД в классе тяги 4500 килограммов, где команда надеется начать демонстрировать преимущества в производительности по сравнению с обычными ракетными двигателями.