En la era actual de la exploración espacial, el nombre del juego es "rentable". Al reducir los costos asociados con los lanzamientos individuales, las agencias espaciales y las compañías aeroespaciales privadas (también conocidas como NewSpace) aseguran que el acceso al espacio sea mayor. Y cuando se trata del costo de los lanzamientos, el mayor gasto es el del propulsor. En pocas palabras, ¡liberarse de la gravedad de la Tierra requiere mucho combustible de cohete!
Para abordar esto, los investigadores de la Universidad de Washington desarrollaron recientemente un modelo matemático que describe el funcionamiento de un nuevo mecanismo de lanzamiento: el motor de detonación giratoria (RDE). Este diseño liviano ofrece una mayor eficiencia de combustible y es menos complicado de construir. Sin embargo, viene con la compensación bastante grande de ser demasiado impredecible para ser puesto en servicio en este momento.
El estudio que describe su investigación ("Ondas de detonación rotativas bloqueadas por modo: experimentos y una ecuación modelo") apareció recientemente en la revista Revisión Física E. El equipo de investigación fue dirigido por James Koch, un estudiante de doctorado en aeronáutica y astronáutica de la UW, e incluyó a Mitsuru Kurosaka y Carl Knowlen, ambos profesores de aeronáutica y astronáutica de la UW; y J. Nathan Kutz, profesor de matemática aplicada de la UW.
En un motor de cohete convencional, el propulsor se quema en una cámara de ignición y luego se canaliza desde la parte posterior a través de boquillas para generar empuje. En un RDE, las cosas funcionan de manera diferente, como explicó Koch en un comunicado de prensa de UW:
“Un motor de detonación giratoria adopta un enfoque diferente de cómo quema el propulsor. Está hecho de cilindros concéntricos. El propulsor fluye en el espacio entre los cilindros y, después del encendido, la rápida liberación de calor forma una onda de choque, un fuerte pulso de gas con una presión y temperatura significativamente más altas que se mueve más rápido que la velocidad del sonido.
Esto diferencia al RDE de los motores convencionales, que requieren mucha maquinaria para dirigir y controlar la reacción de combustión para que pueda convertirse en aceleración. Pero en un RDE, la onda de choque generada por las igniciones crea un empuje natural y sin la necesidad de piezas adicionales del motor.
Sin embargo, como indica Koch, el campo del motor de detonación giratoria todavía está en pañales y los ingenieros aún no están seguros de lo que son capaces. Por eso, él y sus colegas decidieron probar el concepto, que consistía en refundir los datos disponibles y observar las formaciones de patrones. Primero, desarrollaron un RDE experimental (que se muestra a continuación) que les permitió controlar diferentes parámetros (como el tamaño del espacio entre los cilindros).
Luego registraron los procesos de combustión (que tomaron solo 0.5 segundos en completarse cada vez) con una cámara de alta velocidad. La cámara grabó cada encendido a una velocidad de 240,000 fotogramas por segundo, lo que permite al equipo observar cómo se desarrollan las reacciones en cámara lenta. Como explicó Koch, él y sus colegas descubrieron que el motor realmente funcionaba bien.
“Este proceso de combustión es literalmente una detonación, una explosión, pero detrás de esta fase inicial de arranque, vemos una serie de pulsos de combustión estables que continúan consumiendo el propelente disponible. Esto produce alta presión y temperatura que expulsa el escape por la parte trasera del motor a altas velocidades, lo que puede generar empuje.
Luego, los investigadores desarrollaron un modelo matemático para imitar lo que observaron con su experimento. Este modelo, el primero de su tipo, permitió al equipo determinar por primera vez si un RDE sería estable. Y aunque este modelo aún no está listo para que otros ingenieros lo usen, podría permitir que otros equipos de investigación evalúen qué tan bien se desempeñarán los RDE específicos.
Como se señaló, el diseño del motor tiene un inconveniente, que es su naturaleza impredecible. Por un lado, el proceso de los choques impulsados por la combustión conduce naturalmente a la compresión de los choques por la cámara de combustión, lo que resulta en empuje. Por otro lado, una vez iniciadas, las detonaciones son violentas y descontroladas, algo que es completamente inaceptable cuando se trata de cohetes.
Pero como explicó Koch, esta investigación fue un éxito porque probó el diseño de este motor y midió cuantitativamente su comportamiento. Este es un buen primer paso y podría ayudar a allanar el camino hacia el desarrollo real y la realización de RDE.
"Mi objetivo aquí era únicamente reproducir el comportamiento de los pulsos que vimos, para asegurarme de que la salida del modelo sea similar a nuestros resultados experimentales", dijo Koch. “Identifiqué la física dominante y cómo interactúan. Ahora puedo tomar lo que he hecho aquí y hacerlo cuantitativo. A partir de ahí podemos hablar sobre cómo hacer un mejor motor ".
La investigación de Koch y su colega fue posible gracias a los fondos proporcionados por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. Y la Oficina de Investigación Naval. Si bien es demasiado pronto para decirlo, las implicaciones de esta investigación podrían ser de gran alcance, resultando en motores de cohetes que son más fáciles de producir y más rentables. Todo lo que se necesita es garantizar que el diseño del motor sea seguro y confiable.
