НАСА проучва няколко технологии, които да й позволят да постигне някои смели цели - завръщане на Луната, създаване на инфраструктура, която да позволи да останат хора там, изпращане на първата екипажна мисия до Марс, изследване на външната Слънчева система и др.

Това е особено вярно за технологиите за задвижване извън конвенционалните химически ракети и двигатели. Една обещаваща технология се нарича ротационен детонационен двигател (RDE - Rotating Detonation Engine), който разчита на една или повече детонации, които непрекъснато се произвеждат около пръстеновиден канал.

При скорошен огнен тест в Центъра за космически полети Маршал на НАСА в Хънтсвил, Алабама, агенцията постига нов напредък в разработването на RDE технология.

На 27 септември инженерите успешно тестваха 3D-отпечатан ротационен детонационен ракетен двигател (RDRE) за 251 секунди, произвеждайки повече от 2630 кг тяга. Това отговаря на няколко изисквания на мисията, като изгаряния в дълбокия космос и операции за кацане.

НАСА наскоро сподели кадрите от огнения тест RDRE (вижте по-долу), докато гори непрекъснато на тестов стенд в Центъра за космически полети Маршал на НАСА за повече от четири минути.

Как работи ротационният детонационен ракетен двигател

Обикновено двигателят смесва въздух с гориво, за да го подготви за детонация, когато горивото освобождава своята енергия. Ефективността на отделянето на енергия от горивото обаче силно зависи от типа двигател...

Това е мястото, където въртящият се детонационен двигател (RDE) се различава от по-често срещаните типове газотурбинни двигатели.

RDE работи чрез непрекъсната детонационна вълна, която се разпространява около вътрешността на цилиндрична горивна камера. Кредит: Aerojet Rocketdyne

За разлика от конвенционалните газотурбинни двигатели, които разчитат на дозвуково горене с постоянно налягане, RDE използват високоинтензивна, самоподдържаща се детонация - свръхзвукова реакционна вълна, съчетана с удар — за бързо изразходване на гориво-въздушната смес, обикновено в пръстеновидна цилиндрична камера.

Какви са причините за детонация в двигателя?

Детонацията (да не се бърка с предварително запалване) е спонтанно запалване на крайния газ (останала въздушно-горивна смес) в горивната камера след искрата/запалването. Изгарянето на сместа въздух-гориво трябва да бъде плавно, контролирано изгаряне, произхождащо от запалителната свещ и разпространяващо се в цялата камера, (сравнително) постоянно увеличаващо се налягане и температура, за да задвижи буталото надолу. Когато възникне детонация, крайният газ е подложен на много висока топлина и голямо налягане, причинявайки спонтанно запалване и в резултат на това скок на налягането в горивната камера.

Това може да бъде причинено от редица неща, включително синхронизация на двигателя, изпреварване на искрата, по-ниско октаново число на горивата и съотношение на компресия. (Някои хора имат погрешното схващане, че гориво с високо октаново число има повече мощност, т.е. съхранена енергия, от същото количество гориво с по-нисък октаново число. Всъщност горивото с високо октаново число е просто по-малко летливо, което позволява на двигателите с висока компресия и високои октаново число да работят по-ефективно и надеждно, избягвайки детонация.)

Цикъл на задвижване

Въздухът и горивото се смесват (както обикновено), преди да бъдат впръскани в дълга, кръгла горивна камера.

Първата детонация задейства цикъл, при който налягането от запалването продължава около камерата, запалвайки последователно всяко впръскване.

Налягането от всяко запалване поддържа цикъла в движение.

След това налягането изтласква отработените газове от горивната камера през изпускателната дюза, която всъщност е тягата, генерирана от двигателя, и тя придвижва всеки тип превозно средство, в което е монтиран двигателят.

 Отгоре надолу: гориво, температура, налягане

RDE всъщност е вариант на импулсно-детонационния вълнов двигател. Въпреки че двигателите с импулсна детонация осигуряват спестяване на енергия в сравнение с много други видове двигатели, те  имат своите недостатъци. Една от причините е горивната камера, която трябва да се продухва след всеки импулс. RDE е подобрение спрямо импулсния двигател, тъй като детонационната вълна непрекъснато се върти около камерата, елиминирайки необходимостта от губене на време и енергия за прочистване.

Тъй като детонациите създават екстремни налягания, детонационен двигател може да бъде проектиран без допълнителен компресор, който обикновено се изисква. Не само, че компресорите обикновено са сложни, но тяхната работа като цяло също изсмуква много енергия. Въпреки това, добавянето на компресор към детонационен двигател всъщност го прави още по-ефективен. 

С RDE има ефективно повишаване на налягането: интензивното и бързо освобождаване на енергия от детонация може да се използва за генериране на изключително висока тяга от сравнително малка горивна камера. Освен това тези двигатели са компактни, не съдържат движещи се части, по-ефективни са от конвенционалните горивни системи, осигуряват стабилна тяга при високи честоти и могат да бъдат интегрирани със съществуващ хардуер за самолети и ракетни двигатели.

Разработката на RDE от специалисти от различни страни продължава вече 70 години.

Тежкотоварната газова турбина 9F.05 (GE) - обещаващият RDE може да изглежда така

Оттук-нататък

Въпреки че RDE са разработвани и тествани в продължение на много години, технологията привлече много внимание, откакто НАСА започна да я изследва за своята визия "Луна - Марс". Теоретично технологията на двигателя е по-ефективна от конвенционалното задвижване и подобни методи, които разчитат на контролирани детонации. Първият тест с горещ огън с RDRE беше извършен в Маршал през лятото на 2022 г. в партньорство с разработчика на усъвършенствано задвижване В Space LLC и Университета Пардю в Лафайет, Индиана.

Според Томас Тийзли, който ръководи тестването на RDRE, основната цел на последния тест е да се разбере по-добре как могат да се мащабират горивната камера, за да поддържат различни двигателни системи и да увеличат максимално разнообразието от мисии, за които могат да бъдат използвани. Това варира от модули за кацане и двигатели на горната степен до свръхзвукова ретропропулсия – техника за забавяне, която може да приземи тежки полезни товари и мисии с екипаж на Марс. Както Тийзли заявява в скорошно съобщение за пресата на НАСА:

„RDRE позволява огромен скок в ефективността на дизайна. Това показва, че сме по-близо до създаването на леки системи за задвижване, които ще ни позволят да изпратим повече маса и полезен товар по-далеч в дълбокия космос, критичен компонент за визията на НАСА от Луната до Марс.

Междувременно инженери от изследователския център "Глен" на НАСА и базираната в Хюстън Venus Aerospace работят с Центъра за космически полети Маршал на НАСА, за да намерят начини за мащабиране на технологията за по-големи профили на мисии.

Източник: НАСА

Още по темата

29/11/2023

Физика

Ако уарп-двигателят е невъзможен, може ли поне да комуникираме по-бързо от светлината?

22/11/2023

Физика

Тества се в космоса квантов двигател, който се противопоставя на законите на Нютон

18/01/2016

Космос

Русия ще работи по създаването на ядрен двигател за космически полети

03/04/2015

Космос

Супербърз двигател ще може да достигне Марс за 39 дни (видео)