Niekończąca się detonacja może być kluczem do hipersonicznych lotów i samolotów kosmicznych, które mogą płynnie startować z Ziemi na orbitę. Naukowcy odtworzyli w laboratorium “zjawisko wybuchowe”, które mogło to umożliwić.
Detonacje to szczególnie silny rodzaj eksplozji, który przemieszcza się na zewnątrz szybciej niż prędkość dźwięku. Ogromna eksplozja, która wstrząsnęła portem w Bejrucie w Libanie w sierpniu zeszłego roku, była eksplozją, a rozległe zniszczenia, jakie spowodowała, pokazują ogromne ilości energii, jaką wyprodukowała.
Naukowcy od dawna marzyli o zbudowaniu silników lotniczych, które będą w stanie ujarzmić tę energię; taka jednostka mogłaby teoretycznie przemieścić się z Nowego Jorku do Londynu w niecałą godzinę. Ale detonacje są niezwykle trudne do kontrolowania i zazwyczaj trwają krócej niż mikrosekundę, więc nikt nie był do tej pory nie był w stanie urzeczywistnić tego marzenia.
Teraz zespół z University of Central Florida stworzył eksperymentalną konfigurację, która pozwala utrzymać detonację w ustalonej pozycji przez kilka sekund, co zdaniem naukowców jest dużym krokiem w kierunku przyszłych hipersonicznych układów napędowych.
„To, co staramy się tutaj zrobić, to kontrolować detonację” – powiedział Kareem Ahmed, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej na University of Central Florida i główny autor nowego artykułu na temat badań opublikowanego w poniedziałek (10 maja ) w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Przełom był wynikiem dziesięcioleci badań nad teoretycznym układem napędowym zwanym udarowym silnikiem spalinowy indukowanym wstrząsem (oblique detonation wave engine / ODWE). Koncepcja działa w oparciu o kierowania mieszanki powietrza i paliwa z prędkością hipersoniczną (ponad pięciokrotnie większą od prędkości dźwięku) w kierunku rampy/pochylni, która tworzy falę uderzeniową. Ta fala uderzeniowa gwałtownie podgrzewa mieszankę paliwowo-powietrzną i powoduje jej detonację, wyrzucając spaliny z tyłu silnika z dużą prędkością. Wynik? Duży ciąg.
Gdy mieszanina powietrza i paliwa wybuchnie w ten sposób, powstałe spalanie jest wyjątkowo wydajne, ponieważ spalane jest blisko 100% paliwa. Detonacja generuje również duże ciśnienie, co oznacza, że silnik może generować znacznie większy ciąg. W teorii, ta detonacja powinna być w stanie wprawić samolot w ruch z prędkością do 17 razy większą od dźwięku, twierdzą naukowcy, co mogłoby by dawać wystarczającą szybkość, aby statek kosmiczny po prostu wyleciał z atmosfery, bez konieczności używania rakiet nośnych.
Wyzwaniem jest generowanie detonacji przez cały okres lotu, a poprzednie demonstracje eksperymentalne trwały zaledwie kilka milisekund. Ahmed powiedział, że główna trudność polega na zapobieganiu przemieszczaniu się detonacji w górę w kierunku źródła paliwa, gdzie może spowodować poważne uszkodzenia, lub w dół, gdzie detonacja wypali się i wygaśnie.
Aby sprawdzić, czy uda im się poprawić poprzedni rekord, Ahmed i jego koledzy zbudowali serię komór o długości około 0,76 metra, w których mieszano i podgrzewano powietrze i gaz wodorowy, a następnie przyspieszano je do prędkości hipersonicznych i “strzelano” nimi w rampę/pochylnie.
Starannie równoważąc proporcje mieszanki paliwowo-powietrznej, prędkość przepływu gazu i kąt pochylenia, byli w stanie wygenerować detonację, która pozostawała nieruchoma przez około 3 sekundy. To wystarczająco długo, aby potwierdzić, że detonacja została ustabilizowana w ustalonej pozycji i nie przemieszczała się w górę ani w dół, powiedział Ahmed, co jest pierwszym, dużym krokiem w kierunku urzeczywistnienia prawdziwego ODWE.
Frank Lu, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej na University of Texas w Arlington, który specjalizuje się w silnikach opartych na detonacji, powiedział, że wykazanie stabilnej detonacji jest znaczącym osiągnięciem. Aby opracować praktyczny silnik, naukowcy będą musieli teraz opracować sposób działania w zakresie różnych prędkości i wysokości oraz radzić sobie z niestabilnością spalania spowodowaną takimi zjawiskami, jak nierównomierne mieszanie paliwa i powietrza.
„Myślę, że badacze wykonali świetną robotę i nie mogę się doczekać dalszych wyników” – powiedział Lu.
Naukowcy prowadzili eksperyment tylko przez kilka sekund, głównie dlatego, że intensywność detonacji powoduje gwałtowną erozję szklanych ścianek komory testowej, wyjaśnił Ahmed. W swoich początkowych testach musieli użyć szkła, aby móc dokonać optycznych pomiarów detonacji, ale gdyby szkło zastąpili metalem, powinni być w stanie dłużej kontrolować detonację – powiedział.
Ahmed powiedział, że struktura aparatury testowej nie różni się zbytnio od konstrukcji pełnowymiarowego ODWE. Obecnie głównym wyzwaniem dla naukowców jest ustalenie, w jaki sposób mogą zmienić trzy kluczowe składniki mieszanki paliwowej, prędkość powietrza i kąt pochylenia, jednocześnie zachowując stabilność detonacji.
„Teraz wykazaliśmy, że jest to wykonalne, ale raczej problemem inżynieryjnym jest zbadanie, co trzeba zrobić aby detonacje mogły być siła napędową” – powiedział Ahmed.
Źródło: Edd Gent
Zdjęcie: Daniel A. Rosato, NASA
