Na atual era da exploração espacial, o nome do jogo é "econômico". Ao reduzir os custos associados a lançamentos individuais, agências espaciais e empresas aeroespaciais privadas (também conhecidas como NewSpace) estão garantindo que o acesso ao espaço seja maior. E quando se trata do custo dos lançamentos, a maior despesa é a do propulsor. Simplificando, libertar-se da gravidade da Terra requer muito combustível de foguete!
Para resolver isso, pesquisadores da Universidade de Washington desenvolveram recentemente um modelo matemático que descreve o funcionamento de um novo mecanismo de lançamento: o mecanismo de detonação rotativo (RDE). Esse design leve oferece maior eficiência de combustível e é menos complicado de construir. No entanto, ele vem com a grande vantagem de ser imprevisível demais para ser colocado em serviço agora.
O estudo que descreve sua pesquisa ("Ondas de detonação rotativas com bloqueio de modo: experimentos e uma equação modelo") apareceu recentemente na revista Revisão Física E. A equipe de pesquisa foi liderada por James Koch, um estudante de doutorado da UW em aeronáutica e astronáutica, e incluiu Mitsuru Kurosaka e Carl Knowlen, ambos professores de aeronáutica e astronáutica da UW; e J. Nathan Kutz, professor de matemática aplicada da UW.
Em um motor de foguete convencional, o propulsor é queimado em uma câmara de ignição e depois canalizado pela parte traseira através de bocais para gerar empuxo. Em um RDE, as coisas funcionam de maneira diferente, como Koch explicou em um comunicado da UW News:
“Um mecanismo de detonação rotativo adota uma abordagem diferente de como ele combina o propulsor. É feito de cilindros concêntricos. O propulsor flui no espaço entre os cilindros e, após a ignição, a rápida liberação de calor forma uma onda de choque, um forte pulso de gás com pressão e temperatura significativamente mais altas, que se move mais rápido que a velocidade do som.
Isso diferencia o RDE dos motores convencionais, que exigem muitas máquinas para direcionar e controlar a reação de combustão, para que possa ser transformada em aceleração. Mas em um RDE, a onda de choque gerada pelas ignições cria impulso naturalmente e sem a necessidade de peças adicionais do motor.
No entanto, como Koch indica, o campo do motor de detonação rotativo ainda está engatinhando e os engenheiros ainda não sabem ao certo do que são capazes. Por isso, ele e seus colegas decidiram testar o conceito, que consistia em reformular os dados disponíveis e analisar formações de padrões. Primeiro, eles desenvolveram um RDE experimental (mostrado abaixo) que lhes permitiu controlar parâmetros diferentes (como o tamanho do espaço entre os cilindros).
Eles então gravaram os processos de combustão (que levavam apenas 0,5 segundos para serem concluídos a cada vez) com uma câmera de alta velocidade. A câmera gravou todas as ignições a uma taxa de 240.000 quadros por segundo, permitindo que a equipe assistisse às reações se desenrolarem em câmera lenta. Como Koch explicou, ele e seus colegas descobriram que o motor realmente teve um bom desempenho.
“Esse processo de combustão é literalmente uma detonação - uma explosão - mas, por trás dessa fase inicial, vemos vários pulsos de combustão estáveis que continuam consumindo o propulsor disponível. Isso produz alta pressão e temperatura que acionam a exaustão da parte traseira do motor em altas velocidades, o que pode gerar empuxo.
Em seguida, os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático para imitar o que observaram em seu experimento. Esse modelo, o primeiro de seu tipo, permitiu à equipe determinar pela primeira vez se um RDE seria estável. E embora esse modelo ainda não esteja pronto para ser usado por outros engenheiros, ele pode permitir que outras equipes de pesquisa avaliem o desempenho de RDEs específicos.
Como observado, o design do motor tem uma desvantagem, que é sua natureza imprevisível. Por um lado, o processo de choques acionados por combustão naturalmente leva à compressão dos choques pela câmara de combustão, resultando em empuxo. Por outro lado, uma vez iniciadas, as detonações são violentas e descontroladas - algo que é completamente inaceitável quando se trata de foguetes.
Mas, como Koch explicou, essa pesquisa foi um sucesso, pois testou o design desse motor e mediu quantitativamente seu comportamento. Este é um bom primeiro passo e pode ajudar a pavimentar o caminho para o desenvolvimento e realização reais de RDEs.
"Meu objetivo aqui era apenas reproduzir o comportamento dos pulsos que vimos - garantir que a saída do modelo seja semelhante aos nossos resultados experimentais", disse Koch. “Eu identifiquei a física dominante e como elas interagem. Agora posso pegar o que fiz aqui e torná-lo quantitativo. A partir daí, podemos falar sobre como fazer um motor melhor. ”
A pesquisa de Koch e seu colega foi possível graças ao financiamento fornecido pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa Naval. Embora seja muito cedo para dizer, as implicações desta pesquisa podem ser abrangentes, resultando em motores de foguete mais fáceis de produzir e mais econômicos. Tudo o que é necessário é garantir que o próprio projeto do motor seja seguro e confiável.
