Ci vuole molto carburante per lanciare qualcosa nello spazio. L'invio in orbita dello Space Shuttle della NASA ha richiesto più di 3,5 milioni di libbre di carburante, che è circa 15 volte più pesante di una balena blu.

Ma un nuovo tipo di motore, chiamato motore a detonazione rotante, promette di rendere i razzi non solo più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante, ma anche più leggeri e meno complicati da costruire. C'è solo un problema:in questo momento questo motore è troppo imprevedibile per essere utilizzato in un vero razzo.

I ricercatori dell'Università di Washington hanno sviluppato un modello matematico che descrive come funzionano questi motori. Con queste informazioni, gli ingegneri possono, per la prima volta, sviluppare test per migliorare questi motori e renderli più stabili. Il team ha pubblicato questi risultati il ​​10 gennaio in Revisione fisica E .

"Il campo dei motori a detonazione rotante è ancora agli inizi. Abbiamo tonnellate di dati su questi motori, ma non capiamo cosa sta succedendo, " ha detto l'autore principale James Koch, uno studente di dottorato in aeronautica e astronautica UW. "Ho provato a riformulare i nostri risultati osservando le formazioni dei modelli invece di porre una domanda di ingegneria, ad esempio come ottenere il motore più performante, e poi boom, si è scoperto che funziona."

Un motore a razzo convenzionale funziona bruciando propellente e poi spingendolo fuori dal retro del motore per creare spinta.

"Un motore a detonazione rotante ha un approccio diverso al modo in cui brucia il propellente, " Ha detto Koch. "È fatto di cilindri concentrici. Il propellente scorre nello spazio tra i cilindri, e, dopo l'accensione, il rapido rilascio di calore forma un'onda d'urto, un forte impulso di gas con pressione e temperatura significativamente più elevate che si muove più velocemente della velocità del suono.

"Questo processo di combustione è letteralmente una detonazione, un'esplosione, ma dietro questa fase iniziale di avvio, vediamo formarsi un numero di impulsi di combustione stabili che continuano a consumare il propellente disponibile. Questo produce alta pressione e temperatura che spingono lo scarico fuori dalla parte posteriore del motore ad alte velocità, che può generare spinta."

I motori convenzionali utilizzano molti macchinari per dirigere e controllare la reazione di combustione in modo che generi il lavoro necessario per azionare il motore. Ma in un motore a detonazione rotante, l'onda d'urto fa naturalmente tutto senza bisogno di ulteriore aiuto dalle parti del motore.

"Gli shock azionati dalla combustione comprimono naturalmente il flusso mentre viaggiano intorno alla camera di combustione, " Koch ha detto. "Il lato negativo di questo è che queste detonazioni hanno una mente propria. Una volta che fai esplodere qualcosa, va e basta. È così violento".

Per cercare di essere in grado di descrivere come funzionano questi motori, i ricercatori hanno prima sviluppato un motore di detonazione rotante sperimentale in cui potevano controllare diversi parametri, come la dimensione dello spazio tra i cilindri. Quindi hanno registrato i processi di combustione con una telecamera ad alta velocità. Ogni esperimento ha richiesto solo 0,5 secondi per essere completato, ma i ricercatori hanno registrato questi esperimenti a 240, 000 fotogrammi al secondo in modo che potessero vedere cosa stava succedendo al rallentatore.

Da li, i ricercatori hanno sviluppato un modello matematico per imitare ciò che hanno visto nei video.

"Questo è l'unico modello in letteratura attualmente in grado di descrivere le diverse e complesse dinamiche di questi motori a detonazione rotanti che osserviamo negli esperimenti, " ha detto il co-autore J. Nathan Kutz, un professore UW di matematica applicata.

Il modello ha permesso ai ricercatori di determinare per la prima volta se un motore di questo tipo sarebbe stabile o instabile. Ha anche permesso loro di valutare le prestazioni di un motore specifico.

"Questo nuovo approccio è diverso dalla saggezza convenzionale nel campo, e le sue ampie applicazioni e nuove intuizioni sono state una completa sorpresa per me, " ha detto il co-autore Carl Knowlen, un professore associato di ricerca UW in aeronautica e astronautica.

In questo momento il modello non è ancora pronto per l'uso da parte degli ingegneri.

"Il mio obiettivo qui era esclusivamente quello di riprodurre il comportamento degli impulsi che abbiamo visto, per assicurarmi che l'output del modello fosse simile ai nostri risultati sperimentali, " ha detto Koch. "Ho identificato la fisica dominante e come interagiscono. Ora posso prendere quello che ho fatto qui e renderlo quantitativo. Da lì possiamo parlare di come realizzare un motore migliore".