Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình toán học mô tả cách thức hoạt động của động cơ kích nổ.
Phải mất rất nhiều nhiên liệu để phóng thứ gì đó vào không gian. Gửi tàu con thoi của NASA lên quỹ đạo cần hơn 3,5 triệu pound nhiên liệu, nặng hơn khoảng 15 lần so với một con cá voi xanh.
Nhưng một loại động cơ mới – được gọi là động cơ kích nổ xoay – hứa hẹn sẽ khiến tên lửa không chỉ tiết kiệm nhiên liệu hơn mà còn nhẹ hơn và ít phức tạp hơn khi chế tạo. Chỉ có một vấn đề: Hiện tại động cơ này quá khó đoán để được sử dụng trong một tên lửa thực tế.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington đã phát triển một mô hình toán học mô tả cách thức các động cơ này hoạt động. Với thông tin này, lần đầu tiên các kỹ sư có thể phát triển các thử nghiệm để cải thiện các động cơ này và làm cho chúng ổn định hơn. Nhóm nghiên cứu công bố những phát hiện ngày 10 tháng 1 trong Physical Review E .
“Lĩnh vực động cơ kích nổ xoay vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Chúng tôi có hàng tấn dữ liệu về các động cơ này nhưng chúng tôi không hiểu chuyện gì đang xảy ra”, James Koch, một sinh viên tiến sĩ UW về hàng không và du hành vũ trụ cho biết. “Tôi đã cố gắng lấy lại kết quả của chúng tôi bằng cách xem xét sự hình thành mô hình thay vì hỏi một câu hỏi kỹ thuật – chẳng hạn như làm thế nào để có được động cơ hiệu suất cao nhất – và sau đó bùng nổ, hóa ra nó hoạt động.”
Một động cơ tên lửa thông thường hoạt động bằng cách đốt nhiên liệu và sau đó đẩy nó ra khỏi phía sau động cơ để tạo lực đẩy.
“Một động cơ kích nổ quay có một cách tiếp cận khác với cách nó chống lại nhiên liệu đẩy”, Koch nói. “Nó được tạo thành từ các xi lanh đồng tâm. Các chất phóng xạ chảy vào khe giữa các xi lanh, và sau khi đánh lửa, sự giải phóng nhiệt nhanh tạo thành sóng xung kích, một xung khí mạnh với áp suất và nhiệt độ cao hơn đáng kể đang di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh .
“Quá trình đốt cháy này thực sự là một vụ nổ – một vụ nổ – nhưng đằng sau giai đoạn khởi động ban đầu này, chúng ta thấy một số dạng xung đốt cháy ổn định tiếp tục tiêu thụ nhiên liệu có sẵn. Điều này tạo ra áp suất và nhiệt độ cao làm cạn kiệt phía sau động cơ ở tốc độ cao, có thể tạo lực đẩy. “
Động cơ thông thường sử dụng rất nhiều máy móc để định hướng và kiểm soát phản ứng đốt cháy để tạo ra công việc cần thiết để đẩy động cơ. Nhưng trong một động cơ kích nổ xoay, sóng xung kích tự nhiên làm mọi thứ mà không cần sự trợ giúp thêm từ các bộ phận động cơ.
“Các cú sốc do quá trình đốt cháy tự nhiên nén dòng chảy khi chúng di chuyển xung quanh buồng đốt”, ông Koch nói. “Nhược điểm của điều đó là những vụ nổ này có ý nghĩ của riêng họ. Một khi bạn kích nổ thứ gì đó, nó sẽ biến mất. Thật là bạo lực.”
Để cố gắng có thể mô tả cách thức các động cơ này hoạt động, trước tiên các nhà nghiên cứu đã phát triển một động cơ kích nổ xoay thử nghiệm trong đó họ có thể kiểm soát các thông số khác nhau, chẳng hạn như kích thước của khoảng cách giữa các xi lanh. Sau đó, họ đã ghi lại các quá trình đốt cháy bằng một camera tốc độ cao. Mỗi thí nghiệm chỉ mất 0,5 giây để hoàn thành nhưng các nhà nghiên cứu đã ghi lại những thí nghiệm này với 240.000 khung hình mỗi giây để họ có thể thấy những gì đang xảy ra trong chuyển động chậm.
Từ đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một mô hình toán học để bắt chước những gì họ thấy trong các video.
“Đây là mô hình duy nhất trong tài liệu hiện có khả năng mô tả động lực học đa dạng và phức tạp của các động cơ kích nổ xoay mà chúng ta quan sát được trong các thí nghiệm”, đồng tác giả J. Nathan Kutz, giáo sư toán học ứng dụng của UW, cho biết.
Mô hình cho phép các nhà nghiên cứu xác định lần đầu tiên liệu một động cơ loại này sẽ ổn định hay không ổn định. Nó cũng cho phép họ đánh giá một động cơ cụ thể hoạt động tốt như thế nào.
“Cách tiếp cận mới này khác với trí tuệ thông thường trong lĩnh vực này và các ứng dụng rộng rãi và hiểu biết mới của nó là một điều hoàn toàn bất ngờ đối với tôi”, đồng tác giả Carl knowlen, phó giáo sư nghiên cứu về hàng không và du hành vũ trụ của UW cho biết.
Ngay bây giờ mô hình chưa hoàn toàn sẵn sàng cho các kỹ sư sử dụng.
“Mục tiêu của tôi ở đây chỉ là tái tạo hành vi của các xung mà chúng ta đã thấy – để đảm bảo rằng đầu ra mô hình tương tự như kết quả thử nghiệm của chúng tôi”, Koch nói. “Tôi đã xác định được vật lý thống trị và cách chúng tương tác với nhau. Bây giờ tôi có thể lấy những gì tôi đã làm ở đây và biến nó thành định lượng. Từ đó chúng ta có thể nói về cách tạo ra một động cơ tốt hơn.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Washington . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :