Uma sonda Soyuz é lançada a partir do Cosmódromo de Baikonur, no Cazaquistão, em 2017, usando um motor convencional que consome muito combustível. Os pesquisadores da UW desenvolveram um modelo matemático que descreve como um novo tipo de motor - que promete tornar os foguetes eficientes em termos de combustível, mais leves e menos complicados de construir - funciona.
É preciso muito combustível para lançar algo no espaço. O envio do ônibus espacial da NASA para a órbita exigiu mais de 3,5 milhões de libras de combustível, cerca de 15 vezes mais que uma baleia azul.
Mas um novo tipo de motor - chamado de mecanismo de detonação rotativo - promete tornar os foguetes não apenas mais econômicos, mas também mais leves e menos complicados de construir. Há apenas um problema: agora, esse mecanismo é imprevisível demais para ser usado em um foguete real.
Pesquisadores da Universidade de Washington desenvolveram um modelo matemático que descreve como esses mecanismos funcionam. Com essas informações, os engenheiros podem, pela primeira vez, desenvolver testes para melhorar esses motores e torná-los mais estáveis. A equipe publicou essas descobertas em 10 de janeiro na Physical Review E.
“O campo do motor de detonação rotativo ainda está engatinhando. Temos muitos dados sobre esses motores, mas não entendemos o que está acontecendo ”, disse o principal autor James Koch , um estudante de doutorado da UW em aeronáutica e astronáutica. "Tentei reformular nossos resultados observando as formações de padrões em vez de fazer uma pergunta de engenharia - como obter o mecanismo com o melhor desempenho - e, em seguida, aumentar, acabou funcionando."
Um motor de foguete convencional funciona queimando o propulsor e, em seguida, empurrando-o para fora da parte traseira do motor para criar empuxo.
"Um mecanismo de detonação rotativo adota uma abordagem diferente de como ele queima o propulsor", disse Koch. “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.
“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. ”
Para iniciar a reação, o propulsor flui no espaço entre os cilindros e, após a ignição, a rápida liberação de calor forma uma onda de choque (começa em 11 segundos). Após essa fase de inicialização, formam-se vários pulsos de combustão estáveis que continuam consumindo o propulsor disponível. Crédito: James Koch / Universidade de Washington
Os motores convencionais usam muitas máquinas para direcionar e controlar a reação de combustão, de modo a gerar o trabalho necessário para impulsionar o motor. Mas em um mecanismo de detonação rotativo, a onda de choque naturalmente faz tudo sem a necessidade de ajuda adicional das peças do motor.
"Os choques acionados por combustão naturalmente comprimem o fluxo enquanto eles viajam pela câmara de combustão", disse Koch. “A desvantagem disso é que essas detonações têm uma mente própria. Depois de detonar algo, ele simplesmente desaparece. É tão violento.
Para tentar descrever como esses motores funcionam, os pesquisadores desenvolveram um mecanismo experimental de detonação rotativa, onde podiam controlar parâmetros diferentes, como o tamanho do espaço entre os cilindros. Em seguida, eles gravaram os processos de combustão com uma câmera de alta velocidade. Cada experimento levou apenas 0,5 segundos para ser concluído, mas os pesquisadores registraram esses experimentos a 240.000 quadros por segundo para que pudessem ver o que estava acontecendo em câmera lenta.
Os pesquisadores desenvolveram um mecanismo experimental de detonação rotativa (mostrado aqui), onde podiam controlar parâmetros diferentes, como o tamanho do espaço entre os cilindros. As linhas de alimentação (direita) direcionam o fluxo do propulsor para o motor. No interior, existe outro cilindro concêntrico à peça externa. Os sensores que saem da parte superior do motor (esquerda) medem a pressão ao longo do comprimento do cilindro. A câmera ficaria do lado esquerdo, olhando pela parte traseira do motor.
James Koch / Universidade de Washington
A partir daí, os pesquisadores desenvolveram um modelo matemático para imitar o que viram nos vídeos.
"Este é o único modelo na literatura atualmente capaz de descrever a dinâmica diversa e complexa desses mecanismos de detonação rotativa que observamos em experimentos", disse o co-autor J. Nathan Kutz , professor de matemática aplicada da UW.
O modelo permitiu que os pesquisadores determinassem pela primeira vez se um mecanismo desse tipo seria estável ou instável. Também lhes permitiu avaliar o desempenho de um mecanismo específico.
"Essa nova abordagem é diferente da sabedoria convencional no campo, e suas amplas aplicações e novas idéias foram uma surpresa completa para mim", disse o co-autor Carl Knowlen , professor associado de pesquisa da UW em aeronáutica e astronáutica.
Após a onda de choque inicial, pulsos estáveis de combustão continuam consumindo o propulsor disponível. Anteriormente, os pesquisadores não entendiam como um número específico de pulsos se formava e por que às vezes eles podem se fundir em um pulso, mas esse modelo matemático pode ajudar a explicar a física subjacente. Crédito: Koch et al./Física Revisão E
No momento, o modelo ainda não está pronto para ser usado pelos engenheiros.
"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 conversar sobre como fazer um motor melhor. ”
Mitsuru Kurosaka , professor de aeronáutica e astronáutica da UW, também é coautor deste artigo. Esta pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa Naval.
Para mais informações, entre em contato com Koch em jvkoch@uw.edu .
Fonte - UW - University Of Washington
Fonte - UW - University Of Washington
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