Di era eksplorasi ruang angkasa saat ini, nama gim ini "hemat biaya". Dengan mengurangi biaya yang terkait dengan peluncuran individual, agensi ruang angkasa dan perusahaan dirgantara swasta (alias. NewSpace) memastikan bahwa akses ke ruang angkasa lebih besar. Dan ketika datang ke biaya peluncuran, biaya terbesar adalah biaya propelan. Sederhananya, membebaskan Bumi dari gravitasi Bumi membutuhkan banyak bahan bakar roket!
Untuk mengatasinya, para peneliti di University of Washington baru-baru ini mengembangkan model matematika yang menggambarkan cara kerja mekanisme peluncuran baru: mesin detonasi rotating (RDE). Desain ringan ini menawarkan efisiensi bahan bakar yang lebih besar dan tidak terlalu rumit untuk dikonstruksi. Namun, itu terjadi dengan trade-off yang agak besar karena terlalu tidak terduga untuk digunakan sekarang.
Studi yang menggambarkan penelitian mereka ("Gelombang detonasi berputar yang terkunci mode: Eksperimen dan persamaan model") baru-baru ini muncul dalam jurnal Ulasan Fisik E. Tim peneliti dipimpin oleh James Koch, seorang mahasiswa doktoral UW di bidang aeronautika dan astronautika, dan termasuk Mitsuru Kurosaka dan Carl Knowlen, keduanya profesor UW untuk Aeronautics & Astronautics; dan J. Nathan Kutz, seorang profesor matematika terapan UW.
Dalam mesin roket konvensional, propelan dibakar dalam ruang pengapian dan kemudian disalurkan keluar dari belakang melalui nozel untuk menghasilkan daya dorong. Dalam RDE, segalanya berjalan berbeda, seperti yang dijelaskan Koch dalam rilis UW News:
“Mesin detonasi yang berputar mengambil pendekatan yang berbeda dengan cara membakar propelan. Itu terbuat dari silinder konsentris. Propelan mengalir di celah antara silinder, dan, setelah penyalaan, pelepasan panas yang cepat membentuk gelombang kejut, denyut gas yang kuat dengan tekanan dan suhu yang secara signifikan lebih tinggi yang bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara.
Ini membedakan RDE dari mesin konvensional, yang membutuhkan banyak mesin untuk mengarahkan dan mengendalikan reaksi pembakaran sehingga dapat diubah menjadi akselerasi. Tetapi dalam RDE, gelombang kejut yang dihasilkan oleh pengapian menciptakan daya dorong secara alami dan tanpa perlu bagian-bagian mesin tambahan.
Namun, seperti yang ditunjukkan Koch, medan mesin detonasi berputar masih dalam masa pertumbuhan dan para insinyur masih belum yakin apa yang mampu mereka lakukan. Oleh karena itu mengapa ia dan rekan-rekannya memutuskan untuk menguji konsep tersebut, yang terdiri dari penyusunan kembali data yang tersedia dan melihat formasi pola. Pertama, mereka mengembangkan RDE eksperimental (ditunjukkan di bawah) yang memungkinkan mereka untuk mengontrol parameter yang berbeda (seperti ukuran jarak antar silinder).
Mereka kemudian merekam proses pembakaran (yang hanya membutuhkan waktu 0,5 detik untuk menyelesaikan setiap waktu) dengan kamera kecepatan tinggi. Kamera merekam setiap kunci kontak dengan kecepatan 240.000 frame per detik, memungkinkan tim untuk menyaksikan reaksi yang terjadi dalam gerakan lambat. Seperti yang dijelaskan Koch, dia dan rekan-rekannya mendapati bahwa mesin itu benar-benar berkinerja baik.
“Proses pembakaran ini secara harfiah adalah peledakan - ledakan - tetapi di balik fase awal ini, kita melihat sejumlah bentuk pulsa pembakaran stabil yang terus mengkonsumsi propelan yang tersedia. Ini menghasilkan tekanan dan suhu tinggi yang mendorong keluar knalpot bagian belakang mesin pada kecepatan tinggi, yang dapat menghasilkan daya dorong.
Selanjutnya, para peneliti mengembangkan model matematika untuk meniru apa yang mereka amati dengan eksperimen mereka. Model ini, yang pertama dari jenisnya, memungkinkan tim untuk menentukan untuk pertama kalinya apakah RDE akan stabil. Dan sementara model ini belum siap untuk digunakan oleh insinyur lain, itu bisa memungkinkan tim peneliti lain untuk menilai seberapa baik RDE spesifik akan tampil.
Seperti dicatat, desain mesin memang memiliki sisi buruk, yang merupakan sifatnya yang tidak dapat diprediksi. Di satu sisi, proses guncangan yang digerakkan oleh pembakaran secara alami mengarah pada kompresi guncangan oleh ruang pembakaran, menghasilkan dorong. Di sisi lain, begitu dimulai, peledakannya keras dan tidak terkendali - sesuatu yang sama sekali tidak dapat diterima ketika menyangkut roket.
Tetapi seperti yang dijelaskan Koch, penelitian ini sukses karena menguji desain mesin ini dan secara kuantitatif mengukur perilakunya. Ini adalah langkah pertama yang baik dan dapat membantu membuka jalan menuju pengembangan aktual dan realisasi RDE.
"Tujuan saya di sini adalah semata-mata untuk mereproduksi perilaku dari pulsa yang kita lihat - untuk memastikan bahwa output model mirip dengan hasil eksperimen kami," kata Koch. “Saya telah mengidentifikasi fisika dominan dan bagaimana mereka saling mempengaruhi. Sekarang saya dapat mengambil apa yang telah saya lakukan di sini dan menjadikannya kuantitatif. Dari sana kita bisa berbicara tentang cara membuat mesin yang lebih baik. "
Penelitian Koch dan koleganya dimungkinkan berkat dana yang disediakan oleh Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara AS dan Kantor Riset Angkatan Laut. Meskipun terlalu dini untuk mengatakan, implikasi dari penelitian ini bisa jauh jangkauannya, menghasilkan mesin roket yang lebih mudah diproduksi dan lebih hemat biaya. Yang diperlukan hanyalah memastikan bahwa desain mesin itu sendiri aman dan andal.
