Japan Aerospace Exploration Agency JAXA hat erfolgreich eine effizientere Art von Raketentriebwerk getestet, das von Stoßwellen angetrieben wird. Es ist eine Art rotierendes Detonationstriebwerk RDE, und im Test wurde es angehoben eine einstufige Rakete mit einer Länge von 8 m.
Die Rakete startete vom Uchinoura Space Center in der Präfektur Kagoshima und stieg innerhalb von vier Minuten auf 235 km auf. Der Flug dauerte insgesamt acht Minuten. Bei der Landung holte die Agentur eine Kapsel aus dem Meer mit wichtigen Daten überder Test, i einschließlich eines Bildesdas zeigt den Betrieb der 500N-Klasse RDE im Weltraum:
Dies ist ein bedeutender Fortschritt bei der Implementierung alternativer Antriebssysteme, die darauf abzielen, die Kosten zu senken und die Effektivität von Raketentriebwerken zu erhöhen. Es ist zu hoffen, dass das neue Triebwerksdesign den Herausforderungen des neuen Raumfahrtzeitalters gewachsen ist, das könntesiehe Weltraumforschung.
Was sind rotierende Detonationsmotoren?
Traditionell verwenden Raketen zum Abheben chemische Flüssigtreibstoffe wie Hydrazin, High-Test-Peroxid, Salpetersäure, flüssiger Wasserstoff und andere in verschiedenen Kombinationen.
Herkömmliche Raketentriebwerke haben ein Brennkammer wo gespeicherte Treibmittel, Treibstoff und Oxidationsmittel verbrannt werden, um heiße Abgase und schließlich Schub zu erzeugen. Dies verwendet Newtons drittes Bewegungsgesetz, was besagt, dass es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt.
Die Verbrennung ist ein relativ langsamer und kontrollierter Prozess, der auch als Technologie sehr gut verstanden und ausgereift ist.
Auf der anderen Seite rotierende DetonationsmotorenVerwenden Sie Detonationswellen, um das Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel zu verbrennen. TDie Explosionen bewegen sich in einer Schleife um eine ringförmige Kammer und erzeugen Gase, die aus einem Ende des ringförmigen Kanals ausgestoßen werden, um einen Schub in die entgegengesetzte Richtung zu erzeugen. Die Stoßwelle der Detonation breitet sich dann aus – wirbelt und expandiert um das FünffacheDies wiederum erzeugt hochfrequente Stoß- und Kompressionswellen, die verwendet werden können, um mehr Detonationen in einem selbsterhaltenden Muster zu erzeugen, unterstützt durch die Zugabe kleiner Mengen Kraftstoffdeutlich mehr Energie aus deutlich weniger Kraftstoffmasse als bei der Verbrennung.
Bei einer ähnlichen Konstruktion, die als Impulsdetonationsmotor bezeichnet wird, wird der Motor gepulst, um das Gemisch in der Brennkammer zwischen jeder Detonationswelle und der nächsten zu erneuern.
Laut NASA, "Impulsdetonationsraketentriebwerke spritzen Treibstoffe in lange Zylinder, die an einem Ende offen und am anderen geschlossen sind. Wenn Gas einen Zylinder füllt, wird ein Zünder – wie z. B. eine Zündkerze – aktiviert. Der Kraftstoff beginnt zu brennen undgeht schnell in eine Detonation oder einen angetriebenen Stoß über. Die Stoßwelle bewegt sich mit 10-facher Schallgeschwindigkeit durch den Zylinder, sodass die Verbrennung abgeschlossen ist, bevor das Gas Zeit hat, sich auszudehnen. Der explosive Druck der Detonation drückt das Abgas aus dem offenen Ende desden Zylinder, der dem Fahrzeug Schub verleiht."
Der Raketentest von JAXA umfasste auch ein Impulsdetonationstriebwerk als zweites Triebwerk. Es war dreimal zwei Sekunden in Betrieb, während das rotierende Detonationstriebwerk beim Start sechs Sekunden lang arbeitete. Der Test diente jedoch immer noch dazu, zu zeigen, dass beide PDEsund RDEs sind praktikable Raketentechnologie.
Bisher galten PDEs als minderwertig gegenüber RDEs, da sich die Wellen bei RDEs zyklisch um die Kammer bewegen, während bei PDEs die Kammern zwischen den Impulsen gespült werden müssen. Obwohl die NASA und andere weiterhin den Einsatz vonPDEs als Raketentriebwerke, deren Einsatz bisher auf den Einsatz für militärische Zwecke, wie zum Beispiel in Hochgeschwindigkeits-Aufklärungsflugzeugen, konzentriert war, wurden PDEs vor dem Test der JAXA nur 2008 in einer modifizierten Rutan Long-EZ . getestetFlugzeug gebaut vom US Air Force Research Laboratory und Innovative Scientific Solutions Incorporated.
Aber jetzt, da PDEs zusammen mit RDEs im Weltraum so gut abgeschnitten haben, könnten ihre Anwendungen überarbeitet und vielleicht erweitert werden.
Darüber hinaus führte ein Forscherteam der University of Central Florida UCF kürzlich die erste Demonstration eines dritten Typs von Detonationsmotoren durch, dem Schrägwellendetonationsmotor OWDE. Dies erzeugt eine stabile kontinuierliche Detonation, die fixiert istim Weltraum.
Es besteht aus einem hohlen Rohr, das in drei Abschnitte unterteilt ist. Der erste Abschnitt ist eine Mischkammer, in der ein mit Luft vorgemischter Wasserstoffbrennstoffstrahl gezündet und beschleunigt wird.reiner Wasserstoffkraftstoff wird der durch das Rohr kommenden Hochdruckluft zugesetzt. Das Rohr verjüngt sich dann und beschleunigt die Mischung auf Mach 5.0, bevor es in den letzten "Testabschnitt" geht, wo die Detonation stattfindet. Im letzten Abschnitt wird die Luftund Kraftstoffgemisch wird eine schräge Rampe nach oben geleitet. Die Druckwellenwechselwirkungen in der Kammer erzeugten eine stabile, kontinuierliche Explosion, die fast still blieb. Theoretisch könnte ein OWDE-Triebwerk Flugzeuge mit 17-facher Schallgeschwindigkeit fliegen lassen.
Wie können PDEs und RDEs die Weltraumforschung verändern?
Die Bedeutung von PDEs und RDEs für die zukünftige Erforschung des Weltraums ergibt sich aus ihren Vorteilen gegenüber herkömmlichen Raketentriebwerken.
Zum Beispiel wird geschätzt, dass RDEs einen spezifischen Impuls erreichen, der 10-15% höher ist als bei herkömmlichen Triebwerken. Der spezifische Impuls ist der Schub, der pro Verbrauchseinheit des Treibstoffs erzeugt wird; er ist normalerweise ausgedrückt in Pfund Schub pro Pfund pro Sekunde verwendetem Treibmittel und ist ein Maß für die Effizienz eines Raketentriebwerks. Insgesamt werden RDEs für ihr Potenzial gelobt, eine höhere Leistung und einen größeren thermischen Wirkungsgrad zu erzielen.
Da sie weniger Treibstoff benötigen, um zu funktionieren, könnten RDEs auch kostengünstiger sein und möglicherweise Raketen leichter machen. Durch die Reduzierung ihres Gewichts könnten Raketen schneller und effizienter größere Höhen erreichen.
Die von JAXA getestete RDE produzierte rund 500 Newton Schub. Dies ist winzig im Vergleich zu SpaceXs Falcon Heavy-Rakete zum Beispiel, deren 27-Merlin-Triebwerke zusammen sindgenerieren Sie mehr als 5 Millionen Pfund Schubbeim Abheben - entspricht etwa achtzehn 747s. Obwohl sich die RDE jedoch noch im Anfangsstadium befindet, glauben die JAXA-Ingenieure, dass Raketen letztendlich weniger Treibstoff und Gewicht verbrauchen werden. Dies könnte bei interplanetaren Missionen von entscheidender Bedeutung sein.
RDEs werden auch von der US Navy auf ihre Fähigkeit untersucht, den Treibstoffverbrauch zu reduzieren. Die US Air Force hat auch eine experimentelle RDE gebaut, die Wasserstoff und Sauerstoff als Treibstoff verwendet, um einen Schub von etwa 890 N zu erzeugen.
JAXA rechnet inzwischen damit, dass RDE-basierte Raketen etwa 2026 im praktischen Einsatz sein könnten.