Kanapowy Inżynier 2 - Silnik z krążącą detonacją

W świecie rakiet pojawiła się właśnie spora sensacja. Po raz pierwszy skonstruowano działający silnik z krążącą detonacją. Choć zaproponowano go w latach pięćdziesiątych zeszłego wieku, dopiero teraz udało się go zbudować. Technologia ta może zwiększyć wydajność rakiet nawet o 25%, co w branży gdzie walczy się o każdy ułamek procenta, jest szalonym wynikiem. Ale o co tak naprawdę chodzi?

Silniki rakietowe korzystają z energii wyzwalanej przy spalaniu paliwa. Energia wiązań chemicznych w paliwie zostaje gwałtownie uwolniona, ciśnienie gazów w komorze spalania rośnie, kierowane są one w kierunku przeciwnym do pożądanego ruchu rakiety. Odpowiedni kształt komory spalania i dyszy umożliwia jak najlepsze wykorzystanie ciśnienia. Można to porównać do zakrywania palcem szlaucha ogrodowego. Wylewa on stałą ilość wody w jednostce czasu, jeśli zaciśniemy wylot woda będzie tryskać znacznie gwałtowniej niż gdy puścimy go luźno. W obu przypadkach jednakże napełnienie np. wiadra trwałoby tyle samo.

Istotne również jest to jaką mieszankę paliwa i utleniacza zastosujemy. Odpowiednie proporcje zapewnią idealne spalanie całego paliwa. W tym celu trzeba też zadbać o stały dopływ obu składników, oraz ich jak najmocniejsze wymieszanie. Gdyby komora miała jedynie pojedyncze dopływy paliwa i tlenu, do spalania dochodziłoby jedynie na ich granicy. Dlatego twórcy dbają o to by wewnątrz nieprzerwanie panowała ulewa drobinek tlenu i paliwa. Na dole w źródłach znajdziecie fascynujący film Scotta Manley’a o wtryskach paliwa, który pokazuje ile trudu zadawali sobie konstruktorzy by wyciskać kolejne procenty wydajności ze swoich maszyn.

Rewolucyjność silnika z krążącą detonacją wynika z tego w jaki sposób dochodzi do eksplozji paliwa. Żeby to wyjaśnić wpierw przypomnijmy sobie czym jest prędkość dźwięku. To prędkość z jaką rozchodzą się zaburzenia mechaniczne w ośrodku - np. kiedy słyszycie czyjś głos, to wasze uszy analizują serię zmian gęstości powietrza które docierają do waszych uszu. Niezależnie od tego jaki dźwięk podróżuje przez powietrze, robi to z taką samą prędkością (jakieś 344 m/s w temperaturze pokojowej).

Wróćmy do eksplozji paliwa w komorze spalania. W klasycznych silnikach mamy do czynienia z tak zwaną deflagracją. To taka eksplozja w której czoło “fali ognia” porusza się wolniej od prędkości dźwięku. W przypadku detonacji eksplozja rozchodzi się z prędkością dźwięku lub szybciej. Dlaczego to tak istotne? Bo dzięki temu wzrost ciśnienia w wyniku spalania paliwa jest znacznie większy. Spójrzcie na obrazek powyżej - w przypadku deflagracji zanim do mieszanki paliwa dotrze fala ognia, zostaje ona zaburzona przez fale ciśnienia i ulega rozszerzeniu pod wpływem ciepła. Tymczasem w przypadku detonacji, nasza starannie wtryskiwana do komory mieszanka drobinek paliwa i tlenu nie ma szans zorientować się co się zbliża. Spalanie zachodzi w idealnych warunkach, otrzymujemy bardzo wydajny skok ciśnienia. A jak wiemy dzięki przydługiemu wstępowi - to właśnie ciśnienie jest kluczowe do napędzania rakiety.

Słowem - detonacja zapewnia uzyskanie większej energii z mniejszej ilości paliwa. Tylko co zrobić, żeby detonacja trwała w sposób ciągły? Trzeba sprawić by krążyła w szczelinie między większym a mniejszym cylindrem. Z jednej strony dostarczane jest paliwo, produkty spalania wydostają się drugą i mogą być skierowane do klasycznej dyszy.

Idea prosta, ale nad wykonaniem pracowano niemal siedemdziesiąt lat. To dlatego, że bardzo trudno jest zapewnić idealne warunki do poruszania się fali detonacyjnej. Prędkość dźwięku zależy od składu ośrodka i od jego temperatury. Paliwo ciekłe ma temperaturę rzędu -150’C / -180’C, a spala się w temperaturze dwóch-trzech tysięcy stopni. Nie sposób wyobrazić sobie chaosu i turbulencji wewnątrz silnika w którym ma krążyć fala detonacyjna. Nic dziwnego zatem, że czasem krąży więcej niż jedna fala, ich prędkości są czasem różne, mogą dogonić się nawzajem, zdmuchnąć się, mogą wypchnąć niespalone paliwo nie tam gdzie trzeba, doprowadzić do eksplozji lub utraty wydajności…

Na przełomie kwietnia i maja 2020 zespół z University of Central Florida zaprezentował działający silnik z krążącą detonacją używający tlenu i wodoru. Według autorów eksperymentu kluczowe było idealne dopasowanie strumieni gazów doprowadzanych do komory spalania. Ich silnik uzyskał stabilny ciąg przy pięciu krążących falach detonacyjnych. Ciekaw jestem czy SpaceX i Blue Origin zainteresują się tym rozwiązaniem.


Źródła:
Publikacja ekipy UCF - publikacja ekipy UCF
Scott Manley - What Is A Rotating Detonation Engine
Scott Manley - Rocket Fuel Injectors
Everyday Astronaut - najlepszy film o silnikach rakietowych
Symulacja fali detonacyjnej
Artykuł w Popular Mechanics
Review on the Research Progresses in Rotating Detonation Engine
World-first "impossible" rotating detonation engine fires up