Невозможный двигатель. В США испытали технологию, которая изменит космическую индустрию
Научпоп6 мая 2020, 21:00
Инженеры одного из университетов США вместе с американскими военно-воздушными силами (ВВС) заявили о разработке и испытании первого вращающегося детонационного двигателя.
Н есмотря на открытия в ракетостроении компании SpaceX Илона Маска, космические полеты остаются во многом ограниченными технологиями двигателей, основы которых заложили еще в середине прошлого века.
Варп-двигатели и фотонные силовые установки пока не представляются возможными, поэтому инженеры до сих пор сжигают тонны топлива для того чтобы создать тягу огромным ракетам-носителям.
Таким образом, ключевым в космических полетах остается процесс сжигания: равно как и в двигателях внутреннего сгорания в автомобилях, ракеты также приводятся в движение за счет воспламенения топлива.
К сегодняшнему дню люди достигли практически максимальной эффективности от сжигания наиболее энергоемких видов топлива, и для новой революции в ракетостроении нам нужен принципиально другой подход к созданию тяги.
Одним из таких может стать детонация: на днях ученые из Флориды вместе с представителями ВВС США заявили об успешном испытании вращающегося детонационного двигателя (RDE), который ранее считался невозможным.
Как американским инженерам удалось обуздать энергию взрыва и что это значит для будущего ракетостроения — давайте разбираться вместе.
Подпишитесь на NV Премиум и читайте без ограничений
Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой
Взрыв и возгорание
По большому счету, в основе работы нового двигателя лежит все то же топливо. Разница лишь в том, как перерабатывать его в энергию.
Как было сказано выше, большинство современных двигателей работают за счет процесса возгорания. Это относительно медленный процесс, который приводит к выделению тепла, а скорость волны горения при нем достигает нескольких метров в секунду.
Гораздо более серьезное выделение тепла происходит при детонации или, попросту говоря, взрыве. В таком случае скорость распространения волны горения достигает нескольких километров в секунду из-за высоких показателей давления и температуры.
Проблема в том, что детонация, в отличие от возгорания, это практически неконтролируемый процесс, и энергию взрыва очень сложно обуздать, создавая с помощью нее тягу для различных видов транспорта, включая ракеты.
Не говоря уже о поддержке постоянного процесса детонации в двигателях, которые были бы настолько безопасными, чтобы ученые смогли отправлять с помощью них людей и дорогое оборудование в космос.
Тем не менее, с 1950 годов инженеры из разных стран предлагают идеи эффективных детонационных двигателей. Пока никому не представлялось возможным создать рабочую силовую установку, ударная волна от горения в которой будет в несколько раз превышать скорость звука и сможет поддерживать процесс детонации в кольцевой камере сгорания.
Но на днях ученые из Университет Центральной Флориды вместе с инженерами ВВС США заявили о разработке и успешном испытании первого RDE для космических ракет.
Как объясняют авторы открытия, в своей силовой установке они использовали самое эффективное топливо для верхних ступеней ракетных двигателей — смесь водорода и кислорода.
Новый RDE представляет собой трехдюймовую медную установку, в которой топливо поддерживает непрерывный процесс детонации.
Инженеры заявили о достижении тяги примерно в 270 Нм, хотя, по их словам, тяговое усилие увеличивается пропорционально с массовым расходом топлива.
Как объяснил руководитель исследования и доцент кафедры механического и аэрокосмического машиностроения в Университете Центральной Флориды, его команда представила первые экспериментальные доказательства безопасной и функциональной детонации водорода и кислорода в ракетном двигателе RDE.
Создатели новой силовой установки заявляют, что главную сложность в разработке двигателя представляла настройка размера форсунок, с помощью которых в нужное время и нужное место в камере сгорания должна поставляться смесь топлива с окислителем.
Таким образом инженеры достигли постоянной поддержки детонации смеси в кольцевой камере сгорания, пока туда подается топливо.
«Результаты нашего исследования уже нашли отклик в международном научном сообществе. На основе этих результатов в нескольких проектах сейчас проводится повторное исследование детонационного сгорания водорода в двигателях RDE. Я очень горжусь тем, что связан с работой такого высокого качества», — говорит участник исследования, руководитель исследовательской лаборатории ракетных двигателей ВВС США Уильям Харгус.
Ученые предполагают, что их силовая установка сможет заменить жидкостный ракетный двигатель RL-10, который компания Aerojet Rocketdyne разработала еще в начале 1960-х, и который до сих пор устанавливают на ракеты-носители серии Atlas и Delta.
В ВВС планируют провести первые летные тесты нового RDE уже в 2025-м.
Кроме ракет, детонационные двигатели также могут заменить газотурбинные моторы в огромных военных кораблях армии США, что позволит американским военным экономить миллиарды долларов в год на закупке топлива.
Другие «невозможные» двигатели
Примечательно, что ученые из США собирались использовать детонацию не только внутри двигателя, но и за ее пределами.
Причем в качестве движущей силы для так называемого «двигателя внешней детонации» предлагали использовать не обычное ископаемое топливо, а радиоактивные элементы.
В середине прошлого века в NASA рассматривали проект Orion, который предполагал создание космического корабля с тягой на ядерных боеголовках. Ученые хотели взрывать 140-килограммовые атомные бомбы зарядом в 0,15 килотонн (к сравнению, на Нагасаки была сброшена боеголовка мощностью в 20 килотонн) позади корабля.
Такие бомбы должны были выбрасывать в противоположном направлении от курса корабля и взрывать их на расстоянии в 20−30 метров.
Для сдерживания взрывной волны и амортизации ее в ускоряющий импульс, в хвосте Orion планировали устанавливать огромную плиту-толкач (pusher), которая, в зависимости от конфигурации корабля, могла весить от 500 до 1000 тонн и быть от 10 до 20 метров в диаметре.
Общий вес такого корабля вместе со всеми атомными зарядами мог составлять около 4000 тонн. В проекте Orion предусматривали отдельные спальные каюты, гардеробные, раздельные души (для мужчин и женщин) и даже парикмахерский стул.
Авторы этой идеи считали, что они смогут достичь скорости в 40 тыс. км/час меньше, чем за 10 минут. Правда, из-за запрета на ядерные испытания на Земле и в космическом пространстве проект перестали финансировать, а в NASA начали заниматься более практичными самолетами.
Ну а самым известным «невозможным» двигателем, который обещает нам межзвездные путешествия и достижения скорости света, является проект EmDrive, предложенный в конце 1990-х.
EmDrive предполагает использование магнетрона, который генерирует микроволны, и якобы накапливает энергию колебаний в резонаторе, создавая тягу.
Авторы разных проектов EmDrive предполагали, что из-за асимметричной конструкции двигателя электромагнитные волны производят разное давление на его стены и могут приводить в движение ракеты.
На практике эта тяга оказалась мизерной — всего несколько десятков микроньютон. Поэтому ученые пришли к выводу, что EmDrive работает из-за плохой внешней защиты резонатора и, как следствие, воздействия внешних сил на незначительные электромагнитные колебания внутри двигателя.
Одно из последних практических испытаний двигателя EmDrive провели физики из Немецкого Технического Университета Дрездена летом прошлого года.
Руководители эксперимента из Германии также зафиксировали небольшую тягу в своей версии EmDrive и также списали ее на плохое экранирование устройства.
Поскольку такой двигатель противоречит закону Ньютона о сохранении импульса, сейчас ученые разрабатывают новые измерительные приборы, которые должны исключить любое внешнее воздействие, включая термальную погрешность, и доказать, что EmDrive действительно невозможен.