Ученые приготовили ракетный двигатель, который тратит себя на топливо

У команды Ковчега (теперь транслируемой на Peacock) возникла проблема: они не могут понять, как выжить до конца путешествия. Создание и запуск космического корабля, достаточно большого, чтобы поддержать сильное человеческое население, способное колонизировать новый мир, было бы масштабной задачей, и не совсем ясно, как вы вообще сможете вывести что-то такое большое на орбиту, не говоря уже о том, чтобы доставить его в другую звездную систему. . В конце концов, у Ark One та же проблема, что и у всех космических кораблей: баланс его массы с потребностями в топливе.

Чтобы вывести ракету и ее полезную нагрузку на орбиту, необходимо создать достаточную тягу, чтобы вывести ее из гравитационного колодца Земли. Благодаря Ньютону мы знаем, что каждое действие имеет равное и противоположное противодействие, а это значит, что выбрасывание части массы ракеты сзади (в виде отработанного топлива) толкает ракету вперед. Чем тяжелее ракета и ее полезная нагрузка, тем больше топлива вам понадобится для ее подъема, но добавление топлива увеличивает вес, требуя еще больше топлива. В определенный момент вы достигаете максимального предела возможностей ракеты, создавая верхний предел того, что вы можете запустить.

Традиционные ракеты решают эту проблему за счет каскадирования — практики отказа от части массы ракеты во время полета, тем самым делая ракету легче и повышая эффективность использования оставшегося топлива. Это момент во время полета, когда вы видите, как первая ступень ракеты отсоединяется и падает обратно на Землю. Постановка — это эффективный способ заставить расчеты запуска работать в нашу пользу, но он не обязательно самый эффективный. Недавно группа ученых-ракетчиков из Университета Глазго и Кингстонского университета в Лондоне продемонстрировала ракету с аутофагом (что означает самопоедание), которая во время полета потребляет себя в качестве топлива.

Уроборус-3, первая в мире самопоглощающаяся ракета

Впервые о ракетах-аутофагах задумали в 1938 году, но они оставались мечтой в течение 80 лет. По словам Кшиштофа Бздыка, одного из инженеров ракеты-аутофага Уроборус-3, основная причина, по которой мы раньше не видели самопоглощающихся ракет, заключается главным образом в том, что в них не было особой необходимости.

«Исторически мы доставляли действительно большие полезные грузы на низкую околоземную орбиту. У космического челнока была грузоподъемность около 60 000 фунтов, а у Сатурна-5 даже больше. Исторически все наши ракеты-носители были способны доставлять такие большие грузы. По этим причинам им никогда не нужно было идти по этому пути самопоглощающейся ракеты с бесконечными ступенями, потому что их компромисс между выгодами, которые они могли получить, и рисками и сложностями, которые они могли бы принять, никогда не был в пользу аутофага», — рассказал Бздык TopMob WIRE.

Ученые приготовили ракетный двигатель, который тратит себя на топливо

За последние пару десятилетий возрос интерес к запуску небольших полезных нагрузок, таких как CubeSats. Между тем, все больше и больше стран разрабатывают возможности независимых запусков, уделяя особое внимание меньшим ракетам-носителям и полезной нагрузке. Бздык и его команда считают, что ответом может стать аутофаг, создающий новый вид ракеты-носителя, способной поднимать более тяжелые грузы с меньшим количеством топлива. С определенной точки зрения, ракета-аутофаг постоянно находится в фазе, выбрасывая массу из своей задней части, сжигая сам фюзеляж во время запуска. А это означает, что вы можете запускать более тяжелые полезные нагрузки, чем с помощью обычной ракеты того же размера.

Уроборус-3, получивший свое название от символики Уроборос, изображающей великого дракона или змею, кусающую собственный хвост, использует обычное топливо (смесь пропана и других углеводородных топлив), как и обычная ракета, но вводит дополнительную компонент в виде фюзеляжа из пластика высокой плотности. Полиэтиленовые пластмассы, как и ракетное топливо, состоят из углеводородов, что делает их химически пригодными для сжигания в качестве ракетного топлива. Вам просто нужен способ расплавить его и выжечь обратно.

«Важно, чтобы мы выбирали полимерное топливо, основанное на этом, мы не хотели бы использовать что-то вроде тефлона, который выделяет действительно токсичные химические вещества. Мы пытаемся ограничить любой тип аутофаговых систем полимерами, армированными углеродным волокном, но все виды используют углерод, водород и кислород, потому что выхлопные газы будут представлять собой смеси H2O, углерода в форме сажи, углекислого газа, углерода. монооксид и другие типичные выхлопы, которые мы видим в других ракетах-носителях», — сказал Бздык.

Испытательные стрельбы Ouroborous-3 на полигоне MachLab, авиабаза Махриханиш

Во время недавних испытательных стрельб команда использовала полиэтилен высокой плотности, но в будущих испытаниях будут использоваться пластмассы, легированные другими материалами, такими как графит, чтобы придать им прочность, сохраняя при этом тот же профиль побочных продуктов, что и традиционное топливо. «В будущем мы могли бы рассмотреть возможность использования какого-то композитного пластикового топлива, у которого была бы более прочная оболочка и внутренняя часть, которую было бы легче сжечь», — сказал Бздык. «Или в него можно добавить алюминий, который часто используется для улучшения тяги твердотопливных ракет».

В нынешней конструкции фюзеляж медленно подается в камеру сгорания, где тепло ракетного двигателя плавит его и выбрасывает назад вместе с остальным топливом. Вопрос, на который исследователи хотели ответить, заключался в том, сможет ли пластиковый фюзеляж выдержать нагрузку, подаваемую в двигатель во время стрельбы. Их испытания доказали, что это возможно. Более того, они обнаружили, что фюзеляж может составлять около 15% от общей массы топлива, что соответствует типичной конструктивной массе обычной ракеты.

«Поскольку вам не придется нести весь этот груз с собой на протяжении всего запуска, я бы оценил уменьшение размера транспортного средства или увеличение полезной нагрузки на 10–20%», — сказал Бздык.

about:blank

Во время испытательных стрельб команда провела импульсное испытание, при котором двигатель запускался и отдыхал через равные промежутки времени каждую секунду. Эти испытания важны для понимания того, как ведет себя ракета, а периодическое отключение двигателя может фактически улучшить характеристики ракеты в целом.

«У нас есть давление двигателя, сопротивляющееся вставке, поэтому мы подумали, что если бы мы могли выключить двигатель, мы теоретически должны были бы уменьшить силу, которую мы должны приложить, чтобы протолкнуть его в двигатель. Можем ли мы создать импульс для нашего двигателя и использовать сопротивление воздуха, чтобы протолкнуть его в двигатель, а затем продолжить работу? Другая причина заключается в том, что в импульсных режимах двигатели работают по-другому: обычно они нагреваются сильнее, поскольку пульсация влияет на охлаждение. Мы подумали, что если мы сможем сильно нагреть двигатель, то сможем накормить больше фюзеляжа, потому что он расплавится быстрее. Мы хотели посмотреть, до каких пределов мы можем дойти», — сказал Бздык.

Во время импульсного испытания команда действительно увидела огромное повышение температуры, которое фактически привело к расплавлению самого двигателя. Они хотели найти предел, и они это сделали. Температура внутри двигателя поднялась настолько высоко, что форсунка расплавилась и вылетела назад. В свою очередь, середина фюзеляжа подверглась воздействию тепла двигателя и прогнулась ближе к концу испытания. Это потому, что плавление фюзеляжа на самом деле обеспечивает некоторое пассивное охлаждение двигателя, а когда фюзеляж перестал питаться, этот эффект охлаждения исчез.

«Поскольку фюзеляж плавится по бокам камеры сгорания, создается пограничный слой, в котором температура металла не может превышать температуру расплавленного пластика. Это способ регулировать температуру, но поскольку в этом импульсном режиме мы больше не могли ее подавать, пограничный слой испарился. Двигатель перегрелся, расплавил форсунку и эффектно взорвался», — рассказал Бздык.

Уменьшение ракеты во время полета имеет и другие преимущества. Это уменьшает общий профиль сопротивления, сводя к минимуму сопротивление воздуха и позволяя ракете быть еще более эффективной. Однако это также означает, что мы вряд ли сможем запускать людей на ракетах-аутофагах, по крайней мере, в ближайшее время. По словам Бздыка, по мере того, как ракета съедает сама себя и сжимается, мы увидим соответствующее увеличение динамической нагрузки корабля и всего, что находится внутри. У него будут гораздо более высокие перегрузки, чем у обычных ракет, что в лучшем случае приведет к некомфортной поездке. Эти перегрузки были бы немногим более неудобными, чем осознание того, что ракета, внутри которой вы находитесь, быстро пожирает себя заживо.

Смотрите также

2024-01-23 01:26