简单，省油的火箭发动机可以制造更便宜，更轻的航天器

 
将某物发射到太空需要大量的燃料。将NASA的航天飞机送入轨道需要超过350万磅的燃料，这是蓝鲸的15倍。
但是一种新型的发动机，称为旋转爆震发动机，有望使火箭不仅更省油，而且重量更轻，构造更简单。有一个问题：现在，这种发动机太不可预测了，无法在实际的火箭中使用。
华盛顿大学的研究人员已经开发了描述这些引擎如何工作的数学模型。利用这些信息，工程师可以首次开发测试以改进这些发动机并使它们更稳定。该小组于1月10日在《 Physical Review E》上发表了这些发现。
威斯康星大学航空与航天专业的博士生詹姆斯·科赫说：“旋转爆震发动机领域仍处于起步阶段。我们拥有有关这些发动机的大量数据，但我们不知道发生了什么。” “我试图通过观察模式形成来重塑我们的结果，而不是问一个工程问题(例如如何获得性能最高的引擎)，然后繁荣发展，结果证明它是可行的。”
常规火箭发动机的工作原理是燃烧推进剂，然后将其推出发动机后方以产生推力。
为了开始反应，推进剂在气缸之间的间隙中流动，并且在点燃后迅速释放热量形成冲击波(从11秒开始)。在该启动阶段之后，形成许多稳定的燃烧脉冲，这些燃烧脉冲继续消耗可用的推进剂。图片来源：James Koch /华盛顿大学
科赫说：“旋转爆震发动机采用不同的方式燃烧推进剂。” “它是由同心圆柱体制成的。推进剂在圆柱体之间的间隙中流动，并且在点火后迅速释放热量，形成冲击波，即强烈的气体脉冲，其压力和温度明显高于声速。 。
“燃烧过程实际上是一种爆炸​​-爆炸，但在此初始启动阶段之后，我们看到许多稳定的燃烧脉冲形式继续消耗可用的推进剂。这产生了高压和高温，将废气排出了燃烧室。发动机高速运转，会产生推力。”
常规的发动机使用大量的机械来引导和控制燃烧反应，从而它产生推动发动机所需的功。但是在旋转爆震发动机中，冲击波自然可以完成所有操作，而无需发动机部件的额外帮助。
科赫说：“由燃烧引起的冲击在绕燃烧室传播时自然会压缩气流。” “这样做的不利之处在于，这些爆炸都有他们自己的想法。一旦引爆某物，它就会消失。它是如此暴力。”
为了试图描述这些发动机的工作原理，研究人员首先开发了一种实验性旋转爆震发动机，它们可以控制不同的参数，例如气缸之间间隙的大小。然后他们用高速摄像机记录了燃烧过程。每个实验仅需0.5秒即可完成，但研究人员以每秒240,000帧的速度记录了这些实验，因此他们可以看到慢动作中正在发生的事情。
研究人员从那里开发了一个数学模型来模仿他们在视频中看到的内容。
“这是目前文献中唯一能够描述我们在实验中观察到的这些旋转爆震引擎的多样化和复杂动力学的模型，”合著者之一的UW应用数学教授J. Nathan Kutz说。
该模型允许研究人员首次确定这种类型的发动机是稳定的还是不稳定的。它还使他们能够评估特定引擎的性能。
华盛顿大学西澳大学航空与航天研究副教授卡尔·诺伦(Carl Knowlen)说：“这种新方法不同于该领域的传统知识，它的广泛应用和新见解使我感到完全惊讶。”
目前，该模型尚未为工程师使用做好准备。
Koch说：“我的目标仅仅是重现我们看到的脉冲的行为，以确保模型输出与我们的实验结果相似。” “我已经确定了主要的物理原理以及它们之间的相互作用。现在，我可以将在这里所做的事情定量化。从那里，我们可以讨论如何制造更好的发动机。”