موتور ساده و کارآمد موشک با مدل‌سازی رایانه‌ای

ایسنا/ محققان با استفاده از مدل‌سازی‌های رایانه‌ای یک موتور انفجاری دوار آزمایشگاهی توسعه داده‌اند که در آن می‌توانند پارامترهای مختلفی مانند اندازه شکاف بین سیلندرها را کنترل کنند.
مهندسان دانشگاه واشنگتن در حال کار بر روی نوع جدیدی از موتور موشک هستند که وعده ساخت موتورهای سبکتر، کارآمدتر و ساده‌تر را نسبت به موشک‌های رایج سوخت مایع کنونی می‌دهد.
یکی از بزرگترین موانع عملی کردن این موتور موسوم به "موتور انفجاری چرخشی(RDE)، ایجاد مدل‌های ریاضی است که بتواند چگونگی طراحی بسیار غیرقابل پیش‌بینی موتور موشک را توصیف کند تا پایدارتر شود.
موتور "RDE" یک موتور موشک است که شبیه به موتورهای "تپ جت" است که موشک کروز بدنام آلمانی موسوم به "V1" در جنگ جهانی دوم از آن بهره می‌برد. این موشک از یک محفظه احتراق ساده با لوله اگزوز در انتها و میله‌های ارتجاعی نصب شده در قسمت جلویی استفاده می‌کرد. در حین کار، هوا از طریق شکافها وارد می‌شود، با سوخت مخلوط و پس از آن منفجر می‌شود و نیرو تولید می‌کند.
"تپ‌جت"(Pulsejet) نوعی موتور جت هوادمشی است که در آن هوا به‌طور متناوب و ضربان‌گونه وارد محفظه احتراق می‌شود و پس از درآمیختن با سوخت مشتعل می‌شود.
اکنون "RDE" این ایده را یک قدم جلوتر برده است.
"جیمز کوخ"، دانشجوی دکترای رشته هوانوردی و فضانوردی در دانشگاه واشنگتن می‌گوید: یک موتور انفجاری چرخشی روش دیگری را برای چگونگی احتراق در پیش می‌گیرد. این موتور از سیلندرهای متحدالمرکز ساخته شده است. سوخت در شکاف بین سیلندرها جریان می‌یابد و پس از احتراق، انتشار سریع گرما موج شوک را ایجاد می‌کند و یک ضربه قوی از گاز با فشار و درجه حرارت قابل توجهی که سرعت بیشتری نسبت به سرعت صوت دارد، موج را به حرکت در می آورد.
وی افزود: این روند احتراق به معنای واقعی کلمه یک انفجار است. این انفجار، فشار و درجه حرارت بالایی را ایجاد می‌کند که باعث حرکت سریع موشک می‌شود.
به عبارت ساده، آنچه اتفاق می‌افتد، این است که وقتی موج شوک برقرار شد، بدون نیاز به سیستم‌های پشتیبانی پیچیده‌ای که موتورهای موشک‌های معمولی برای کنترل چگونگی مخلوط کردن و سوخت پیشرانه‌ها نیاز دارند، عمل می‌کند. این بدان معنی است که RDE از نظر مکانیکی می‌تواند بسیار ساده‌تر باشد.
نکته جالب این است که انفجارهایی که موج شوک را تشکیل می‌دهند و حفظ می‌کنند، بسیار پیچیده و غیرقابل پیش‌بینی هستند. به همین منظور برای درک بهتر آنچه در جریان است، محققان یک RDE آزمایشی ساختند تا نحوه عملکرد آن و نقش پارامترهای مختلف را در یکسری آزمایشات که توسط یک دوربین پرسرعت با سرعت ۲۴۰ هزار فریم در ثانیه ضبط می‌کند، بررسی کنند.
داده‌های این بررسی به محققان کمک می‌کند تا یک مدل ریاضی را برای تعیین اینکه آیا موتور از نظر پیکربندی پایدار است، ایجاد کنند. با این حال هنوز راه زیادی تا ساخت یک موتور RDE بهبود یافته و کامل مانده است.
"کوخ" می‌گوید: هدف ما این است که اطمینان حاصل کنیم که خروجی مدل، مشابه نتایج آزمایشی ما است. من فیزیک غالب و نحوه تعامل آنها را شناسایی کرده‌ام. اکنون می‌توانم با این نمونه اولیه، ساخت موتور را به خوبی پیش ببرم.
این مطالعه در مجله Physical Review E منتشر شده است.