計算機建模幫助工程師打造更加高效穩定的RDE火箭發動機
華盛頓大學的工程師們,正在研究一種新型的火箭發動機。長期以來,研究人員們一直在數學模型的開發上面臨很大的困難。不過在計算機建模的幫助下,這種旋轉爆震發動機(RDE)有望實現比常規液體燃料火箭更輕、更高效,製造上也更加容易。據悉,該模型可描述非常難以預測的發動機設計,以及如何讓它工作起來更加穩定。
這台RDE 實驗機可控制包括氣缸間隙在內的不同參數(來自:James Koch)
RDE 火箭發動機的基礎,類似於二戰期間臭名昭著的德國V1 巡航導彈上的脈衝噴氣發動機。
其包含了一個簡單的燃燒室,一端帶有排氣管,正面則裝有彈簧板條。運行時,空氣可從板條處進入、與燃料混合、然後被引爆,以產生推力脈衝。
不過RDE 的研發工程團隊,希望在設計上更進一步。威斯康星大學航空與航天專業博士生James Koch 稱,旋轉爆震發動機在燃燒的利用上採取了不同的控制方法。
其由同心圓柱體製成,推進劑在汽缸之間的間隙中流動,並在點火後迅速釋放熱量,以形成衝擊波。這是一種強烈的氣體脈衝,壓力和溫度都明顯超過音速。
換言之,RDE 的燃燒過程,實際上是一種爆炸。但在度過了初始的啟動階段之後,即可利用更加穩定的燃燒脈衝形式。
隨著推進劑的不斷消耗、以及高壓和高溫的產生,RDE 可將廢氣排出燃燒室。發動機的高速運轉,可提供強勁的推力。
棘手的是,爆炸衝擊波的形成和維持很是不可預測。為更好地了解正在發生的事情,華盛頓團隊構建了一套實驗性的RDE 裝置。
該裝置能夠在一系列半秒實驗期間執行不同的運行參數,然後通過24 萬fps 的高速相機來拍攝記錄。
Ignition, deflagration-to-detonation(via)
基於這些數據,團隊打造了一套數學模型,以確定發動機是否按照既定配置在穩定運行。即便如此,想要確定RDE 的整體性能,仍有很長一段路要走。
Koch 表示,當前目標僅是重現已觀察到的脈衝行為,以確保輸出模型與實驗結果相似(已經確定主要的物理學及其相互作用)。後續任務是將研究成果定量化,以研究如何打造更好的火箭發動機。
有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《物理評論E刊》(Physical Review E)上。原標題為:
《Mode-locked rotating detonation waves: Experiments and a model equation》