Un tipo de motor de cohete que alguna vez se consideró imposible acaba de encenderse en el laboratorio. Los ingenieros han construido y probado con éxito lo que se conoce como un motor de detonación giratoria, que genera empuje a través de una ola de detonaciones autosustentables que viajan alrededor de un canal circular.
Como este motor requiere mucho menos combustible que los motores de combustión interna que se usan actualmente para impulsar cohetes, eventualmente podría significar un medio más eficiente y mucho más liviano para llevar nuestras naves al espacio.
"El estudio presenta, por primera vez, evidencia experimental de una detonación propulsora de hidrógeno y oxígeno segura y funcional en un motor de cohete de detonación giratoria". dijo el ingeniero aeroespacial Kareem Ahmed de la Universidad de Florida Central.
La idea del motor de detonación giratoria. se remonta a la década de 1950. Consiste en una cámara de empuje anular en forma de anillo creada por dos cilindros de diferentes diámetros apilados uno dentro del otro, creando un espacio intermedio.
El combustible de gas y el oxidante se inyectan en esta cámara a través de pequeños agujeros y se encienden. Esto crea la primera detonación, que produce una onda de choque supersónica que rebota alrededor de la cámara. Esa onda de choque enciende la siguiente detonación, que enciende la siguiente, y así sucesivamente, produciendo una onda de choque supersónica continua para generar empuje.
Esto debería producir más energía por menos combustible en comparación con la combustión, razón por la cual el ejército de los EE. UU. está investigando y financiando; Esta nueva investigación fue financiada por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, y es no es el único proyecto de este tipo los militares están investigando.
En la práctica, sin embargo, hay una razón por la cual los cohetes generalmente son impulsados por Combustión interna en cambio, en el que el combustible y el oxidante se mezclan para producir una reacción más lenta y controlada para generar empuje.
La detonación es caótica y mucho más difícil de controlar. Para que todo no explote, literalmente, en su cara, todo debe calibrarse con precisión.
El combustible utilizado, la relación del oxidante, el tamaño de los orificios, el tamaño de la cámara anular, el tamaño y la forma del reactor, cuándo y dónde se inyecta el combustible; todo esto debe tenerse en cuenta y cambiar en relación con cada uno otro. Por ejemplo, diferentes tipos de combustible podrían requerir agujeros de inyección de diferente tamaño o forma.
Este ajuste fino es en lo que Ahmed y su equipo han estado trabajando. Crearon un cuidadoso equilibrio entre el hidrógeno y el oxígeno, y lo probaron en su motor de prueba, un pequeño motor de cohete de detonación rotativo de 7,6 centímetros (3 pulgadas) modelado según uno diseñado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU.
"Tenemos que ajustar los tamaños de los chorros que liberan los propulsores para mejorar la mezcla de una mezcla local de hidrógeno y oxígeno". Ahmed explicó.
"Entonces, cuando se produce la explosión rotativa de esta mezcla fresca, todavía se mantiene. Porque si tienes la mezcla de composición ligeramente apagada, tenderá a deflagrarse o quemarse lentamente en lugar de detonar".
(Sosa et al., Combustión y llama, 2020)
Para demostrar que la plataforma funcionaba, el equipo también inyectó un marcador de metano en el hidrógeno y utilizó una cámara de alta velocidad para capturar las ondas de detonación. Sus imágenes, dicen, muestran detonaciones co-giratorias continuas de cinco ondas que se mueven en sentido antihorario.
Si se puede ampliar, esta tecnología podría aligerar significativamente las cargas útiles de los cohetes y reducir los costos de los lanzamientos de cohetes, pero también tiene otras aplicaciones potenciales. En 2012, la Armada de los Estados Unidos predijo que los motores de detonación rotativos podrían resultar en una reducción del 25 por ciento en el uso de combustible en sus barcos, y reducir 300-400 millones de su factura anual de combustible de US $ 2 mil millones.
"Estos resultados de investigación ya están teniendo repercusiones en toda la comunidad internacional de investigación". dijo William Hargus del Programa de motores de cohetes de detonación giratoria del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea.
"Varios proyectos ahora están reexaminando la combustión de la detonación de hidrógeno dentro de los motores de cohetes de detonación rotativos debido a estos resultados. Estoy muy orgulloso de estar asociado con esta investigación de alta calidad".
La investigación ha sido publicada en Combustión y Llama.