Sau 60 Năm, Raket Chạy Bằng Nổ Sắp Đến Gần

Đối với hầu hết các kỹ sư hàng không vũ trụ, một vụ nổ trong động cơ tên lửa là một thảm họa. Nhưng đối với Kareem Ahmed, đó là ý nghĩa toàn bộ. Làm Giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Động cơ và Năng lượng tại Đại học Trung Florida, Ahmed đã dành những năm qua để phát triển động cơ tên lửa thế hệ tiếp theo sử dụng vụ nổ kiểm soát để đẩy vật thể vào không gian. Nó được gọi là động cơ nổ xoay, và hứa hẹn làm cho tên lửa nhẹ hơn, nhanh hơn và đơn giản hơn. Trước khi nó bước vào không gian, các kỹ sư và nhà vật lý cần hiểu rõ hơn về cách nó hoạt động.

“Thách thức là cố gắng hiểu rõ những gì đang xảy ra bên trong và có thể dự đoán hiệu suất,” Ahmed nói. “Chúng tôi muốn đưa chúng đến mức chúng dự đoán được như một động cơ truyền thống.”

Động cơ nổ xoay, hay RDEs, nghe có vẻ như là điều gì đó từ khoa học viễn tưởng, nhưng ý tưởng này cổ điển như chính kỷ nguyên không gian. Vào cuối những năm 1950 và đầu những năm '60, các kỹ sư hàng không vũ trụ làm việc trên động cơ tên lửa tưởng tượng RDEs là cách biến vấn đề thành giải pháp. “Đôi khi động cơ tên lửa sẽ gặp sự không ổn định thực sự và bạn sẽ có một vụ nổ,” pionieer Arthur Nicholls nhớ lại trong một cuộc phỏng vấn của Đại học Michigan ngay trước khi ông qua đời. “Sau đó, nó dẫn đến ý tưởng—thôi, nếu chúng ta sử dụng nó như thế nào?”

RDEs cơ bản giống như tất cả các động cơ tên lửa khác: Nhiên liệu và chất oxy hóa được kích thích, và khi chúng mở rộng nhanh chóng, chúng được đẩy ra khỏi một ống phun ở tốc độ cao, làm tên lửa bắn ra hướng ngược lại. Nhưng quỷ, như mọi khi, ở trong chi tiết. Trong động cơ tên lửa lỏng thông thường như loại được SpaceX sử dụng, nhiên liệu và chất oxy hóa được áp lực và đưa vào buồng kích thích bằng cách sử dụng máy bơm turbo lớn và các thiết bị máy móc phức tạp khác. Động cơ nổ xoay không cần những hệ thống áp lực này, vì sóng sốc từ vụ nổ tạo ra áp lực.

Trong RDE được phát triển bởi Ahmed và đồng nghiệp của ông, hydro và oxy được đưa vào buồng đốt cháy. Một ống nhỏ được sử dụng để đưa sóng sốc vào buồng, kích thích vụ nổ. Khi sóng áp suất di chuyển qua buồng, nó gặp thêm hydro và oxy được đưa vào phía trước của động cơ bởi hàng chục bộ phun nhỏ. Khi sóng vụ nổ đánh vào nhiên liệu và chất oxy mới, nó nhanh chóng tăng nhiệt độ và áp suất của khí. Điều này làm cho chúng cháy và gửi một ngọn lửa bắn ra khỏi động cơ tên lửa.

Chúng ta đã quen với việc nghĩ về một vụ nổ như một sự kiện một lần—có điều gì đó nổ lên và đó là tất cả. Nhưng một RDE hoạt động đòi hỏi duy trì vụ nổ ban đầu, đó là nơi phần “xoay” xuất hiện. Chất đẩy được đưa vào động cơ thông qua một tấm tiêm được thiết kế đặc biệt với hàng chục lỗ nhỏ hành trình giống như một đường đua cho sóng vụ nổ, cho phép nó xoay quanh hình trụ. Sóng xoay chủ yếu phát triển từ chất đẩy mới và sẽ tạo ra sóng vụ nổ mới trong một vòng lặp vô tận cho đến khi không còn nhiên liệu nào chảy vào buồng.

Tháng trước, Ahmed và một nhóm nghiên cứu từ Đại học Trung Florida và Không quân Hoa Kỳ đã công bố kết quả thử nghiệm từ động cơ nổ xoay đầu tiên sử dụng hydro và oxy làm chất đẩy. Hỗn hợp hóa học này thường được sử dụng để đẩy tầng trên của một tên lửa trong giai đoạn cuối của hành trình đến quỹ đạo. Nhưng Ahmed nói rằng nhiều kỹ sư tin rằng hỗn hợp hóa chất này quá dễ bay hơi để sử dụng trong động cơ nổ xoay. “Hydro là một nhiên liệu điên rồ,” ông nói. “Hầu hết mọi người tin rằng không thể vụ nổ hydro và oxy, vì nó sẽ có xu hướng cháy dần như một động cơ tên lửa điển hình, thay vì một động cơ vụ nổ.”

Số sóng được tạo ra bởi động cơ được xác định bởi lượng chất đẩy được bơm vào hệ thống. Động cơ được xây dựng bởi Ahmed và đồng nghiệp của ông có năm sóng, nhưng các RDE khác đã có tới tám sóng. Vẫn chưa rõ làm thế nào số sóng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ, điều này đòi hỏi một hiểu biết tốt hơn về chính sóng. Để nghiên cứu sóng tạo ra bởi động cơ của họ, Ahmed và đồng nghiệp đã thêm một chất dấu hóa học vào chất đẩy và quay phim động cơ bằng một máy quay tốc độ cao lên đến 200,000 khung hình mỗi giây. Kết quả trông giống như một throbber, chiếc bánh xe quay trên máy tính của bạn để thông báo khi một ứng dụng máy tính đang treo.

Ahmed ước lượng rằng loại bỏ tất cả các thiết bị máy bơm turbo có thể giảm trọng lượng của một tên lửa khoảng 30%. Điều này cũng khiến động cơ ít phức tạp hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn so với một động cơ truyền thống.

Kiểm soát các vụ nổ và sử dụng chúng để đi vào không gian có vẻ tuyệt vời trong lý thuyết, nhưng thực tế thì đầy thách thức. Thách thức lớn nhất vẫn là hiểu biết về các phản ứng cơ bản xảy ra trong động cơ. “Hầu hết các hiện tượng sóng vụ nổ dường như chưa được hiểu rõ,” William Hargus, người dẫn dắt nghiên cứu động cơ nổ xoay tại Viện Nghiên cứu Không quân, viết trong một bài báo năm 2018 mô tả chương trình. Ông kết luận rằng RDEs “đòi hỏi cải tiến đáng kể về hiểu biết cơ bản của họ để xác định liệu chúng có thể cung cấp cải tiến hiệu suất cho cộng đồng động cơ tên lửa hay không.”

Nhưng chúng khó để nghiên cứu vì quá trình vụ nổ rất mạnh mẽ và “vô cùng nhanh chóng,” như James Koch, một nghiên cứu viên sau tiến sĩ tạm thời về toán ứng dụng tại Đại học Washington nói. Vụ nổ ban đầu kích thích động cơ tạo ra sóng sốc di chuyển lên đến 4,000 dặm mỗi giờ qua một khoảng cách chỉ khoảng một centimet. Và khi động cơ đã khởi động, khó để nhận biết tín hiệu yếu từ sóng vụ nổ xoay so với phần còn lại của ngọn lửa.

Sau một loạt nghiên cứu ban đầu vào cuối những năm 1950 và những năm '60, sự phức tạp gia tăng liên quan đến việc kiểm soát một vụ nổ đã khiến NASA và các cơ quan vũ trụ khác tập trung sự chú ý vào việc cải thiện động cơ truyền thống thay vì. Kể từ đó, nghiên cứu về động cơ nổ xoay đã giữ ẩn sau cánh cửa và trong những năm gần đây, ý tưởng này đã trở lại thịnh hành. Năm 2018, các quan chức tại Viện Nghiên cứu Động cơ Không quân công bố một chương trình để phát triển và thử nghiệm một RDE sử dụng chất đẩy tên lửa truyền thống. Động cơ được phát triển bởi đội ngũ của Ahmed là kết quả của chương trình đó, và ông nói rằng Không quân đang nhắm đến chuyến bay đầu tiên của một động cơ RDE vào năm 2025.

Để vượt qua những thách thức của việc làm việc trên RDEs, kỹ sư dựa vào động lực học chất lỏng tính toán để tạo ra mô phỏng chi tiết của quá trình vụ nổ. Đây là kỹ thuật máy tính giống như cũng được sử dụng để thiết kế máy bay, tàu ngầm và tên lửa mới, nhưng mô phỏng một động cơ nổ xoay đẩy siêu máy tính đến giới hạn của nó. “Đó là một phương pháp rất chi tiết, mạnh mẽ,” Koch nói. “Bộ Quốc phòng đã chạy mô phỏng trên các động cơ nổ xoay mất khoảng ba tuần đến một tháng trên siêu máy tính hàng đầu của họ.”

Koch quyết tâm tìm một cách tốt hơn để mô phỏng sóng vụ nổ, nên ông chuyển sang một nhánh của toán học gọi là sóng phi tuyến và động học mẫu, sử dụng toán học để tạo ra mô hình mô tả cách các mô hình hình thành. Khi Koch và đồng nghiệp kích thích một động cơ nổ xoay nhỏ mà họ xây dựng trong phòng thí nghiệm của họ, Koch phát hiện ra rằng các quá trình vật lý cơ bản xảy ra trong động cơ có thể được mô tả bằng các mô hình toán học của ông—không cần siêu máy tính. “Phương pháp này hoạt động rất tốt,” Koch nói. “Tôi có thể chạy một mô phỏng trên laptop của mình mất khoảng 30 giây để tạo ra kết quả tương tự với điều mà DOD mất ba tuần.”

Koch nói rằng kỹ thuật mới của ông đang “tạo sóng” trong cộng đồng nghiên cứu, nhưng nó không có khả năng thay thế mô hình bằng siêu máy tính trong thời gian ngắn. Nó cũng vẫn là một khía cạnh trừu tượng vì nó không thể được sử dụng để mô hình cụ thể RDEs. Koch không thể chỉ cần cắm số lượng bơm, loại nhiên liệu, đường kính động cơ và các tham số khác vào và đến được một mô phỏng của một động cơ cụ thể. “Chúng ta còn nhiều năm nữa mới có thể đạt được điều đó,” ông nói. Nhưng mô hình toán học này là một bước quan trọng để hiểu rõ vật lý cơ bản của RDEs đủ để biến nó thành hiện thực.

RDEs có thể mang lại nhiều lợi ích hơn cho việc cải thiện tên lửa. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đang đầu tư vào nghiên cứu về việc sử dụng RDEs để tạo điện năng tĩnh, và các công ty như General Electric đang khám phá ứng dụng của chúng trong động cơ phản lực. Nhưng Ahmed nói rằng những hệ thống này sẽ đầu tiên được áp dụng vào thực tế trong tên lửa vì có rất nhiều lợi ích về giảm trọng lượng và hiệu suất nhiên liệu. Sau 60 năm nỗ lực, động cơ tên lửa nổ có thể đã sẵn sàng để phóng lên.

Nhiều bài viết tuyệt vời từ Mytour

• Để chạy marathon tốt nhất ở tuổi 44, tôi phải vượt qua quá khứ của mình
• Những người làm việc của Amazon mô tả những rủi ro hàng ngày trong đại dịch
• Stephen Wolfram mời bạn giải quyết vấn đề vật lý
• Mật mã thông minh có thể bảo vệ quyền riêng tư trong ứng dụng theo dõi liên lạc
• Mọi thứ bạn cần để làm việc từ nhà như một chuyên gia
• 👁 Trí tuệ nhân tạo khám phá một phương pháp điều trị tiềm năng cho Covid-19. Ngoài ra: Nhận thông tin trí tuệ nhân tạo mới nhất
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để trở nên khỏe mạnh? Xem các lựa chọn của đội ngũ Gear chúng tôi cho các bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày và tất), và tai nghe tốt nhất