Il faut beaucoup de carburant pour lancer quelque chose dans l'espace. L'envoi de la navette spatiale de la NASA en orbite a nécessité plus de 3,5 millions de livres de carburant, qui est environ 15 fois plus lourd qu'une baleine bleue.

Mais un nouveau type de moteur, appelé moteur à détonation rotatif, promet de rendre les fusées non seulement plus économes en carburant, mais aussi plus légères et moins compliquées à construire. Il y a juste un problème :à l'heure actuelle, ce moteur est trop imprévisible pour être utilisé dans une véritable fusée.

Des chercheurs de l'Université de Washington ont développé un modèle mathématique qui décrit le fonctionnement de ces moteurs. Avec ces informations, les ingénieurs peuvent, pour la première fois, développer des tests pour améliorer ces moteurs et les rendre plus stables. L'équipe a publié ces résultats le 10 janvier dans Examen physique E .

"Le domaine des moteurs à détonation rotative n'en est qu'à ses balbutiements. Nous avons des tonnes de données sur ces moteurs, mais nous ne comprenons pas ce qui se passe, " a déclaré l'auteur principal James Koch, un doctorant UW en aéronautique et astronautique. "J'ai essayé de reformuler nos résultats en examinant les formations de motifs au lieu de poser une question d'ingénierie, par exemple comment obtenir le moteur le plus performant, puis boum, il s'est avéré que cela fonctionnait."

Un moteur de fusée conventionnel fonctionne en brûlant du propulseur puis en le poussant hors de l'arrière du moteur pour créer une poussée.

"Un moteur à détonation rotatif adopte une approche différente de la façon dont il brûle le propulseur, " dit Koch. " Il est fait de cylindres concentriques. Le propulseur s'écoule dans l'espace entre les cylindres, et, après allumage, le dégagement de chaleur rapide forme une onde de choc, une forte impulsion de gaz avec une pression et une température nettement plus élevées qui se déplacent plus rapidement que la vitesse du son.

"Ce processus de combustion est littéralement une détonation - une explosion - mais derrière cette phase de démarrage initiale, nous voyons se former un certain nombre d'impulsions de combustion stables qui continuent de consommer le propulseur disponible. Cela produit une pression et une température élevées qui chassent les gaz d'échappement à l'arrière du moteur à des vitesses élevées, qui peut générer de la poussée."

Les moteurs conventionnels utilisent beaucoup de machines pour diriger et contrôler la réaction de combustion afin qu'elle génère le travail nécessaire pour propulser le moteur. Mais dans un moteur à détonation rotatif, l'onde de choc fait naturellement tout sans avoir besoin de l'aide supplémentaire des pièces du moteur.

"Les chocs de combustion compriment naturellement le flux lorsqu'ils circulent dans la chambre de combustion, " a déclaré Koch. " L'inconvénient est que ces détonations ont leur propre esprit. Une fois que vous faites exploser quelque chose, ça va juste. C'est tellement violent."

Pour essayer de pouvoir décrire le fonctionnement de ces moteurs, les chercheurs ont d'abord développé un moteur de détonation rotatif expérimental où ils pouvaient contrôler différents paramètres, comme la taille de l'espace entre les cylindres. Ensuite, ils ont enregistré les processus de combustion avec une caméra à grande vitesse. Chaque expérience n'a duré que 0,5 seconde, mais les chercheurs ont enregistré ces expériences à 240, 000 images par seconde pour qu'ils puissent voir ce qui se passait au ralenti.

De là, les chercheurs ont développé un modèle mathématique pour imiter ce qu'ils ont vu dans les vidéos.

"C'est le seul modèle dans la littérature actuellement capable de décrire la dynamique diverse et complexe de ces moteurs à détonation rotatifs que nous observons expérimentalement, " a déclaré le co-auteur J. Nathan Kutz, un professeur UW de mathématiques appliquées.

Le modèle a permis aux chercheurs de déterminer pour la première fois si un moteur de ce type serait stable ou instable. Cela leur a également permis d'évaluer les performances d'un moteur spécifique.

« Cette nouvelle approche est différente des idées reçues en la matière, et ses larges applications et ses nouvelles idées m'ont complètement surpris, " a déclaré le co-auteur Carl Knowlen, professeur agrégé de recherche à l'UW en aéronautique et astronautique.

À l'heure actuelle, le modèle n'est pas tout à fait prêt à être utilisé par les ingénieurs.

"Mon objectif ici était uniquement de reproduire le comportement des impulsions que nous avons vues - pour m'assurer que la sortie du modèle est similaire à nos résultats expérimentaux, " a déclaré Koch. " J'ai identifié la physique dominante et comment ils interagissent. Maintenant, je peux prendre ce que j'ai fait ici et le rendre quantitatif. À partir de là, nous pourrons discuter de la façon de fabriquer un meilleur moteur."