Ein konzeptionelles Hyperschallflugzeug. (NASA/Daniel Rosato/UCF) Eine nie endende Detonation könnte der Schlüssel für Hyperschallflüge und Raumflugzeuge sein, die nahtlos von der Erde in die Umlaufbahn fliegen können. Und jetzt haben Forscher das explosive Phänomen im Labor nachgebildet, das dies möglich machen könnte.
Detonationen sind eine besonders starke Art von Explosion, die sich schneller nach außen ausbreitet als die Schallgeschwindigkeit . Die gewaltige Explosion, die erschütterte letzten August den Hafen von Beirut im Libanon war eine Detonation, und die weitreichende Zerstörung, die sie verursachte, zeigt, welch enorme Energiemengen sie produzieren können.
Wissenschaftler träumen seit langem davon, Flugzeugtriebwerke zu bauen, die diese Energie nutzen können; Ein solches Flugzeug könnte theoretisch in weniger als einer Stunde von New York nach London fliegen. Aber Detonationen sind unglaublich schwer zu kontrollieren und dauern normalerweise weniger als eine Mikrosekunde, sodass es bisher niemandem gelungen ist, sie in die Realität umzusetzen.
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Jetzt hat ein Team der University of Central Florida einen Versuchsaufbau entwickelt, der es ihnen ermöglicht, eine Detonation mehrere Sekunden lang an einer festen Position aufrechtzuerhalten, was den Forschern zufolge einen großen Schritt in Richtung zukünftiger Hyperschallantriebssysteme darstellt.
„Wir versuchen hier, diese Detonation zu kontrollieren“, sagte Kareem Ahmed, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Central Florida und Hauptautor eines neuen Artikels zu der am Montag (10. Mai) veröffentlichten Studie ) im Tagebuch Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften .
„Wir wollen es im Weltraum einfrieren und diese Energie nutzen.“ Anstatt Gebäude zu zerstören, wie Sie es im Libanon gesehen haben, möchte ich es jetzt nutzen und damit Schub erzeugen“, sagte Ahmed gegenüber WordsSideKick.com.
„Wenn uns das gelingt, können wir superschnell reisen.“
Der Durchbruch beruhte auf jahrzehntelanger Forschung an einem theoretischen Antriebssystem namens Oblique Detonation Wave Engine (ODWE).
Das Konzept besteht darin, ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff mit Hyperschallgeschwindigkeit (mehr als dem Fünffachen der Schallgeschwindigkeit) auf eine Rampe zu leiten, wodurch eine Stoßwelle entsteht. Diese Stoßwelle erhitzt das Kraftstoff-Luft-Gemisch schnell und bringt es zur Detonation, wodurch Abgase mit hoher Geschwindigkeit aus der Rückseite des Motors geschleudert werden. Das Ergebnis? Viel Schub.
Wenn ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff auf diese Weise explodiert, ist die resultierende Verbrennung besonders effizient, da nahezu 100 Prozent des Kraftstoffs verbrannt werden. Durch die Detonation wird außerdem viel Druck erzeugt, wodurch das Triebwerk viel mehr Schub erzeugen kann als bei anderen Ansätzen.
Theoretisch sollte diese Detonation in der Lage sein, ein Flugzeug mit bis zu 17-facher Schallgeschwindigkeit anzutreiben, sagen die Forscher, was schnell genug sein könnte, dass Raumschiffe einfach aus dem Weltraum fliegen könnten Atmosphäre , anstatt Raketen mitnehmen zu müssen.
Die Herausforderung besteht darin, die Detonation lange genug aufrechtzuerhalten, um einen solchen Flug anzutreiben, und frühere experimentelle Demonstrationen lagen bei nur wenigen Millisekunden. Die Hauptschwierigkeit bestehe laut Ahmed darin, zu verhindern, dass sich die Detonation flussaufwärts zur Treibstoffquelle ausbreitet, wo sie schwere Schäden anrichten kann, oder weiter flussabwärts, wo sie verpufft.
„Es stellte sich immer die Frage: ‚Nun, wenn Sie es für eine Millisekunde oder so gedrückt halten, haben Sie es dann nur vorübergehend gehalten?‘“, sagte Ahmed. „Sie wissen nicht, ob Sie sich stabilisiert haben oder nicht.“
Um zu sehen, ob sie den bisherigen Rekord übertreffen könnten, bauten Ahmed und seine Kollegen eine etwa 2,5 Fuß lange (0,76 Meter) Reihe von Kammern, die Luft mischt und erhitzt Wasserstoffgas bevor es auf Hyperschallgeschwindigkeit beschleunigt und auf eine Rampe abgefeuert wird.
Durch sorgfältiges Ausbalancieren der Anteile des Luft-Kraftstoff-Gemisches, der Geschwindigkeit des Gasstroms und des Winkels der Rampe konnten sie eine Detonation erzeugen, die etwa drei Sekunden lang an ihrer Position blieb.
Das ist lang genug, um zu bestätigen, dass die Detonation in einer festen Position stabilisiert war und sich weder nach oben noch nach unten bewegte, sagte Ahmed, was ein erster, großer Schritt zur Verwirklichung eines echten ODWE sei.
Frank Lu, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Texas in Arlington, der sich auf detonationsbasierte Motoren spezialisiert hat, sagte, der Nachweis einer stabilen Detonation sei eine bedeutende Leistung. Um einen praxistauglichen Motor zu entwickeln, müssen die Forscher nun herausfinden, wie sie in verschiedenen Geschwindigkeits- und Höhenbereichen arbeiten und mit Verbrennungsinstabilitäten umgehen können, die beispielsweise durch ungleichmäßige Mischung von Kraftstoff und Luft verursacht werden.
„Ich denke, die Ermittler haben hervorragende Arbeit geleistet und freuen uns auf weitere Ergebnisse“, sagte Lu gegenüber WordsSideKick.com.
Die Forscher führten ihr Experiment nur wenige Sekunden lang durch, hauptsächlich weil die Intensität der Detonation die Glaswände der Testkammer schnell erodierte, erklärte Ahmed. Sie mussten in ihren ersten Tests Glas verwenden, um optische Messungen der Detonation durchführen zu können. Wenn sie diese jedoch durch Metallseiten ersetzen würden, müssten sie die Detonation viel länger betreiben können, sagte er.
Und vielversprechenderweise sagte Ahmed, dass sich die Struktur des Testgeräts nicht wesentlich vom Design eines ODWE in Originalgröße unterscheidet. Die größte Herausforderung für die Forscher besteht nun darin, herauszufinden, wie sie die drei Hauptbestandteile Treibstoffmischung, Luftgeschwindigkeit und Rampenwinkel verändern und gleichzeitig die Stabilität der Detonation aufrechterhalten können.
„Jetzt haben wir gezeigt, dass es machbar ist. Es ist eher ein technisches Problem, herauszufinden, wie man es in einem größeren Betriebsbereich aufrechterhalten kann“, sagte Ahmed.
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