В отличие от обычного ракетного двигателя, где топливо сгорает в режиме дефлаграции (медленного, дозвукового горения), в ВДД топливно-воздушная смесь взрывается — детонационная волна движется по круговой камере со сверхзвуковой скоростью (более 2 км/с). Волна обегает камеру до 20 000 раз в секунду. Каждый микровзрыв сжимает топливную смесь и поджигает ее. КПД такого цикла существенно выше, чем у обычного горения, поскольку детонация создает более высокое давление и полнее использует энергию топлива.
Однако детонационные волны создают экстремальные нагрузки на материалы и требуют сверхточной системы подачи топлива. Клапаны впрыска должны открываться и закрываться быстрее миллисекунды, чтобы подавать порции горючего и окислителя (в данном случае — пропана и жидкого кислорода) синхронно с бегущей волной. Иначе взрыв может проникнуть обратно в топливные магистрали — катастрофа. Студенты из Цюриха решили эту проблему, напечатав на 3D-принтере медную камеру сгорания сложной геометрии и спроектировав прецизионный инжектор.
После первой неудачной попытки команда устранила неполадки, и двигатель вышел на устойчивый детонационный режим, говорится в пресс-релизе. Пламя вырывалось из медного сопла длинной струей, а контрольная будка сотрясалась от ударных волн. Студенты в реальном времени наблюдали за показаниями давления и высокоскоростными кадрами (тысячи кадров в секунду), подтверждая, что детонация действительно идет ротационно, а не хаотично.
Топливо составляет 80–90% стартовой массы ракеты. Даже небольшое повышение эффективности сгорания, на 5–10%, означает либо существенное снижение затрат на килограмм полезной нагрузки, либо увеличение массы аппарата, который можно отправить к Луне или Марсу. Именно поэтому американское и японское космические агентства активно финансируют исследования ВДД — это одна из немногих технологий, способных улучшить химические ракетные двигатели, которые в своей основе не менялись последние полвека.
Американский аэрокосмический стартап Astrobotic успешно провел этой весной первые огневые испытания вращающегося детонационного двигателя (ВДД) Chakram. В ходе тестов два прототипа совершили восемь запусков, включая рекордный 300-секундный прожиг — самый долгий среди всех ВДД на сегодняшний день.
