Motor de detonação promete foguetes melhores e mais baratos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/05/2020

Protótipo do motor de detonação rotativa usado por Koch para desenvolver seu modelo.
[Imagem: James Koch/Universidade de Washington]

Motor-foguete de detonação

É preciso muito combustível para lançar algo no espaço usando um foguete - várias vezes mais combustível do que carga útil.

Mas pode haver opções mais leves e mais baratas: um tipo especial de motor-foguete, chamado motor de detonação rotativa, promete tornar os foguetes não apenas mais econômicos, mas também mais leves e menos complicados de se construir.

Há apenas um problema: Até hoje, esse tipo de motor tem-se mostrado imprevisível demais para ser usado em um foguete real.

Um motor de foguete convencional funciona queimando continuamente o combustível e, em seguida, empurrando-o para fora da parte traseira do motor, criando empuxo que faz o foguete subir. Mas subir de forma controlada exige um adicional nada desprezível, na forma de máquinas e bombas para direcionar e controlar a reação de combustão.

Em um motor de detonação, por sua vez, o que há é uma sequência de explosões pulsadas, com a onda de choque fazendo naturalmente tudo por conta própria, sem precisar da ajuda de equipamentos acessórios.

"Um mecanismo de detonação rotativa adota uma abordagem diferente de como ele queima o propelente. Ele é feito de cilindros concêntricos. O propelente flui no espaço entre os cilindros e, após a ignição, a rápida liberação de calor forma uma onda de choque, um forte pulso de gás com pressão e temperatura significativamente mais altas, que se movem mais rápido que a velocidade do som.

"Esse processo de combustão é literalmente uma detonação - uma explosão - mas, após essa fase inicial de partida, o que vemos é uma sequência de pulsos de combustão estáveis, que continuam consumindo o propelente disponível. Isso produz alta pressão e temperatura que impulsionam os gases de exaustão na parte traseira do motor em alta velocidade, o que gera empuxo," explica James Koch, da Universidade de Washington, nos EUA.

Diagrama do motor de detonação.
[Imagem: James Koch et al. - 10.1103/PhysRevE.101.013106]

Modelo matemático

O problema é que, mesmo com toneladas de dados gerados por experimentos realizados desde a década de 1960, até hoje os físicos e engenheiros não entendem o que está acontecendo dentro do motor. Afinal, uma vez que você detona algo, ele simplesmente explode de forma violenta - ou para de explodir, e o motor morre.

Então, Koch decidiu desenvolver um modelo matemático que descreva em detalhes, passo a passo no tempo, como funcionam os motores de detonação.

Para isso, ele desenvolveu um motor experimental de detonação rotativa que permite controlar diferentes parâmetros, incluindo o crítico espaçamento entre os cilindros. Em seguida, ele gravou os processos de combustão com uma câmera de alta velocidade. Cada experimento dura apenas 0,5 segundo, mas uma câmera que grava 240.000 quadros por segundo permitiu ver o que estava acontecendo dentro do motor em câmera lenta.

Com os dados, a equipe conseguiu desenvolver um modelo matemático que permitiu pela primeira vez prever as condições nas quais um motor de detonação rotativa se torna estável ou instável. O modelo também permite avaliar o desempenho de um motor específico.

"Meu objetivo aqui era apenas reproduzir o comportamento dos pulsos que vimos - garantir que a saída do modelo seja semelhante aos nossos resultados experimentais," disse Koch. "Eu identifiquei a física subjacente e como [os pulsos] interagem. Agora eu posso pegar o que fiz aqui e torná-lo quantitativo. A partir daí, poderemos conversar sobre como criar um motor melhor".

Os motores a detonação também podem ser usados na geração de energia e como motores para aviões do futuro.
[Imagem: Afthon/Divulgação]

Foguete a hidrogênio

Jonathan Sosa e Kareem Ahmed, da Universidade da Flórida Central, também estão trabalhando no seu próprio motor de detonação, mas eles adotaram uma abordagem mais prática: encontrar o melhor propelente para manter o foguete estável.

"Nosso estudo apresenta, pela primeira vez, evidências experimentais de uma detonação segura e funcional de um propulsor de hidrogênio e oxigênio em um motor de foguete de detonação rotativa," disse Ahmed.

Em seu protótipo, as explosões sequenciais são sustentadas pela injeção de hidrogênio e oxigênio no sistema, nas quantidades certas.

"Nós tivemos que ajustar os tamanhos dos jatos que liberam os propelentes para melhorar a mistura de uma composição local do hidrogênio e do oxigênio," disse Ahmed. "Então, quando a explosão giratória ocorre nesta mistura fresca, ela ainda continuará sustentada. Porque se a mistura tiver sua composição ligeiramente diferente, ela tenderá a desinflar ou queimar lentamente, em vez de detonar."

Os resultados práticos com o hidrogênio já ecoaram pela comunidade científica, com várias equipes anunciando que irão desengavetar seus protótipos e testar o controle da mistura de hidrogênio. De posse do modelo matemático desenvolvido por Kock, agora há uma chance real de que os motores-foguete de detonação possam sair das pranchetas e criar uma nova geração de foguetes menores e mais baratos.

Bibliografia:

Artigo: Mode-locked rotating detonation waves: Experiments and a model equation
Autores: James Koch, Mitsuru Kurosaka, Carl Knowlen, J. Nathan Kutz
Revista: Combustion and Flame
Vol.: 101, 013106
DOI: 10.1103/PhysRevE.101.013106

Artigo: Experimental evidence of H2/O2 propellants powered rotating detonation waves
Autores: Jonathan Sosa, Robert Burke, Kareem A. Ahmed, Daniel J. Micka, John W. Bennewitz, Stephen A. Danczyk, Eric J. Paulson, William A. Hargus Jr
Revista: Physical Review E
Vol.: 214, Pages 136-138
DOI: 10.1016/j.combustflame.2019.12.031

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