Para peneliti dari University of Central Florida dan US Naval Research Laboratory telah menemukan konfigurasi eksperimental dan kondisi aliran yang menghasilkan detonasi miring yang stabil—fenomena yang berpotensi merevolusi propulsi berkecepatan tinggi di masa depan. Makalah akses terbuka pada pekerjaan mereka diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences (PNAS).
Perjalanan terestrial dan antarplanet di masa depan akan membutuhkan penerbangan berkecepatan tinggi dan masuk kembali ke atmosfer planet dengan cara yang kuat dan terkendali. Ini, sebagian besar, bergantung pada sistem propulsi yang andal untuk penerbangan hipersonik dan supersonik. Mengingat ketersediaan bahan bakar sebagai propelan, kemungkinan besar kita akan mengandalkan beberapa bentuk propulsi kimia atau nuklir, yang berarti menggunakan berbagai bentuk reaksi eksotermik dan oleh karena itu gelombang pembakaran. Gelombang tersebut dapat berupa deflagrasi, yang merupakan gelombang reaksi subsonik, atau detonasi, yang merupakan gelombang reaksi supersonik berkecepatan sangat tinggi. Detonasi adalah mode reaksi yang sangat efisien dan sangat energik yang umumnya terkait dengan ledakan ledakan dan supernova yang intens.
Sistem propulsi berbasis detonasi sekarang sangat menarik karena potensi penggunaannya untuk daya propulsi yang lebih besar dibandingkan dengan sistem berbasis deflagrasi. Pemahaman tentang pengapian, propagasi, dan stabilitas gelombang detonasi sangat penting untuk memanfaatkan potensi pendorongnya dan bergantung pada kemampuan kita untuk mempelajarinya di lingkungan laboratorium.
Di sini kami menyajikan konfigurasi eksperimental yang unik, fasilitas reaksi entalpi tinggi hipersonik yang menghasilkan detonasi yang dipasang di ruang angkasa, yang sangat penting untuk mengendalikan dan memanfaatkan kekuatan reaksi. Gelombang detonasi miring berdiri, distabilkan di tanjakan, dibuat dalam aliran hidrogen dan udara hipersonik. Diagnostik aliran, seperti bayangan grafik kecepatan tinggi dan pencitraan chemiluminescence, menunjukkan inisiasi dan stabilisasi detonasi dan dikuatkan melalui perbandingan dengan simulasi. Terobosan dalam analisis eksperimental ini memungkinkan jalur yang memungkinkan untuk mengembangkan dan mengintegrasikan teknologi detonasi berkecepatan sangat tinggi yang memungkinkan propulsi hipersonik dan sistem tenaga canggih.
—Rosato dkk.
Skema konsep mesin detonasi miring. Domain ODW eksperimental dan komputasional disorot bersama dengan lokasinya di jalur aliran engine. Rosato dkk.
Sistem ini dapat memungkinkan perjalanan udara dengan kecepatan Mach 6 hingga 17—lebih dari 4.600 hingga 13.000 mil per jam. Teknologi ini memanfaatkan kekuatan gelombang detonasi miring, yang dibentuk dengan menggunakan kemiringan miring di dalam ruang reaksi untuk menciptakan gelombang kejut pemicu detonasi untuk propulsi.
Tidak seperti gelombang detonasi berputar yang berputar, gelombang detonasi miring bersifat stasioner dan stabil.
Teknologi ini meningkatkan efisiensi mesin penggerak jet sehingga lebih banyak tenaga yang dihasilkan saat menggunakan lebih sedikit bahan bakar daripada mesin penggerak tradisional, sehingga meringankan beban bahan bakar dan mengurangi biaya dan emisi.
Selain perjalanan udara yang lebih cepat, teknologi ini juga dapat digunakan dalam roket untuk misi luar angkasa agar lebih ringan dengan membutuhkan lebih sedikit bahan bakar, melakukan perjalanan lebih jauh, dan membakar lebih bersih.
Sistem propulsi detonasi telah dipelajari selama lebih dari setengah abad tetapi tidak berhasil karena propelan kimia yang digunakan atau cara pencampurannya. Pekerjaan sebelumnya oleh kelompok rekan penulis studi Kareem Ahmed di Departemen Teknik Mesin dan Dirgantara UCF mengatasi masalah ini dengan secara hati-hati menyeimbangkan laju propelan hidrogen dan oksigen yang dilepaskan ke mesin untuk membuat bukti eksperimental pertama dari detonasi yang berputar.
Namun, durasi ledakan yang singkat, sering terjadi hanya dalam mikro atau milidetik, membuatnya sulit untuk dipelajari dan tidak praktis untuk digunakan.
Namun, dalam studi baru, para peneliti UCF mampu mempertahankan durasi gelombang detonasi selama tiga detik dengan menciptakan ruang reaksi hipersonik baru, yang dikenal sebagai fasilitas reaksi entalpi tinggi hipersonik, atau HyperREACT. Fasilitas tersebut berisi ruang dengan kemiringan sudut 30 derajat di dekat ruang pencampuran propelan yang menstabilkan gelombang detonasi miring.
Ini adalah pertama kalinya sebuah ledakan terbukti stabil secara eksperimental. Kami akhirnya mampu menahan detonasi di luar angkasa dalam bentuk detonasi miring. Ini hampir seperti membekukan ledakan hebat di ruang fisik.
—Kareem Ahmed
Gabriel Goodwin, seorang insinyur kedirgantaraan dengan Naval Research Laboratory’s Naval Center for Space Technology dan rekan penulis studi, mengatakan penelitian mereka membantu menjawab banyak pertanyaan mendasar seputar mesin gelombang detonasi miring.
Peran Goodwin dalam penelitian ini adalah menggunakan kode dinamika fluida komputasi Naval Research Laboratory untuk mensimulasikan eksperimen yang dilakukan oleh kelompok Ahmed.
Penulis utama adalah Daniel Rosato, sekarang asisten peneliti pascasarjana dan penerima Beasiswa Doktor Presiden UCF, telah mengerjakan proyek ini sejak dia menjadi mahasiswa sarjana teknik kedirgantaraan dan bertanggung jawab untuk desain eksperimen, fabrikasi, dan operasi, serta data analisis, dengan bantuan dari Mason Thorton, rekan penulis studi dan asisten peneliti sarjana.
Rosato mengatakan langkah penelitian selanjutnya adalah penambahan alat diagnostik dan pengukuran baru untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam tentang fenomena yang mereka pelajari.
Setelah itu, kami akan terus mengeksplorasi konfigurasi yang lebih eksperimental untuk menentukan secara lebih rinci kriteria yang dapat digunakan untuk menstabilkan gelombang detonasi miring.
—Daniel Rosato
Jika berhasil dalam memajukan teknologi ini, propulsi hipersonik berbasis detonasi dapat diterapkan ke atmosfer manusia dan perjalanan ruang angkasa dalam beberapa dekade mendatang, kata para peneliti.
Studi ini didanai oleh dukungan jangka panjang dari Portofolio Termodinamika Energi, Pembakaran dan Non-Keseimbangan dari Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara di bidang peledakan melalui hibah 16RT0673/FA9550-16-1-0441 dan 19RT0258/FA9550- 19-0322 (Manajer Program: Chiping Li), National Science Foundation dan NASA Florida Space Grant Consortium.
Sumber daya
- Daniel A. Rosato, Mason Thornton, Jonathan Sosa, Christian Bachman, Gabriel B. Goodwin, Kareem A. Ahmed (2021) ” Detonasi yang distabilkan untuk propulsi hipersonik” Prosiding National Academy of Sciences 118 (20) e2102244118; doi: 10.1073/pnas.2102244118
