Koniec ery spalania. Silnik RDRE to czysta moc

Firma Astrobotic przetestowała silnik rakietowy RDRE, który generuje ciąg przez naddźwiękowe detonacje zamiast tradycyjnego spalania. Wynik to gruby rekord i zero uszkodzeń.

Przez ponad 80 lat silniki rakietowe działały na tej samej zasadzie: spalasz paliwo, kierujesz gorące gazy przez dyszę, dostajesz ciąg. Technologia, która właśnie pobiła rekord w centrum testowym NASA w Alabamie, robi to zupełnie inaczej. Zamiast spalać paliwo, detonuje je naddźwiękową falą uderzeniową, która krąży wewnątrz pierścieniowej komory z prędkością przekraczającą kilka tysięcy metrów na sekundę. Efekt to więcej ciągu z mniejszej ilości paliwa, w mniejszym i lżejszym silniku. Firma Astrobotic właśnie udowodniła, iż to nie jest już teoria.

Różnica jest naprawdę kolosalna

Żeby zrozumieć, dlaczego test silnika Chakram wzbudził takie poruszenie w branży kosmicznej, trzeba cofnąć się do fizyki spalania. Tradycyjne silniki rakietowe (od V-2 po Raptory SpaceX) działają na zasadzie tzw. deflagracji. Paliwo i utleniacz mieszają się w komorze spalania, zapłon inicjuje reakcję chemiczną, a powstałe gorące gazy rozszerzają się i są kierowane przez dyszę, generując ciąg. Prędkość frontu płomienia w deflagracji jest wolniejsza od dźwięku.

Detonacja to zupełnie inna bajka. Front reakcji chemicznej porusza się z prędkością naddźwiękową (kilka kilometrów na sekundę), generując falę uderzeniową, która sama kompresuje i zapala paliwo przed sobą. To jak różnica między wolnym paleniem się gałęzi w ogrodzie, a eksplozją dynamitu: ta sama chemia, radykalnie inna fizyka.

W rotacyjnym silniku detonacyjnym (RDRE – Rotating Detonation Rocket Engine) fala detonacyjna nie biegnie w linii prostej, ale krąży po okręgu wewnątrz pierścieniowej komory spalania. Paliwo i utleniacz są wtryskiwane do komory pod wysokim ciśnieniem, a naddźwiękowa fala detonacyjna przebiega przez mieszaninę raz za razem, obiegając pierścień tysiące razy na sekundę. Każdy obieg to kolejna dawka energii przekazana strumieniowi gazów wylatujących z silnika.

Dlaczego takie rozwiązanie jest lepsze? Bo detonacja jest termodynamicznie bardziej efektywna niż deflagracja. Cykl detonacyjny, zwany cyklem Zelda w odróżnieniu od cyklu Braytona, na którym opierają się tradycyjne silniki, generuje wyższe ciśnienie i temperaturę w komorze spalania przy tej samej ilości paliwa. Oznacza to więcej ciągu na kilogram paliwa, a w kosmonautyce każdy dodatkowy kilogram paliwa, którego nie trzeba zabierać, to dodatkowy kilogram ładunku, który można wysłać na orbitę lub na Księżyc.

Według szacunków Astrobotic technologia RDRE może zwiększyć sprawność silnika o około 15 proc. w porównaniu z tradycyjnymi silnikami na ciekły gaz pędny. To ogromna liczba w branży, gdzie każdy procent sprawności przekłada się na tony ładunku lub tysiące kilometrów zasięgu.

Indyjska broń, która pobiła rekord w Alabamie

Silnik, który pobił rekord, nosi nazwę Chakram od starożytnej indyjskiej broni miotanej w kształcie płaskiego pierścienia z ostrą krawędzią, używanej przez sikhijskich wojowników. Nazwa nie jest przypadkowa, bo pierścieniowa komora RDRE ma kształt przypominający właśnie taki pierścień. Astrobotic przetestowała dwa prototypy Chakrama w centrum testowym NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville w Alabamie. Wyniki przebiły oczekiwania samych twórców.

Osiem testów ogniowych. Łączny czas pracy: ponad 470 sekund. W tym pojedynczy, nieprzerwany palnik trwający 300 sekund – 5 pełnych minut ciągłej naddźwiękowej detonacji wewnątrz silnika. Według Astrobotic to najdłuższy czas pracy RDRE w historii. Każdy z dwóch prototypów generował ponad 1800 kg ciągu. Po zakończeniu wszystkich testów inżynierowie nie znaleźli żadnych widocznych uszkodzeń komór silnikowych, co w przypadku technologii operującej ciągłymi falami uderzeniowymi wewnątrz metalowej struktury jest wynikiem samym w sobie.

Być może najbardziej zdumiewający w tym wszystkim jest sam budżet. Całe przedsięwzięcie kosztowało zaledwie 1,5 mln dol. To kwota, za którą w branży kosmicznej trudno czasem kupić gotowy komponent, nie mówiąc o zaprojektowaniu, zbudowaniu i przetestowaniu dwóch prototypów przełomowego silnika. Chakram powstał dzięki dwóm grantom NASA Small Business Innovation Research i porozumieniu Space Act Agreement z NASA Marshall. Jak ujął to Travis Vazansky, kierownik programu RDRE w Astrobotic: to dzieło małego zespołu pracującego na skromnym budżecie, a silnik zadziałał bezbłędnie za pierwszym razem.

Od Księżyca po Marsa. Dokąd może zabrać nas detonacja?

Astrobotic planuje wykorzystać technologię Chakram w swoich przyszłych pojazdach kosmicznych. Firma jest wykonawcą programu NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS) i buduje lądowniki księżycowe, w tym Griffin, czyli dużą platformę przeznaczoną do dostarczania ciężkich ładunków na powierzchnię Księżyca. W 2024 r. Astrobotic stało się pierwszą amerykańską firmą komercyjną, która wysłała lądownik na Księżyc (misja Peregrine, niestety zakończona niepowodzeniem z powodu awarii systemu napędowego). Kolejna misja, na biegun południowy Księżyca, jest planowana na ten rok.

RDRE mogłyby napędzać nie tylko lądowniki, ale też pojazdy transferowe, czyli statki kosmiczne przemieszczające ładunki między orbitami, np. z niskiej orbity okołoziemskiej na orbitę księżycową. Mniejsze i lżejsze silniki o wyższej sprawności oznaczają więcej miejsca na ładunek i mniej paliwa do zatankowania, a w kosmosie każdy kilogram paliwa zaoszczędzonego na silniku to kilogram, który można przeznaczyć na instrumenty naukowe, zaopatrzenie dla astronautów lub materiały budowlane dla przyszłej bazy na Księżycu.

W dalszej perspektywie technologia RDRE jest rozważana jako napęd dla misji na Marsa. Podróż na Czerwoną Planetę wymaga silników, które działają przez długi czas z wysoką sprawnością. Dokładnie to, co obiecują silniki detonacyjne. 300-sekundowy test Chakrama to dowód, iż RDRE potrafi pracować stabilnie przez minuty, nie sekundy. Przed technologią jeszcze długa droga do gotowości operacyjnej. Kolejne iteracje będą obejmować rozwój chłodzenia regeneracyjnego, regulację ciągu i redukcję masy, ale kierunek jest bardzo obiecujący.