Mesin Roket Sederhana Hemat Bahan Bakar

Para peneliti telah mengembangkan model matematika yang menggambarkan cara kerja detonasi mesin berputar (rotating detonation engine).

Dibutuhkan banyak bahan bakar untuk meluncurkan sesuatu ke luar angkasa. Saat mengirim pesawat Ulang-alik NASA ke orbit, setidaknya dibutuhkan lebih dari 3,5 juta pon bahan bakar atau sekitar 15 kali lebih berat dari bobot paus biru. Tetapi, jenis mesin baru yang disebut-sebut mirip dengan detonasi mesin berputar ini memberikan janji baru untuk membuat roket yang tidak hanya lebih hemat bahan bakar tetapi juga lebih ringan.

Para peneliti di University of Washington telah mengembangkan model matematika yang menggambarkan bagaimana mesin ini bekerja. Dengan informasi ini, untuk pertama kalinya, para insinyur dapat mengembangkan tes untuk meningkatkan kemampuan mesin ini dan membuatnya lebih stabil. Tim menerbitkan temuan di Physical Review E awal Januari lalu.

"Bidang mesin peledakan yang berputar masih dalam masa pengembangan. Kami memiliki banyak data tentang mesin ini, tetapi kami tidak mengerti apa yang sedang terjadi," kata James Koch, seorang mahasiswa doktoral UW di bidang aeronautika dan astronautika yang terlibat dalam riset ini.

"Saya mencoba menyusun kembali hasil kami dengan melihat formasi pola, alih-alih mengajukan pertanyaan teknik - seperti bagaimana mendapatkan mesin berkinerja tertinggi - dan kemudian, boom , ternyata berhasil," sambung Koch.

Mesin roket konvensional bekerja dengan membakar propelan dan kemudian mendorongnya keluar dari belakang mesin untuk menciptakan daya dorong.

"Detonasi mesin yang berputar mengambil pendekatan berbeda dengan cara membakar propelan," kata Koch. "Itu terbuat dari silinder konsentris. Propelan mengalir di celah antara silinder, dan, setelah penyalaan, pelepasan panas yang cepat membentuk gelombang kejut, pulsa gas yang kuat dengan tekanan dan suhu yang secara signifikan lebih tinggi yang bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara.

"Proses pembakaran ini secara harfiah adalah peledakan, tetapi di balik fase awal ini, kami melihat sejumlah bentuk pulsa pembakaran stabil yang terus mengkonsumsi propelan yang tersedia. Ini menghasilkan tekanan dan suhu tinggi yang mendorong pembuangan bagian belakang mesin pada kecepatan tinggi, yang dapat menghasilkan daya dorong."

Mesin konvensional menggunakan banyak mesin untuk mengarahkan dan mengendalikan reaksi pembakaran sehingga menghasilkan pekerjaan yang diperlukan untuk mendorong mesin. Tetapi dalam detonasi mesin berputar, gelombang kejut secara alami melakukan semuanya tanpa memerlukan bantuan tambahan dari bagian-bagian mesin.

"Guncangan yang digerakkan oleh pembakaran secara alami menekan aliran saat mereka bergerak di sekitar ruang pembakaran," kata Koch. "Kelemahan dari itu adalah bahwa peledakan ini memiliki pikiran sendiri. Begitu kamu meledakkan sesuatu, itu hanya berjalan. Itu sangat kejam," tambah Koch.

Untuk mencoba menggambarkan cara kerja mesin ini, para peneliti pertama kali mengembangkan detonasi rotating eksperimental di mana mereka dapat mengontrol parameter yang berbeda, seperti ukuran jarak antar silinder. Kemudian mereka merekam proses pembakaran dengan kamera berkecepatan tinggi. Setiap percobaan hanya membutuhkan 0,5 detik untuk diselesaikan, tetapi para peneliti mencatat percobaan ini pada 240.000 frame per detik sehingga mereka dapat melihat apa yang terjadi dalam gerakan lambat.

Dari sana, para peneliti mengembangkan model matematika untuk meniru apa yang mereka lihat di video. "Ini adalah satu-satunya model dalam literatur yang saat ini mampu menggambarkan dinamika yang beragam dan kompleks dari mesin detonasi berputar yang kami amati dalam percobaan," kata rekan penulis J. Nathan Kutz, seorang profesor matematika terapan UW.

Model ini memungkinkan para peneliti untuk menentukan untuk pertama kalinya apakah mesin jenis ini akan stabil atau tidak stabil. Itu juga memungkinkan mereka untuk menilai seberapa baik kinerja mesin tertentu.

"Pendekatan baru ini berbeda dari kebijaksanaan konvensional di lapangan, dan penerapannya yang luas dan wawasan baru merupakan kejutan bagi saya," kata rekan penulis Carl Knowlen, seorang profesor penelitian di UW pada bidang aeronautika dan astronautika.

Saat ini modelnya belum siap digunakan oleh para insinyur. "Tujuan saya di sini adalah semata-mata untuk mereproduksi perilaku dari pulsa yang kita lihat - untuk memastikan bahwa output model mirip dengan hasil eksperimen kami," kata Koch.

Lebih lanjut Koch mengatakan bahwa saat ini mereka telah mengidentifikasi fisika dominan dan bagaimana mereka saling mempengaruhi. "Sekarang saya dapat mengambil apa yang telah saya lakukan di sini dan menjadikannya kuantitatif. Dari sana kita dapat berbicara tentang cara membuat mesin yang lebih baik," kata Koch menambahkan.

Mitsuru Kurosaka, seorang profesor aeronautika dan astronaut UW yang juga merupakan rekan penulis dalam makalah ini mengatakan bahwa penelitian ini didanai salah satunya oleh pusat penelitia angkatan laut dan Angkatan Udara Amerika Serikat.

nik/dariberbagaisumber/S-2