Um tipo de motor de foguete antes considerado impossível acabou de ser acionado no laboratório. Os engenheiros construíram e testaram com sucesso o que é conhecido como um mecanismo de detonação rotativo, que gera impulso por meio de uma onda de detonação auto-sustentável que viaja em torno de um canal circular.
Como esse motor requer muito menos combustível do que os motores de combustão atualmente usados para acionar foguetes, poderá eventualmente significar um meio mais eficiente e muito mais leve de colocar nossos navios no espaço.
“O estudo apresenta, pela primeira vez, evidências experimentais de uma detonação segura e em funcionamento de propulsores de hidrogênio e oxigênio em um motor de foguete de detonação rotativo”, disse o engenheiro aeroespacial Kareem Ahmed, da Universidade da Flórida Central.
A idéia do mecanismo de detonação rotativo remonta à década de 1950. Consiste em uma câmara de impulso em forma de anel – anular – criada por dois cilindros de diâmetros diferentes empilhados um dentro do outro, criando um espaço entre eles.
Combustível gasoso e oxidante são então injetados nesta câmara através de pequenos orifícios e inflamados. Isso cria a primeira detonação, que produz uma onda de choque supersônica que salta ao redor da câmara. Essa onda de choque acende a próxima detonação, que acende a próxima, e assim por diante, produzindo uma onda de choque supersônica em andamento para gerar impulso.
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Isso deve produzir mais energia com menos combustível em comparação à combustão, e é por isso que o Exército dos EUA está investigando e financiando; essa nova pesquisa foi financiada pela Força Aérea dos EUA e não é o único projeto desse tipo que os militares estão investigando.
Na prática, no entanto, há uma razão pela qual os foguetes geralmente são alimentados por combustão interna, na qual o combustível e o oxidante são misturados para produzir uma reação mais lenta e controlada para gerar empuxo.
A detonação é caótica e muito mais difícil de controlar. Para que a coisa toda não exploda – literalmente – na sua cara, tudo precisa ser calibrado com precisão.
O combustível usado, a proporção do oxidante, o tamanho dos furos, o tamanho da câmara anular, o tamanho e a forma do reator, quando e onde o combustível é injetado – todos precisam ser considerados e mudados em relação a cada de outros. Por exemplo, tipos diferentes de combustível podem exigir orifícios de injeção de diferentes tamanhos ou formas.
Esse ajuste é o que Ahmed e sua equipe estão trabalhando. Eles criaram um equilíbrio cuidadoso de hidrogênio e oxigênio e o testaram em seu mecanismo de teste, um pequeno foguete de detonação rotativo de 7,6 centímetros (3 polegadas), modelado após o projetado pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA.
“Temos que ajustar os tamanhos dos jatos que liberam os propulsores para melhorar a mistura de uma mistura local de hidrogênio e oxigênio”, explicou Ahmed.
“Então, quando a explosão giratória ocorrer para esta mistura fresca, ela ainda será mantida. Porque se a sua composição estiver ligeiramente desligada, ela tenderá a desinflar ou queimar lentamente, em vez de detonar”.
(Sosa et al., Combustão e chama, 2020)Para mostrar que a plataforma funcionava, a equipe também injetou um marcador de metano no hidrogênio e usou uma câmera de alta velocidade para capturar as ondas de detonação. Dizem que suas imagens mostram detonações contínuas de cinco ondas em co-rotação, movendo-se no sentido anti-horário.
Se puder ser ampliada, essa tecnologia poderá aliviar significativamente as cargas úteis de foguetes e reduzir os custos de lançamentos de foguetes, mas também possui outras aplicações em potencial. Em 2012, a Marinha dos EUA previu que os motores de detonação rotativos poderiam resultar em uma redução de 25% no uso de combustível em seus navios e reduzir de 300 a 400 milhões de sua conta de combustível anual de US$ 2 bilhões.
“Esses resultados da pesquisa já estão repercutindo em toda a comunidade internacional de pesquisas”, disse William Hargus, do Programa de Motor de Foguetes de Detonação Rotativa do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.
“Vários projetos estão agora reexaminando a combustão de detonação de hidrogênio nos motores de foguetes de detonação rotativos devido a esses resultados. Estou muito orgulhoso de estar associado a essa pesquisa de alta qualidade”. Finaliza Hargus.
A pesquisa foi publicada em Combustion and Flame.
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