Detonazione stabilizzata per propulsione ipersonica

Attualmente si sta intensificando lo sforzo internazionale per sviluppare sistemi di propulsione robusti per il volo ipersonico e supersonico. Un tale sistema consentirebbe il volo attraverso la nostra atmosfera a velocità molto elevate e consentirebbe l’ingresso e l’uscita efficienti dalle atmosfere planetarie.

La possibilità di basare un tale sistema sulle detonazioni, la forma più potente di combustione, ha il potenziale per fornire una maggiore efficienza termodinamica, una maggiore affidabilità ed emissioni ridotte.

Questo lavoro riporta un passo significativo nel raggiungimento di questo obiettivo: la scoperta di una configurazione sperimentale e condizioni di flusso che generano una detonazione obliqua stabilizzata, un fenomeno che ha il potenziale per rivoluzionare la propulsione ad alta velocità del futuro.

I futuri viaggi terrestri e interplanetari richiederanno voli ad alta velocità e il rientro nelle atmosfere planetarie mediante mezzi robusti e controllabili. Questo, in gran parte, dipende dall’avere sistemi di propulsione affidabili per il volo ipersonico e supersonico.

Data la disponibilità di combustibili come propellenti, probabilmente faremo affidamento su qualche forma di propulsione chimica o nucleare, il che significa utilizzare varie forme di reazioni esotermiche e quindi onde di combustione.

Detonazione come sistema di propulsione

Tali onde possono essere deflagrazioni, che sono onde di reazione subsoniche, o detonazioni, ovvero onde di reazione supersoniche ad altissima velocità.

Le detonazioni sono una modalità di reazione estremamente efficiente e altamente energetica generalmente associata a intense esplosioni e supernove. I sistemi di propulsione basati sulla detonazione sono ora di notevole interesse grazie al loro potenziale utilizzo per una maggiore potenza di propulsione rispetto ai sistemi basati sulla deflagrazione.

La comprensione dell’accensione, della propagazione e della stabilità delle onde di detonazione è fondamentale per sfruttare il loro potenziale propulsivo e dipende dalla nostra capacità di studiarle in un ambiente di laboratorio.

Qui presentiamo una configurazione sperimentale unica, una struttura di reazione ipersonica ad alta entalpia che produce una detonazione stabile nello spazio, cruciale per controllare e sfruttare la potenza di reazione.

Un’onda di detonazione obliqua stazionaria, stabilizzata su una rampa, viene creata in un flusso ipersonico di idrogeno e aria. Diagnostica del flusso, come shadowgraph ad alta velocità e imaging a chemiluminescenza, mostrano l’inizio e la stabilizzazione della detonazione e sono confermati dal confronto con le simulazioni.

Questa analisi sperimentale consente un possibile percorso per sviluppare e integrare la tecnologia di detonazione ad altissima velocità che permette la propulsione ipersonica e sistemi di alimentazione avanzati.

Raggiungere il volo ad alta velocità e quindi a velocità supersoniche e ipersoniche è ora una priorità nazionale e un obiettivo internazionale. Per raggiungere questo obiettivo finale, sono necessarie modalità di propulsione altamente energetiche per guidare i veicoli.

Una serie di nuovi concetti, i motori basati sulla detonazione, potrebbe svolgere un ruolo importante nel rendere l’esplorazione dello spazio e il viaggio intercontinentale una routine come lo è oggi il viaggio interurbano.