Překvapivý objev: Raketové částice se za letu deformují, změní to design vesmírných lodí

V nitru raketových motorů panují extrémní podmínky, kde se drobné částice pohybují hypersonickými rychlostmi. Nový výzkum ukazuje, že tyto částice se chovají způsobem, který vyvrací dlouholeté předpoklady.

V nitru raketových motorů panují extrémní podmínky, kde se drobné částice pohybují hypersonickými rychlostmi. Nový výzkum ukazuje, že tyto částice se chovají způsobem, který vyvrací dlouholeté předpoklady. Zjištění, publikovaná v časopise Physics of Fluids, by mohla zásadně přetvořit design budoucích vesmírných plavidel a obranných technologií, zlepšit jejich odolnost, bezpečnost a výkon.

Studie odhalila, že částice cestující hypersonickými rychlostmi nezůstávají kulaté, ale během letu tají a deformují se. Tyto změny ovlivňují způsob, jakým se teplo, odpor a energie pohybují raketovými systémy. Vědci proto vyvinuli nový model odporu, který přesněji předpovídá chování částic v extrémních podmínkách. Výzkum vedli odborníci ze Společného výzkumného institutu Jihovýchodní univerzity a Monash University, Monash University a Šanghajské univerzity.

Výzkumný tým se zaměřil na mikroskopické částice oxidu hlinitého, které vznikají při spalování hliníkového paliva v raketových motorech na tuhá paliva. Tyto částice jsou tisíckrát menší než šířka lidského vlasu, ale mohou se pohybovat rychlostí až 10 kilometrů za sekundu. Pomocí simulací molekulární dynamiky, což je typ počítačového modelování atom po atomu, vědci sledovali chování nanočástic ve vysokoteplotním a vysokotlakém vzduchu. Zjistili, že pomaleji se pohybující částice zůstaly relativně stabilní, zatímco ty extrémně rychlé zažívaly intenzivní srážky s okolními molekulami vzduchu, což vedlo k rychlému zahřívání a tání.

Výzkumníci dále objevili, že menší částice se zahřívaly rychleji, protože měly větší poměr povrchové plochy k objemu. Roztavené částice se navíc mohly protáhnout do tenkých „vakovitých“ struktur, než se během letu zhroutily zpět do nových forem. Tyto měnící se tvary částic ovlivňují přenos tepla a energie v proudu, což je klíčové pro předpovídání opotřebení a výkonu uvnitř raketových systémů. Současné inženýrské modely často předpokládají, že částice zůstávají dokonale kulaté, ale tato práce ukazuje, že tento předpoklad za extrémních podmínek již neplatí.

Roztavené částice narušovaly okolní proudění vzduchu silněji než pevné částice, což generovalo větší oblasti turbulence a přenosu energie. Vylepšené modelování pomůže inženýrům navrhovat spolehlivější pohonné systémy a lépe předpovídat opotřebení materiálů uvnitř raketových motorů. Pochopení chování těchto částic v extrémních podmínkách je nezbytné pro zlepšení přesnosti budoucích leteckých simulací a vývoj odolnějších vysokorychlostních technologií. Zjištění by se mohla uplatnit také při atmosférickém návratu, v energetických systémech a dalších vysokoteplotních průmyslových procesech zahrnujících nanočástice.