Det krävs mycket bränsle för att skjuta upp något i rymden. Att skicka NASA:s rymdfärja i omloppsbana krävde mer än 3,5 miljoner pund bränsle, som är cirka 15 gånger tyngre än en blåval.

Men en ny typ av motor – kallad en roterande detonationsmotor – lovar att göra raketer inte bara mer bränslesnåla utan också lättare och mindre komplicerade att konstruera. Det finns bara ett problem:Just nu är den här motorn för oförutsägbar för att användas i en riktig raket.

Forskare vid University of Washington har utvecklat en matematisk modell som beskriver hur dessa motorer fungerar. Med denna information, ingenjörer kan, för första gången, utveckla tester för att förbättra dessa motorer och göra dem mer stabila. Teamet publicerade dessa fynd 10 januari in Fysisk granskning E .

"Det roterande detonationsmotorfältet är fortfarande i sin linda. Vi har massor av data om dessa motorer, men vi förstår inte vad som händer, " sa huvudförfattaren James Koch, en UW doktorand i flygteknik och astronautik. "Jag försökte omarbeta våra resultat genom att titta på mönsterformationer istället för att ställa en ingenjörsfråga – som hur man får den bästa motorn – och sedan bom, det visade sig att det fungerar."

En konventionell raketmotor fungerar genom att bränna drivmedel och sedan trycka ut det från baksidan av motorn för att skapa dragkraft.

"En roterande detonationsmotor tar en annan inställning till hur den förbränner drivmedel, " sa Koch. "Den är gjord av koncentriska cylindrar. Drivmedel flödar i gapet mellan cylindrarna, och, efter tändning, den snabba värmeavgivningen bildar en stötvåg, en kraftig gaspuls med betydligt högre tryck och temperatur som rör sig snabbare än ljudets hastighet.

"Denna förbränningsprocess är bokstavligen en detonation - en explosion - men bakom den här inledande uppstartsfasen, vi ser ett antal stabila förbränningspulser bildas som fortsätter att förbruka tillgängligt drivmedel. Detta ger högt tryck och hög temperatur som driver ut avgaserna på baksidan av motorn vid höga varvtal, som kan generera dragkraft."

Konventionella motorer använder mycket maskiner för att styra och kontrollera förbränningsreaktionen så att den genererar det arbete som krävs för att driva motorn. Men i en roterande detonationsmotor, stötvågen gör naturligtvis allt utan att behöva ytterligare hjälp från motordelar.

"De förbränningsdrivna stötarna komprimerar naturligt flödet när de färdas runt förbränningskammaren, " sa Koch. "Nackdelen med det är att dessa detonationer har ett eget sinne. När du detonerar något, det bara går. Det är så våldsamt."

För att försöka kunna beskriva hur dessa motorer fungerar, forskarna utvecklade först en experimentell roterande detonationsmotor där de kunde kontrollera olika parametrar, såsom storleken på gapet mellan cylindrarna. Sedan spelade de in förbränningsprocesserna med en höghastighetskamera. Varje experiment tog bara 0,5 sekunder att slutföra, men forskarna registrerade dessa experiment vid 240, 000 bilder per sekund så att de kunde se vad som hände i slow motion.

Därifrån, forskarna utvecklade en matematisk modell för att efterlikna vad de såg i videorna.

"Detta är den enda modellen i litteraturen som för närvarande kan beskriva den mångfaldiga och komplexa dynamiken hos dessa roterande detonationsmotorer som vi observerar i experiment, " sa medförfattaren J. Nathan Kutz, en UW professor i tillämpad matematik.

Modellen gjorde det möjligt för forskarna att för första gången avgöra om en motor av denna typ skulle vara stabil eller instabil. Det gjorde det också möjligt för dem att bedöma hur bra en specifik motor presterade.

"Det här nya tillvägagångssättet skiljer sig från konventionell visdom på området, och dess breda tillämpningar och nya insikter var en fullständig överraskning för mig, " sa medförfattaren Carl Knowlen, en UW forskningsdocent i flygteknik och astronautik.

Just nu är modellen inte riktigt redo för ingenjörer att använda.

"Mitt mål här var enbart att reproducera beteendet hos de pulser vi såg - för att se till att modellens utdata liknar våra experimentella resultat, " sade Koch. "Jag har identifierat den dominerande fysiken och hur de samspelar. Nu kan jag ta det jag har gjort här och göra det kvantitativt. Därifrån kan vi prata om hur man gör en bättre motor."