Raketmotorer innehåller begränsade förbränningssystem, som huvudsakligen är förbränningskammare. I dessa kammare, olinjära interaktioner mellan turbulent bränsle och oxidationsflöden, ljudvågor, och värme som produceras från kemiska reaktioner orsakar ett instabilt fenomen som kallas "förbränningsoscillationer". Kraften från dessa oscillationer på förbränningskammarens kropp – den mekaniska påfrestningen på kammaren – är tillräckligt hög för att hota katastrofala motorfel. Vad orsakar dessa svängningar? Svaret återstår att hitta.

Nu, i ett genombrott, publiceras i Vätskors fysik , ett team inklusive prof. Hiroshi Gotoda, Satomi Shima, och herr Kosuke Nakamura från Tokyo University of Science (TUS), i samarbete med Dr Shingo Matsuyama och Dr Yuya Ohmichi från Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), har använt avancerade tidsserieanalyser baserade på komplexa system för att ta reda på det.

Förklara deras arbete, Professor Gotoda säger, "Vårt huvudsyfte var att avslöja den fysiska mekanismen bakom bildandet och upprätthållandet av högfrekventa förbränningsoscillationer i en cylindrisk brännare med hjälp av sofistikerade analytiska metoder inspirerade av symbolisk dynamik och komplexa nätverk."

Förbränningsmaskinen som forskarna valde att simulera är en modell av raketmotorer. De kunde lokalisera övergångsögonblicket från stabilt förbränningstillstånd till förbränningsoscillationer och visualisera det. De fann att betydande periodiska flödeshastighetsfluktuationer i bränsleinjektorn påverkar antändningsprocessen, vilket resulterar i förändringar av värmeutsläppshastigheten. Värmeavgivningshastighetsfluktuationerna synkroniseras med tryckfluktuationerna inuti brännaren, och hela cykeln fortsätter i en serie återkopplingsslingor som upprätthåller förbränningsoscillationer.

Dessutom, genom att överväga ett rumsligt nätverk av fluktuationer i tryck och värmeutsläppshastighet, forskarna fann att kluster av akustiska kraftkällor med jämna mellanrum bildas och kollapsar i brännkammarens skjuvskikt nära insprutningsrörets kant, ytterligare hjälpa till att driva förbränningsoscillationerna.

Dessa fynd ger rimliga svar på varför förbränningsoscillationer uppstår, även om det är specifikt för flytande raketmotorer. Prof. Gottoda förklarar, "Förbränningssvängningar kan orsaka dödlig skada på brännare i raketmotorer, flygmotorer, och gasturbiner för elproduktion. Därför, förståelse av mekanismen för bildande av förbränningsoscillationer är ett viktigt forskningsämne. Våra resultat kommer i hög grad att bidra till vår förståelse av mekanismen för förbränningsoscillationer som genereras i flytande raketmotorer. "

Verkligen, dessa fynd är betydande och kan förväntas öppna dörrar till nya prospekteringsvägar för att förhindra förbränningsoscillationer i kritiska motorer.