Các thanh nhiên liệu tổng hợp tại phòng thí nghiệm đốt cháy của NRL ở Chesapeake Beach, Maryland, được sử dụng để thử nghiệm đốt giống với điều kiện hoạt động SFRJ]

Ramjet nhiên liệu rắn là gì và tại sao quan trọng

Khác với động cơ tên lửa truyền thống mang cả nhiên liệu lẫn chất oxy hóa bên trong, SFRJ là một loại động cơ hít không khí từ môi trường để đốt cháy nhiên liệu rắn. Nhờ đó, động cơ có thể chứa nhiều nhiên liệu hơn trong cùng không gian, giúp gia tăng tầm bay lên đến 200–300 % so với động cơ tên lửa có cùng kích thước.

Tuy nhiên, việc hiểu và dự đoán chính xác những quá trình xảy ra trong buồng đốt — nơi có nhiệt độ cực cao và các dòng khí phức tạp — luôn là một thách thức lớn, vì các cảm biến truyền thống không thể sống sót trong môi trường khắc nghiệt này.

Kỹ thuật mới giúp “nhìn thấy” buồng đốt động cơ

Để giải quyết điểm mù này, nhóm nghiên cứu sử dụng các phương pháp chẩn đoán bằng quang học đặc biệt, cho phép họ đo nhiệt độ ngọn lửa, các thành phần khí và dòng chảy ngay trong buồng đốt — điều mà trước đây rất khó thực hiện.

Việc quan sát trực tiếp giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn cơ chế phân hủy nhiên liệu rắn thành khí và cách các phân tử khí đó hòa trộn với không khí để duy trì phản ứng cháy. Đây là một quá trình phức tạp khi nhiệt lượng từ ngọn lửa phản hồi trực tiếp lên bề mặt nhiên liệu, tạo thành một vòng lặp nhiệt-hóa-khí động liên tục.

Xác định tốc độ cháy nhiên liệu và mô phỏng nâng cao

Một yếu tố rất quan trọng để điều khiển và tối ưu hiệu suất của SFRJ là tốc độ giãn bề mặt nhiên liệu trong quá trình cháy (gọi là fuel regression). Nhóm đã kết hợp giữa dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng số chi tiết để hiểu rõ hơn phản ứng nhiệt ảnh hưởng như thế nào đến nhiên liệu — điều này giúp mô hình dự đoán trở nên chính xác hơn.

Các mô phỏng như RANS, DES và LES được sử dụng với độ chính xác tăng dần, trong đó LES mang lại hình ảnh chi tiết nhất về dòng khí và sự chuyển động không đều của dòng chảy trong buồng đốt, dù chi phí tính toán cao hơn.

Quan sát sớm hơi nhiên liệu trước khi cháy

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu còn có thể quan sát được hơi nhiên liệu thoát ra từ bề mặt rắn trước khi nó bốc cháy, cho thấy các khí hydrocarbon phức tạp hình thành và trộn lẫn với không khí trước khi quá trình cháy diễn ra. Loại nhiên liệu rắn phổ biến trong nghiên cứu này là HTPB, một polymer dài thường phân hủy thành nhiều loại khí khác nhau khi nóng lên.

Thêm nhiên liệu composite để tăng mật độ năng lượng

Bên cạnh việc đo lường và mô phỏng, nhóm còn nghiên cứu nhiên liệu composite pha trộn các hạt kim loại vào polymer để tăng mật độ năng lượng tổng thể. Khi những hạt kim loại này được giải phóng và cháy trong ngọn lửa, chúng có thể cung cấp thêm năng lượng cho quá trình đốt, giúp tăng hiệu suất tấn công và tầm hoạt động cho hệ thống.

Giảm rủi ro, tăng tốc phát triển

Những công nghệ chẩn đoán mới này biến quá trình cháy trong SFRJ trở nên có thể đo lường và dự đoán thay vì chỉ dựa vào phỏng đoán và thử-sai như trước. Với các mô hình đã được kiểm chứng, các nhà thiết kế có thể thu hẹp các phiên bản thử nghiệm trong mô phỏng trước khi tiến hành thử nghiệm thật, từ đó giảm thời gian và chi phí phát triển.

Hiện tại, nhóm đang tiếp tục mở rộng nghiên cứu từ mô hình nhỏ trong phòng thí nghiệm sang các cấu hình lớn hơn và sát với điều kiện thực tế hơn, nhằm đảm bảo rằng những kết quả quan sát được trong phòng thí nghiệm có thể áp dụng cho các hệ thống đẩy thực sự.