Детонационные двигатели. Успехи и перспективы

30.07.2019

Освоение космического пространства невольно ассоциируется с космическими кораблями. Сердцем любой ракеты-носителя является ее двигатель. Он должен развить первую космическую скорость - около 7,9 км/с, чтобы доставить космонавтов на орбиту, и вторую космическую, чтобы преодолеть поле тяготения планеты.

Добиться этого непросто, но ученые постоянно ищут новые пути решения этой задачи. Конструкторы из России шагнули еще дальше и сумели разработать детонационный ракетный двигатель, испытания которого завершились успехом. Это достижение можно назвать настоящим прорывом в области космического машиностроения.

Новые возможности

Почему на детонационные двигатели возлагают большие надежды? По расчетам ученых, их мощность будет в 10 тыс. раз больше, чем мощность существующих ракетных двигателей. При этом они будут потреблять гораздо меньше топлива, а их производство отличится низкой стоимостью и рентабельностью. С чем это связано?

Все дело в реакции окисления горючего. Если в современных ракетах используется процесс дефлаграции - медленное (дозвуковое) горение топлива при постоянном давлении, то детонационный ракетный двигатель функционирует за счет взрыва, детонации горючей смеси. Она сгорает со сверхзвуковой скоростью с выделением огромного количества тепловой энергии одновременно с распространением ударной волны.

Разработкой и испытанием российского варианта детонационного двигателя занималась специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» в составе производственного комплекса «Энергомаш».

Превосходство новых двигателей

Изучением и разработкой детонационных двигателей занимаются ведущие мировые ученые на протяжении 70 лет. Основной причиной, препятствующей созданию этого типа двигателей, является неконтролируемое самовозгорание топлива. Кроме того, на повестке дня стояли задачи по эффективному смешиванию горючего и окислителя, а также интеграции сопла и воздухозаборника.

Решив эти задачи, удастся создать детонационный ракетный двигатель, который по своим техническим характеристикам обгонит время. При этом ученые называют такие его преимущества:

Способность развивать скорости в дозвуковом и гиперзвуковом диапазонах.
Исключение из конструкции многих движущихся частей.
Более низкая масса и стоимость силовой установки.
Высокая термодинамическая эффективность.

Серийно данный тип двигатель не производился. Впервые был испытан на низколетящих самолетах в 2008 году. Детонационный двигатель для ракет-носителей был впервые испытан российскими учеными. Именно поэтому данному событию отводится столь большое значение.

Принцип работы: импульсный и непрерывный

В настоящее время ученые ведут разработку установок с импульсным и непрерывным рабочим процессом. Принцип работы детонационного ракетного двигателя с импульсной схемой работы основан на циклическом заполнении камеры сгорания горючей смесью, последовательном ее воспламенении и выбросе продуктов сгорания в окружающую среду.

Соответственно, при непрерывном рабочем процессе топливо подается в камеру сгорания непрерывно, горючее сгорает в одной или нескольких детонационных волнах, которые непрерывно циркулируют поперек потока. Преимуществами таких двигателей являются:

Однократное зажигание топлива.
Относительно простая конструкция.
Небольшие габариты и масса установок.
Более эффективное использование горючей смеси.
Низкий уровень производимого шума, вибрации и вредных выбросов.

В перспективе, используя данные преимущества, детонационный жидкостный ракетный двигатель непрерывной схемы работы вытеснит все существующие установки благодаря своим массо-габаритным и стоимостным характеристикам.

Испытания детонационного двигателя

Первые испытания отечественной детонационной установки прошли в рамках проекта, учрежденного Министерством образования и науки. В качестве опытного образца был представлен небольшой двигатель с камерой сгорания диаметром 100 мм и шириной кольцевого канала в 5 мм. Испытания проводились на специальном стенде, фиксировались показатели при работе на различных видах горючей смеси - водород-кислород, природный газ-кислород, пропан-бутан-кислород.

Испытания детонационного ракетного двигателя на кислородно-водородном топливе доказали, что термодинамический цикл этих установок на 7 % эффективнее, чем при работе других установок. Кроме того, было экспериментально подтверждено, что с увеличением количества подаваемого горючего увеличивается и тяга, а также количество детонационных волн и частота вращения.

Аналоги в других странах

Разработкой детонационных двигателей занимаются ученые ведущих стран мира. Наибольших успехов в этом направлении достигли конструкторы из США. В своих моделях они реализовали непрерывный способ работы, или ротационный. Американские военные планируют использовать данные установки для оснащения надводных кораблей. Благодаря меньшей массе и небольшим размерам при высокой выдаваемой мощности они помогут увеличить эффективность боевых катеров.

Стехиометрическую смесь водорода и кислорода использует для своей работы американский детонационный ракетный двигатель. Преимущества такого источника энергии в первую очередь экономические - кислорода сгорает ровно столько, сколько того требуется для окисления водорода. Сейчас для обеспечения военных кораблей углеродным топливом правительство США тратит несколько миллиардов долларов. Стехиометрическое горючее снизит расходы в несколько раз.

Дальнейшие направления разработки и перспективы

Новые данные, полученные в результате испытаний детонационных двигателей, определили применение принципиально новых методов построения схемы работы на жидком топливе. Но для функционирования такие двигатели должны иметь высокую жаропрочность ввиду большого количества выделяемой тепловой энергии. В настоящий момент ведется разработка особого покрытия, которое обеспечит работоспособность камеры сгорания под высокотемпературным воздействием.

Особое место в дальнейших исследованиях занимает создание смесительных головок, с помощью которых можно будет получить капли горючего материала заданного размера, концентрации и состава. По решению данных вопросов будет создан новый детонационный жидкостный ракетный двигатель, который станет основой нового класса ракет-носителей.

В конце января появились сообщения о новых успехах российской науки и техники. Из официальных источников стало известно, что один из отечественных проектов перспективного реактивного двигателя детонационного типа уже прошел стадию испытаний . Это приближает момент полного завершения всех требуемых работ, по результатам которых космические или военные ракеты российской разработки смогут получить новые силовые установки с повышенными характеристиками. Более того, новые принципы работы двигателей могут найти применение не только в сфере ракет, но и в других областях.

В последних числах января вице-премьер Дмитрий Рогозин рассказал отечественной прессе о последних успехах научно-исследовательских организаций. Среди прочих тем он затронул процесс создания реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Перспективный двигатель с детонационным горением уже был доведен до испытаний. По словам вице-премьера, применение новых принципов работы силовой установки позволяет получить значительный прирост характеристик. В сравнении с конструкциями традиционной архитектуры наблюдается рост тяги порядка 30% .

Схема детонационного ракетного двигателя

Современные ракетные двигатели разных классов и типов, эксплуатируемые в различных областях, используют т.н. изобарический цикл или дефлаграционное горение . В их камерах сгорания поддерживается постоянное давление, при котором происходит медленное горение топлива. Двигатель на дефлаграционных принципах не нуждается в особо прочных агрегатах, однако ограничен в максимальных показателях. Повышение основных характеристик, начиная с определенного уровня, оказывается неоправданно сложным.

Альтернатива двигателю с изобарическим циклом в контексте повышения характеристик – система с т.н. детонационным горением. В таком случае реакция окисления горючего происходит за ударной волной, с высокой скоростью перемещающейся по камере сгорания . Это предъявляет особые требования к конструкции двигателя, но при этом дает очевидные преимущества. С точки зрения эффективности сгорания топлива детонационное горение на 25% лучше дефлаграционного. Также отличается от горения с постоянным давлением увеличенной мощностью тепловыделения с единицы площади поверхности фронта реакции. В теории, возможно повышение этого параметра на три-четыре порядка. Как следствие, скорость реактивных газов можно увеличить в 20-25 раз .

Таким образом, детонационный двигатель, отличаясь повышенным коэффициентом полезного действия, способен развивать большую тягу при меньшем расходе топлива . Его преимущества перед традиционными конструкциями очевидны, однако до недавнего времени прогресс в этой области оставлял желать лучшего. Принципы детонационного реактивного двигателя были сформулированы еще в 1940 году советским физиком Я.Б. Зельдовичем, но готовые изделия подобного рода все еще не дошли до эксплуатации. Главные причины отсутствия реальных успехов – проблемы с созданием достаточно прочной конструкции, а также сложность запуска и последующего поддержания ударной волны при применении существующих топлив.

Один из последних отечественных проектов в области детонационных ракетных двигателей стартовал в 2014 году и разрабатывается в НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко. Согласно доступным данным, целью проекта с шифром «Ифрит» являлось изучение основных принципов новой техники с последующим созданием жидкостного ракетного двигателя, использующего керосин и газообразный кислород. В основу нового двигателя, названного по имени огненных демонов из арабского фольклора, укладывался принцип спинового детонационного горения. Таким образом, в соответствии с основной идеей проекта, ударная волна должна непрерывно перемещаться по кругу внутри камеры сгорания.

Головным разработчиком нового проекта стало НПО «Энергомаш», а точнее созданная на его базе специальная лаборатория. Кроме того, к работам привлекли несколько других научно-исследовательских и проектных организаций. Программа получила поддержку Фонда перспективных исследований. Совместными усилиями все участники проекта «Ифрит» смогли сформировать оптимальный облик перспективного двигателя, а также создать модельную камеру сгорания с новыми принципами работы.

Для изучения перспектив всего направления и новых идей несколько лет назад была построена т.н. модельная детонационная камера сгорания, соответствующая требованиям проекта. Такой опытный двигатель с сокращенной комплектацией должен был использовать в качестве горючего жидкий керосин. В качестве окислителя предлагался газообразный водород. В августе 2016 года начались испытания опытной камеры. Важно, что впервые в истории проект подобного рода удалось довести до стадии стендовых проверок . Ранее отечественные и зарубежные детонационные ракетные двигатели разрабатывались, но не испытывались.

В ходе испытаний модельного образца удалось получить весьма интересные результаты, показывающие правильность использованных подходов. Так, за счет использования правильных материалов и технологий получилось довести давление внутри камеры сгорания до 40 атмосфер. Тяга опытного изделия достигла 2 т .

Модельная камера на испытательном стенде

В рамках проекта «Ифрит» были получены определенные результаты, но отечественный детонационный двигатель на жидком топливе пока еще далек от полноценного практического применения. Перед внедрением такого оборудования в новые проекты техники конструкторам и ученым предстоит решить целый ряд самых серьезных задач. Только после этого ракетно-космическая отрасль или оборонная промышленность смогут приступить к реализации потенциала новой техники на практике.

В середине января «Российская газета» опубликовала интервью с главным конструктором НПО «Энергомаш» Петром Левочкиным, темой которого стало текущее положение дел и перспективы детонационных двигателей. Представитель предприятия-разработчика напомнил об основных положениях проекта, а также затронул тему достигнутых успехов. Кроме того, он рассказал о возможных сферах применения «Ифрита» и подобных ему конструкций.

К примеру, детонационные двигатели могут использоваться в гиперзвуковых летательных аппаратах . П. Левочкин напомнил, что двигатели, сейчас предлагаемые для применения на такой технике, используют дозвуковое горение. При гиперзвуковой скорости аппарата полета поступающий в двигатель воздух необходимо затормозить до звукового режима. Однако энергия торможения должна приводить к дополнительным тепловым нагрузкам на планер. В детонационных двигателях скорость горения топлива достигает, как минимум, М=2,5. Благодаря этому появляется возможность повысить скорость полета летательного аппарата. Подобная машина с двигателем детонационного типа сможет разгоняться до скоростей, в восемь раз превышающих скорость звука .

Впрочем, реальные перспективы ракетных двигателей детонационного типа пока не слишком велики. По словам П. Левочкина, мы «только приоткрыли дверь в область детонационного горения». Ученым и конструкторам предстоит изучить множество вопросов, и только после этого можно будет заниматься созданием конструкций с практическим потенциалом. Из-за этого космической отрасли еще долго предстоит использовать жидкостные двигатели традиционной конструкции, что, однако, не отменяет возможности их дальнейшего совершенствования.

Интересен тот факт, что детонационный принцип горения находит применение не только в сфере ракетных двигателей. Уже существует отечественный проект авиационной системы с камерой сгорания детонационного типа, работающей по импульсному принципу . Опытный образец такого рода был доведен до испытаний, и в будущем может дать старт новому направлению. Новые двигатели с детонационным горением могут найти применение в самых разных сферах и частично заменить газотурбинные или турбореактивные двигатели традиционных конструкций.

Отечественный проект детонационного авиационного двигателя разрабатывается в ОКБ им. А.М. Люльки. Информация об этом проекте впервые была представлена на прошлогоднем международном военно-техническом форуме «Армия-2017». На стенде предприятия-разработчика присутствовали материалы по различным двигателям, как серийным, так и находящимся на стадии разработки. Среди последних был перспективный детонационный образец.

Суть нового предложения заключается в применении нестандартной камеры сгорания, способной осуществлять импульсное детонационное горение топлива в воздушной атмосфере. При этом частота «взрывов» внутри двигателя должна достигать 15-20 кГц. В перспективе возможно дополнительное увеличение этого параметра, в результате чего шум двигателя уйдет за пределы диапазона, воспринимаемого человеческим ухом. Такие особенности двигателя могут представлять определенный интерес.

Первый запуск опытного изделия «Ифрит»

Однако главные преимущества новой силовой установки связаны с повышенными характеристиками. Стендовые испытания опытных изделий показали, что они примерно на 30% превосходят традиционные газотурбинные двигатели по удельным показателям. Ко времени первой публичной демонстрации материалов по двигателю ОКБ им. А.М. Люльки смогло получить и достаточно высокие эксплуатационные характеристики. Опытный двигатель нового типа смог без перерыва проработать 10 минут. Суммарная наработка этого изделия на стенде на тот момент превысила 100 часов.

Представители предприятия-разработчика указывали, что уже сейчас можно создать новый детонационный двигатель с тягой 2-2,5 т, пригодный для установки на легкие самолеты или беспилотные летательные аппараты. В конструкции такого двигателя предлагается использовать т.н. резонаторные устройства, отвечающие за правильный ход горения топлива. Важным преимуществом нового проекта является принципиальная возможность установки таких устройств в любом месте планера .

Специалисты ОКБ им. А.М. Люльки работают над авиационными двигателями с импульсным детонационным горением более трех десятилетий, но пока проект не выходит из научно-исследовательской стадии и не имеет реальных перспектив. Главная причина – отсутствие заказа и необходимого финансирования. Если проект получит необходимую поддержку, то уже в обозримом будущем может быть создан образец двигателя, пригодный для использования на различной технике.

К настоящему времени российские ученые и конструкторы успели показать весьма примечательные результаты в области реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Существует сразу несколько проектов, пригодных для применения в ракетно-космической и гиперзвуковой областях. Кроме того, новые двигатели могут применяться и в «традиционной» авиации. Некоторые проекты пока находятся на ранних стадиях и еще не готовы к проверкам и другим работам, тогда как в иных направлениях уже были получены самые примечательные результаты.

Исследуя тематику реактивных двигателей с детонационным горением, российские специалисты смогли создать стендовый модельный образец камеры сгорания с желаемыми характеристиками. Опытное изделие «Ифрит» уже прошло испытания, в ходе которых было собрано большое количество разнообразной информации. С помощью полученных данных развитие направления будет продолжаться.

Освоение нового направления и перевод идей в практически применимую форму займет немало времени, и по этой причине в обозримом будущем космические и армейские ракеты в обозримом будущем будут комплектоваться только традиционными жидкостными двигателями. Тем не менее, работы уже вышли из чисто теоретической стадии, и теперь каждый тестовый запуск опытного двигателя приближает момент строительства полноценных ракет с новыми силовыми установками.

По материалам сайтов:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/

Экология потребления.Наука и техника:В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива.

В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет.

Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания», опубликованной в «Журнале технической физики» еще в 1940 году. С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот важный приоритет в мировой истории техники закрепила за собой Россия. В последние годы чем-то подобным нашей стране удается похвастать не часто.

На гребне волны

В чем же состоят преимущества детонационного двигателя? В традиционных ЖРД, как, впрочем, и в обычных поршневых или турбореактивных авиадвигателях, используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания ЖРД при этом образуется стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия горючего и окислителя температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу.

Детонация - это тоже горение, но происходит оно в 100 раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. Этот процесс идет так быстро, что детонацию часто путают со взрывом, тем более что при этом выделяется столько энергии, что, к примеру, автомобильный мотор при возникновении этого явления в его цилиндрах и в самом деле может разрушиться. Однако детонация - это не взрыв, а вид горения столь стремительного, что продукты реакции даже не успевают расшириться, поэтому этот процесс, в отличие от дефлаграции, идет при постоянном объеме и резко возрастающем давлении.

На практике это выглядит следующим образом: вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси внутри камеры сгорания формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация смеси горючего и окислителя, а это процесс с термодинамической точки зрения куда более эффективный, чем обычное сжигание топлива. КПД детонационного сгорания на 25–30% больше, то есть при сжигании одинакового количества топлива получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационный двигатель по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.

Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Ведь тот застой, который сейчас возник в развитии мировой космонавтики, на полвека застрявшей на околоземной орбите, в первую очередь связан с кризисом ракетного двигателестроения. В кризисе, кстати, находится и авиация, не способная перешагнуть порог трех скоростей звука. Этот кризис можно сравнить с ситуацией в поршневой авиации в конце 1930-х годов. Винт и двигатель внутреннего сгорания исчерпали свой потенциал, и только появление реактивных двигателей позволило выйти на качественно новый уровень высот, скоростей и дальности полетов.

Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей. Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах - на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты-носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России. Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на экологические проблемы. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество.
ГРЭС в миниатюре

Обычный ЖРД - это, в принципе, большая горелка. Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания. При этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.

К примеру, у самого мощного в мире ЖРД РД-170, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» тем же НПО «Энергия», давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много. Но давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 МВт! Только представьте себе это: колесо турбины диаметром 0,4 м развивает мощность, в четыре раза большую, чем атомный ледокол «Арктика» с двумя ядерными реакторами! При этом ТНА - это сложное механическое устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, а работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу-хау «Энергомаша», обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах-носителях Atlas V и Antares. Альтернативы российским двигателям в США пока нет.

Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.

Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского «Шаттла» (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением... 10 атм. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД - все равно что велосипедный насос рядом Саяно-Шушенской ГРЭС.

То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Так почему же эта простота в течение 70 лет не давалась в руки конструкторам?
Главная проблема, которая встала перед инженерами, - как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация - это не просто взрывная волна, а кое-что похитрее. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью - до 2500 м/с. Она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер: после каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.

Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией. Именно в применении пульсирующих реактивных двигателей пытались найти альтернативу поршневым моторам в 1930-е годы. Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000˚С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива.

Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия). Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В.В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике. Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для «оружия возмездия» - крылатой бомбы «Фау-1». Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.

Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе. Удельные характеристики ПуВРД из-за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940-х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.

Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.

Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500‒2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.

Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя-демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long-EZ. В историческом полете двигатель проработал... 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.

Между тем уже давно была придумана другая, гораздо более перспективная схема

Как белка в колесе

Мысль закольцевать детонационную волну и заставить ее бегать в камере сгорания как белка в колесе родилась у ученых в начале 1960-х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.

Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

В СССР, как и в США, работы над ротационным детонационным двигателем шли с начала 1960-х годов, но опять же при кажущейся простоте идеи ее реализация потребовала решения головоломных теоретических вопросов. Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико-химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне, на стыке химии и квантовой физики. Процессы эти более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер уже давно работает, а детонационный двигатель - нет. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку - физико-химическую кинетику, которой 50 лет назад еще не существовало. А для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся, потребовались мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонации.

Активные работы в этом направлении ведутся в Соединенных Штатах. Этими исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, NASA. К примеру, в научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.

В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО «Энергомаш» - ведущая двигателестроительная компания российской космической промышленности, со многим предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но для того чтобы вершина айсберга этой работы засверкала под солнцем в виде успешного испытания, потребовалось организационное и финансовое участие небезызвестного Фонда перспективных исследований (ФПИ). Именно ФПИ выделил необходимые средства для создания в 2014 году специализированной лаборатории «Детонационные ЖРД». Ведь несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России «слишком перспективной», чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко.

Укрощение строптивой

Хочется верить, что после всего сказанного выше становится понятна та титаническая работа, которая проглядывает между строк краткого сообщения об испытаниях, прошедших на «Энергомаше» в Химках в июле - августе 2016 года: «Впервые в мире был зарегистрирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации поперечных детонационных волн частотой около 20 кГц (частота вращения волны - 8 тысяч оборотов в секунду) на топливной паре „кислород - керосин“. Удалось добиться получения нескольких детонационных волн, уравновешивавших вибрационные и ударные нагрузки друг друга. Специально разработанные в центре имени М. В. Келдыша теплозащитные покрытия помогли справиться с высокими температурными нагрузками. Двигатель выдержал несколько пусков в условиях экстремальных вибронагрузок и сверхвысоких температур при отсутствии охлаждения пристеночного слоя. Особую роль в этом успехе сыграло создание математических моделей и топливных форсунок, позволявших получать смесь необходимой для возникновения детонации консистенции».

Разумеется, не стоит преувеличивать значение достигнутого успеха. Создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал относительно недолго, и о его реальных характеристиках ничего не сообщается. По информации НПО «Энергомаш», детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс тяги должен увеличиться на 10–15%.

Но главный результат состоит в том, что практически подтверждена возможность организации детонационного горения в ЖРД. Однако путь до использования этой технологии в составе реальных летательных аппаратов предстоит еще долгий. Другой важный аспект заключается в том, что еще один мировой приоритет в области высоких технологий отныне закреплен за нашей страной: впервые в мире полноразмерный детонационный ЖРД заработал именно в России, и этот факт останется в истории науки и техники. опубликовано

Пока всё прогрессивное человечество из стран НАТО готовится приступить к испытаниям детонационного двигателя (испытания могут случиться в 2019 году (а скорее значительно позже)), в отсталой России объявили о завершении испытаний такого двигателя.

Объявили совершенно спокойно и никого не пугая. Но на Западе ожидаемо испугались и начался истерический вой – мы отстанем на всю оставшуюся жизнь. Работы над детонационным двигателем (ДД) ведутся в США, Германии, Франции и Китае. В общем, есть основания полагать, что решение проблемы интересует Ирак и Северную Корею – уж очень перспективная наработка, которая фактически означает новый этап в ракетостроении. И вообще в двигателестроении.

Идея детонационного двигателя впервые была озвучена в 1940 году советским физиком Я.Б. Зельдовичем. И создание такого двигателя сулило огромные выгоды. Для ракетного двигателя, например,:

В 10 000 раз повышается мощность по сравнению с обычным ЖРД. В данном случае мы говорим о мощности, получаемой с единицы объёма двигателя;
В 10 раз меньше топлива на единицу мощности;
ДД просто существенно (в разы) дешевле стандартного ЖРД.

Жидкостный ракетный двигатель – это такая большая и очень дорогая горелка. А дорогая потому, что для поддержания устойчивого горения требуется большое количество механических, гидравлических, электронных и других механизмов. Очень сложное производство. Настолько сложное, что США уже много лет не могут создать свой ЖРД и вынуждены закупать в России РД-180.

Россия очень скоро получит серийный надёжный недорогой лёгкий ракетный двигатель. Со всеми вытекающими последствиями:

ракета может нести в разы большее количество полезной нагрузки – сам двигатель весит существенно меньше, топлива нужно в 10 раз меньше на заявленную дальность полёта. А можно эту дальность просто в 10 раз увеличить;

себестоимость ракеты снижается кратно. Это хороший ответ для любителей организовать гонку вооружения с Россией.

А ещё есть дальний космос… Открываются просто фантастические перспективы по его освоению.

Впрочем, американцы правы и сейчас не до космоса – уже готовятся пакеты санкций, чтобы детонационный двигатель в России не случился. Мешать будут изо всех сил – уж больно серьёзную заявку на лидерство сделали наши учёные.

07 Фев 2018 Метки: 2311

Обсуждение: 3 комментария

* В 10 000 раз повышается мощность по сравнению с обычным ЖРД. В данном случае мы говорим о мощности, получаемой с единицы объёма двигателя;
В 10 раз меньше топлива на единицу мощности;
—————
как-то не вяжется с другими публикациями:
«В зависимости от конструкции он может превосходить оригинальный ЖРД по КПД от 23-27% для типовой конструкции с расширяющимся соплом, вплоть до 36-37% прироста в КВРД (клиновоздушные ракетные двигатели)
Они способны изменять давление истекающей газовой струи в зависимости от атмосферного давления, и экономить до 8-12% топлива на всём участке выведения конструкции (Основная экономия происходит на малых высотах, где она доходит до 25-30%).»

Рассмотрена проблема разработки ротационных детонационных двигателей. Представлены основные типы таких двигателей: ротационный детонационный двигатель Николса, двигатель Войцеховского. Рассмотрены основные направления и тенденции развития конструкции детонационных двигателей. Показано, что современные концепции ротационного детонационного двигателя не могут в принципе привести к созданию работоспособной конструкции, превосходящей по своим характеристикам существующие воздушно-реактивные двигатели. Причиной является стремление конструкторов объединить в один механизм генерацию волны, горение топлива и эжекцию топлива и окислителя. В результате самоорганизации ударно-волновых структур детонационное горение осуществляется в минимальном, а не максимальном объеме. Реально достигнутый сегодня результат – детонационное горение в объеме, не превышающем 15 % объема камеры сгорания. Выход видится в ином подходе – сначала создается оптимальная конфигурация ударных волн, а уже затем в эту систему подаются компоненты топлива и организуется оптимальное детонационное горение в большом объеме.

детонационный двигатель

ротационный детонационный двигатель

двигатель Войцеховского

круговая детонация

спиновая детонация

импульсный детонационный двигатель

1. Войцеховский Б.В., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е., Структура фронта детонации в газах. – Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1963.

2. Усков В.Н., Булат П.В. О задаче проектирования идеального диффузора для сжатия сверхзвукового потока // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 6 (ч. 1). – С. 178–184.

3. Усков В.Н., Булат П.В., Продан Н.В. История изучения нерегулярного отражения скачка уплотнения от оси симметрии сверхзвуковой струи с образованием диска Маха // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9 (ч. 2). – С. 414–420.

4. Усков В.Н., Булат П.В., Продан Н.В. Обоснование применения модели стационарной Маховской конфигурации к расчету диска Маха в сверхзвуковой струе // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11 (ч. 1). – С. 168–175.

5. Щелкин К.И. Неустойчивость горения и детонации газов // Успехи физических наук. – 1965. – Т. 87, вып. 2.– С. 273–302.

6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Intermittent Detonation as a Trust-Producing Mechanism // Jet Propulsion. – 1957. – № 21. – P. 534–541.

Ротационные детонационные двигатели

Все виды ротационных детонационных двигателей (RDE) роднит то, что система подачи топлива объединена с системой сжигания топлива в детонационной волне, но дальше все работает, как в обычном реактивом двигателе - жаровая труба и сопло. Именно этот факт и инициировал такую активность на ниве модернизации газотурбинных двигателей (ГТД). Представляется привлекательным заменить в ГТД только смесительную головку и систему розжига смеси. Для этого нужно обеспечить непрерывность детонационного горения, например, запустив волну детонации по кругу. Одним из первых такую схему предложил Николс в 1957 г. , а затем развил ее и в середине 60-х годов провел серию экспериментов с вращающейся детонационной волной (рис. 1).

Регулируя диаметр камеры и толщину кольцевого зазора, для каждого вида топливной смеси можно подобрать такую геометрию, что детонация будет устойчивой. На практике соотношения величины зазора и диаметра двигателя получаются неприемлемыми и регулировать скорость распространения волны приходится, управляя подачей топлива, о чем сказано ниже.

Так же как и в импульсных детонационных двигателях, круговая детонационная волна способна эжектировать окислитель, что позволяет использовать RDE при нулевых скоростях. Этот факт повлек за собой шквал экспериментальных и расчетных исследований RDE c кольцевой камерой сгорания и самопроизвольной эжекцией топливно-воздушной смеси, перечислять здесь которые не имеет никакого смысла. Все они построены примерно по одной схеме (рис. 2), напоминающей схему двигателя Николса (рис. 1).

Рис. 1. Схема организации непрерывной круговой детонации в кольцевом зазоре: 1 - детонационная волна; 2 - слой «свежей» топливной смеси; 3 - контактный разрыв; 4 - распространяющийся вниз по течению косой скачок уплотнения; D - направление движения детонационной волны

Рис. 2. Типичная схема RDE: V - скорость набегающего потока; V4 - скорость потока на выходе из сопла; а - свежая ТВС, b - фронт детонационной волны; c - присоединенный косой скачок уплотнения; d - продукты сгорания; p(r) - распределение давления на стенке канала

Разумной альтернативой схеме Николса могла бы стать установка множества топливно-окислительных форсунок, которые бы вспрыскивали топливно-воздушную сместь в область непосредственно перед детонационной волной по определенному закону с заданным давлением (рис. 3). Регулируя давление и скорость подачи топлива в область горения за детонационной волной, можно влиять на скорость ее распространения вверх по потоку. Данное направление является перспективным, но основная проблема в проектировании подобных RDE заключается в том, что повсеместно используемая упрощенная модель течения во фронте детонационного горения совершенно не соответствует реальности.

Рис. 3. RDE с регулируемой подачей топлива в область горения. Ротационный двигатель Войцеховского

Основные надежды в мире связываются с детонационными двигателями, работающими по схеме ротационного двигателя Войцеховского. В 1963 г. Б.В. Войцеховский по аналогии со спиновой детонацией разработал схему непрерывного сжигания газа за тройной конфигурацией ударных волн, циркулирующих в кольцевом канале (рис. 4).

Рис. 4. Схема Войцеховского непрерывного сжигания газа за тройной конфигурацией ударных волн, циркулирующих в кольцевом канале: 1 - свежая смесь; 2 - дважды сжатая смесь за тройной конфигурацией ударных волн, область детонации

В данном случае стационарный гидродинамический процесс с горением газа за ударной волной отличается от схемы детонации Чепмена-Жуге и Зельдовича-Неймана. Такой процесс вполне устойчив, его длительность определяется запасом топливной смеси и в известных экспериментах составляет несколько десятков секунд.

Схема детонационного двигателя Войцеховского послужила прототипом многочисленных исследований ротационных и спиновых детонационных двигателей, инициированных в последние 5 лет. На эту схему приходится более 85 % всех исследований. Всем им присущ один органический недостаток - зона детонации занимает слишком маленькую часть общей зоны горения, обычно не более 15 %. В результате удельные показатели двигателей получаются хуже, чем у двигателей традиционной конструкции.

О причинах неудач с реализацией схемы Войцеховского

Большинство работ по двигателям с непрерывной детонацией связано с развитием концепции Войцеховского. Несмотря на более чем 40-летнюю историю исследований, результаты фактически остались на уровне 1964 г. Доля детонационного горения не превышает 15 % от объема камеры сгорания. Остальное - медленное горение в условиях, далеких от оптимальных.

Одной из причин такого положения дел является отсутствие работоспособной методики расчета. Поскольку течение является трехмерным, а при расчете учитываются только законы сохранения количества движения на ударной волне в перпендикулярном к модельному фронту детонации направлении, то результаты расчета наклона ударных волн к потоку продуктов сгорания отличаются от экспериментально наблюдаемых более чем на 30 %. Следствием является то, что, несмотря на многолетние исследования различных систем подачи топлива и эксперименты по изменению соотношения компонентов топлива, все, что удалось сделать, - это создать модели, в которых детонационное горение возникает и поддерживается в течение 10-15 с. Ни об увеличении КПД, ни о преимуществах по сравнению с существующими ЖРД и ГТД речи не идет.

Проведенный авторами проекта анализ имеющихся схем RDE показал, что все предлагающиеся сегодня схемы RDE неработоспособны в принципе. Детонационное горение возникает и успешно поддерживается, но только в ограниченном объеме. В остальном объеме мы имеем дело с обычным медленным горением, причем за неоптимальной системой ударных волн, что приводит к значительным потерям полного давления. Кроме того, давление оказывается также ниже в разы, чем необходимо для идеальных условий горения при стехиометрическом соотношении компонентов топливной смеси. В результате удельный расход топлива на единицу тяги оказывается на 30-40 % выше, чем у двигателей традиционных схем.

Но самой главной проблемой является сам принцип организации непрерывной детонации. Как показали исследования непрерывной круговой детонации, выполненные еще в 60-е годы , , фронт детонационного горения представляет собой сложную ударно-волновую структуру, состоящую как минимум из двух тройных конфигураций (о тройных конфигурациях ударных волн . Такая структура с присоединенной зоной детонации, как и любая термодинамическая система с обратной связью, оставленная в покое, стремится занять положение, соответствующее минимальному уровню энергии. В результате тройные конфигурации и область детонационного горения подстраиваются друг под друга так, чтобы фронт детонации перемещался по кольцевому зазору при минимально возможном для этого объеме детонационного горения. Это прямо противоположно той цели, которую ставят перед детонационным горением конструкторы двигателей.

Для создания эффективного двигателя RDE необходимо решить задачу создания оптимальной тройной конфигурации ударных волн и организации в ней зоны детонационного сжигания. Оптимальные ударно-волновые структуры необходимо уметь создавать в самых разных технических устройствах, например, в оптимальных диффузорах сверхзвуковых воздухозаборников . Основная задача - максимально возможное увеличение доли детонационного горения в объеме камеры сгорания с неприемлемых сегодняшних 15 % до хотя бы 85 %. Существующие проекты двигателей, основанные на схемах Николса и Войцеховского, не могут обеспечить выполнения данной задачи.

Рецензенты:

Усков В.Н., д.т.н., профессор кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета, математико-механический факультет, г. Санкт-Петербург;

Емельянов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой плазмогазодинамики и теплотехники, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 14.10.2013.

Библиографическая ссылка

Булат П.В., Продан Н.В. ОБЗОР ПРОЕКТОВ ДЕТОНАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. РОТАЦИОННЫЕ ДЕТОНАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-8. – С. 1672-1675;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (дата обращения: 29.07.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»