Изследването на космоса неволно се свързва с Космически кораби. Сърцето на всяка ракета носител е нейният двигател. Той трябва да развие първа космическа скорост - около 7,9 km/s, за да изведе астронавтите в орбита, и втора космическа скорост, за да преодолее гравитационното поле на планетата.
Това не е лесно да се постигне, но учените непрекъснато търсят нови начини за решаване на този проблем. Дизайнерите от Русия пристъпиха още по-далеч и успяха да разработят детонация ракетен двигател, чиито опити бяха успешни. Това постижение може да се нарече истински пробив в областта на космическото инженерство.
Нови възможности
Защо има големи надежди за детонационни двигатели? Според учените тяхната мощност ще бъде 10 хиляди пъти по-голяма от мощността на съществуващите ракетни двигатели. В същото време те ще консумират много по-малко гориво, а производството им се характеризира с ниска себестойност и рентабилност. С какво е свързано?
Всичко е свързано с окисляването на горивото. Ако съвременните ракети използват процеса на дефлаграция - бавно (дозвуково) изгаряне на гориво при постоянно налягане, тогава детонационният ракетен двигател функционира поради експлозия, детонация горима смес. Той гори със свръхзвукова скорост с отделяне на огромно количество топлинна енергия едновременно с разпространението на ударната вълна.
Разработката и тестването на руската версия на детонационния двигател е извършена от специализираната лаборатория „Детонация ЛРД“ в състава на производствения комплекс „Енергомаш“.
Превъзходство на новите двигатели
Водещите учени в света изучават и разработват детонационни двигатели в продължение на 70 години. Основната причина, възпрепятстваща създаването на този тип двигател, е неконтролираното спонтанно запалване на горивото. Освен това на дневен ред бяха задачите за ефективно смесване на гориво и окислител, както и интегрирането на дюзата и въздухозаборника.
След решаването на тези проблеми ще бъде възможно да се създаде детонационен ракетен двигател, който по свой собствен начин технически спецификацииизпреварва времето. В същото време учените наричат следните предимства:
- Възможност за развиване на скорост в дозвуковия и хиперзвуковия диапазон.
- Изключение от дизайна на много движещи се части.
- По-ниско тегло и цена електроцентрала.
- Висока термодинамична ефективност.
Серийно даден типдвигателят не е произведен. За първи път е тестван на нисколетящи самолети през 2008 г. Детонационен двигател за ракети-носители беше тестван за първи път от руски учени. Ето защо това събитие е от толкова голямо значение.
Принцип на работа: импулсен и непрекъснат
В момента учените разработват инсталации с импулсен и непрекъснат работен процес. Принципът на работа на детонационен ракетен двигател с импулсна веригаРаботата се основава на цикличното запълване на горивната камера с горима смес, нейното последователно запалване и изпускане на продукти от горенето в околната среда.
Съответно, при непрекъснат работен процес, горивото непрекъснато се подава към горивната камера, горивото изгаря в една или повече детонационни вълни, които непрекъснато циркулират през потока. Предимствата на такива двигатели са:
- Еднократно запалване на гориво.
- Сравнително прост дизайн.
- Малки размери и маса на инсталациите.
- По-ефективно използване на горимата смес.
- Ниско ниво на произвеждан шум, вибрации и вредни емисии.
В бъдеще, използвайки тези предимства, детонационен ракетен двигател с течно гориво с непрекъсната схема на работа ще замени всички съществуващи инсталации поради теглото, размерите и разходните си характеристики.
Тестове на детонационен двигател
Първите тестове на домашната детонационна инсталация са извършени по проект на Министерството на образованието и науката. представен като прототип малък двигателс горивна камера с диаметър 100 mm и ширина на пръстеновидния канал 5 mm. Тестовете бяха проведени на специален стенд, показателите бяха записани по време на работа различни видовегорима смес - водород-кислород, природен газ-кислород, пропан-бутан-кислород.
Тестовете на кислородно-водороден детонационен ракетен двигател доказаха, че термодинамичният цикъл на тези агрегати е със 7% по-ефективен от този на други агрегати. Освен това беше експериментално потвърдено, че с увеличаване на количеството подавано гориво се увеличава тягата, както и броят на детонационните вълни и скоростта на въртене.
Аналози в други страни
Разработването на детонационни двигатели се извършва от учени от водещи страни по света. Дизайнерите от САЩ са постигнали най-голям успех в тази посока. В своите модели те внедриха непрекъснат режим на работа или ротационен. Американската армия планира да използва тези инсталации за оборудване на надводни кораби. Поради по-малкото си тегло и малкия си размер с висока изходна мощност, те ще помогнат за повишаване на ефективността на бойните лодки.
Стехиометрична смес от водород и кислород се използва за работата си от американски детонационен ракетен двигател. Предимствата на такъв източник на енергия са преди всичко икономически - кислородът изгаря точно толкова, колкото е необходимо за окисляване на водорода. Сега правителството на САЩ харчи няколко милиарда долара, за да осигури на военните кораби въглеродно гориво. Стехиометричното гориво ще намали разходите няколко пъти.
По-нататъшни насоки на развитие и перспективи
Нови данни, получени в резултат на тестване на детонационни двигатели, определиха използването на принципно нови методи за конструиране на схема за работа с течно гориво. Но за да функционират, такива двигатели трябва да имат висока устойчивост на топлина поради голямото количество отделена топлинна енергия. В момента се разработва специално покритие, което ще осигури работоспособността на горивната камера при излагане на висока температура.
Специално място в по-нататъшните изследвания заема създаването на смесителни глави, с помощта на които ще бъде възможно да се получат капки от горим материал с определен размер, концентрация и състав. За решаването на тези проблеми ще бъде създаден нов детонационен ракетен двигател с течно гориво, който ще стане основата на нов клас ракети-носители.
В края на януари се появиха съобщения за нови успехи в руската наука и технологии. От официални източници стана известно, че един от вътрешните проекти на обещаващ детонационен реактивен двигател вече е преминал етапа на тестване. Това води до момента на пълно завършване на цялата необходима работа, в резултат на което руските космически или военни ракети ще могат да получат нови енергийни установки с подобрени характеристики. Освен това новите принципи на работа на двигателя могат да се прилагат не само в областта на ракетите, но и в други области.
В последните дни на януари вицепремиерът Дмитрий Рогозин разказа пред местната преса за последните успехи на изследователските организации. Наред с други теми, той засегна процеса на създаване реактивни двигателиизползване на нови принципи на работа. Обещаващ двигател с детонационно горене вече е изпробван. Според вицепремиера използването на нови принципи на работа на електроцентралата дава възможност да се получи значително увеличение на производителността. В сравнение с проектите на традиционната архитектура има увеличение на тягата от около 30%.
Схема на детонационен ракетен двигател
Съвременни ракетни двигатели различни класовеи видове оперирани в различни области използват т.нар. изобарен цикъл или дефлаграционно горене. В техните горивни камери се поддържа постоянно налягане, при което горивото гори бавно. Двигател, базиран на принципите на дефлаграция, не се нуждае от особено силни агрегати, но е ограничен в максимална производителност. Повишаването на основните характеристики, започвайки от определено ниво, се оказва неоправдано трудно.
Алтернатива на двигател с изобарен цикъл в контекста на подобряване на производителността е система с т.нар. детонационно изгаряне. В този случай реакцията на окисляване на горивото протича зад ударната вълна, с висока скоростдвижещи се през горивната камера. Това поставя специални изисквания към дизайна на двигателя, но в същото време предлага очевидни предимства. По отношение на ефективността на изгаряне на гориво, детонационното изгаряне е с 25% по-добро от дефлаграционното. Освен това се различава от изгарянето с постоянно налягане чрез повишена скорост на отделяне на топлина на единица повърхност на реакционния фронт. На теория е възможно този параметър да се увеличи с три до четири порядъка. Следователно, скоростта на реактивните газове може да се увеличи с 20-25 пъти.
По този начин детонационният двигател се различава увеличен коефициентполезно действие, способно да развие по-голямо сцепление с по-малък разход на гориво. Неговите предимства пред традиционния дизайн са очевидни, но доскоро напредъкът в тази област остави много да се желае. Принципите на детонационния реактивен двигател са формулирани още през 1940 г. от съветския физик Я.Б. Зелдович, но готовите продукти от този вид все още не са достигнали до експлоатация. Основните причини за липсата на реален успех са проблемите със създаването на достатъчно здрава конструкция, както и трудността при стартиране и последващо поддържане на ударна вълна, използвайки съществуващи горива.
Един от най-новите вътрешни проекти в областта на детонационните ракетни двигатели стартира през 2014 г. и се разработва в NPO Energomash на името на V.I. Академик В.П. Глушко. Според наличните данни целта на проекта с шифъра Ifrit е била да се проучат основните принципи нова технологияс последващо създаване на течен ракетен двигател, използващ керосин и газообразен кислород. Новият двигател, кръстен на огнените демони от арабския фолклор, се основава на принципа на въртеливо детонационно горене. По този начин, в съответствие с основната идея на проекта, ударната вълна трябва непрекъснато да се движи в кръг вътре в горивната камера.
Водещият разработчик на новия проект беше НПО Енергомаш, или по-скоро специална лаборатория, създадена на негова основа. Освен това в работата бяха включени няколко други изследователски и дизайнерски организации. Програмата получи подкрепа от Фондацията за напреднали изследвания. С общи усилия всички участници в проекта Ifrit успяха да формират оптималния външен вид на обещаващ двигател, както и да създадат модел на горивна камера с нови принципи на работа.
Да се проучат перспективите на цялото направление и нови идеи, т.нар. моделна детонационна горивна камера, отговаряща на изискванията на проекта. Такъв експериментален двигател с намалена конфигурация трябваше да използва течен керосин като гориво. Газообразният водород беше предложен като окислител. През август 2016 г. започнаха тестовете на експерименталната камера. Важно, това за първи път в историята проект от този вид беше изведен на етап стендови тестове. Преди това бяха разработени местни и чуждестранни детонационни ракетни двигатели, но не бяха тествани.
По време на тестовете на моделната извадка беше възможно да се получи много интересни резултатипоказващи правилността на използваните подходи. И така, като използвате правилните материалии се оказаха технологии, които повишават налягането в горивната камера до 40 атмосфери. Тягата на експерименталния продукт достига 2 тона.
Моделна камера на тестовия стенд
В рамките на проекта Ifrit бяха получени определени резултати, но домашният детонационен двигател с течно гориво все още е далеч от пълноценно практическо приложение. Преди да въведат такова оборудване в нови технологични проекти, дизайнерите и учените ще трябва да решат цяла линиянай-сериозните задачи. Едва след това ракетно-космическата индустрия или отбранителната индустрия ще могат да започнат да реализират на практика потенциала на новите технологии.
В средата на януари Руски вестник”публикува интервю с главния конструктор на NPO Energomash Петър Левочкин, чиято тема беше текущото състояние на нещата и перспективите за детонационни двигатели. Представителят на предприятието-разработчик припомни основните положения на проекта и също така засегна темата за постигнатите успехи. Освен това той говори за възможните области на приложение на Ifrit и подобни структури.
напр. детонационни двигатели могат да се използват в хиперзвукови самолети. П. Левочкин припомни, че двигателите, които сега се предлагат за използване в такова оборудване, използват дозвуково горене. При хиперзвукова скорост на летателния апарат въздухът, влизащ в двигателя, трябва да се забави до звуков режим. Спирачната енергия обаче трябва да доведе до допълнителни топлинни натоварвания върху корпуса на самолета. При детонационните двигатели скоростта на изгаряне на горивото достига най-малко М=2,5. Това дава възможност да се увеличи скоростта на полета на самолета. Такава машина с детонационен двигател би могла да ускори до скорости, осем пъти по-високи от скоростта на звука.
Реалните перспективи за ракетни двигатели от детонационен тип обаче все още не са твърде големи. Според П. Левочкин ние „току-що отворихме вратата към зоната на детонационното горене“. Учените и дизайнерите ще трябва да проучат много въпроси и едва след това ще бъде възможно да се създадат структури с практически потенциал. Поради това космическата индустрия ще трябва да използва традиционни двигатели с течно гориво за дълго време, което обаче не отменя възможността за тяхното по-нататъшно усъвършенстване.
Интересен факт е, че принцип на детонацияизгарянето намира приложение не само в областта на ракетните двигатели. Вече съществува домашен проект авиационна системас горивна камера от детонационен тип, работеща на импулсен принцип. Прототип от този вид беше изпробван и в бъдеще може да даде началото на нова посока. Най-много могат да намерят приложение новите двигатели с детонационно горене различни областии частично да заменят газовите турбини или турбореактивните двигатели с традиционни конструкции.
Домашният проект на детонационен самолетен двигател се разработва в OKB. А.М. Люлки. Информацията за този проект беше представена за първи път на миналогодишния международен военно-технически форум „Армия-2017“. На щанда на предприятието-разработчик имаше материали за различни двигатели, както серийни, така и в процес на разработка. Сред последните беше обещаваща проба за детонация.
Същността на новото предложение е използването на нестандартна горивна камера, способна да осъществява импулсно детонационно изгаряне на гориво във въздушна атмосфера. В този случай честотата на "експлозиите" вътре в двигателя трябва да достигне 15-20 kHz. В бъдеще е възможно допълнително увеличение на този параметър, в резултат на което шумът от двигателя ще надхвърли диапазона, възприеман от човешкото ухо. Такива характеристики на двигателя могат да бъдат от особен интерес.
Първото изстрелване на прототипа Ifrit
Основните предимства на новата електроцентрала обаче са свързани с подобрената производителност. Стендовите тестове на експерименталните продукти показаха, че те превъзхождат с около 30% традиционните газотурбинни двигатели по отношение на специфичната производителност. Към момента на първата публична демонстрация на материали за двигателя OKB. А.М. Люлките могат да станат доста високи експлоатационни характеристики. Експериментален двигател от нов тип успя да работи 10 минути без прекъсване. Общото време на работа на този продукт на щанда по това време надхвърли 100 часа.
Представители на разработчика посочиха, че вече е възможно да се създаде нов детонационен двигател с тяга 2-2,5 тона, подходящ за монтаж на леки самолети или безпилотни летателни апарати. При проектирането на такъв двигател се предлага използването на т.нар. резонатори, отговорни за прав ходизгаряне на гориво. Важно предимствонов проект е фундаменталната възможност за инсталиране на такива устройства навсякъде в корпуса на самолета.
Специалисти на ОКБ им. А.М. Люлките работят авиационни двигателис импулсно детонационно изгаряне повече от три десетилетия, но досега проектът не е напуснал етапа на изследване и няма реални перспективи. главната причина– липса на ред и необходимо финансиране. Ако проектът получи необходимата подкрепа, тогава в обозримо бъдеще може да бъде създаден примерен двигател, подходящ за използване на различни превозни средства.
Към днешна дата руски учени и конструктори са успели да покажат много забележителни резултати в областта на реактивните двигатели, използвайки нови принципи на работа. Има няколко проекта едновременно, подходящи за използване в ракетно-космическата и хиперзвуковата област. Освен това новите двигатели могат да се използват в "традиционната" авиация. Някои проекти все още са в начален етап и все още не са готови за инспекции и друга работа, докато в други области най-забележителните резултати вече са получени.
Изследвайки темата за реактивни двигатели с детонационно горене, руските специалисти успяха да създадат стенд модел на горивна камера с желаните характеристики. Прототипът на Ifrit вече е тестван, по време на който е събрано голямо количество разнообразна информация. С помощта на получените данни ще продължи развитието на направлението.
Овладяването на нова посока и превеждането на идеи в практически приложима форма ще отнеме много време и поради тази причина в обозримо бъдеще космическите и армейските ракети в обозримо бъдеще ще бъдат оборудвани само с традиционни течни двигатели. Въпреки това работата вече е напуснала чисто теоретичния етап и сега всеки тестов пуск на експериментален двигател приближава момента на изграждането на пълноценни ракети с нови енергийни установки.
Според уебсайтовете:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Екология на потреблението Наука и технологии: В края на август 2016 г. световните информационни агенции разпространиха новината: на един от щандовете на НПО Енергомаш в Химки край Москва, първият в света пълноразмерен течно-ракетен двигател (LRE) с помощта на детонационно изгаряне на гориво е стартирано.
В края на август 2016 г. новината се разпространи из световните информационни агенции: на един от щандовете на НПО Енергомаш в Химки близо до Москва беше изстрелян първият в света пълноразмерен ракетен двигател с течно гориво (LRE), използващ детонационно изгаряне на гориво . Домашната наука и технологии отиват на това събитие от 70 години.
Идеята за детонационен двигател е предложена от съветския физик Я. Б. Зелдович в статията „За използването на енергия от детонационно изгаряне“, публикувана в Journal of Technical Physics през 1940 г. Оттогава по света се провеждат изследвания и експерименти за практическото прилагане на напреднала технология. В тази надпревара на умовете Германия, после САЩ, после СССР дръпна напред. И сега Русия си осигури важен приоритет в световната история на технологиите. IN последните годининещо като страната ни не може да се похвали често.
На гребена на вълната
Какви са предимствата на детонационния двигател? В традиционните ракетни двигатели, както и в конвенционалните бутални или турбореактивни авиационни двигателиизползва енергията, която се отделя при изгаряне на горивото. В този случай в горивната камера на LRE се образува неподвижен фронт на пламъка, изгарянето в което се извършва при постоянно налягане. Този процес на нормално горене се нарича дефлаграция. В резултат на взаимодействието на горивото и окислителя температурата на газовата смес рязко се повишава и от дюзата излиза огнен стълб от продукти на горенето, които образуват реактивната тяга.
Детонацията също е горене, но се случва 100 пъти по-бързо, отколкото при конвенционалното изгаряне на гориво. Този процес е толкова бърз, че детонацията често се бърка с експлозия, особено след като в този случай се освобождава толкова много енергия, че напр. автомобилен моторкогато това явление се случи в неговите цилиндри, той може действително да се срути. Детонацията обаче не е експлозия, а вид горене, толкова бързо, че продуктите на реакцията дори нямат време да се разширят, така че този процес, за разлика от дефлаграцията, протича при постоянен обем и рязко нарастващо налягане.
На практика това изглежда така: вместо неподвижен фронт на пламъка в горивната смес вътре в горивната камера се образува детонационна вълна, която се движи със свръхзвукова скорост. При тази вълна на компресия се получава детонация на сместа от гориво и окислител и от термодинамична гледна точка този процес е много по-ефективен от конвенционалното изгаряне на гориво. Ефективността на детонационното изгаряне е с 25–30% по-висока, т.е. при изгаряне на същото количество гориво се получава повече тяга и поради компактността на зоната на горене, детонационният двигател по отношение на мощността, отстранена от единица обем теоретично надвишава конвенционалните ракетни двигатели с порядък.
Само това беше достатъчно, за да привлече вниманието на специалистите към тази идея. В края на краищата стагнацията, която сега възникна в развитието на световната космонавтика, която е заседнала в околоземна орбита в продължение на половин век, е свързана преди всичко с кризата в производството на ракетни двигатели. Между другото, авиацията също е в криза, не може да премине прага на трите скорости на звука. Тази криза може да се сравни със ситуацията в буталната авиация в края на 30-те години. Винт и двигател вътрешно горенеса изчерпали потенциала си и едва появата на реактивните двигатели направи възможно достигането на качествено ново нивонадморска височина, скорост и обхват.
Конструкциите на класическите ракетни двигатели през последните десетилетия бяха изгладени до съвършенство и на практика достигнаха предела на своите възможности. Повишаване на специфичните им характеристики в бъдеще е възможно само в много малки граници - с няколко процента. Следователно световната космонавтика е принудена да следва екстензивен път на развитие: за пилотирани полети до Луната трябва да се строят гигантски ракети-носители, а това е много трудно и безумно скъпо, поне за Русия. Опит за преодоляване на кризата с помощта на ядрени двигатели се натъкна на екологични проблеми. Може би е твърде рано да се сравнява появата на детонационни ракетни двигатели с прехода на авиацията към реактивно задвижване, но те са напълно способни да ускорят процеса на изследване на космоса. Освен това този тип реактивни двигатели имат още едно много важно предимство.
GRES в миниатюра
Обикновеният LRE по принцип е голяма горелка. За увеличаване на тягата и специфичните му характеристики е необходимо да се повиши налягането в горивната камера. В този случай горивото, което се впръсква в камерата през дюзите, трябва да се подава при по-високо налягане, отколкото се реализира по време на процеса на горене, в противен случай горивната струя просто не може да проникне в камерата. Следователно, най-трудният и скъпа единицав LRE не е камера с дюза, която е на видно място, а горивен турбопомпеен агрегат (TNA), скрит в дълбините на ракетата сред тънкостите на тръбопроводите.
Например, най-мощният течно-ракетен двигател в света РД-170, създаден за първата степен на съветската свръхтежка ракета-носител „Енергия“ от същата НПО „Енергия“, има налягане в горивната камера от 250 атмосфери. Това е много. Но налягането на изхода на кислородната помпа, изпомпваща окислителя в горивната камера, достига 600 атм. Тази помпа се захранва от 189 MW турбина! Само си представете това: турбинно колело с диаметър 0,4 м развива четири пъти повече мощност от ядрения ледоразбивач Арктика с два ядрени реактора! В същото време TNA е сложно механично устройство, чийто вал прави 230 оборота в секунда и трябва да работи в среда на течен кислород, където дори и най-малката искра, а песъчинка в тръбопровода води до експлозия. Технологията за създаване на такъв TNA е основното ноу-хау на Energomash, притежаването на което позволява на руската компания да продава двигателите си за инсталиране на американски ракети носители Atlas V и Antares днес. Алтернативи руски двигателивсе още не в САЩ.
За детонационен двигател такива трудности не са необходими, тъй като самата детонация осигурява налягане за по-ефективно изгаряне, което е вълна на компресия, протичаща в горивната смес. По време на детонация налягането се увеличава 18–20 пъти без TNA.
За да се получат условия в горивната камера на детонационен двигател, еквивалентни например на условията в горивната камера на LRE на американската совалка (200 atm), е достатъчно да се подаде гориво при налягане от ... 10 атм. Устройството, необходимо за това, в сравнение с TNA на класически ракетен двигател, е като велосипедна помпа в близост до Саяно-Шушенската държавна електроцентрала.
Това означава, че детонационният двигател не само ще бъде по-мощен и по-икономичен от конвенционалния ракетен двигател, но и с порядък по-прост и по-евтин. Така че защо тази простота не беше дадена на дизайнерите в продължение на 70 години?
Основният проблем, пред който са изправени инженерите, е как да се справят с детонационната вълна. Въпросът не е само да направим двигателя по-здрав, за да може да издържа на повишени натоварвания. Детонацията не е просто взривна вълна, а нещо по-фино. Взривната вълна се разпространява със скоростта на звука, а детонационната със свръхзвукова скорост - до 2500 m/s. Той не образува стабилен фронт на пламъка, така че работата на такъв двигател е пулсираща: след всяка детонация е необходимо да се поднови горивната смес и след това да се започне нова вълна в нея.
Опитите за създаване на пулсиращ реактивен двигател бяха направени много преди идеята за детонация. Именно в използването на пулсиращи реактивни двигатели те се опитаха да намерят алтернатива бутални двигателипрез 30-те години на миналия век. Простотата отново привлечена: за разлика от авиационна турбиназа импулсен реактивен двигател (PUJE) не е необходим нито компресор, въртящ се със скорост от 40 000 оборота в минута, за да накара въздуха да влезе в ненаситния корем на горивната камера, нито турбина, работеща при температура на газа над 1000 ° C. В PuVRD налягането в горивната камера създава пулсации при изгарянето на горивото.
Първите патенти за пулсиращ реактивен двигател са получени независимо през 1865 г. от Шарл дьо Луврие (Франция) и през 1867 г. от Николай Афанасиевич Телешов (Русия). Първият работещ дизайн на PuVRD е патентован през 1906 г. от руския инженер V.V. Караводин, който година по-късно построява образцов завод. Поради редица недостатъци инсталацията Караводин не е намерила приложение на практика. Първият PUVRD, който работи на истински самолет, беше немският Argus As 014, базиран на патент от 1931 г. на мюнхенския изобретател Пол Шмид. Argus е създаден за "оръжието за отмъщение" - крилата бомба V-1. Подобна разработка е създадена през 1942 г. от съветския конструктор Владимир Челомей за първата съветска крилата ракета 10Х.
Разбира се, тези двигатели все още не бяха детонационни двигатели, тъй като използваха конвенционални импулси на горене. Честотата на тези пулсации беше ниска, което пораждаше характерен звук от картечница по време на работа. Специфични характеристики на ПУВРД поради периодичен режимсредната работа беше ниска и след като дизайнерите се справиха с трудностите при създаването на компресори, помпи и турбини до края на 40-те години на миналия век, турбореактивните двигатели и ракетните двигатели станаха царете на небето, а PUVRD остана в периферията на техническия прогрес.
Любопитно е, че германските и съветските дизайнери създадоха първия PuVRD независимо един от друг. Между другото, идеята за детонационен двигател през 1940 г. дойде на ум не само на Зелдович. В същото време същите мисли бяха изразени от Фон Нойман (САЩ) и Вернер Дьоринг (Германия), така че в международната наука моделът за използване на детонационно горене беше наречен ZND.
Идеята да се комбинира PUVRD с детонационно изгаряне беше много примамлива. Но фронтът на обикновен пламък се разпространява със скорост 60–100 m/s, а честотата на неговите пулсации в PUVRD не надвишава 250 в секунда. А детонационният фронт се движи със скорост 1500‒2500 m/s, така че честотата на пулсациите трябва да бъде хиляди в секунда. На практика беше трудно да се приложи такава скорост на обновяване на сместа и иницииране на детонация.
Въпреки това опитите за създаване на работещи пулсиращи детонационни двигатели продължиха. Работата на специалистите от ВВС на САЩ в тази насока завърши със създаването на демонстрационен двигател, който на 31 януари 2008 г. за първи път се издигна в небето на експериментален самолет Long-EZ. При историческия полет двигателят е работил... 10 секунди на 30 метра височина. Приоритетът обаче този случайостана в Съединените щати и самолетът с право зае мястото си в Националния музей на американските военновъздушни сили.
Междувременно отдавна е измислена друга, много по-обещаваща схема.
Като катерица в колело
Идеята да се завърти детонационната вълна и да се движи в горивната камера като катерица в колело е родена от учени в началото на 60-те години. Явлението спинова (въртяща се) детонация е теоретично предсказано от съветския физик от Новосибирск Б. В. Войцеховски през 1960 г. Почти едновременно с него през 1961 г. същата идея изказва и американецът Дж. Николс от Мичиганския университет.
Ротационният или въртящ се детонационен двигател структурно представлява пръстеновидна горивна камера, към която горивото се подава с помощта на радиално разположени дюзи. Детонационната вълна вътре в камерата не се движи в аксиална посока, както при PuVRD, а в кръг, като компресира и изгаря горивната смес пред нея и в крайна сметка изтласква продуктите от горенето от дюзата в по същия начин, както винтът на месомелачката избутва каймата. Вместо честотата на пулсациите получаваме честотата на въртене на детонационната вълна, която може да достигне няколко хиляди в секунда, тоест на практика двигателят не работи като пулсиращ двигател, а като конвенционален ракетен двигател с течно гориво със стационарно горене, но много по-ефективно, тъй като всъщност детонира горивната смес.
В СССР, както и в САЩ, работата по роторно-детонационен двигател продължава от началото на 60-те години на миналия век, но въпреки привидната простота на идеята, нейното изпълнение изисква решаването на озадачаващи теоретични въпроси. Как да организираме процеса, така че вълната да не изчезне? Беше необходимо да се разберат най-сложните физични и химични процеси, протичащи в газова среда. Тук изчисленията вече не се извършват на молекулярно, а на атомно ниво, на кръстовището на химията и квантовата физика. Тези процеси са по-сложни от тези, които възникват при генерирането на лазерен лъч. Затова лазерът работи отдавна, но детонационният двигател не. За да се разберат тези процеси, беше необходимо да се създаде нова фундаментална наука - физикохимична кинетика, която не съществуваше преди 50 години. А за практическото изчисляване на условията, при които детонационната вълна няма да изчезне, а ще се самоподдържа, бяха необходими мощни компютри, които се появиха едва през последните години. Това е основата, която трябваше да се постави в основата на практическия успех в укротяването на детонацията.
В САЩ се работи активно в тази посока. Тези проучвания се извършват от Pratt & Whitney, General Electric, НАСА. Например Лабораторията за военноморски изследвания на САЩ разработва газови турбини със спинова детонация за флота. Американският флот използва 430 газови турбинина 129 кораба те консумират гориво на стойност три милиарда долара годишно. Въвеждане на по-икономична детонация газотурбинни двигатели(GTE) ще спести огромни средства.
В Русия десетки изследователски институти и конструкторски бюра са работили и продължават да работят върху детонационни двигатели. Сред тях е NPO Energomash, водещата двигателостроителна компания в руската космическа индустрия, с много от чиито предприятия VTB Bank си сътрудничи. Разработването на детонационен ракетен двигател се извършва повече от една година, но за да може върхът на айсберга на тази работа да блести под слънцето под формата на успешен тест, е необходимо организационното и финансовото участие на прословутата Фондация за напреднали изследвания (FPI). FPI беше този, който разпредели необходими средствада създаде през 2014 г. специализирана лаборатория "Детонационни ракетни двигатели". В края на краищата, въпреки 70 години изследвания, тази технология все още е „твърде обещаваща“ в Русия, за да бъде финансирана от клиенти като Министерството на отбраната, които по правило се нуждаят от гарантиран практически резултат. И все още е много далече.
Укротяването на опърничавата
Бих искал да вярвам, че след всичко казано по-горе става ясна титаничната работа, която наднича между редовете на кратко съобщение за изпитанията, проведени в Енергомаш в Химки през юли - август 2016 г.: „За първи път в в света, стационарен режим на непрекъсната спинова детонация на напречни детонационни вълни с честота около 20 kHz (честота на въртене на вълната - 8 хиляди оборота в секунда) върху горивната двойка "кислород - керосин". Възможно е да се получат няколко детонационни вълни, които взаимно балансират вибрациите и ударните натоварвания. Топлоизолиращите покрития, специално разработени в Keldysh Center, помогнаха да се справят с високи температурни натоварвания. Двигателят издържа няколко стартирания при условия на екстремни вибрационни натоварвания и свръхвисоки температури при липса на охлаждане на пристенния слой. Специална роля в този успех изигра създаването на математически модели и горивни инжектори, което направи възможно получаването на смес с консистенцията, необходима за възникване на детонация.
Разбира се, не бива да се преувеличава значението на постигнатия успех. Създаден е само демонстрационен двигател, който работи за сравнително кратко време и за него реални характеристикинищо не се съобщава. Според NPO Energomash, детонационен ракетен двигател ще увеличи тягата с 10%, докато изгаря същото количество гориво, както в конвенционален двигател, а специфичният импулс на тягата трябва да се увеличи с 10–15%.
Но основният резултат е, че практически е потвърдена възможността за организиране на детонационно изгаряне в ракетен двигател с течно гориво. Въпреки това, начинът да се използва тази технология като част от реалния самолетима още дълъг път. Друг важен аспекте, че още един световен приоритет в областта на високите технологии вече е възложен на нашата страна: за първи път в света в Русия беше изстрелян пълноразмерен детонационен ракетен двигател и този факт ще остане в историята на науката и технологиите . публикувани
Докато цялото прогресивно човечество от страните от НАТО се готви да започне тестване на детонационен двигател (тестовете могат да се проведат през 2019 г. (но доста по-късно)), изостаналата Русия обяви завършването на тестването на такъв двигател.
Те го обявиха съвсем спокойно и без да уплашат никого. Но на Запад очаквано се изплашиха и започна истеричен вой – цял живот ще ни изоставят. Работата по детонационен двигател (DD) се извършва в САЩ, Германия, Франция и Китай. Като цяло има основания да се смята, че Ирак е заинтересован от решаването на проблема и Северна Корея- много обещаващо развитие, което всъщност означава нов етапв ракетната наука. И като цяло в двигателостроенето.
Идеята за детонационен двигател е изказана за първи път през 1940 г. от съветския физик Я.Б. Зелдович. И създаването на такъв двигател обеща огромни ползи. За ракетен двигател, например:
- Мощността се увеличава с 10 000 пъти в сравнение с конвенционален ракетен двигател. В този случай говорим за мощността, получена на единица обем на двигателя;
- 10 пъти по-малко гориво на единица мощност;
- DD е просто значително (в пъти) по-евтин от стандартен ракетен двигател.
Ракетният двигател с течно гориво е толкова голяма и много скъпа горелка. И скъпо, защото са необходими голям брой механични, хидравлични, електронни и други механизми за поддържане на стабилно горене. Много сложна продукция. Толкова сложно, че Съединените щати не могат да създадат свой собствен ракетен двигател с течно гориво в продължение на много години и са принудени да закупят РД-180 в Русия.
Русия съвсем скоро ще получи сериен надежден и евтин лек ракетен двигател. С всички произтичащи от това последствия:
една ракета може да носи в пъти повече полезен товар- самият двигател тежи значително по-малко, горивото е необходимо 10 пъти по-малко за декларирания обхват на полета. И можете просто да увеличите този диапазон с 10 пъти;
цената на ракетата е намалена многократно. Това е добър отговор за тези, които обичат да организират надпревара във въоръжаването с Русия.
Има и дълбок космос… Откриват се просто фантастични перспективи за неговото развитие.
Американците обаче са прави и сега няма време за място - вече се подготвят пакети от санкции, за да не се случи детонационен двигател в Русия. Те ще се намесват с всички сили - нашите учени са направили болезнено сериозна претенция за лидерство.
07 февруари 2018 г Тагове: 2311Дискусия: 3 коментара
* 10 000 пъти повече мощност в сравнение с конвенционален ракетен двигател. В този случай говорим за мощността, получена на единица обем на двигателя;
10 пъти по-малко гориво на единица мощност;
—————
някак си не пасва с други публикации:
„В зависимост от дизайна, той може да надхвърли оригиналния LRE по отношение на ефективността от 23-27% за типичен дизайн с разширяваща се дюза, до 36-37% увеличение на KVRD (ракетни двигатели с клинов въздух)
Те са в състояние да променят налягането на изтичащата газова струя в зависимост от атмосферното налягане и спестяват до 8-12% гориво в цялата площадка за изстрелване на конструкцията (Основните спестявания се случват на ниски височини, където достигат 25-30%) .»
Разгледан е проблемът за развитието на ротационни детонационни двигатели. Представени са основните видове такива двигатели: ротационен детонационен двигател на Николс, двигател на Войчеховски. Разгледани са основните насоки и тенденции в развитието на конструкцията на детонационни двигатели. Показано е, че съвременните концепции за ротационен детонационен двигател по принцип не могат да доведат до създаването на работещ дизайн, който да превъзхожда съществуващите реактивни двигатели по отношение на своите характеристики. Причината е желанието на дизайнерите да комбинират генерирането на вълни, изгарянето на горивото и изхвърлянето на гориво и окислител в един механизъм. В резултат на самоорганизацията на ударно-вълновите структури, детонационното изгаряне се извършва в минимален, а не в максимален обем. Реално постигнатият днес резултат е детонационно изгаряне в обем не повече от 15% от обема на горивната камера. Изходът се вижда в различен подход - първо се създава оптимална конфигурация на ударни вълни и едва след това в тази система се подават горивни компоненти и се организира оптимално детонационно изгаряне в голям обем.
детонационен двигател
ротационен детонационен двигател
двигател Wojciechowski
кръгова детонация
спинова детонация
импулсен детонационен двигател
1. Войцеховски Б. В., Митрофанов В. В. и Топчиян М. Е. Структура на детонационния фронт в газовете. - Новосибирск: Издателство на Академията на науките на СССР, 1963 г.
2. Усков В.Н., Булат П.В. Относно проблема за проектиране на идеален дифузьор за компресиране на свръхзвуков поток // Фундаментални изследвания. - 2012. - № 6 (част 1). - С. 178-184.
3. Усков В.Н., Булат П.В., Продан Н.В. Историята на изследването на неправилното отражение на ударна вълна от оста на симетрия на свръхзвукова струя с образуването на диск на Мах // Фундаментални изследвания. - 2012. - № 9 (част 2). - С. 414-420.
4. Усков В.Н., Булат П.В., Продан Н.В. Обосновка на приложението на стационарния конфигурационен модел на Мах за изчисляване на диска на Мах в свръхзвукова струя // Фундаментални изследвания. - 2012. - № 11 (част 1). – С. 168–175.
5. Щелкин К.И. Нестабилност на горене и детонация на газове // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965. - Т. 87, бр. 2.– С. 273–302.
6. Никълс Дж.А., Уилкмсън Х.Р., Морисън Р.Б. Прекъснатата детонация като механизъм за създаване на доверие // Реактивно задвижване. - 1957. - № 21. - С. 534–541.
Ротационни детонационни двигатели
Общото за всички видове ротационни детонационни двигатели (RDE) е, че системата за подаване на гориво е комбинирана със системата за изгаряне на гориво в детонационната вълна, но тогава всичко работи като в конвенционален реактивен двигател - пламъчна тръба и дюза. Именно този факт инициира такава дейност в областта на модернизацията на газотурбинните двигатели (ГТД). Изглежда привлекателно да се замени само смесителната глава и системата за запалване на сместа в газотурбинния двигател. За да направите това, е необходимо да се осигури непрекъснатост на детонационното изгаряне, например чрез пускане на детонационна вълна в кръг. Никълс е един от първите, който предлага такава схема през 1957 г., а след това я развива и провежда серия от експерименти с въртяща се детонационна вълна в средата на 60-те години (фиг. 1).
Чрез регулиране на диаметъра на камерата и дебелината на пръстеновидната междина за всеки тип горивна смес е възможно да се избере такава геометрия, че детонацията да бъде стабилна. На практика връзката между празнината и диаметъра на двигателя се оказва неприемлива и е необходимо да се контролира скоростта на разпространение на вълната чрез контролиране на подаването на гориво, както е обсъдено по-долу.
Както при двигателите с импулсна детонация, кръговата детонационна вълна е способна да изхвърля окислител, което позволява RDE да се използва при нулеви скорости. Този факт доведе до вълна от експериментални и изчислителни изследвания на RDE с пръстеновидна горивна камера и спонтанно изхвърляне. гориво-въздушна смес, да ги изброявам тук, което няма никакъв смисъл. Всички те са изградени приблизително по една и съща схема (фиг. 2), напомняща схемата на двигателя на Никълс (фиг. 1).
Ориз. 1. Схема на организация на непрекъсната кръгова детонация в пръстеновидната междина: 1 - детонационна вълна; 2 - слой от "прясна" горивна смес; 3 - контактна междина; 4 - наклонена ударна вълна, разпространяваща се надолу по течението; D е посоката на детонационната вълна
Ориз. 2. Типична RDE схема: V е скоростта на свободния поток; V4 - дебит на изхода на дюзата; a - пресни горивни касети, b - фронт на вълната на детонация; c - прикрепена наклонена ударна вълна; d - продукти от горенето; p(r) - разпределение на налягането върху стената на канала
Разумна алтернатива на схемата на Никълс може да бъде инсталирането на множество инжектори за окисляване на гориво, които да инжектират гориво-въздушна смес в района непосредствено преди вълната на детонация по определен закон с дадено налягане (фиг. 3). Чрез регулиране на налягането и скоростта на подаване на гориво към зоната на горене зад детонационната вълна е възможно да се повлияе на скоростта на нейното разпространение нагоре. Тази посока е обещаваща, но основният проблем при проектирането на такива RDE е, че широко използваният опростен модел на потока във фронта на детонационното горене изобщо не отговаря на реалността.
Ориз. 3. RDE с контролирано подаване на гориво към зоната на горене. Ротационен двигател Wojciechowski
Основните надежди в света са свързани с детонационни двигатели, работещи по схемата ротационен двигателВойцеховски. През 1963 г. Б.В. Войцеховски, по аналогия със спиновата детонация, разработи схема за непрекъснато изгаряне на газ зад тройна конфигурация от ударни вълни, циркулиращи в пръстеновиден канал (фиг. 4).
Ориз. Фиг. 4. Схема на непрекъснато изгаряне на газ по Wojciechowski зад тройна конфигурация на ударни вълни, циркулиращи в пръстеновидния канал: 1 - прясна смес; 2 - двойно компресирана смес зад тройна конфигурация от ударни вълни, зона на детонация
В този случай стационарният хидродинамичен процес с изгаряне на газ зад ударната вълна се различава от детонационната схема на Чапман-Жуге и Зелдович-Нойман. Такъв процес е доста стабилен, продължителността му се определя от резерва на горивната смес и в добре известни експерименти е няколко десетки секунди.
Схемата на детонационния двигател на Войчеховски служи като прототип за многобройни изследвания на въртене и въртене детонационни двигателй инициирани през последните 5 години. Тази схема представлява повече от 85% от всички проучвания. Всички те имат един органичен недостатък - зоната на детонация заема твърде малко от общата зона на горене, обикновено не повече от 15%. В резултат на това специфичната производителност на двигателите е по-лоша от тази на двигателите с традиционен дизайн.
За причините за неуспехите при прилагането на схемата Wojciechowski
По-голямата част от работата по двигатели с непрекъсната детонация е свързана с разработването на концепцията на Wojciechowski. Въпреки повече от 40-годишната история на изследванията, резултатите всъщност остават на нивото от 1964 г. Делът на детонационното изгаряне не надвишава 15% от обема на горивната камера. Останалото е бавно горене при условия, които са далеч от оптималните.
Една от причините за това състояние е липсата на работеща методология за изчисление. Тъй като потокът е триизмерен и изчислението взема предвид само законите за запазване на импулса на ударната вълна в посока, перпендикулярна на фронта на детонация на модела, резултатите от изчисляването на наклона на ударните вълни към потока от продукти на горенето се различават от наблюдаваните експериментално с повече от 30%. Резултатът е, че въпреки дългогодишните изследвания различни системизахранване с гориво и експерименти за промяна на съотношението на горивните компоненти, всичко, което е направено, е да се създадат модели, в които възниква детонационно изгаряне и се поддържа за 10-15 s. Не се говори за повишаване на ефективността, нито за предимства пред съществуващите течни и газотурбинни двигатели.
Анализът на наличните схеми за RDE, извършен от авторите на проекта, показа, че всички предложени днес схеми за RDE по принцип са неработещи. Възниква и успешно се поддържа детонационно горене, но само в ограничена степен. В останалата част от обема имаме работа с обичайното бавно горене, освен това зад неоптимална система от ударни вълни, което води до значителни загуби пълно налягане. Освен това налягането е няколко пъти по-ниско от необходимото за идеални условия на горене със стехиометрично съотношение на компонентите на горивната смес. Като резултат специфично потреблениегориво на единица тяга е с 30-40% по-висока от тази на конвенционалните двигатели.
Но повечето основен проблеме самият принцип на организиране на непрекъсната детонация. Както показват проучванията на непрекъснатата кръгова детонация, проведени през 60-те години, фронтът на детонационното горене е сложна структура на ударна вълна, състояща се от най-малко две тройни конфигурации (около тройни конфигурации на ударни вълни. Такава структура с прикрепена зона на детонация, като всяка термодинамична система за обратна връзка, оставена сама, има тенденция да заеме позиция, съответстваща на минималното енергийно ниво. В резултат на това тройните конфигурации и зоната на детонационното горене се настройват една спрямо друга, така че детонационният фронт да се движи през пръстеновидната междина с минимално възможно количество детонационно изгаряне за това.Това е точно обратното на целта, която конструкторите на двигателя си поставят за детонационно изгаряне.
За създаване ефективен двигател RDE трябва да реши проблема за създаване на оптимална тройна конфигурация на ударни вълни и организиране на зона на детонационно горене в нея. Оптималните структури с ударна вълна трябва да могат да се създават в различни технически средства, например в оптимални дифузори на свръхзвукови въздухозаборници. Основната задача е максималното възможно увеличаване на дела на детонационното изгаряне в обема на горивната камера от неприемливите днес 15% до поне 85%. Съществуващите конструкции на двигатели, базирани на схемите на Nichols и Wojciechowski, не могат да осигурят тази задача.
Рецензенти:Усков В. Н., доктор на техническите науки, професор от катедрата по хидроаеромеханика на Държавния университет в Санкт Петербург, Факултет по математика и механика, Санкт Петербург;
Емелянов V.N., доктор на техническите науки, професор, ръководител на катедрата по плазмена газодинамика и топлотехника, BSTU "VOENMEH" на името на A.I. Д.Ф. Устинов, Санкт Петербург.
Работата е получена от редакцията на 14 октомври 2013 г.
Библиографска връзка
Булат П.В., Продан Н.В. ПРЕГЛЕД НА ПРОЕКТИ НА ДЕТОНАЦИОННИ ДВИГАТЕЛИ. РОТАЦИОННИ ДЕТОНИРАЩИ ДВИГАТЕЛИ // Фундаментални изследвания. - 2013. - № 10-8. - С. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (дата на достъп: 29.07.2019 г.). Предлагаме на Вашето внимание списанията, издавани от издателство "Естествонаучна академия"
