Je zvažován problém vývoje impulsních detonačních motorů. Jsou uvedena hlavní výzkumná centra provádějící výzkum motorů nové generace. Jsou zvažovány hlavní směry a trendy ve vývoji konstrukce detonačních motorů. Jsou uvedeny hlavní typy těchto motorů: impulsní, impulsní vícetrubkové, impulsní s vysokofrekvenčním rezonátorem. Rozdíl ve způsobu vytváření tahu se ukazuje ve srovnání s klasickým proudovým motorem vybaveným Lavalovou tryskou. Je popsán koncept trakční stěny a trakčního modulu. Ukazuje se, že impuls detonační motory se zdokonalují ve směru zvyšování frekvence opakování pulsů a tento směr má právo na život v oblasti lehkých a levných bezpilotních letadlo, stejně jako při vývoji různých ejektorových tahových zesilovačů. Jsou ukázány hlavní potíže zásadní povahy při modelování detonačního turbulentního proudění pomocí výpočtových balíčků založených na použití modelů diferenciální turbulence a časovém průměrování Navier–Stokesových rovnic.
detonační motor
impulsní detonační motor
1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Historie experimentálních studií spodního tlaku // Základní výzkum. - 2011. - č. 12 (3). - S. 670-674.
2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Kolísání spodního tlaku // Základní výzkum. - 2012. - č. 3. - S. 204-207.
3. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Zvláštnosti aplikace modelů turbulence při výpočtu proudění v nadzvukových drahách pokročilých vzduchových proudových motorů // Motor. - 2012. - č. 1. - S. 20–23.
4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. O klasifikaci režimů proudění v korytě s náhlou expanzí // Termofyzika a aeromechanika. - 2012. - č. 2. - S. 209–222.
5. Bulat P.V., Prodan N.V. O nízkofrekvenčních proudových oscilacích spodního tlaku // Základní výzkum. - 2013. - č. 4 (3). – S. 545–549.
6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Výzkum a analýza „studených“ výplachů trakčního modulu vysokofrekvenčního pulzujícího detonačního motoru // Bulletin of the MAI. - T.14. - č. 4 - M .: Nakladatelství MAI-Print, 2007. - S. 36–42.
7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspektivy využití technologií pulzní detonace v proudový motor. OAO NPO Saturn NTC im. A. Lyulki, Moskva, Rusko. Moskevský letecký institut (GTU). - Moskva, Rusko. ISSN 1727-7337. Letecké inženýrství a technologie, 2011. - č. 9 (86).
Detonační projekty v USA jsou zahrnuty do programu vývoje pokročilého motoru IHPTET. Spolupráce zahrnuje téměř všechna výzkumná centra pracující v oblasti konstrukce motorů. Jen NASA na tyto účely ročně vyčleňuje až 130 milionů dolarů. To dokazuje relevanci výzkumu v tomto směru.
Přehled práce v oboru detonačních motorů
Tržní strategie předních světových výrobců směřuje nejen k vývoji nových proudových detonačních motorů, ale také k modernizaci těch stávajících výměnou tradiční spalovací komory za detonační. Kromě toho se mohou stát detonační motory základní prvek kombinované rostliny různé typy být například použit jako přídavné spalování turboventilátorového motoru, jako zvedací ejektorové motory v letadlech VTOL (příklad na obr. 1 je dopravní projekt Boeing VTOL).
V USA vyvíjí detonační motory mnoho výzkumných center a univerzit: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defence Research Establishments, Suffield a Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.
Vedoucí pozici ve vývoji detonačních motorů zaujímá specializované centrum Seattle Aerosciences Center (SAC), které v roce 2001 koupili Pratt a Whitney od Adroit Systems. Většina práce centra je financována letectvem a NASA z rozpočtu meziagenturního programu Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), zaměřeného na vytváření nových technologií pro proudové motory různých typů.
Rýže. 1. Patent US 6,793,174 B2 od Boeing, 2004
Celkem od roku 1992 specialisté SAC provedli více než 500 testů experimentálních vzorků na stolici. Práce na pulzních detonačních motorech (PDE) se spotřebou atmosférického kyslíku provádí středisko SAC na objednávku amerického námořnictva. Vzhledem ke složitosti programu zapojili specialisté námořnictva do jeho realizace téměř všechny organizace zabývající se detonačními motory. Kromě Pratta a Whitney se na práci podílejí United Technologies Research Center (UTRC) a Boeing Phantom Works.
V současné době u nás nad tímto aktuální problém teoreticky působí tyto univerzity a ústavy Ruské akademie věd (RAS): Ústav chemické fyziky RAS (ICP), Ústav strojního inženýrství RAS, Ústav pro vysoké teploty RAS (IVTAN), Novosibirský institut hydrodynamiky. Lavrentiev (ISIL), Institut pro teoretické a aplikovaná mechanika jim. Khristianovich (ITMP), Fyzikálně-technický institut. Ioffe, Moskevská státní univerzita (MGU), Moskevský státní letecký institut (MAI), Novosibirská státní univerzita, Čeboksary státní univerzita, Saratovská státní univerzita atd.
Pokyny pro práci na pulzních detonačních motorech
Směr č. 1 - Klasický pulzní detonační motor (PDE). Spalovací prostor typického proudového motoru se skládá z trysek pro míchání paliva s okysličovadlem, zapalovacím zařízením palivová směs a samotnou plamennou trubici, ve které probíhají redoxní reakce (spalování). Plamenná trubice je zakončena tryskou. Zpravidla se jedná o Lavalovu trysku, která má zužující se část, minimální kritický úsek, ve kterém se rychlost spalin rovná místní rychlosti zvuku, rozšiřující se část, ve které je statický tlak spalin snížena na tlak životní prostředí, co nejvíc to půjde. Je velmi hrubé odhadnout tah motoru jako plochu kritické části trysky, vynásobenou tlakovým rozdílem ve spalovací komoře a okolí. Proto je tah vyšší, čím vyšší je tlak ve spalovací komoře.
Tah pulzního detonačního motoru je dán dalšími faktory - přenosem impulsu detonační vlnou na náporovou stěnu. Tryska v tomto případě není vůbec potřeba. Pulzní detonační motory mají své vlastní místo - levná a jednorázová letadla. V tomto výklenku se úspěšně rozvíjejí směrem ke zvýšení frekvence opakování pulsu.
Klasický vzhled IDD je válcová spalovací komora, která má plochou nebo speciálně profilovanou stěnu, nazývanou „průvanová stěna“ (obr. 2). Jednoduchost IDD zařízení je jeho nespornou výhodou. Jak ukazuje analýza dostupných publikací, i přes rozmanitost navržených schémat PDE se všechna vyznačují použitím detonačních trubic značné délky jako rezonančních zařízení a použitím ventilů, které zajišťují periodický přívod pracovní tekutiny.
Je třeba poznamenat, že PDE, vytvořený na základě tradičních detonačních trubic, má i přes vysokou termodynamickou účinnost při jedné pulzaci nevýhody charakteristické pro klasické pulzující vzduchové tryskové motory, a to:
Nízká frekvence (do 10 Hz) pulzací, která určuje relativně nízkou úroveň průměrné trakční účinnosti;
Vysoké tepelné a vibrační zatížení.
Rýže. 2. Kruhový diagram pulzní detonační motor (PDE)
Směr č. 2 - Multipipe IDD. Hlavním trendem ve vývoji IDD je přechod na vícetrubkové schéma (obr. 3). V takových motorech zůstává frekvence provozu jedné trubky nízká, ale kvůli střídání pulzů v různých trubkách vývojáři doufají, že získají přijatelné specifické vlastnosti. Takové schéma se zdá být docela použitelné, pokud je vyřešen problém vibrací a asymetrie tahu, stejně jako problém spodního tlaku, zejména možné nízkofrekvenční oscilace v oblasti dna mezi trubkami.
Rýže. 3. Pulzní detonační motor (PDE) tradičního schématu s balíkem detonačních trubic jako rezonátorů
Směr č. 3 - IDD s vysokofrekvenčním rezonátorem. Existuje také alternativní směr - nedávno široce inzerované schéma s trakčními moduly (obr. 4) se speciálně profilovaným vysokofrekvenčním rezonátorem. Práce v tomto směru probíhají v NTC im. A. Lyulka a v MAI. Schéma se vyznačuje absencí jakýchkoli mechanických ventilů a přerušovaných zapalovacích zařízení.
Trakční modul IDD navrhovaného schématu se skládá z reaktoru a rezonátoru. Reaktor slouží k přípravě směs paliva a vzduchu k detonačnímu spalování, rozkladu molekul hořlavé směsi na chemicky aktivní složky. Schematický diagram jednoho cyklu provozu takového motoru je přehledně znázorněn na Obr. 5.
Při interakci se spodní plochou rezonátoru jako s překážkou na něj detonační vlna v procesu srážky přenáší impuls z přetlakových sil.
IDD s vysokofrekvenčními rezonátory mají právo na úspěch. Zejména mohou tvrdit, že modernizují přídavné spalování a zdokonalují jednoduché proudové motory, opět určené pro levné UAV. Příkladem jsou pokusy MAI a CIAM takto modernizovat proudový motor MD-120 nahrazením spalovací komory reaktorem pro aktivaci palivové směsi a instalací trakčních modulů s vysokofrekvenčními rezonátory za turbínu. Doposud se nepodařilo vytvořit funkční design, protože. při profilování rezonátorů autoři využívají lineární teorii kompresních vln, tzn. výpočty se provádějí v akustické aproximaci. Dynamiku detonačních vln a kompresních vln popisuje zcela jiný matematický aparát. Použití standardních numerických balíčků pro výpočet vysokofrekvenčních rezonátorů má zásadní omezení. Všechno moderní modely turbulence jsou založeny na zprůměrování Navier-Stokesových rovnic (základních rovnic dynamiky plynů) v čase. Navíc je zaveden Boussinesqův předpoklad, že tenzor turbulentního třecího napětí je úměrný gradientu rychlosti. Oba předpoklady nejsou splněny při turbulentním proudění s rázovými vlnami, pokud jsou charakteristické frekvence srovnatelné s frekvencí turbulentních pulsací. Bohužel řešíme právě takový případ, takže zde je nutné buď postavit model více vysoká úroveň nebo přímou numerickou simulaci založenou na úplných Navier-Stokesových rovnicích bez použití modelů turbulence (úloha, která je v současné fázi neúnosná).
Rýže. 4. Schéma PDD s vysokofrekvenčním rezonátorem
Rýže. Obr. 5. Schéma PDE s vysokofrekvenčním rezonátorem: SZS - nadzvukový proud; SW - rázová vlna; Ф - zaměření rezonátoru; DW - detonační vlna; VR - vlna zředění; SHW - odražená rázová vlna
IDD se zdokonalují ve směru zvyšování frekvence opakování pulsu. Tento směr má své právo na život v oblasti lehkých a levných bezpilotních prostředků, stejně jako ve vývoji různých ejektorových posilovačů tahu.
Recenzenti:Uskov V.N., doktor technických věd, profesor katedry hydroaeromechaniky Petrohradské státní univerzity, fakulta matematiky a mechaniky, Petrohrad;
Emelyanov V.N., doktor technických věd, profesor, vedoucí katedry dynamiky plazmových plynů a tepelného inženýrství, BSTU "VOENMEH" pojmenované po A.I. D.F. Ustinov, Petrohrad.
Práce obdržela redakce 14. října 2013.
Bibliografický odkaz
Bulat P.V., Prodan N.V. RECENZE PROJEKTŮ DETONAČNÍCH MOTORŮ. PULZNÍ MOTORY // Základní výzkum. - 2013. - č. 10-8. - S. 1667-1671;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (datum přístupu: 03.05.2019). Upozorňujeme na časopisy vydávané nakladatelstvím "Přírodovědná akademie"
Detonační motory se nazývají motory, v jejichž normálním režimu se používá detonační spalování paliva. Samotný motor může být (teoreticky) cokoli – spalovací motor, proudový, nebo i parní. Teoreticky. Doposud však nebyly všechny známé komerčně přijatelné motory s takovými režimy spalování paliva, běžně označovanými jako "exploze", používány kvůli jejich ... mmm .... komerční nepřijatelnosti.
Zdroj:
Jaké je využití detonačního spalování v motorech? Hrubě zjednodušené a zobecňující, něco takového:
Výhody
1. Nahrazení klasického spalování detonačním vzhledem k vlastnostem dynamiky plynů čela rázové vlny zvyšuje teoretickou maximální dosažitelnou úplnost spalování směsi, což umožňuje zvýšit účinnost motoru a snížit spotřebu o cca 5-20%. To platí pro všechny typy motorů, jak motory s vnitřním spalováním, tak motory proudové.
2. Rychlost spalování části palivové směsi se zvýší asi 10-100krát, což znamená, že je teoreticky možné zvýšit litrový výkon u spalovacího motoru (nebo měrný tah na kilogram hmoty u proudových motorů) o přibližně stejně mnohokrát. Tento faktor je také relevantní pro všechny typy motorů.
3. Faktor je relevantní pouze pro proudové motory všech typů: protože spalovací procesy probíhají ve spalovací komoře nadzvukovou rychlostí a teploty a tlaky ve spalovací komoře se mnohonásobně zvyšují, je zde vynikající teoretická příležitost znásobit rychlost proudění z trysky. Což následně vede k úměrnému zvýšení tahu, specifického impulsu, účinnosti a/nebo snížení hmotnosti motoru a potřebného paliva.
Všechny tyto tři faktory jsou velmi důležité, ale nejsou revoluční, ale takříkajíc evoluční povahy. Revoluční je čtvrtý a pátý faktor a vztahuje se pouze na proudové motory:
4. Pouze použití detonačních technologií umožňuje vytvořit přímoproudý (a tedy na atmosférickém okysličovadle!) univerzální proudový motor přijatelné hmotnosti, velikosti a tahu pro praktický a rozsáhlý rozvoj řady až, super- a hypersonické rychlosti 0-20 Mach.
5. Pouze detonační technologie umožňují vytlačit z chemických raketových motorů (palivo-oxidační pára) rychlostní parametry potřebné pro jejich široké uplatnění při meziplanetárních letech.
Body 4 a 5. nám teoreticky prozradí a) levná cesta do blízkého vesmíru a b) cesta k pilotovaným startům k nejbližším planetám, aniž by bylo nutné vyrábět monstrózní supertěžké nosné rakety o hmotnosti přes 3500 tun.
Nevýhody detonačních motorů vyplývají z jejich výhod:
Zdroj:
1. Rychlost spalování je tak vysoká, že nejčastěji lze tyto motory nastavit tak, aby pracovaly pouze cyklicky: vstup-vyhoření. Což minimálně třikrát snižuje maximální dosažitelný litrový výkon a/nebo tah, což někdy zbavuje samotnou myšlenku smyslu.
2. Teploty, tlaky a rychlosti jejich nárůstu ve spalovací komoře detonačních motorů jsou takové, že vylučují přímé použití většiny nám známých materiálů. Všechny jsou příliš slabé na sestavení jednoduchého, levného a účinného motoru. Buď je vyžadována celá rodina zásadně nových materiálů, nebo použití dosud nepropracovaných designových triků. Nemáme materiály a složitost designu opět často způsobí, že celý nápad ztrácí smysl.
Existuje však oblast, ve které jsou detonační motory nepostradatelné. Jedná se o ekonomicky životaschopný atmosférický hyperzvuk s rozsahem otáček 2-20 Max. Bitva se tedy odehrává na třech frontách:
1. Vytvoření schématu motoru s nepřetržitou detonací ve spalovacím prostoru. Což vyžaduje superpočítače a netriviální teoretické přístupy k výpočtu jejich hemodynamiky. V této oblasti se jako vždy ujaly zatracované prošívané bundy, které poprvé na světě teoreticky ukázaly, že průběžné delegování je obecně možné. Vynález, objev, patent – všechno. A začali vyrábět praktickou konstrukci z rezavých trubek a petroleje.
2. Tvorba konstruktivní řešení tvorba možné aplikace klasické materiály. Proklínejte prošívané bundy s opilými medvědy a tady jako první vymysleli a vyrobili laboratorní vícekomorový motor, který už funguje libovolně dlouho. Tah je jako u motoru Su27 a váha je taková, že ho drží v rukou 1 (jeden!) děda. Ale protože vodka byla spálená, ukázalo se, že motor prozatím pulzuje. Na druhou stranu ten parchant funguje tak čistě, že ho lze zapnout i v kuchyni (kde ho vlastně ty prošívané bundy spláchly mezi vodkou a balalajkou)
3. Tvorba supermateriálů pro budoucí motory. Tato oblast je nejtěsnější a nejtajnější. Nemám informace o průlomech v něm.
Na základě výše uvedeného zvažte vyhlídky na detonaci, pístový spalovací motor. Jak je známo, ke zvýšení tlaku ve spalovací komoře klasických rozměrů při detonaci ve spalovacím motoru dochází rychleji než je rychlost zvuku. Při zachování stejné konstrukce neexistuje způsob, jak vyrobit mechanický píst, a dokonce i se značnými vázanými hmotami se pohybovat ve válci přibližně stejnými rychlostmi. Časování klasického rozložení také nemůže fungovat v takových rychlostech. Přímá přestavba klasického ICE na detonační je tedy z praktického hlediska nesmyslná. Je potřeba předělat motor. Ale jakmile to začneme dělat, ukáže se, že píst v tomto provedení je jen detail navíc. Proto je IMHO pístová detonace ICE anachronismus.
1Je zvažován problém vývoje rotačních detonačních motorů. Představeny jsou hlavní typy těchto motorů: rotační detonační motor Nichols, motor Wojciechowski. Jsou zvažovány hlavní směry a trendy ve vývoji konstrukce detonačních motorů. Ukazuje se, že moderní koncepce rotačního detonačního motoru v zásadě nemohou vést k vytvoření funkční konstrukce, která svými vlastnostmi předčí ty stávající. proudové motory. Důvodem je přání konstruktérů spojit generování vln, spalování paliva a vyhazování paliva a okysličovadla do jednoho mechanismu. V důsledku samoorganizace struktur rázové vlny je detonační spalování prováděno spíše v minimálním než maximálním objemu. Dnes skutečně dosaženým výsledkem je detonační spalování v objemu nepřesahujícím 15 % objemu spalovací komory. Cesta ven je vidět v jiném přístupu - nejprve se vytvoří optimální konfigurace rázových vln a teprve poté se do tohoto systému přivedou složky paliva a ve velkém objemu se zorganizuje optimální detonační spalování.
detonační motor
rotační detonační motor
motor Wojciechowski
kruhová detonace
rotující detonace
impulsní detonační motor
1. B. V. Voitsekhovsky, V. V. Mitrofanov a M. E. Topchiyan, Struktura detonační fronty v plynech. - Novosibirsk: Nakladatelství Akademie věd SSSR, 1963.
2. Uskov V.N., Bulat P.V. K problému návrhu ideálního difuzéru pro kompresi nadzvukového proudění // Fundamental Research. - 2012. - č. 6 (1. část). - S. 178-184.
3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Historie studia nepravidelného odrazu rázové vlny od osy symetrie nadzvukového výtrysku se vznikem Machova disku // Fundamental Research. - 2012. - č. 9 (2. část). - S. 414-420.
4. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Odůvodnění aplikace stacionárního Machova konfiguračního modelu na výpočet Machova disku v nadzvukovém jetu // Základní výzkum. - 2012. - č. 11 (1. část). – S. 168–175.
5. Shchelkin K.I. Nestabilita spalování a detonace plynů // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965. - T. 87, čís. 2.– S. 273–302.
6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Přerušovaná detonace jako mechanismus vytvářející důvěru // Jet Propulsion. - 1957. - č. 21. - S. 534-541.
Rotační detonační motory
Všechny typy rotačních detonačních motorů (RDE) mají společné to, že se v detonační vlně kombinuje systém přívodu paliva se systémem spalování paliva, ale pak vše funguje jako u klasického proudového motoru - plamenec a tryska. Právě tato skutečnost iniciovala takovou aktivitu v oblasti modernizace plynových turbínových motorů (GTE). Zdá se atraktivní nahradit pouze směšovací hlavu a systém zapalování směsi v motoru s plynovou turbínou. K tomu je potřeba zajistit kontinuitu detonačního hoření např. spuštěním detonační vlny v kruhu. Nichols byl jedním z prvních, kdo navrhl takové schéma v roce 1957, a poté je vyvinul a provedl řadu experimentů s rotující detonační vlnou v polovině 60. let (obr. 1).
Úpravou průměru komory a tloušťky prstencové mezery je možné pro každý typ palivové směsi zvolit takovou geometrii, aby detonace byla stabilní. V praxi se ukazuje vztah mezi mezerou a průměrem motoru jako nepřijatelný a je nutné řídit rychlost šíření vln řízením dodávky paliva, jak je uvedeno níže.
Stejně jako u pulzních detonačních motorů je kruhová detonační vlna schopna vyvrhnout okysličovadlo, což umožňuje použití RDE při nulových rychlostech. Tato skutečnost vedla k přívalu experimentálních a výpočtových studií RDE s prstencovou spalovací komorou a samovolným výstřikem směsi paliva a vzduchu, jejichž výčet zde nedává smysl. Všechny jsou postaveny přibližně podle stejného schématu (obr. 2), připomínající schéma Nicholsova motoru (obr. 1).
Rýže. 1. Schéma organizace kontinuální kruhové detonace v prstencové mezeře: 1 - detonační vlna; 2 - vrstva "čerstvé" palivové směsi; 3 - kontaktní mezera; 4 - šikmá rázová vlna šířící se po proudu; D je směr detonační vlny
Rýže. 2. Typický obvod RDE: V - rychlost volného proudění; V4 - průtok na výstupu z trysky; a - čerstvé palivové soubory, b - čelo detonační vlny; c - připojená šikmá rázová vlna; d - produkty spalování; p(r) - rozložení tlaku na stěnu kanálu
Rozumnou alternativou k Nicholsovu schématu by mohla být instalace více palivových oxidačních vstřikovačů, které by vstřikovaly směs paliva a vzduchu do oblasti těsně před detonační vlnou podle určitého zákona s daným tlakem (obr. 3). Úpravou tlaku a rychlosti přívodu paliva do spalovací oblasti za detonační vlnou je možné ovlivnit rychlost jejího šíření proti proudu. Tento směr je slibný, ale hlavním problémem při návrhu takových RDE je to, že široce používaný zjednodušený model proudění v detonační frontě spalování vůbec neodpovídá realitě.
Rýže. 3. RDE s řízeným přívodem paliva do spalovacího prostoru. Rotační motor Wojciechowski
Hlavní naděje ve světě jsou spojeny s detonačními motory pracujícími podle schématu rotační motor Voitsekhovský. V roce 1963 B.V. Voitsekhovsky analogicky se spinovou detonací vyvinul schéma kontinuálního spalování plynu za trojitým uspořádáním rázových vln cirkulujících v prstencovém kanálu (obr. 4).
Rýže. Obr. 4. Schéma Wojciechowského kontinuálního spalování plynu za trojitým uspořádáním rázových vln cirkulujících v prstencovém kanálu: 1 - čerstvá směs; 2 - dvojitě stlačená směs za trojitou konfigurací rázových vln, oblast detonace
V tento případ stacionární hydrodynamický proces se spalováním plynu za rázovou vlnou se liší od detonačního schématu Chapman-Jouguet a Zel'dovich-Neumann. Takový proces je poměrně stabilní, jeho trvání je určeno zásobou palivové směsi a ve známých experimentech je několik desítek sekund.
Jako prototyp sloužilo schéma detonačního motoru Wojciechowského četné studiĕ rotační a spin detonační motory̆ zahájena v posledních 5 letech. Toto schéma představuje více než 85 % všech studií. Všechny mají jednu organickou nevýhodu - detonační zóna zabírá příliš málo z celkové zóny hoření, obvykle ne více než 15%. Výsledkem je, že specifický výkon motorů je horší než u motorů tradiční konstrukce.
O příčinách neúspěchů s implementací Wojciechowského schématu
Většina prací na motorech s nepřetržitou detonací je spojena s vývojem koncepce Wojciechowského. Přes více než 40letou historii výzkumu zůstaly výsledky skutečně na úrovni roku 1964. Podíl detonačního hoření nepřesahuje 15 % objemu spalovací komory. Zbytek je pomalé spalování za podmínek, které zdaleka nejsou optimální.
Jedním z důvodů tohoto stavu je chybějící funkční metodika výpočtu. Vzhledem k tomu, že proudění je trojrozměrné a výpočet bere v úvahu pouze zákony zachování hybnosti na rázové vlně ve směru kolmém na modelovou detonační frontu, výsledky výpočtu sklonu rázových vln k proudění zplodin hoření se liší od experimentálně pozorovaných o více než 30 %. Výsledkem je, že navzdory mnohaletým výzkumům různé systémy dodávky paliva a experimenty se změnou poměru složek paliva, vše, co bylo provedeno, je vytvořit modely, ve kterých dochází k detonačnímu spalování a je udržováno po dobu 10-15 s. Nemluví se o zvýšení účinnosti nebo o výhodách oproti stávajícím motorům na kapalná paliva a plynové turbíny.
Analýza dostupných schémat RDE provedená autory projektu ukázala, že všechna dnes nabízená schémata RDE jsou v zásadě nefunkční. Dochází k detonačnímu hoření a je úspěšně udržováno, ale pouze v omezené míře. Ve zbytku objemu máme co do činění s obvyklým pomalým spalováním, navíc za neoptimálním systémem rázových vln, což vede k výrazným ztrátám celkového tlaku. Kromě toho je tlak také několikanásobně nižší, než je nutné pro ideální podmínky spalování při stechiometrickém poměru složek palivové směsi. Díky tomu je měrná spotřeba paliva na jednotku tahu o 30-40 % vyšší než u běžných motorů.
Ale nejvíce hlavní problém je samotným principem organizace nepřetržitá detonace. Jak ukazují studie kontinuální kruhové detonace, provedené již v 60. letech, detonační spalovací fronta je složitá struktura rázové vlny sestávající z nejméně dvou trojitých konfigurací (asi trojitých konfigurací rázových vln. Taková konstrukce s připojenou detonační zónou, jako každý termodynamický zpětnovazební systém, ponechán sám, má tendenci zaujmout polohu odpovídající minimální energetické úrovni. Výsledkem je, že trojité konfigurace a oblast detonačního spalování jsou vzájemně nastaveny tak, že čelo detonace se pohybuje prstencovou mezerou s minimální možné množství detonačního spalování, což je v přímém protikladu k cíli, který si konstruktéři motorů stanovili pro detonační spalování.
Pro vytvoření účinného motoru RDE je nutné vyřešit problém vytvoření optimální trojité konfigurace rázových vln a uspořádání zóny detonačního spalování v ní. Optimální struktury rázových vln musí být schopny vytvořit v různých technická zařízení, například v optimálních difuzérech nadzvukových přívodů vzduchu. Hlavním úkolem je maximální možné zvýšení podílu detonačního hoření na objemu spalovací komory z dnes nepřijatelných 15 % na minimálně 85 %. Stávající konstrukce motorů vycházející ze schémat Nicholse a Wojciechowského nemohou tento úkol zajistit.
Recenzenti:Uskov V.N., doktor technických věd, profesor katedry hydroaeromechaniky Petrohradské státní univerzity, fakulta matematiky a mechaniky, Petrohrad;
Emelyanov V.N., doktor technických věd, profesor, vedoucí katedry dynamiky plazmových plynů a tepelného inženýrství, BSTU "VOENMEH" pojmenované po A.I. D.F. Ustinov, Petrohrad.
Práce obdržela redakce 14. října 2013.
Bibliografický odkaz
Bulat P.V., Prodan N.V. RECENZE PROJEKTŮ DETONAČNÍCH MOTORŮ. ROTAČNÍ DETONAČNÍ MOTORY // Základní výzkum. - 2013. - č. 10-8. - S. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (datum přístupu: 14.03.2019). Upozorňujeme na časopisy vydávané nakladatelstvím "Přírodovědná akademie"
Průzkum vesmíru je nedobrovolně spojen s kosmické lodě. Srdcem každé nosné rakety je její motor. Musí vyvinout první kosmickou rychlost - asi 7,9 km/s, aby dopravila astronauty na oběžnou dráhu, a druhou kosmickou rychlost, aby překonala gravitační pole planety.
Toho není snadné dosáhnout, ale vědci neustále hledají nové způsoby, jak tento problém vyřešit. Konstruktéři z Ruska šlápli ještě dál a podařilo se jim vyvinout detonaci raketový motor, jehož zkoušky byly úspěšné. Tento úspěch lze nazvat skutečným průlomem v oblasti kosmického inženýrství.
Nové příležitosti
Proč jsou přiřazeny detonační motory velké naděje? Podle vědců bude jejich výkon 10 tisíckrát větší než výkon stávajících raketových motorů. Zároveň hodně spotřebují méně paliva a jejich výroba se vyznačuje nízkou cenou a ziskovostí. S čím to souvisí?
Všechno je to o oxidaci paliva. Pokud moderní rakety využívají proces deflagrace - pomalé (podzvukové) spalování paliva při konstantním tlaku, tak detonační raketový motor funguje díky explozi, detonaci hořlavé směsi. Hoří nadzvukovou rychlostí za uvolnění obrovského množství tepelné energie současně s šířením rázové vlny.
Vývoj a testování Ruská verze detonační motor byl zapojen ve specializované laboratoři "Detonation LRE" v rámci výrobního komplexu "Energomash".
Převaha nových motorů
Přední světoví vědci studují a vyvíjejí detonační motory již 70 let. Hlavním důvodem, který brání vzniku tohoto typu motoru, je nekontrolované samovznícení paliva. Kromě toho byly na pořadu dne úkoly efektivního míchání paliva a okysličovadla a také integrace trysky a sání vzduchu.
Po vyřešení těchto problémů bude možné vytvořit detonační raketový motor, který svým vlastním způsobem Technické specifikace předběhne čas. Vědci zároveň nazývají jeho následující výhody:
- Schopnost vyvinout rychlosti v podzvukovém a nadzvukovém rozsahu.
- Výjimka z konstrukce mnoha pohyblivých částí.
- Nižší hmotnost a cena elektrárny.
- Vysoká termodynamická účinnost.
sériově daný typ motor se nevyráběl. Poprvé byl testován na dolnoplošníku v roce 2008. Detonační motor pro nosné rakety poprvé otestovali ruští vědci. Proto má tato událost tak velký význam.
Princip činnosti: pulzní a kontinuální
V současné době vědci vyvíjejí instalace s pulzním a nepřetržitým pracovním postupem. Princip činnosti detonačního raketového motoru s pulzním provozním schématem je založen na cyklickém plnění spalovací komory hořlavou směsí, jejím sekvenčním zapalování a uvolňování zplodin hoření do životního prostředí.
V souladu s tím je v kontinuálním provozním procesu palivo kontinuálně dodáváno do spalovací komory, palivo hoří v jedné nebo více detonačních vlnách, které nepřetržitě cirkulují napříč proudem. Výhody takových motorů jsou:
- Jednorázové zapálení paliva.
- Relativně jednoduchý design.
- Malé rozměry a hmotnost instalací.
- Efektivnější využití hořlavé směsi.
- Nízká hladina produkovaného hluku, vibrací a škodlivých emisí.
V budoucnu, s využitím těchto výhod, detonační raketový motor na kapalné palivo v režimu nepřetržitého provozu nahradí všechna stávající zařízení díky své hmotnosti, velikosti a cenovým charakteristikám.
Testy detonačních motorů
První zkoušky domácí rozbušky byly provedeny v rámci projektu Ministerstva školství a vědy. Jako prototyp byl představen malý motor se spalovací komorou o průměru 100 mm a šířce prstencového kanálu 5 mm. Zkoušky byly prováděny na speciálním stojanu, byly zaznamenávány indikátory při práci na různých typech hořlavých směsí - vodík-kyslík, zemní plyn-kyslík, propan-butan-kyslík.
Testy kyslíkovo-vodíkového detonačního raketového motoru prokázaly, že termodynamický cyklus těchto jednotek je o 7 % účinnější než u jiných jednotek. Navíc bylo experimentálně potvrzeno, že s rostoucím množstvím dodávaného paliva roste tah a také počet detonačních vln a rychlost otáčení.
Analogy v jiných zemích
Vývojem detonačních motorů se zabývají vědci z předních zemí světa. Největšího úspěchu v tomto směru dosáhli designéři z USA. Ve svých modelech implementovali kontinuální režim provozu, neboli rotační. Americká armáda plánuje použít tato zařízení k vybavení hladinových lodí. Díky své nižší hmotnosti a malým rozměrům s vysokým výstupním výkonem pomohou zvýšit efektivitu bojových člunů.
Stechiometrickou směs vodíku a kyslíku ke své práci využívá americký detonační raketový motor. Výhody takového zdroje energie jsou především ekonomické – kyslík spálí přesně tolik, kolik je potřeba k oxidaci vodíku. Nyní americká vláda utrácí několik miliard dolarů, aby poskytla válečným lodím uhlíkové palivo. Stechiometrické palivo několikanásobně sníží náklady.
Další směry vývoje a perspektivy
Nová data získaná jako výsledek testování detonačních motorů určila použití zásadně nových metod pro konstrukci schématu provozu na kapalné palivo. Ale pro provoz musí mít takové motory vysokou tepelnou odolnost kvůli velký počet uvolněná tepelná energie. V současné době se vyvíjí speciální nátěr, který zajistí provozuschopnost spalovací komory při vystavení vysokým teplotám.
Zvláštní místo v dalším výzkumu zaujímá vytvoření míchacích hlavic, s jejichž pomocí bude možné získat kapky hořlavého materiálu dané velikosti, koncentrace a složení. K řešení těchto problémů bude vytvořen nový detonační raketový motor na kapalné palivo, který se stane základem nové třídy nosných raket.
Publikace "Vojensko-průmyslový kurýr" přináší skvělé zprávy z oblasti průlomových raketových technologií. V Rusku byl testován detonační raketový motor, uvedl v pátek na své facebookové stránce vicepremiér Dmitrij Rogozin.
„Takzvané detonační raketové motory vyvinuté v rámci programu Advanced Research Foundation byly úspěšně testovány,“ cituje Interfax-AVN vicepremiéra.
Předpokládá se, že detonační raketový motor je jedním ze způsobů, jak realizovat koncept takzvaného motorového hyperzvuku, tedy vytvoření hypersonického letadla schopného dosahovat rychlosti 4–6 Mach (Mach je rychlost zvuku) kvůli vlastnímu motoru.
Portál russia-reborn.ru poskytuje rozhovor s jedním z předních specializovaných motorových inženýrů v Rusku o detonačních raketových motorech.
Rozhovor s Petrem Levochkinem, hlavním designérem NPO Energomash pojmenovaném po akademikovi V.P. Glushkovi.
Vznikají motory pro hypersonické střely budoucnosti
Byly provedeny úspěšné testy tzv. detonačních raketových motorů, které daly velmi zajímavé výsledky. Vývojové práce v tomto směru budou pokračovat.
Detonace je výbuch. Dá se to zvládnout? Je možné na základě takových motorů vytvořit hypersonické zbraně? Jaké raketové motory vynesou neobydlená a pilotovaná vozidla do blízkého vesmíru? To byl náš rozhovor se zástupcem generálního ředitele - hlavním konstruktérem "NPO Energomash pojmenovaném po akademikovi V.P. Glushkovi" Petru Levochkinovi.
Petr Sergejeviči, jaké možnosti otevírají nové motory?
Petr Levochkin: Pokud mluvíme o krátkodobém horizontu, dnes pracujeme na motorech pro takové střely, jako jsou Angara A5V a Sojuz-5, a také další, které jsou ve fázi přednávrhu a jsou široké veřejnosti neznámé. Obecně jsou naše motory navrženy tak, aby zvedly raketu z povrchu nebeského tělesa. A může být jakýkoliv – pozemský, měsíční, marťanský. Pokud se tedy uskuteční lunární nebo marťanský program, určitě se jich zúčastníme.
Jaká je účinnost moderních raketových motorů a existují způsoby, jak je zlepšit?
Petr Levochkin: Pokud mluvíme o energii a termodynamické parametry motory, dá se říci, že naše, stejně jako nejlepší zahraniční chemické raketové motory současnosti, dotáhly k určité dokonalosti. Například úplnost spalování paliva dosahuje 98,5 procenta. To znamená, že téměř veškerá chemická energie paliva v motoru se přemění na tepelnou energii proudu plynu vycházejícího z trysky.
Motory lze vylepšit mnoha způsoby. To zahrnuje použití energeticky náročnějších komponentů paliva, zavedení nových konstrukcí okruhů a zvýšení tlaku ve spalovací komoře. Dalším směrem je použití nových, včetně aditivních, technologií za účelem snížení pracnosti a v důsledku toho snížení nákladů na raketový motor. To vše vede ke snížení nákladů na výstup užitečné zatížení.
Při bližším zkoumání se však ukazuje, že zvyšování energetických charakteristik motorů tradičním způsobem je neúčinné.
Použití řízeného výbuchu pohonné látky by mohlo poskytnout raketě rychlost osmkrát vyšší než rychlost zvuku
Proč?
Petr Levochkin: Zvýšení tlaku a spotřeby paliva ve spalovacím prostoru přirozeně zvýší tah motoru. To však bude vyžadovat zvýšení tloušťky stěn komory a čerpadel. V důsledku toho se zvyšuje složitost struktury a její hmotnost a zisk energie se ukazuje jako ne tak velký. Hra nebude stát svíčku.
To znamená, že raketové motory vyčerpaly zdroje svého vývoje?
Petr Levochkin: Vlastně ani ne. Mluvení technický jazyk lze je zlepšit zvýšením účinnosti intramotorických procesů. Existují cykly termodynamické přeměny chemické energie na energii vytékajícího paprsku, které jsou mnohem účinnější než klasické spalování raketového paliva. Toto je detonační spalovací cyklus a Humphreyův cyklus jemu blízký.
Samotný efekt detonace paliva objevil náš krajan – pozdější akademik Jakov Borisovič Zeldovič již v roce 1940. Realizace tohoto efektu v praxi slibovala velmi velké vyhlídky v raketové vědě. Není divu, že Němci ve stejných letech aktivně vyšetřovali detonační proces spalování. Dál než ne zcela úspěšné experimenty ale nepokročily.
Teoretické výpočty ukázaly, že detonační spalování je o 25 procent účinnější než izobarický cyklus, což odpovídá spalování paliva při konstantním tlaku, které je realizováno v komorách moderních motorů na kapalná paliva.
A jaké jsou výhody detonačního spalování ve srovnání s klasickým?
Petr Levochkin: Klasický proces spalování je podzvukový. Detonace - nadzvuková. Rychlost reakce v malém objemu vede k obrovskému uvolnění tepla - je několik tisíckrát vyšší než při podzvukovém spalování, realizovaném v klasických raketových motorech se stejnou hmotností hořícího paliva. A pro nás motorové inženýry to znamená, že s mnohem menším detonačním motorem a malou hmotností paliva můžete získat stejný tah jako v moderních obrovských raketových motorech na kapalinu.
Není tajemstvím, že motory s detonačním spalováním paliva jsou vyvíjeny i v zahraničí. Jaké jsou naše pozice? Ustoupíme, půjdeme na jejich úroveň nebo jsme ve vedení?
Petr Levochkin: Nejsme méněcenní – to je jisté. Ale nemůžu říct, že bychom byli ve vedení. Téma je poměrně uzavřené. Jedním z hlavních technologických tajemství je, jak zajistit, aby palivo a okysličovadlo raketového motoru nehořelo, ale explodovalo, aniž by došlo ke zničení spalovací komory. To znamená, aby byl skutečný výbuch řiditelný a zvládnutelný. Pro informaci: detonace je spalování paliva v přední části nadzvukové rázové vlny. Existují pulzní detonace, kdy se rázová vlna pohybuje podél osy komory a jedna střídá druhou, a také kontinuální (spin) detonace, kdy se rázové vlny v komoře pohybují po kruhu.
Pokud víme, experimentální studie detonačního spalování byly provedeny za účasti vašich specialistů. Jaké výsledky byly získány?
Petr Levochkin: Pracovalo se na vytvoření modelové komory pro kapalinový detonační raketový motor. Na projektu pracovala velká spolupráce předních vědeckých center Ruska pod patronací Nadace pro pokročilé studium. Mezi nimi i Ústav hydrodynamiky. M.A. Lavrentiev, MAI, "Keldysh Center", Ústřední institut leteckých motorů. P.I. Baranov, Fakulta mechaniky a matematiky Moskevské státní univerzity. Navrhli jsme použít jako palivo petrolej a jako oxidační činidlo plynný kyslík. V procesu teoretických a experimentálních studií byla potvrzena možnost vytvoření detonačního raketového motoru založeného na takových součástech. Na základě získaných dat jsme vyvinuli, vyrobili a úspěšně otestovali modelovou detonační komoru s tahem 2 tuny a tlakem ve spalovací komoře cca 40 atm.
Tento úkol byl vyřešen poprvé nejen v Rusku, ale i ve světě. Takže samozřejmě byly problémy. Za prvé jsou spojeny se zajištěním stabilní detonace kyslíku petrolejem a za druhé se zajištěním spolehlivého chlazení požární stěny komory bez clonového chlazení a řady dalších problémů, jejichž podstata je jasná pouze specialisté.
Lze detonační motor použít v hypersonických střelách?
Petr Levochkin: Je to možné i nutné. Už jen proto, že spalování paliva v něm je nadzvukové. A v těch motorech, na kterých se nyní snaží vytvořit řízená hypersonická letadla, je spalování podzvukové. A to vytváří spoustu problémů. Pokud je totiž spalování v motoru podzvukové a motor letí řekněme rychlostí 5 Mach (jeden Mach se rovná rychlosti zvuku), je nutné přibližující proud vzduchu zpomalit na zvukový režim. Podle toho se veškerá energie tohoto zpomalení přemění na teplo, což vede k dodatečnému přehřívání konstrukce.
A v detonačním motoru probíhá spalovací proces rychlostí nejméně dvaapůlkrát vyšší, než je rychlost zvuku. A podle toho můžeme o tuto částku zvýšit rychlost letadla. To znamená, že už mluvíme ne o pěti, ale o osmi houpačkách. To je aktuálně dosažitelná rychlost letadel s hypersonickými motory, které budou využívat principu detonačního spalování.
Petr Levochkin: To je komplexní problém. Právě jsme otevřeli dveře do oblasti detonačního spalování. Mimo závorky naší studie zbývá ještě mnoho neprozkoumaného. Dnes se společně s RSC Energia snažíme určit, jak může motor jako celek vypadat v budoucnu detonační komora ve vztahu k pomocným blokům.
Na jakých motorech bude člověk létat na vzdálené planety?
Petr Levochkin: Podle mě budeme na tradičních LRE létat ještě dlouho a vylepšovat je. I když se samozřejmě vyvíjejí i jiné typy raketových motorů, například elektrické raketové motory (jsou mnohem účinnější než raketové motory - jejich specifický impuls je 10x vyšší). Bohužel, dnešní motory a nosné rakety nám neumožňují mluvit o realitě masivních meziplanetárních, a tím spíše mezigalaktických letů. Zatím je vše na úrovni fantazie: fotonové motory, teleportace, levitace, gravitační vlny. I když na druhou stranu, jen něco málo přes sto let, byly spisy Julese Verna vnímány jako čistá fantasy. Snad revoluční průlom v oblasti, kde pracujeme, není daleko. Včetně oblasti praktické tvorby raket využívajících energii výbuchu.
Složka "RG":
"Vědecké a výrobní sdružení Energomash" bylo založeno Valentinem Petrovičem Glushkem v roce 1929. Nyní nese jeho jméno. Zde vyvíjejí a vyrábějí kapalné raketové motory pro I, v některých případech II. stupně nosných raket. NPO vyvinula více než 60 různých proudových motorů na kapalná paliva. Na motorech Energomash byla vypuštěna první družice, do vesmíru letěl první člověk, vypuštěno první samohybné vozidlo Lunochod-1. Dnes více než devadesát procent nosných raket v Rusku startuje s motory navrženými a vyrobenými NPO Energomash.
