اکتشاف فضایی به طور غیرارادی با سفینه های فضایی. قلب هر پرتابگر موتور آن است. برای رساندن فضانوردان به مدار باید به اولین سرعت فرار - حدود 7.9 کیلومتر بر ثانیه - و برای غلبه بر میدان گرانشی سیاره به سرعت فرار دوم برسد.
دستیابی به این امر آسان نیست، اما دانشمندان دائماً به دنبال راه های جدیدی برای حل این مشکل هستند. طراحان روسیه از این هم فراتر رفته اند و موفق به ایجاد یک انفجار شده اند موتور موشک، که آزمایشات آن با موفقیت انجام شد. این دستاورد را می توان یک پیشرفت واقعی در زمینه مهندسی فضا نامید.
فرصت های تازه
چرا امید زیادی به موتورهای انفجاری وجود دارد؟ بر اساس محاسبات دانشمندان، قدرت آنها 10 هزار برابر بیشتر از قدرت موتورهای موشکی موجود خواهد بود. در عین حال مصرف زیادی خواهند داشت سوخت کمتر، و تولید آنها با هزینه کم و سودآوری مشخص می شود. این به چه چیزی مرتبط است؟
همه چیز در مورد واکنش اکسیداسیون سوخت است. اگر راکت های مدرن از فرآیند آتش زدایی استفاده می کنند - احتراق آهسته (مادون صوت) سوخت در فشار ثابت، در این صورت یک موتور موشک انفجاری به دلیل انفجار، انفجار کار می کند. مخلوط قابل احتراق. با سرعت مافوق صوت می سوزد و همزمان با انتشار موج ضربه ای مقدار زیادی انرژی گرمایی آزاد می کند.
توسعه و آزمایش نسخه روسی موتور انفجار توسط آزمایشگاه تخصصی "موتورهای موشک مایع انفجار" به عنوان بخشی از مجموعه تولیدی Energomash انجام شد.
برتری موتورهای جدید
دانشمندان برجسته جهان 70 سال است که در حال مطالعه و توسعه موتورهای انفجاری هستند. دلیل اصلی جلوگیری از ایجاد این نوع موتورها، احتراق خود به خودی کنترل نشده سوخت است. علاوه بر این، وظایف اختلاط کارآمد سوخت و اکسید کننده و همچنین یکپارچه سازی نازل و ورودی هوا در دستور کار قرار گرفت.
با حل این مشکلات، امکان ایجاد یک موتور موشک انفجاری وجود خواهد داشت که در نوع خود مشخصات فنیاز زمان سبقت خواهد گرفت در عین حال، دانشمندان مزایای زیر را می نامند:
- امکان دستیابی به سرعت در محدوده های مافوق صوت و مافوق صوت.
- حذف بسیاری از قطعات متحرک از طراحی.
- وزن و هزینه کمتر نیروگاه.
- بازده ترمودینامیکی بالا
سریال این نوعموتور تولید نشد اولین بار در سال 2008 بر روی هواپیماهای کم پرواز آزمایش شد. یک موتور انفجاری برای وسایل نقلیه پرتاب برای اولین بار توسط دانشمندان روسی آزمایش شد. به همین دلیل است که به این رویداد اهمیت زیادی داده می شود.
اصل عملیات: پالس و پیوسته
در حال حاضر، دانشمندان در حال توسعه تاسیساتی با جریان کاری ضربانی و پیوسته هستند. اصل عملکرد یک موتور موشک انفجاری با مدار پالساین کار بر اساس پر کردن چرخه ای محفظه احتراق با مخلوط قابل احتراق، احتراق متوالی آن و انتشار محصولات احتراق در محیط است.
بر این اساس، در یک فرآیند کار مداوم، سوخت به طور مداوم به محفظه احتراق وارد می شود، سوخت در یک یا چند موج انفجاری می سوزد که به طور مداوم در سراسر جریان در گردش است. مزایای چنین موتورهایی عبارتند از:
- یکبار احتراق سوخت.
- طراحی نسبتا ساده.
- ابعاد کوچک و وزن تاسیسات.
- استفاده کارآمدتر از مخلوط قابل احتراق.
- سطوح پایین سر و صدا، ارتعاش و انتشارات مضر.
در آینده، با استفاده از این مزایا، یک موتور موشک مایع انفجار پیوسته به دلیل وزن، اندازه و ویژگی های هزینه، تمام تاسیسات موجود را جابجا خواهد کرد.
تست موتور انفجار
اولین آزمایشات تاسیسات انفجاری داخلی در چارچوب پروژه ای که توسط وزارت آموزش و پرورش ایجاد شده بود انجام شد. به عنوان نمونه اولیه ارائه شده است موتور کوچکبا یک محفظه احتراق با قطر 100 میلی متر و عرض کانال حلقوی 5 میلی متر. آزمایش ها بر روی یک پایه مخصوص انجام شد، شاخص ها هنگام کار روی آن ثبت شد انواع مختلفمخلوط قابل اشتعال - هیدروژن-اکسیژن، گاز طبیعی-اکسیژن، پروپان-بوتان-اکسیژن.
آزمایشات یک موتور موشک انفجاری با استفاده از سوخت اکسیژن-هیدروژن ثابت کرده است که چرخه ترمودینامیکی این تاسیسات 7 درصد کارآمدتر از زمانی است که سایر تاسیسات کار می کنند. علاوه بر این، به طور تجربی تأیید شد که با افزایش مقدار سوخت عرضه شده، رانش افزایش می‌یابد، همچنین تعداد امواج انفجار و سرعت چرخش افزایش می‌یابد.
آنالوگ در کشورهای دیگر
دانشمندان کشورهای پیشرو در سراسر جهان در حال توسعه موتورهای انفجاری هستند. طراحان از ایالات متحده آمریکا بیشترین موفقیت را در این مسیر به دست آورده اند. آنها در مدل های خود یک روش کار مداوم یا چرخشی را پیاده سازی کردند. ارتش آمریکا قصد دارد از این تاسیسات برای تجهیز کشتی های سطحی استفاده کند. به دلیل وزن کمتر و اندازه کوچک با قدرت خروجی بالا، به افزایش کارایی قایق های رزمی کمک خواهند کرد.
موتور موشک انفجاری آمریکایی از مخلوط استوکیومتری هیدروژن و اکسیژن برای کار استفاده می کند. مزایای چنین منبع انرژی در درجه اول اقتصادی است - فقط به اندازه اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون هیدروژن سوزانده می شود. دولت آمریکا در حال حاضر چندین میلیارد دلار برای تامین سوخت کربن برای کشتی های جنگی هزینه می کند. سوخت استوکیومتری هزینه ها را چندین برابر کاهش می دهد.
جهت های بیشتر توسعه و چشم انداز
داده‌های جدید به‌دست‌آمده در نتیجه آزمایش موتورهای انفجار، استفاده از روش‌های اساساً جدید را برای ساخت یک طرح عملیات سوخت مایع تعیین کرد. اما برای عملکرد، چنین موتورهایی باید مقاومت حرارتی بالایی داشته باشند، زیرا مقدار زیادی انرژی حرارتی آزاد می شود. در حال حاضر، یک پوشش ویژه در حال توسعه است که عملکرد محفظه احتراق را تحت تأثیر دمای بالا تضمین می کند.
جایگاه ویژه ای در تحقیقات بیشتر با ایجاد سرهای اختلاط اشغال شده است که با کمک آنها می توان قطرات مواد قابل احتراق را با اندازه، غلظت و ترکیب معین به دست آورد. برای حل این مسائل، یک موتور موشک مایع انفجاری جدید ایجاد خواهد شد که اساس کلاس جدیدی از وسایل نقلیه پرتاب خواهد شد.
در پایان ژانویه، گزارش هایی در مورد موفقیت های جدید در علم و فناوری روسیه ظاهر شد. از منابع رسمی مشخص شد که یکی از پروژه های داخلی موتور جت نوع انفجار امیدوار کننده قبلاً مرحله آزمایش را پشت سر گذاشته است. این امر لحظه تکمیل کامل تمام کارهای مورد نیاز را نزدیک‌تر می‌کند، در نتیجه راکت‌های فضایی یا نظامی توسعه‌یافته روسیه قادر به دریافت نیروگاه‌های جدید با ویژگی‌های بهبود یافته خواهند بود. علاوه بر این، اصول جدید عملکرد موتور ممکن است نه تنها در زمینه موشک، بلکه در زمینه های دیگر نیز کاربرد پیدا کند.
در اواخر ژانویه، معاون نخست وزیر دیمیتری روگوزین در مورد آخرین موفقیت های سازمان های تحقیقاتی به مطبوعات داخلی گفت. وی در میان موضوعات دیگر به فرآیند خلقت اشاره کرد موتور جتبا استفاده از اصول عملیاتی جدید یک موتور امیدوار کننده با احتراق انفجاری قبلاً مورد آزمایش قرار گرفته است. به گفته معاون نخست وزیر، استفاده از اصول جدید عملیاتی نیروگاه امکان افزایش قابل توجه عملکرد را فراهم می کند. در مقایسه با طرح های معماری سنتی، افزایش کشش حدود 30 درصد وجود دارد..
نمودار یک موتور موشک انفجاری
موتورهای موشکی مدرن کلاس های مختلفو انواع مورد استفاده در زمینه های مختلف به اصطلاح استفاده می کنند. چرخه ایزوباریک یا احتراق دیفلگ. محفظه های احتراق آنها فشار ثابتی را حفظ می کنند که در آن سوخت به آرامی می سوزد. موتوری که بر اساس اصول deflagration است نیازی به واحدهای قوی خاصی ندارد، اما در حداکثر عملکرد محدود است. افزایش ویژگی های اساسی، با شروع از یک سطح خاص، به طور غیر منطقی دشوار است.
جایگزینی برای موتور سیکل ایزوباریک در زمینه بهبود عملکرد سیستمی است که به اصطلاح. احتراق انفجاری در این حالت، واکنش اکسیداسیون سوخت در پشت موج ضربه ای، با سرعت بالاحرکت از طریق محفظه احتراق این خواسته های ویژه ای را برای طراحی موتور ایجاد می کند، اما مزایای آشکاری نیز ارائه می دهد. از نقطه نظر راندمان احتراق سوخت، احتراق انفجاری 25٪ بهتر از احتراق deflagration است. همچنین با احتراق با فشار ثابت در افزایش قدرت انتشار گرما در واحد سطح جبهه واکنش متفاوت است. در تئوری امکان افزایش این پارامتر سه تا چهار مرتبه بزرگی وجود دارد. در نتیجه، سرعت گازهای راکتیو را می توان 20-25 برابر افزایش داد.
بنابراین، موتور انفجار، متفاوت است افزایش ضریبکارآمد، قادر به ایجاد نیروی رانش بیشتر با مصرف سوخت کمتر. مزایای آن نسبت به طرح های سنتی آشکار است، اما تا همین اواخر، پیشرفت در این زمینه چیزهای زیادی باقی مانده است. اصول یک موتور جت انفجاری در سال 1940 توسط فیزیکدان شوروی Ya.B. Zeldovich، اما محصولات نهایی از این نوع هنوز مورد استفاده قرار نگرفته است. دلایل اصلی عدم موفقیت واقعی، مشکلات ایجاد یک ساختار به اندازه کافی قوی، و همچنین دشواری پرتاب و متعاقباً حفظ موج شوک هنگام استفاده از سوخت های موجود است.
یکی از جدیدترین پروژه های داخلی در زمینه موتورهای موشک انفجاری در سال 2014 آغاز شد و در NPO Energomash به نام آن در حال توسعه است. آکادمیسین V.P. گلوشکو. بر اساس داده های موجود، هدف پروژه با رمز Ifrit مطالعه اصول اولیه بوده است تکنولوژی جدیدبه دنبال آن یک موتور موشک مایع با استفاده از نفت سفید و گاز اکسیژن ایجاد شد. موتور جدید، که نام آن از شیاطین آتش در فرهنگ عامه عربی گرفته شده است، بر اساس اصل احتراق انفجاری چرخشی بود. بنابراین، مطابق با ایده اصلی پروژه، موج ضربه ای باید به طور مداوم در یک دایره در داخل محفظه احتراق حرکت کند.
توسعه دهنده اصلی پروژه جدید NPO Energomash یا بهتر است بگوییم آزمایشگاه ویژه ایجاد شده بر اساس آن بود. علاوه بر این، چندین سازمان تحقیقاتی و طراحی دیگر نیز در این کار مشارکت داشتند. این برنامه از سوی بنیاد مطالعات پیشرفته حمایت شد. از طریق تلاش های مشترک، همه شرکت کنندگان در پروژه Ifrit توانستند ظاهر بهینه یک موتور امیدوار کننده را فرموله کنند و همچنین یک محفظه احتراق مدل با اصول عملیاتی جدید ایجاد کنند.
برای مطالعه چشم انداز کل جهت و ایده های جدید، به اصطلاح مدل محفظه احتراق انفجار که الزامات پروژه را برآورده می کند. چنین موتور آزمایشی با پیکربندی کاهش یافته قرار بود از نفت سفید مایع به عنوان سوخت استفاده کند. گاز هیدروژن به عنوان یک عامل اکسید کننده پیشنهاد شد. در آگوست 2016، آزمایش نمونه اولیه دوربین آغاز شد. مهم اینه که برای اولین بار در تاریخ، پروژه ای از این دست به مرحله تست نیمکت آورده شد. پیش از این، موتورهای راکت انفجاری داخلی و خارجی ساخته شده بودند اما آزمایش نشده بودند.
در طول آزمایش نمونه مدل، امکان بدست آوردن بسیار زیاد وجود داشت نتایج جالب، درستی رویکردهای مورد استفاده را نشان می دهد. بنابراین، با استفاده از مواد مناسبو فناوری توانست فشار داخل محفظه احتراق را به 40 اتمسفر برساند. رانش محصول آزمایشی به 2 تن رسید.
محفظه مدل روی یک میز آزمایش
در چارچوب پروژه Ifrit، نتایج مشخصی به دست آمد، اما موتور انفجار سوخت مایع داخلی هنوز تا کاربرد عملی کامل فاصله دارد. قبل از معرفی چنین تجهیزاتی در پروژه های فناوری جدید، طراحان و دانشمندان باید تصمیم بگیرند کل خطجدی ترین وظایف تنها پس از این است که صنایع موشکی و فضایی یا صنایع دفاعی قادر خواهند بود تا پتانسیل فناوری جدید را در عمل به کار گیرند.
در اواسط ژانویه " روزنامه روسی» مصاحبه ای را با طراح ارشد NPO Energomash، Petr Levochkin منتشر کرد که موضوع آن وضعیت فعلی امور و چشم انداز موتورهای انفجاری بود. نماینده شرکت توسعه دهنده مفاد اصلی پروژه را یادآور شد و به موضوع موفقیت های به دست آمده نیز اشاره کرد. علاوه بر این، وی در مورد زمینه های احتمالی کاربرد Ifrit و سازه های مشابه صحبت کرد.
به عنوان مثال، موتورهای انفجاری را می توان در هواپیماهای مافوق صوت استفاده کرد. P. Levochkin یادآوری کرد که موتورهایی که در حال حاضر برای استفاده در چنین تجهیزاتی پیشنهاد می شوند از احتراق زیر صوت استفاده می کنند. در سرعت مافوق صوت وسیله نقلیه پرواز، هوای ورودی به موتور باید به سرعت کاهش یابد حالت صدا. با این حال، انرژی ترمز باید به بارهای حرارتی اضافی روی بدنه هواپیما منجر شود. در موتورهای انفجاری میزان سوختن سوخت حداقل به 2.5 M= می رسد. به لطف این، افزایش سرعت پرواز هواپیما امکان پذیر می شود. ماشین مشابهی با موتور انفجاری قادر خواهد بود به سرعتی هشت برابر سرعت صوت برسد.
با این حال، چشم انداز واقعی برای موتورهای موشک از نوع انفجاری هنوز خیلی عالی نیست. به گفته P. Levochkin، ما "به تازگی در را به منطقه احتراق انفجار باز کرده ایم." دانشمندان و طراحان باید مسائل زیادی را مطالعه کنند و تنها پس از آن امکان ایجاد طرح هایی با پتانسیل عملی وجود خواهد داشت. به همین دلیل، صنعت فضایی مجبور است برای مدت طولانی از موتورهای مایع با طراحی سنتی استفاده کند، که با این حال، امکان بهبود بیشتر آنها را نفی نمی کند.
یک واقعیت جالب این است که اصل انفجاراحتراق نه تنها در زمینه موتورهای موشکی استفاده می شود. درحال حاضر وجود دارد پروژه داخلی سیستم هوانوردیبا یک محفظه احتراق نوع انفجار که بر اساس اصل پالس کار می کند. نمونه اولیه ای از این نوع مورد آزمایش قرار گرفته است و در آینده ممکن است مسیر جدیدی را ایجاد کند. موتورهای جدید با احتراق انفجاری می توانند بیشترین کاربرد را پیدا کنند مناطق مختلفو تا حدی جایگزین موتورهای توربین گاز یا توربوجت با طرح های سنتی شود.
پروژه داخلی یک موتور هواپیمای انفجاری در دفتر طراحی به نام آن در حال توسعه است. صبح. گهواره ها اطلاعات مربوط به این پروژه اولین بار در سال گذشته در مجمع بین المللی نظامی-فنی ارتش 2017 ارائه شد. در غرفه شرکت توسعه دهنده موادی وجود داشت موتورهای مختلف، هم سریال و هم در حال توسعه. در میان دومی یک نمونه انفجار امیدوار کننده بود.
ماهیت پیشنهاد جدید استفاده از یک محفظه احتراق غیر استاندارد است که قادر به انجام احتراق انفجاری پالسی سوخت در جو هوا است. در این حالت ، فرکانس "انفجارها" در داخل موتور باید به 15-20 کیلوهرتز برسد. در آینده امکان افزایش بیشتر این پارامتر وجود دارد که در نتیجه صدای موتور فراتر از محدوده درک شده توسط گوش انسان خواهد رفت. چنین ویژگی های موتور ممکن است مورد توجه باشد.
اولین عرضه محصول آزمایشی "ایفریت"
با این حال، مزایای اصلی نیروگاه جدید با افزایش عملکرد همراه است. تست‌های پایه محصولات نمونه اولیه نشان داده‌اند که از نظر عملکرد خاص، تقریباً 30٪ برتر از موتورهای توربین گاز سنتی هستند. در زمان اولین نمایش عمومی مواد در موتور OKB. صبح. گهواره ها توانستند بسیار بالا بروند ویژگی های عملکرد. یک موتور آزمایشی از نوع جدید توانست به مدت 10 دقیقه بدون وقفه کار کند. کل زمان کارکرد این محصول روی پایه در آن زمان بیش از 100 ساعت بود.
نمایندگان شرکت توسعه اشاره کردند که در حال حاضر امکان ایجاد یک موتور انفجاری جدید با رانش 2-2.5 تن مناسب برای نصب بر روی هواپیماهای سبک یا وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین وجود دارد. در طراحی چنین موتوری پیشنهاد می شود از به اصطلاح استفاده شود. دستگاه های تشدید کننده مسئول حرکت درستاحتراق سوخت یک مزیت مهمپروژه جدید امکان اساسی نصب چنین وسایلی در هر نقطه از بدنه هواپیما است.
متخصصان OKB im. صبح. گهواره ها در حال کار هستند موتورهای هواپیمابا احتراق انفجاری پالسی برای بیش از سه دهه، اما تاکنون این پروژه مرحله تحقیقاتی را ترک نکرده و چشم‌انداز واقعی ندارد. دلیل اصلی- عدم نظم و تامین مالی لازم اگر پروژه پشتیبانی لازم را دریافت کند، در آینده قابل پیش بینی ممکن است یک موتور نمونه مناسب برای استفاده در تجهیزات مختلف ایجاد شود.
دانشمندان و طراحان روسی تا به امروز با استفاده از اصول جدید عملیاتی موفق شده اند نتایج بسیار قابل توجهی در زمینه موتورهای جت نشان دهند. چندین پروژه مناسب برای استفاده در زمینه های موشکی، فضایی و مافوق صوت وجود دارد. علاوه بر این، موتورهای جدید می توانند در هوانوردی "سنتی" استفاده شوند. برخی از پروژه ها هنوز در مراحل اولیه هستند و هنوز برای بازرسی و کارهای دیگر آماده نیستند، در حالی که در سایر زمینه ها قابل توجه ترین نتایج قبلاً به دست آمده است.
متخصصان روسی با تحقیق در موضوع موتورهای جت با احتراق انفجاری توانستند یک مدل نیمکتی از محفظه احتراق با مشخصات مورد نظر ایجاد کنند. محصول آزمایشی "Ifrit" قبلاً آزمایشاتی را پشت سر گذاشته است که طی آن مقدار زیادی اطلاعات مختلف جمع آوری شده است. با کمک داده های به دست آمده، توسعه جهت ادامه خواهد یافت.
تسلط بر یک جهت جدید و تبدیل ایده ها به شکل عملاً کاربردی زمان زیادی می برد و به همین دلیل برای آینده قابل پیش بینی، موشک های فضایی و نظامی فقط به موتورهای مایع سنتی برای آینده قابل پیش بینی مجهز خواهند شد. با این حال، کار قبلاً مرحله کاملاً نظری را ترک کرده است و اکنون هر پرتاب آزمایشی یک موتور آزمایشی، لحظه ساخت موشک‌های تمام عیار با نیروگاه‌های جدید را نزدیک‌تر می‌کند.
بر اساس مطالب سایت ها:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
بوم شناسی مصرف علم و فناوری: در پایان آگوست 2016، این خبر در سراسر خبرگزاری های جهان پخش شد: در یکی از غرفه های NPO Energomash در خیمکی نزدیک مسکو، اولین موتور موشک مایع تمام سایز جهان (LPRE) با استفاده از احتراق انفجار سوخت شروع به کار کرد.
در پایان آگوست 2016، این خبر در سراسر خبرگزاری های جهان پخش شد: در یکی از غرفه های NPO Energomash در خیمکی نزدیک مسکو، اولین موتور موشک مایع با اندازه کامل جهان (LPRE) با استفاده از احتراق انفجاری سوخت شروع به کار کرد. علم و فناوری روسیه 70 سال است که به سمت این رویداد حرکت کرده است.
ایده موتور انفجار توسط فیزیکدان شوروی Ya.B. Zeldovich در مقاله "در مورد استفاده انرژی از احتراق انفجار" که در مجله فیزیک فنی در سال 1940 منتشر شد، ارائه شد. از آن زمان، تحقیقات و آزمایش‌ها در مورد اجرای عملی در سراسر جهان در حال انجام است. تکنولوژی امیدوار کننده. در این مسابقه ذهنی، آلمان، ایالات متحده آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی جلو افتادند. و اکنون روسیه اولویت مهمی را در تاریخ جهانی فناوری به دست آورده است. که در سال های گذشتهخیلی اوقات پیش نمی آید که کشور ما به چنین چیزی ببالد.
روی تاج یک موج
مزایای موتور انفجار چیست؟ در موتورهای سوخت مایع سنتی و همچنین در پیستون معمولی یا موتورهای هواپیمای توربوجت، انرژی ای که هنگام سوزاندن سوخت آزاد می شود استفاده می شود. در این حالت، یک جبهه شعله ثابت در محفظه احتراق موتور موشک پیشران مایع تشکیل می شود که احتراق در آن با فشار ثابت اتفاق می افتد. این فرآیند احتراق معمولی را دیفلگراسیون می نامند. در نتیجه تعامل سوخت و اکسیدکننده، دمای مخلوط گاز به شدت افزایش می‌یابد و ستون آتشینی از محصولات احتراق از نازل خارج می‌شود که نیروی رانش جت را تشکیل می‌دهند.
انفجار نیز احتراق است، اما 100 برابر سریعتر از احتراق سوخت معمولی رخ می دهد. این فرآیند به قدری سریع اتفاق می افتد که انفجار اغلب با انفجار اشتباه گرفته می شود، به خصوص که انرژی زیادی آزاد می کند که به عنوان مثال، موتور خودروهنگامی که این پدیده رخ می دهد، سیلندرهای آن ممکن است در واقع فرو بریزند. با این حال، انفجار یک انفجار نیست، بلکه نوعی احتراق است که به قدری سریع است که محصولات واکنش حتی زمانی برای انبساط ندارند، بنابراین این فرآیند، بر خلاف deflagration، در یک حجم ثابت و یک فشار افزایش شدید رخ می‌دهد.
در عمل، این به نظر می رسد: به جای یک جبهه شعله ثابت، یک موج انفجار در مخلوط سوخت داخل محفظه احتراق تشکیل می شود که با سرعت مافوق صوت حرکت می کند. در این موج تراکمی، انفجار مخلوط سوخت و اکسیدکننده اتفاق می‌افتد و این فرآیند از نظر ترمودینامیکی بسیار کارآمدتر از احتراق معمولی سوخت است. راندمان احتراق انفجاری 25 تا 30 درصد بیشتر است، یعنی هنگام سوزاندن همان مقدار سوخت، نیروی رانش بیشتری به دست می آید و به دلیل فشردگی منطقه احتراق، موتور انفجار از نظر تئوری یک مرتبه بزرگی بالاتر از معمولی است. موتورهای موشک پیشران مایع بر حسب توان در واحد حجم.
این به تنهایی کافی بود تا توجه متخصصان را به این ایده جلب کند. از این گذشته ، رکودی که اکنون در توسعه فضانوردی جهان ایجاد شده است ، که به مدت نیم قرن در مدار پایین زمین گیر کرده است ، در درجه اول با بحران در ساخت موتور موشک مرتبط است. ضمناً هوانوردی نیز در بحران است و نمی تواند از آستانه سه سرعت صوت عبور کند. این بحران را می توان با وضعیت هواپیماهای پیستونی در اواخر دهه 1930 مقایسه کرد. پروانه و موتور احتراق داخلیپتانسیل خود را به پایان رساندند و تنها ظهور موتورهای جت امکان دستیابی به کیفیت بالا را فراهم کرد سطح جدیدارتفاع، سرعت و محدوده پرواز.
در دهه‌های گذشته، طرح‌های موتورهای موشکی کلاسیک پیشران مایع تا حد کمال جلا داده شده و تقریباً به مرز توانایی خود رسیده‌اند. افزایش ویژگی های خاص آنها در آینده فقط در محدوده های بسیار کوچک - تا چند درصد امکان پذیر است. بنابراین، فضانوردی جهان مجبور است مسیر توسعه گسترده ای را دنبال کند: برای پروازهای سرنشین دار به ماه، ساخت وسایل پرتاب غول پیکر ضروری است، و این حداقل برای روسیه بسیار دشوار و فوق العاده گران است. تلاش برای غلبه بر بحران با کمک موتورهای هسته ای با مشکلات زیست محیطی مواجه شد. شاید خیلی زود باشد که ظاهر موتورهای موشک انفجاری را با انتقال هوانوردی به پیشرانه جت مقایسه کنیم، اما آنها کاملاً قادر به تسریع روند اکتشاف فضایی هستند. علاوه بر این، این نوع موتورهای جت مزیت بسیار مهم دیگری نیز دارند.
GRES در مینیاتور
یک موتور موشک پیشران مایع معمولی، در اصل، یک مشعل بزرگ است. برای افزایش رانش و ویژگی های خاص آن، لازم است فشار در محفظه احتراق افزایش یابد. در این حالت، سوختی که از طریق نازل ها به محفظه تزریق می شود، باید با فشاری بالاتر از آنچه در فرآیند احتراق تحقق می یابد، تامین شود، در غیر این صورت جت سوخت به سادگی قادر به نفوذ به داخل محفظه نخواهد بود. بنابراین، سخت ترین و واحد گران قیمتدر یک موتور موشک پیشران مایع، اصلاً یک محفظه با نازل نیست که در معرض دید است، بلکه یک واحد توربوپمپ سوخت (TNA) است که در روده موشک در میان پیچیدگی خطوط لوله پنهان شده است.
به عنوان مثال، قدرتمندترین موتور موشک پیشران مایع جهان RD-170، که برای مرحله اول پرتاب کننده فوق سنگین شوروی انرژی توسط همان NPO Energia ساخته شده است، دارای فشار 250 اتمسفر در محفظه احتراق است. آن خیلی زیاد است. اما فشار در خروجی پمپ اکسیژن که اکسید کننده را به داخل محفظه احتراق پمپ می کند به 600 اتمسفر می رسد. برای راه اندازی این پمپ از یک توربین 189 مگاواتی استفاده شده است! فقط این را تصور کنید: یک چرخ توربین با قطر 0.4 متر قدرتی چهار برابر بیشتر از یخ شکن هسته ای Arktika با دو راکتور هسته ای دارد! در عین حال، TNA یک دستگاه مکانیکی پیچیده است که شفت آن 230 دور در ثانیه انجام می دهد و باید در محیطی از اکسیژن مایع کار کند، جایی که کوچکترین جرقه، حتی یک دانه شن در خط لوله نیست. منجر به انفجار می شود فناوری ایجاد چنین پمپ سوختی دانش اصلی Energomash است که در اختیار داشتن آن به شرکت روسی اجازه می دهد موتورهای خود را امروز برای نصب بر روی خودروهای پرتاب آمریکایی Atlas V و Antares بفروشد. جایگزین، گزینه ها موتورهای روسیهنوز در آمریکا نیست
برای یک موتور انفجاری، چنین عوارضی لازم نیست، زیرا فشار برای احتراق کارآمدتر توسط خود انفجار ایجاد می شود، که یک موج تراکمی است که در مخلوط سوخت حرکت می کند. در طول انفجار، فشار 18 تا 20 برابر بدون هیچ TNA افزایش می یابد.
برای به دست آوردن شرایطی در محفظه احتراق یک موتور انفجاری که معادل شرایط محفظه احتراق موتور موشک آمریکایی شاتل (200 اتمسفر) باشد، کافی است سوخت را تحت فشار ... 10 اتمسفر تامین کنید. واحد مورد نیاز برای این کار، در مقایسه با TNA یک موتور موشک پیشران مایع کلاسیک، مانند یک پمپ دوچرخه در نزدیکی نیروگاه منطقه ایالتی سایانو-شوشنسکایا است.
به این معنا که یک موتور انفجاری نه تنها از یک موتور موشک پیشران مایع معمولی قوی‌تر و مقرون به صرفه‌تر خواهد بود، بلکه از نظر قدر ساده‌تر و ارزان‌تر است. پس چرا این سادگی 70 سال به طراحان داده نشد؟
مشکل اصلی که مهندسان با آن مواجه بودند نحوه مقابله با موج انفجار بود. نکته تنها این نیست که موتور قوی تر شود تا بتواند بارهای افزایش یافته را تحمل کند. انفجار فقط یک موج انفجار نیست، بلکه چیزی حیله گرتر است. موج انفجار با سرعت صوت حرکت می کند و موج انفجار با سرعت مافوق صوت - تا 2500 متر بر ثانیه - حرکت می کند. این یک جبهه شعله پایدار تشکیل نمی دهد، بنابراین عملکرد چنین موتوری ضربان دار است: پس از هر انفجار، لازم است مخلوط سوخت تازه شود و سپس موج جدیدی در آن راه اندازی شود.
تلاش برای ایجاد یک موتور جت ضربان دار قبل از ایده انفجار انجام شد. در استفاده از موتورهای جت ضربان دار بود که آنها سعی کردند جایگزینی بیابند موتورهای پیستونیدر دهه 1930 باز هم سادگی جذب من شد: بر خلاف توربین هوانوردیبرای یک موتور تنفس هوای ضربانی (PURE) نه به کمپرسوری که با سرعت 40000 دور در دقیقه می چرخد برای پمپاژ هوا به داخل شکم سیری ناپذیر محفظه احتراق نیاز بود و نه به توربینی که در دمای گاز بالای 1000 درجه سانتیگراد کار می کرد. در PuVRD، فشار در محفظه احتراق باعث ایجاد ضربان در احتراق سوخت می شود.
اولین حق ثبت اختراع برای یک موتور تپنده تنفس هوا به طور مستقل در سال 1865 توسط چارلز دو لووریر (فرانسه) و در سال 1867 توسط نیکولای آفاناسیویچ تلشوف (روسیه) به دست آمد. اولین طرح قابل اجرا PuVRD در سال 1906 توسط مهندس روسی V.V. کاراوودین که یک سال بعد یک نصب مدل ساخت. به دلیل تعدادی کاستی، نصب کاراوودین در عمل مورد استفاده قرار نگرفت. اولین PURD که بر روی یک هواپیمای واقعی کار کرد، Argus As 014 آلمانی بود که بر اساس اختراع 1931 توسط مخترع مونیخی، پل اشمیت، ساخته شد. آرگوس برای "سلاح تلافی جویانه" - بمب بالدار V-1 ایجاد شد. توسعه مشابهی در سال 1942 توسط طراح شوروی ولادیمیر چلومی برای اولین موشک کروز 10X شوروی ایجاد شد.
البته، این موتورها هنوز موتورهای انفجاری نبودند، زیرا از ضربان های احتراق معمولی استفاده می کردند. فرکانس این ضربان ها کم بود که باعث ایجاد صدای مشخصی از مسلسل در حین کار می شد. ویژگی های خاص PURD به دلیل حالت متناوبکار به طور متوسط کم بود و پس از اینکه طراحان در پایان دهه 1940 بر پیچیدگی های ایجاد کمپرسورها، پمپ ها و توربین ها تسلط یافتند، موتورهای توربوجت و موتورهای سوخت مایع به پادشاهان آسمان تبدیل شدند و PURE ها در حاشیه پیشرفت فنی باقی ماندند.
جالب است که اولین PuVRD توسط طراحان آلمانی و شوروی مستقل از یکدیگر ساخته شده است. به هر حال، ایده یک موتور انفجاری در سال 1940 نه تنها به ذهن زلدویچ رسید. در همان زمان، فون نویمان (ایالات متحده آمریکا) و ورنر دورینگ (آلمان) همین افکار را بیان کردند، بنابراین در علم بین المللی مدل استفاده از احتراق انفجاری ZND نامیده شد.
ایده ترکیب PURD با احتراق انفجاری بسیار وسوسه انگیز بود. اما جلوی یک شعله معمولی با سرعت 60-100 متر بر ثانیه منتشر می شود و فرکانس ضربان آن در PuVRD از 250 در ثانیه تجاوز نمی کند. و جبهه انفجار با سرعت 1500 - 2500 متر بر ثانیه حرکت می کند، بنابراین فرکانس ضربان باید هزاران در ثانیه باشد. اجرای چنین سرعتی از تجدید مخلوط و شروع انفجار در عمل دشوار بود.
با این وجود، تلاش ها برای ایجاد موتورهای انفجاری ضربانی کارآمد ادامه یافت. کار متخصصان نیروی هوایی ایالات متحده در این راستا با ایجاد یک موتور نمایشگر به اوج خود رسید که برای اولین بار در 31 ژانویه 2008 در یک هواپیمای آزمایشی Long-EZ به آسمان رفت. در پرواز تاریخی، موتور به مدت 10 ثانیه در ارتفاع 30 متری کار کرد. با این حال، اولویت است در این مورددر ایالات متحده باقی ماند و این هواپیما به درستی جای خود را در موزه ملی نیروی هوایی ایالات متحده گرفت.
در همین حال، طرح دیگری بسیار امیدوارکننده‌تر از مدت‌ها پیش ابداع شده بود
مثل سنجاب در چرخ
ایده حلقه زدن یک موج انفجار و چرخاندن آن در محفظه احتراق مانند یک سنجاب در چرخ در میان دانشمندان در اوایل دهه 1960 متولد شد. پدیده انفجار چرخشی (دوار) توسط فیزیکدان شوروی از Novosibirsk B.V. Voitsekhovsky در سال 1960 پیش‌بینی شد. تقریباً همزمان با او، در سال 1961، همین ایده توسط جی نیکولز آمریکایی از دانشگاه میشیگان بیان شد.
یک موتور انفجاری دوار یا چرخشی از نظر ساختاری یک محفظه احتراق حلقوی است که سوخت با استفاده از نازل های شعاعی در آن تامین می شود. موج انفجار در داخل محفظه مانند PuVRD در جهت محوری حرکت نمی کند، بلکه به صورت دایره ای حرکت می کند و مخلوط سوخت را در جلوی خود فشرده و می سوزاند و در نهایت محصولات احتراق را به همان روشی که از نازل خارج می شود رانده می شود. پیچ چرخ گوشت، گوشت چرخ کرده را بیرون می راند. به جای فرکانس ضربان، فرکانس چرخش موج انفجار را دریافت می کنیم که می تواند به چندین هزار در ثانیه برسد، یعنی عملاً موتور نه به عنوان یک موتور ضربانی، بلکه به عنوان یک موتور موشک پیشران مایع معمولی با احتراق ثابت عمل می کند. اما بسیار کارآمدتر، زیرا در واقع انفجار مخلوط سوخت در آن رخ می دهد.
در اتحاد جماهیر شوروی، مانند ایالات متحده آمریکا، کار بر روی یک موتور انفجاری دوار از اوایل دهه 1960 ادامه داشت، اما باز هم، علیرغم سادگی ظاهری این ایده، اجرای آن نیازمند حل مسائل تئوری گیج کننده بود. چگونه فرآیند را سازماندهی کنیم تا موج خاموش نشود؟ درک پیچیده ترین فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی که در یک محیط گازی اتفاق می افتد ضروری بود. در اینجا محاسبه دیگر در سطح مولکولی انجام نشد، بلکه در سطح اتمی، در تقاطع شیمی و فیزیک کوانتومی انجام شد. این فرآیندها پیچیده تر از فرآیندهایی هستند که در طول تولید پرتو لیزر رخ می دهند. به همین دلیل است که لیزر برای مدت طولانی کار می کند، اما موتور انفجار کار نمی کند. برای درک این فرآیندها، ایجاد یک علم بنیادی جدید - سینتیک فیزیکی و شیمیایی، که 50 سال پیش وجود نداشت، ضروری بود. و برای محاسبه عملی شرایطی که در آن موج انفجار از بین نمی رود، بلکه به صورت خودکفا می شود، به رایانه های قدرتمندی نیاز بود که فقط در سال های اخیر ظاهر شدند. این پایه‌ای است که باید برای موفقیت عملی در مهار انفجار ایجاد می‌شد.
کار فعالی در این راستا در ایالات متحده در حال انجام است. این مطالعات توسط پرت اند ویتنی، جنرال الکتریک و ناسا انجام شده است. به عنوان مثال، آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده در حال توسعه واحدهای توربین گازی انفجار چرخشی برای ناوگان است. نیروی دریایی آمریکا از 430 استفاده می کند واحدهای توربین گازیدر 129 کشتی، آنها سالانه سه میلیارد دلار سوخت مصرف می کنند. معرفی انفجار اقتصادی تر موتورهای توربین گازی(GTD) به شما امکان می دهد تا مقادیر زیادی پول پس انداز کنید.
در روسیه، ده ها موسسه تحقیقاتی و دفتر طراحی روی موتورهای انفجاری کار کرده اند و همچنان به کار خود ادامه می دهند. از جمله NPO Energomash، یک شرکت موتورسازی پیشرو در صنعت فضایی روسیه، که بانک VTB با بسیاری از شرکت های آن همکاری می کند. توسعه موتور موشک سوخت مایع انفجاری سال هاست انجام شده است، اما برای اینکه نوک کوه یخ این کار در قالب یک آزمایش موفقیت آمیز در آفتاب بدرخشد، مشارکت سازمانی و مالی بنیاد تحقیقات پیشرفته معروف (APF) مورد نیاز بود. این FPI بود که تخصیص داد بودجه لازمبرای ایجاد در سال 2014 آزمایشگاه تخصصی "موتورهای موشک مایع انفجار". از این گذشته، علیرغم 70 سال تحقیق، این فناوری هنوز در روسیه "بیش از حد امیدوارکننده" باقی مانده است که توسط مشتریانی مانند وزارت دفاع تامین مالی می شود که معمولاً به یک نتیجه عملی تضمین شده نیاز دارند. و هنوز راه بسیار طولانی در پیش است.
رام کردن زرنگ
من مایلم باور کنم که پس از همه آنچه در بالا گفته شد، اثر غول پیکری که در بین خطوط گزارش مختصر آزمایشاتی که در ژوئیه - آگوست 2016 در Energomash در Khimki انجام شد، آشکار می شود: "برای اولین بار در در جهان، حالت پایدار انفجار چرخشی مداوم امواج انفجاری عرضی با فرکانس حدود 20 کیلوهرتز (فرکانس چرخش موج - 8 هزار دور در ثانیه) روی جفت سوخت "اکسیژن - نفت سفید" است. امکان به دست آوردن چندین امواج انفجاری وجود داشت که ارتعاش و بارهای ضربه ای یکدیگر را متعادل می کردند. پوشش‌های محافظ حرارتی که به‌ویژه در مرکز M.V. Keldysh ساخته شده‌اند به مقابله با بارهای دمای بالا کمک می‌کنند. موتور در شرایط بارهای ارتعاشی شدید و دماهای فوق العاده بالا در غیاب خنک شدن لایه دیوار، چندین استارت را تحمل کرد. نقش ویژه ای در این موفقیت ایجاد مدل های ریاضی و انژکتورهای سوخت، که به دست آوردن مخلوطی از قوام لازم برای انفجار امکان پذیر می شود.
البته نباید در اهمیت موفقیت به دست آمده اغراق کرد. فقط یک موتور نمایشگر ایجاد شد که برای مدت نسبتاً کوتاهی کار کرد و در مورد آن ویژگی های واقعیچیزی گزارش نشده است به گفته NPO Energomash، یک موتور موشک پیشران مایع انفجاری در هنگام سوزاندن همان مقدار سوخت در موتورهای معمولی، نیروی رانش را 10٪ افزایش می دهد و ضربه خاص رانش باید 10-15٪ افزایش یابد.
اما نتیجه اصلی این است که امکان سازماندهی احتراق انفجاری در موتورهای پیشران مایع عملاً تأیید شده است. با این حال، مسیر استفاده از این فناوری به عنوان بخشی از واقعی است هواپیماهنوز راه درازی در پیش است. یکی دیگر جنبه مهماین است که در حال حاضر اولویت جهانی دیگری در زمینه فناوری پیشرفته به کشور ما اختصاص داده شده است: برای اولین بار در جهان یک موتور موشک سوخت مایع انفجاری با اندازه کامل در روسیه شروع به کار کرد و این واقعیت در تاریخ باقی خواهد ماند. علم و تکنولوژی. منتشر شده
در حالی که تمام بشریت مترقی از کشورهای ناتو در حال آماده شدن برای شروع آزمایش یک موتور انفجاری هستند (آزمایش ممکن است در سال 2019 (یا بهتر بگوییم خیلی بعدتر) انجام شود)، در روسیه عقب مانده آنها از تکمیل آزمایشات چنین موتوری خبر دادند.
کاملا آرام و بدون ترساندن کسی اعلام کردند. اما در غرب، همانطور که انتظار می رفت، ترسیدند و زوزه ای هیستریک آغاز شد - ما تا آخر عمر عقب خواهیم ماند. کار بر روی یک موتور انفجاری (DE) در ایالات متحده آمریکا، آلمان، فرانسه و چین در حال انجام است. به طور کلی، دلایلی وجود دارد که باور کنیم عراق علاقه مند به حل مشکل است کره شمالی- یک توسعه بسیار امیدوار کننده، که در واقع به این معنی است مرحله جدیددر علم موشک و کلا در موتورسازی.
ایده یک موتور انفجاری برای اولین بار در سال 1940 توسط فیزیکدان شوروی Ya.B. زلدویچ. و ایجاد چنین موتوری نوید مزایای بسیار زیادی را داد. برای یک موتور موشک، به عنوان مثال:
- قدرت 10000 برابر در مقایسه با یک موتور موشک معمولی افزایش می یابد. در این مورد، ما در مورد قدرت به دست آمده در واحد حجم موتور صحبت می کنیم.
- 10 برابر سوخت کمتر در هر واحد قدرت؛
- DD به طور قابل توجهی (چند برابر) ارزان تر از یک موتور موشک مایع استاندارد است.
موتور موشک مایع یک مشعل بزرگ و بسیار گران است. و گران است زیرا حفظ احتراق پایدار به تعداد زیادی مکانیسم مکانیکی، هیدرولیک، الکترونیکی و دیگر نیاز دارد. تولید بسیار پیچیده به قدری پیچیده که ایالات متحده سال هاست قادر به ایجاد موتور موشک پیشران مایع خود نبوده و مجبور به خرید RD-180 از روسیه شده است.
روسیه به زودی یک موتور موشک سبک به صورت سریالی، قابل اعتماد و ارزان دریافت خواهد کرد. با تمام عواقب بعدی:
موشک می تواند چندین برابر بیشتر حمل کند ظرفیت ترابری- وزن موتور به طور قابل توجهی کمتر است، 10 برابر سوخت کمتری برای محدوده پرواز اعلام شده مورد نیاز است. یا به سادگی می توانید این محدوده را 10 برابر افزایش دهید.
هزینه موشک چندین برابر کاهش می یابد. این پاسخ خوبی برای کسانی است که دوست دارند یک مسابقه تسلیحاتی با روسیه برگزار کنند.
و سپس فضای عمیقی وجود دارد... چشم اندازهای خارق العاده ای برای اکتشاف آن در حال باز شدن است.
با این حال، آمریکایی ها درست می گویند و اکنون زمانی برای فضا وجود ندارد - بسته های تحریمی از قبل آماده می شود تا از وقوع یک موتور انفجاری در روسیه جلوگیری شود. آنها با تمام توان خود مداخله خواهند کرد - دانشمندان ما یک پیشنهاد بسیار جدی برای رهبری ارائه کرده اند.
07 فوریه 2018 برچسب ها: 2311بحث: 3 نظر
* قدرت 10000 برابر در مقایسه با یک موتور موشک معمولی افزایش می یابد. در این مورد، ما در مورد قدرت به دست آمده در واحد حجم موتور صحبت می کنیم.
10 برابر سوخت کمتر در هر واحد قدرت؛
—————
به نوعی با سایر نشریات مطابقت ندارد:
بسته به طراحی، می تواند از نظر بازدهی از موتور موشک پیشران مایع اصلی از 23 تا 27 درصد برای یک طراحی معمولی با نازل در حال گسترش، تا 36 تا 37 درصد افزایش در VRE (موتورهای موشک هوا گوه) فراتر رود. )
آنها می توانند فشار جت گاز خروجی را بسته به فشار اتمسفر تغییر دهند و تا 8-12٪ سوخت را در کل بخش پرتاب سازه صرفه جویی کنند (صرفه جویی اصلی در ارتفاعات کم اتفاق می افتد، جایی که به 25-30 می رسد. ٪."
مشکل توسعه موتورهای انفجاری دوار در نظر گرفته شده است. انواع اصلی چنین موتورهایی ارائه شده است: موتور انفجار چرخشی Nichols، موتور Wojciechowski. جهت ها و روندهای اصلی در توسعه طراحی موتورهای انفجاری در نظر گرفته شده است. نشان داده شده است که مفاهیم مدرن یک موتور انفجاری دوار، در اصل نمی تواند منجر به ایجاد یک طرح قابل اجرا شود که در ویژگی های آن نسبت به موتورهای تنفس هوای موجود برتری دارد. دلیل آن تمایل طراحان به ترکیب تولید موج، احتراق سوخت و خروج سوخت و اکسید کننده در یک مکانیسم است. در نتیجه خودسازماندهی سازه های موج شوک، احتراق انفجاری در حداقل حجم به جای حداکثر رخ می دهد. نتیجه واقعی به دست آمده امروز احتراق انفجاری در حجمی است که بیش از 15٪ از حجم محفظه احتراق نیست. راه حل در یک رویکرد متفاوت دیده می شود - ابتدا یک پیکربندی بهینه از امواج ضربه ای ایجاد می شود و تنها پس از آن اجزای سوخت به این سیستم عرضه می شوند و احتراق انفجاری بهینه در حجم زیادی سازماندهی می شود.
موتور انفجار
موتور انفجار دوار
موتور Wojciechowski
انفجار دایره ای
انفجار چرخشی
موتور انفجار پالس
1. Voitsekhovsky B.V.، Mitrofanov V.V.، Topchiyan M.E.، ساختار جبهه انفجار در گازها. - نووسیبیرسک: انتشارات شعبه سیبری آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی، 1963.
2. Uskov V.N., Bulat P.V. در مورد مشکل طراحی یک دیفیوزر ایده آل برای فشرده سازی یک جریان مافوق صوت // تحقیقات بنیادی. – 2012. – شماره 6 (قسمت 1). – صص 178–184.
3. Uskov V.N.، Bulat P.V.، Prodan N.V. تاریخچه مطالعه انعکاس نامنظم یک موج شوک از محور تقارن یک جت مافوق صوت با تشکیل دیسک ماخ // تحقیقات بنیادی. – 2012. – شماره 9 (قسمت 2). – صص 414–420.
4. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. توجیه استفاده از مدل پیکربندی ثابت ماخ برای محاسبه دیسک ماخ در جت مافوق صوت // تحقیقات بنیادی. – 2012. – شماره 11 (قسمت 1). – صص 168–175.
5. Shchelkin K.I. ناپایداری احتراق و انفجار گازها // پیشرفت در علوم فیزیکی. – 1965. – T. 87, شماره. 2.– صص 273–302.
6. نیکولز جی.ای.، ویلکمسون اچ.آر.، موریسون آر.بی. انفجار متناوب به عنوان مکانیزم تولید اعتماد // پیشرانه جت. – 1957. – شماره 21. – ص 534–541.
موتورهای انفجاری دوار
همه انواع موتورهای انفجاری دوار (RDE) مشترک هستند که سیستم تامین سوخت با یک سیستم احتراق سوخت در یک موج انفجار ترکیب می شود، اما پس از آن همه چیز مانند یک موتور جت معمولی - یک لوله شعله و یک نازل - کار می کند. این واقعیت بود که چنین فعالیتی را در زمینه نوسازی موتورهای توربین گازی (GTE) آغاز کرد. به نظر می رسد که فقط سر اختلاط و سیستم احتراق مخلوط در موتور توربین گاز جایگزین شود. برای این کار لازم است از تداوم احتراق انفجار اطمینان حاصل شود، به عنوان مثال، با پرتاب یک موج انفجار در یک دایره. نیکولز یکی از اولین کسانی بود که چنین طرحی را در سال 1957 پیشنهاد کرد و سپس آن را توسعه داد و در اواسط دهه 60 مجموعه ای از آزمایشات را با موج انفجاری دوار انجام داد (شکل 1).
با تنظیم قطر محفظه و ضخامت شکاف حلقوی، برای هر نوع مخلوط سوخت می توان هندسه ای را انتخاب کرد که انفجار پایدار باشد. در عمل، نسبت اندازه شکاف و قطر موتور غیرقابل قبول است و لازم است سرعت انتشار موج را با کنترل منبع سوخت تنظیم کرد، همانطور که در زیر بحث می شود.
همانطور که در موتورهای انفجار پالس، موج انفجار دایره ای قادر به بیرون ریختن اکسید کننده است و به RDE اجازه می دهد تا در سرعت صفر استفاده شود. این واقعیت مستلزم انبوهی از مطالعات تجربی و محاسباتی RDE با محفظه احتراق حلقوی و بیرون راندن خود به خودی بود. مخلوط سوخت و هوا، که بی معنی است که در اینجا فهرست کنید. همه آنها تقریباً بر اساس یک طرح مشابه ساخته شده اند (شکل 2) که یادآور نمودار موتور نیکولز (شکل 1) است.
برنج. 1. طرح سازماندهی انفجار دایره ای پیوسته در یک شکاف حلقوی: 1 - موج انفجار. 2 - لایه مخلوط سوخت "تازه"؛ 3 - قطع تماس 4 - موج ضربه ای مورب در پایین دست منتشر می شود. د - جهت حرکت موج انفجار
برنج. 2. طرح RDE معمولی: V - سرعت جریان آزاد. V4 - سرعت جریان در خروجی نازل؛ الف - مونتاژ سوخت تازه، ب - جبهه موج انفجار؛ ج - موج ضربه ای مورب متصل؛ د - محصولات احتراق؛ p(r) - توزیع فشار روی دیواره کانال
یک جایگزین معقول برای طرح نیکولز نصب چندین نازل اکسیداسیون سوخت است که مخلوط سوخت-هوا را بلافاصله قبل از موج انفجار طبق قانون خاصی با فشار معین به منطقه تزریق می کند (شکل 3). با تنظیم فشار و سرعت سوخت رسانی به ناحیه احتراق در پشت موج انفجار، می توان بر سرعت انتشار آن در بالادست تأثیر گذاشت. این جهت امیدوارکننده است، اما مشکل اصلی در طراحی چنین RDEهایی این است که مدل ساده شده رایج جریان در جبهه احتراق انفجار به هیچ وجه با واقعیت مطابقت ندارد.
برنج. 3. RDE با عرضه سوخت کنترل شده به منطقه احتراق. موتور دوار Wojciechowski
امیدهای اصلی در جهان مربوط به موتورهای انفجاری است که طبق این طرح کار می کنند موتور دواروویتسخوفسکی در سال 1963 B.V. Voitsekhovsky، بر اساس قیاس با انفجار چرخشی، طرحی را برای احتراق مداوم گاز در پشت پیکربندی سه گانه امواج ضربه ای که در یک کانال حلقوی در گردش هستند، ایجاد کرد (شکل 4).
برنج. شکل 4. نمودار Wojciechowski از احتراق مداوم گاز در پشت پیکربندی سه گانه امواج ضربه ای در گردش در کانال حلقوی: 1 - مخلوط تازه. 2 - مخلوط دوبار فشرده شده در پشت پیکربندی سه گانه امواج ضربه ای، منطقه انفجار
در این مورد، فرآیند هیدرودینامیکی ساکن با احتراق گاز در پشت موج ضربه ای با طرح انفجار چپمن-ژوگه و زلدویچ-نویمان متفاوت است. این فرآیند کاملاً پایدار است، مدت زمان آن با عرضه مخلوط سوخت تعیین می شود و در آزمایشات شناخته شده به چند ده ثانیه می رسد.
طراحی موتور انفجار Wojciechowski به عنوان نمونه اولیه برای مطالعات متعدد در مورد چرخش و چرخش عمل کرد. موتورهای انفجاری̆ در 5 سال گذشته آغاز شده است. این طرح بیش از 85 درصد از کل مطالعات را به خود اختصاص داده است. همه آنها یک اشکال ارگانیک دارند - منطقه انفجار بخش بسیار کوچکی از منطقه احتراق کل را اشغال می کند، معمولاً بیش از 15٪ نیست. در نتیجه، عملکرد خاص موتورها بدتر از موتورهای طراحی شده سنتی است.
در مورد دلایل شکست در اجرای طرح ویتسکوفسکی
بیشتر کار بر روی موتورهای با انفجار مداوم با توسعه مفهوم Wojciechowski مرتبط است. علیرغم سابقه بیش از 40 سال تحقیق، نتایج در واقع در سطح 1964 باقی مانده است. سهم احتراق انفجاری از 15٪ حجم محفظه احتراق تجاوز نمی کند. بقیه در شرایطی که دور از حد مطلوب هستند، آهسته می سوزند.
یکی از دلایل این وضعیت عدم وجود روش محاسبه قابل اجرا است. از آنجایی که جریان سه بعدی است و محاسبات فقط قوانین بقای تکانه در موج ضربه ای در جهت عمود بر جبهه انفجار مدل را در نظر می گیرد، نتایج حاصل از محاسبه تمایل امواج ضربه ای به جریان محصولات احتراق بیش از 30٪ با موارد مشاهده شده تجربی متفاوت است. نتیجه این است که علیرغم سالها تحقیق سیستم های مختلفتامین سوخت و آزمایشات روی تغییر نسبت اجزای سوخت، تنها کاری که ممکن بود انجام شود، ایجاد مدل هایی بود که در آن احتراق انفجار رخ می دهد و برای 10-15 ثانیه حفظ می شود. هیچ صحبتی از افزایش بازده یا مزیت نسبت به موتورهای پیشران مایع و موتورهای توربین گازی موجود نیست.
تجزیه و تحلیل طرح‌های RDE موجود که توسط نویسندگان پروژه انجام شد نشان داد که همه طرح‌های RDE ارائه‌شده امروز در اصل بی‌اثر هستند. احتراق انفجاری رخ می دهد و با موفقیت حفظ می شود، اما فقط به میزان محدود. در بقیه حجم ما با احتراق آهسته معمول و پشت یک سیستم غیربهینه امواج ضربه ای روبرو هستیم که منجر به تلفات قابل توجهی می شود. فشار کل. علاوه بر این، فشار نیز چندین برابر کمتر از مقدار لازم برای شرایط احتراق ایده آل با نسبت استوکیومتری اجزای مخلوط سوخت است. در نتیجه مصرف خاصسوخت در واحد نیروی رانش 30 تا 40 درصد بیشتر از سوخت موتورهای سنتی است.
اما بیشتر مشکل اصلیاصل سازماندهی انفجار مداوم است. همانطور که توسط مطالعات انفجار دایره ای پیوسته انجام شده در دهه 60 نشان داده شده است، جبهه احتراق انفجار یک ساختار موج شوک پیچیده است که از حداقل دو پیکربندی سه گانه تشکیل شده است (در مورد پیکربندی موج شوک سه گانه. چنین ساختاری با یک منطقه انفجار متصل، مانند هر ساختار دیگری. سیستم بازخورد ترمودینامیکی که به تنهایی رها می شود تمایل دارد موقعیتی را که مطابق با حداقل سطح انرژی است اشغال کند. در نتیجه، پیکربندی های سه گانه و منطقه احتراق انفجار با یکدیگر تنظیم می شوند به طوری که جبهه انفجار در امتداد شکاف حلقوی با حداقل حجم انفجار ممکن حرکت می کند. احتراق این دقیقاً برعکس هدفی است که طراحان موتور برای احتراق انفجاری تعیین کرده اند.
برای ایجاد موتور کارآمد RDE نیاز به حل مشکل ایجاد یک پیکربندی سه گانه بهینه امواج ضربه و سازماندهی منطقه احتراق انفجار در آن دارد. سازه های موج ضربه ای بهینه باید در انواع مختلف ایجاد شود دستگاه های فنیبه عنوان مثال، در دیفیوزرهای بهینه ورودی هوای مافوق صوت. وظیفه اصلی به حداکثر رساندن افزایش احتمالی نسبت احتراق انفجار در حجم محفظه احتراق از 15٪ غیرقابل قبول امروزی به حداقل 85٪ است. طرح های موتور موجود بر اساس طرح های نیکولز و وویچیچوفسکی نمی توانند به این وظیفه دست یابند.
داوران:Uskov V.N.، دکترای علوم فنی، استاد گروه هیدروآئرومکانیک دانشگاه دولتی سنت پترزبورگ، دانشکده ریاضیات و مکانیک، سن پترزبورگ.
املیانوف V.N.، دکترای علوم فنی، پروفسور، رئیس گروه دینامیک گاز پلاسما و مهندسی حرارتی، BSTU "VOENMEH" به نام. D.F. اوستینوا، سن پترزبورگ.
این اثر در 14 اکتبر 2013 توسط سردبیر دریافت شد.
پیوند کتابشناختی
Bulat P.V.، Prodan N.V. بررسی پروژه های موتور انفجار. موتورهای انفجار دوار // تحقیقات بنیادی. – 2013. – شماره 10-8. – S. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (تاریخ دسترسی: 2019/07/29). مجلات منتشر شده توسط انتشارات "آکادمی علوم طبیعی" را مورد توجه شما قرار می دهیم.
