Kosmoso tyrinėjimas nevalingai yra susijęs su erdvėlaivių. Bet kurios raketos širdis yra jos variklis. Jis turi pasiekti pirmąjį pabėgimo greitį – apie 7,9 km/s – kad išgabentų astronautus į orbitą, ir antrąjį pabėgimo greitį, kad įveiktų planetos gravitacinį lauką.
To pasiekti nėra lengva, tačiau mokslininkai nuolat ieško naujų šios problemos sprendimo būdų. Dizaineriai iš Rusijos nuėjo dar toliau ir sugebėjo sukurti detonaciją raketinis variklis, kurio bandymai buvo sėkmingi. Šį pasiekimą galima pavadinti tikru proveržiu kosmoso inžinerijos srityje.
Naujos galimybės
Kodėl daug vilčių dedama į detonacinius variklius? Mokslininkų skaičiavimais, jų galia bus 10 tūkstančių kartų didesnė už esamų raketų variklių galią. Tuo pačiu metu jie sunaudos daug mažiau degalų, o jų gamyba pasižymi mažomis sąnaudomis ir pelningumu. Su kuo tai susiję?
Viskas priklauso nuo kuro oksidacijos reakcijos. Jei šiuolaikinėse raketose naudojamas deflagracijos procesas – lėtas (ikigarsinis) kuro degimas esant pastoviam slėgiui, tai detonacinės raketos variklis veikia dėl sprogimo, detonacijos. degus mišinys. Jis dega viršgarsiniu greičiu, kartu su smūgio bangos sklidimu išskirdamas didžiulį šiluminės energijos kiekį.
Detonacinio variklio rusiškos versijos kūrimą ir bandymus atliko specializuota laboratorija „Detonaciniai skystųjų raketų varikliai“ kaip „Energomash“ gamybos komplekso dalis.
Naujų variklių pranašumas
Žymiausi pasaulio mokslininkai jau 70 metų tiria ir kuria detonacinius variklius. Pagrindinė priežastis, neleidžianti sukurti tokio tipo variklius, yra nekontroliuojamas savaiminis kuro degimas. Be to, darbotvarkėje buvo kuro ir oksidatoriaus efektyvaus maišymo, purkštuko ir oro paėmimo angos integravimo užduotys.
Išsprendus šias problemas, bus galima sukurti detonacinį raketos variklį, kuris savaip Techninės specifikacijos aplenks laiką. Tuo pačiu metu mokslininkai vadina šiuos privalumus:
- Galimybė pasiekti greitį ikigarsiniuose ir hipergarsiniuose diapazonuose.
- Daugelio judančių dalių pašalinimas iš konstrukcijos.
- Mažesnis svoris ir kaina elektrinė.
- Aukštas termodinaminis efektyvumas.
Serijinis Šis tipas variklis nebuvo pagamintas. Pirmą kartą žemai skraidančiuose lėktuvuose jis buvo išbandytas 2008 m. Rusijos mokslininkai pirmą kartą išbandė nešančiosioms raketoms skirtą detonacinį variklį. Štai kodėl šiam renginiui suteikiama tokia didelė reikšmė.
Veikimo principas: impulsinis ir nuolatinis
Šiuo metu mokslininkai kuria įrenginius su impulsiniais ir nuolatiniais darbo srautais. Detonacinės raketos variklio veikimo principas su impulsų grandinė Darbas pagrįstas cikliniu degimo kameros užpildymu degiu mišiniu, nuosekliu jo uždegimu ir degimo produktų išleidimu į aplinką.
Atitinkamai, nepertraukiamo veikimo procese kuras į degimo kamerą tiekiamas nuolat, kuras dega viena ar keliomis detonacinėmis bangomis, kurios nuolat cirkuliuoja per srautą. Tokių variklių pranašumai yra šie:
- Vienkartinis kuro uždegimas.
- Santykinai paprastas dizainas.
- Maži įrenginių matmenys ir svoris.
- Efektyvesnis degiojo mišinio naudojimas.
- Žemas triukšmo, vibracijos ir kenksmingų emisijų lygis.
Ateityje, naudojant šiuos privalumus, nepertraukiamo detonavimo skystųjų raketų variklis išstums visus esamus įrenginius dėl savo svorio, dydžio ir sąnaudų.
Detonacinių variklių bandymai
Pirmieji buitinės detonacijos įrenginio bandymai buvo atlikti pagal Švietimo ir mokslo ministerijos parengtą projektą. Pateiktas kaip prototipas mažas variklis su 100 mm skersmens degimo kamera ir 5 mm žiedinio kanalo pločio. Bandymai buvo atliekami ant specialaus stendo, dirbant buvo užfiksuoti rodikliai įvairių tipų degus mišinys - vandenilis-deguonis, gamtinės dujos-deguonis, propanas-butanas-deguonis.
Detonacinio raketinio variklio bandymai naudojant deguonies-vandenilio kurą įrodė, kad šių įrenginių termodinaminis ciklas yra 7% efektyvesnis nei eksploatuojant kitus įrenginius. Be to, eksperimentiškai buvo patvirtinta, kad padidėjus tiekiamo kuro kiekiui, didėja trauka, didėja detonacijos bangų skaičius ir sukimosi greitis.
Analogai kitose šalyse
Pirmaujančių pasaulio šalių mokslininkai kuria detonacinius variklius. Didžiausią sėkmę šia kryptimi pasiekė dizaineriai iš JAV. Savo modeliuose jie įdiegė nuolatinį darbo būdą arba rotaciją. JAV kariuomenė planuoja naudoti šiuos įrenginius antvandeniniams laivams įrengti. Dėl mažesnio svorio ir mažo dydžio bei didelės išėjimo galios jie padės padidinti kovinių valčių efektyvumą.
Amerikietiškos detonacinės raketos variklis naudoja stechiometrinį vandenilio ir deguonies mišinį. Tokio energijos šaltinio privalumai pirmiausia yra ekonominiai – sudeginama tik tiek deguonies, kiek reikia vandenilio oksidacijai. JAV vyriausybė šiuo metu išleidžia kelis milijardus dolerių, kad aprūpintų karinius laivus anglies dioksidu. Stechiometrinis kuras kelis kartus sumažins išlaidas.
Tolesnės plėtros kryptys ir perspektyvos
Nauji duomenys, gauti bandant detonacinius variklius, lėmė iš esmės naujų metodų naudojimą skystojo kuro veikimo schemai sudaryti. Tačiau, kad veiktų, tokie varikliai turi turėti aukštą atsparumą karščiui dėl didelio išsiskiriančios šiluminės energijos kiekio. Šiuo metu kuriama speciali danga, kuri užtikrins degimo kameros funkcionalumą veikiant aukštai temperatūrai.
Ypatingą vietą tolesniuose tyrimuose užima maišymo galvučių sukūrimas, kurių pagalba bus galima gauti tam tikro dydžio, koncentracijos ir sudėties degiosios medžiagos lašelius. Siekiant išspręsti šias problemas, bus sukurtas naujas detonacinis skystųjų raketų variklis, kuris taps naujos klasės nešančiųjų raketų pagrindu.
Sausio pabaigoje pasirodė pranešimai apie naujus Rusijos mokslo ir technologijų pasiekimus. Iš oficialių šaltinių tapo žinoma, kad vienas iš perspektyvaus detonacinio tipo reaktyvinio variklio projektų jau praėjo bandymų etapą. Tai priartina visų reikalingų darbų užbaigimo momentą, dėl kurio Rusijos sukurtos kosminės ar karinės raketos galės priimti naujas elektrines su patobulintomis charakteristikomis. Be to, nauji variklio veikimo principai gali būti pritaikyti ne tik raketų, bet ir kitose srityse.
Sausio pabaigoje Ministro Pirmininko pavaduotojas Dmitrijus Rogozinas šalies spaudai papasakojo apie naujausius mokslinių tyrimų organizacijų pasiekimus. Be kitų temų, jis palietė kūrimo procesą reaktyviniai varikliai naudojant naujus veikimo principus. Perspektyvus variklis su detonaciniu degimu jau buvo išbandytas. Pasak vicepremjero, naujų elektrinės veikimo principų panaudojimas leidžia gerokai padidinti našumą. Palyginti su tradiciniais architektūros projektais, trauka padidėja apie 30 proc..
Detonacinės raketos variklio schema
Šiuolaikiniai raketų varikliai skirtingos klasės o įvairiose srityse naudojami tipai naudoja vadinamuosius. izobarinis ciklas arba degimo degimas. Jų degimo kamerose palaikomas pastovus slėgis, kuriam esant degalai dega lėtai. Deflagracijos principais pagrįstas variklis nereikalauja ypač stiprių agregatų, tačiau jo našumas yra ribotas. Padidinti pagrindines charakteristikas, pradedant nuo tam tikro lygio, pasirodo, yra nepagrįstai sunku.
Alternatyva izobarinio ciklo varikliui eksploatacinių savybių gerinimo kontekste yra sistema su vadinamuoju. detonacinis degimas. Šiuo atveju kuro oksidacijos reakcija vyksta už smūgio bangos, su didelis greitis juda per degimo kamerą. Dėl to variklio konstrukcijai keliami ypatingi reikalavimai, tačiau yra ir akivaizdžių pranašumų. Kuro deginimo efektyvumo požiūriu detonacinis degimas yra 25% geresnis nei deginimas deginant. Jis taip pat skiriasi nuo degimo esant pastoviam slėgiui padidėjusia šilumos išsiskyrimo galia reakcijos fronto paviršiaus ploto vienetui. Teoriškai šį parametrą galima padidinti trimis keturiais dydžiais. Vadinasi, reaktyviųjų dujų greitis gali būti padidintas 20-25 kartus.
Taigi detonacijos variklis skiriasi padidintas koeficientas efektyvus, galintis sukurti didesnę trauką su mažesnėmis degalų sąnaudomis. Jo pranašumai prieš tradicinį dizainą yra akivaizdūs, tačiau iki šiol pažanga šioje srityje paliko daug norimų rezultatų. Detonacinio reaktyvinio variklio principus dar 1940 metais suformulavo sovietų fizikas Ya.B. Zeldovičiaus, tačiau tokie gatavi produktai dar nebuvo pradėti naudoti. Pagrindinės tikrosios sėkmės stokos priežastys yra problemos, susijusios su pakankamai tvirtos struktūros sukūrimu, taip pat sunkumai paleidžiant ir vėliau išlaikyti smūgio bangą naudojant esamus degalus.
Vienas iš naujausių vidaus projektų detonacinių raketų variklių srityje buvo pradėtas 2014 m. ir yra plėtojamas NPO Energomash vardu. Akademikas V.P. Gluško. Turimais duomenimis, projekto su Ifrit šifru tikslas buvo ištirti pagrindinius principus nauja technologija po to buvo sukurtas skystas raketinis variklis naudojant žibalą ir deguonies dujas. Naujasis variklis, pavadintas ugnies demonų vardu iš arabų folkloro, buvo pagrįstas sukimosi detonacijos degimo principu. Taigi, pagal pagrindinę projekto idėją, smūginė banga turi nuolat judėti ratu degimo kameros viduje.
Pagrindinis naujojo projekto kūrėjas buvo NPO „Energomash“, tiksliau, jos pagrindu sukurta speciali laboratorija. Be to, į darbą buvo įtrauktos kelios kitos tyrimų ir projektavimo organizacijos. Programą parėmė Pažangių studijų fondas. Bendromis pastangomis visiems Ifrit projekto dalyviams pavyko suformuluoti optimalią perspektyvaus variklio išvaizdą, taip pat sukurti pavyzdinę degimo kamerą su naujais veikimo principais.
Išstudijuoti visos krypties perspektyvas ir naujas idėjas, vadinamasis modelio detonacinės degimo kameros, atitinkančios projekto reikalavimus. Toks eksperimentinis sumažintos konfigūracijos variklis turėjo naudoti skystą žibalą kaip kurą. Vandenilio dujos buvo pasiūlytos kaip oksidatorius. 2016 metų rugpjūtį prasidėjo fotoaparato prototipo bandymai. Svarbu, kad Pirmą kartą istorijoje tokio pobūdžio projektas buvo perkeltas į bandymų stendą etapą. Anksčiau vidaus ir užsienio detonaciniai raketų varikliai buvo kuriami, bet nebuvo išbandyti.
Bandant pavyzdinį pavyzdį buvo galima gauti labai įdomių rezultatų, rodantis naudotų metodų teisingumą. Taigi, naudojant tinkamos medžiagos ir technologija sugebėjo pakelti slėgį degimo kameroje iki 40 atmosferų. Eksperimentinio produkto trauka siekė 2 tonas.
Modelio kamera ant bandymų stendo
Vykdant projektą „Ifrit“ buvo gauti tam tikri rezultatai, tačiau buitinis skystojo kuro detonavimo variklis dar toli gražu nėra pritaikytas praktiškai. Prieš diegdami tokią įrangą į naujų technologijų projektus, dizaineriai ir mokslininkai turės apsispręsti visa linija rimčiausias užduotis. Tik po to raketų ir kosmoso pramonė arba gynybos pramonė galės praktiškai realizuoti naujų technologijų potencialą.
Sausio viduryje" rusiškas laikraštis» paskelbė interviu su NPO Energomash vyriausiuoju konstruktoriumi Petru Levočkinu, kurio tema buvo detonacinių variklių dabartinė padėtis ir perspektyvos. Vystytojos įmonės atstovas priminė pagrindines projekto nuostatas, taip pat palietė pasiektų laimėjimų temą. Be to, jis kalbėjo apie galimas „Ifrit“ ir panašių struktūrų taikymo sritis.
Pvz., detonaciniai varikliai gali būti naudojami hipergarsiniuose orlaiviuose. P. Levočkinas prisiminė, kad šiuo metu tokioje įrangoje siūlomi naudoti varikliai naudoja ikigarsinį degimą. Skrydžio transporto priemonei esant hipergarsiniam greičiui, į variklį patenkantis oras turi būti sumažintas iki garso režimas. Tačiau stabdymo energija turėtų sukelti papildomas šilumines apkrovas lėktuvo sklandmeniui. Detonaciniuose varikliuose kuro degimo greitis siekia bent M=2,5. Dėl to tampa įmanoma padidinti orlaivio skrydžio greitį. Panaši mašina su detonacinio tipo varikliu galės įsibėgėti iki aštuonis kartus didesnio garso greičio.
Tačiau realios detonacinio tipo raketų variklių perspektyvos dar nėra labai didelės. P. Levočkino teigimu, mes „ką tik atvėrėme duris į detonacinio degimo zoną“. Mokslininkai ir dizaineriai turės išnagrinėti daugybę klausimų ir tik po to bus galima kurti praktinio potencialo projektus. Dėl šios priežasties kosmoso pramonė ilgą laiką turės naudoti skystus tradicinės konstrukcijos variklius, tačiau tai nepaneigia galimybės juos toliau tobulinti.
Įdomus faktas yra tas detonacijos principas degimas naudojamas ne tik raketų variklių srityje. Jau egzistuoja vidaus projektas aviacijos sistema su detonacinio tipo degimo kamera, veikiančia impulsiniu principu. Tokio tipo prototipas buvo išbandytas, o ateityje jis gali paskatinti naują kryptį. Nauji varikliai su detonaciniu degimu gali būti pritaikyti dažniausiai skirtingos sritys ir iš dalies pakeisti tradicinės konstrukcijos dujų turbininius arba turboreaktyvinius variklius.
Vardo projektavimo biure kuriamas vidaus detonacinio lėktuvo variklio projektas. ESU. Lopšiai. Informacija apie šį projektą pirmą kartą buvo pristatyta praėjusių metų tarptautiniame karinės-technikos forume „Army 2017“. Kūrėjo įmonės stende buvo medžiagos įvairių variklių, tiek serijinis, tiek kuriamas. Tarp pastarųjų buvo daug žadantis detonacijos pavyzdys.
Naujojo pasiūlymo esmė – panaudota nestandartinė degimo kamera, galinti atlikti impulsinį detonacinį kuro deginimą oro atmosferoje. Tokiu atveju „sprogimų“ dažnis variklio viduje turėtų siekti 15–20 kHz. Ateityje šį parametrą galima dar padidinti, dėl to variklio triukšmas peržengs žmogaus ausies suvokiamą diapazoną. Tokios variklio savybės gali būti įdomios.
Pirmasis eksperimentinio produkto „Ifrit“ pristatymas
Tačiau pagrindiniai naujosios elektrinės privalumai yra susiję su padidėjusiu našumu. Prototipų gaminių stendiniai bandymai parodė, kad jie yra maždaug 30% pranašesni už tradicinius dujų turbininius variklius pagal specifinį našumą. Iki pirmojo viešo OKB variklio medžiagų demonstravimo. ESU. Lopšiai galėjo pakilti gana aukštai veikimo charakteristikos. Naujo tipo eksperimentinis variklis be pertraukų galėjo veikti 10 minučių. Bendras šio gaminio veikimo laikas ant stovo tuo metu viršijo 100 valandų.
Kūrimo įmonės atstovai nurodė, kad jau galima sukurti naują detonacinį variklį, kurio trauka 2-2,5 tonos, tinkantį montuoti į lengvuosius orlaivius ar nepilotuojamus orlaivius. Projektuojant tokį variklį siūloma naudoti vadinamąjį. rezonatoriaus įtaisai, atsakingi už teisingas judesys kuro deginimas. Svarbus privalumas Naujasis projektas yra pagrindinė galimybė tokius įrenginius montuoti bet kurioje lėktuvo sklandmens vietoje.
Specialistai iš OKB im. ESU. Lopšiai dirba lėktuvų varikliai su impulsiniu detonaciniu degimu daugiau nei tris dešimtmečius, tačiau iki šiol projektas nepasitraukė iš tyrimų stadijos ir neturi realių perspektyvų. Pagrindinė priežastis– tvarkos ir būtino finansavimo trūkumas. Jei projektas gaus reikiamą paramą, artimiausioje ateityje gali būti sukurtas pavyzdinis variklis, tinkamas naudoti įvairioje įrangoje.
Iki šiol Rusijos mokslininkai ir dizaineriai sugebėjo parodyti labai puikius rezultatus reaktyvinių variklių srityje, naudojant naujus veikimo principus. Yra keletas projektų, tinkamų naudoti raketų, kosmoso ir hipergarsiniuose laukuose. Be to, nauji varikliai gali būti naudojami „tradicinėje“ aviacijoje. Kai kurie projektai dar tik pradedami vykdyti ir dar nėra paruošti patikrinimams bei kitiems darbams, o kitose srityse jau pasiekti ryškiausi rezultatai.
Tyrinėdami reaktyvinių variklių su detonaciniu degimu temą, Rusijos specialistai sugebėjo sukurti norimų charakteristikų degimo kameros stendinį modelį. Eksperimentinis produktas „Ifrit“ jau praėjo testus, kurių metu buvo surinkta daug įvairios informacijos. Gautų duomenų pagalba krypties plėtra bus tęsiama.
Naujos krypties įsisavinimas ir idėjų pavertimas praktiškai pritaikoma forma užtruks daug laiko, todėl artimiausioje ateityje kosminės ir karinės raketos bus aprūpintos tik tradiciniais skystais varikliais. Tačiau darbas jau paliko grynai teorinį etapą, o dabar kiekvienas bandomasis eksperimentinio variklio paleidimas priartina visaverčių raketų su naujomis elektrinėmis konstravimo momentą.
Remiantis medžiaga iš svetainių:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Vartojimo ekologija.Mokslas ir technologijos: 2016 metų rugpjūčio pabaigoje pasaulines naujienų agentūras pasklido žinia: viename iš NPO Energomash stendų, esančiame netoli Maskvos esančiame Khimki mieste, pirmasis pasaulyje pilno dydžio skystųjų raketų variklis (LPRE) pradėjo veikti detonacinis kuro deginimas.
2016 metų rugpjūčio pabaigoje žinias apskriejo pasaulio naujienų agentūros: viename iš NPO „Energomash“ stendų Chimkuose netoli Maskvos pradėjo veikti pirmasis pasaulyje pilno dydžio skystųjų raketų variklis (LPRE), kuriame naudojamas detonacinis kuro deginimas. Rusijos mokslas ir technologijos šio įvykio link juda jau 70 metų.
Detonacinio variklio idėją pasiūlė sovietų fizikas Ya. B. Zeldovičius straipsnyje „Apie energingą detonacinio degimo panaudojimą“, paskelbtame žurnale „Journal of Technical Physics“ dar 1940 m. Nuo tada praktinio įgyvendinimo tyrimai ir eksperimentai vyksta visame pasaulyje. perspektyvi technologija. Šiose proto lenktynėse į priekį išsiveržė Vokietija, JAV ir SSRS. Ir dabar Rusija užsitikrino svarbų prioritetą pasaulinėje technologijų istorijoje. IN pastaraisiais metais Nedažnai mūsų šalis sugeba pasigirti kažkuo tokiu.
Ant bangos keteros
Kokie yra detonacinio variklio pranašumai? Tradiciniuose skysto kuro varikliuose, taip pat įprastuose stūmokliniuose arba turboreaktyviniai orlaivių varikliai, sunaudojama energija, kuri išsiskiria deginant kurą. Šiuo atveju skystojo kuro raketinio variklio degimo kameroje susidaro stacionarus liepsnos frontas, kuriame degimas vyksta esant pastoviam slėgiui. Šis normalaus degimo procesas vadinamas deflagracija. Dėl degalų ir oksidatoriaus sąveikos dujų mišinio temperatūra smarkiai pakyla ir iš purkštuko išsiveržia ugnies degimo produktų kolona, kuri sudaro srovės trauką.
Detonacija taip pat yra degimas, tačiau jis vyksta 100 kartų greičiau nei deginant įprastą kurą. Šis procesas vyksta taip greitai, kad detonacija dažnai painiojama su sprogimu, juolab kad jis išskiria tiek energijos, kad pvz. automobilio variklisįvykus šiam reiškiniui, jo cilindrai iš tikrųjų gali subyrėti. Tačiau detonacija yra ne sprogimas, o toks greitas degimo būdas, kad reakcijos produktai net nespėja išsiplėsti, todėl šis procesas, skirtingai nei deflagracija, vyksta esant pastoviam tūriui ir smarkiai didėjančiam slėgiui.
Praktiškai tai atrodo taip: vietoj nejudančio liepsnos fronto degimo kameros viduje esančiame kuro mišinyje susidaro detonacinė banga, kuri juda viršgarsiniu greičiu. Šioje suspaudimo bangoje vyksta kuro ir oksidatoriaus mišinio detonacija, o šis procesas termodinaminiu požiūriu yra daug efektyvesnis nei įprastas kuro deginimas. Detonacinio degimo efektyvumas yra 25–30% didesnis, tai yra, deginant tą patį kuro kiekį, gaunama didesnė trauka, o dėl degimo zonos kompaktiškumo detonacinis variklis teoriškai yra dydžiu pranašesnis už įprastą. skysto kuro raketų variklių pagal galią tūrio vienetui.
Vien to pakako, kad ši idėja sulauktų didžiausio specialistų dėmesio. Mat dabar kilęs sąstingis pasaulio astronautikos raidoje, pusšimčiui įstrigęs žemoje Žemės orbitoje, pirmiausia siejamas su raketų variklių statybos krize. Beje, aviacija taip pat išgyvena krizę, negali peržengti trijų garso greičių slenksčio. Šią krizę galima palyginti su stūmoklinių orlaivių padėtimi praėjusio amžiaus ketvirtojo dešimtmečio pabaigoje. Propeleris ir variklis vidaus degimas išnaudojo savo potencialą, ir tik atsiradę reaktyviniai varikliai leido pasiekti aukštą kokybę naujas lygis aukščiai, greičiai ir skrydžio diapazonai.
Per pastaruosius dešimtmečius klasikinių skystojo kuro raketų variklių konstrukcijos buvo nušlifuotos iki tobulumo ir beveik pasiekė savo galimybių ribą. Padidinti jų specifines charakteristikas ateityje galima tik labai mažomis ribomis – keliais procentais. Todėl pasaulio astronautika yra priversta eiti plačiu vystymosi keliu: pilotuojamiems skrydžiams į Mėnulį būtina statyti milžiniškas nešančias raketas, o tai labai sunku ir neįtikėtinai brangu, bent jau Rusijai. Bandymas įveikti krizę branduolinių variklių pagalba susidūrė su aplinkosaugos problemomis. Galbūt dar per anksti lyginti detonacinių raketų variklių atsiradimą su aviacijos perėjimu prie reaktyvinio varymo, tačiau jie gana pajėgūs pagreitinti kosmoso tyrinėjimo procesą. Be to, tokio tipo reaktyviniai varikliai turi dar vieną labai svarbų pranašumą.
GRES miniatiūroje
Įprastas skystojo kuro raketinis variklis iš esmės yra didelis degiklis. Norint padidinti jo trauką ir specifines charakteristikas, būtina padidinti slėgį degimo kameroje. Tokiu atveju kuras, įpurškiamas į kamerą per purkštukus, turi būti tiekiamas didesniu slėgiu, nei realizuojamas degimo proceso metu, kitaip kuro srovė tiesiog negalės prasiskverbti į kamerą. Todėl sunkiausias ir brangus vienetas skystojo kuro raketiniame variklyje tai visai ne kamera su purkštuku, kuri matosi, o kuro turbosiurblys (TNA), paslėptas raketos žarnose tarp vamzdynų įmantrybių.
Pavyzdžiui, galingiausias pasaulyje skystojo kuro raketinis variklis RD-170, sukurtas tos pačios NPO Energia, sovietinės itin sunkiosios nešančiosios raketos Energia pirmajam etapui, degimo kameroje siekia 250 atmosferų slėgį. Tai yra daug. Tačiau slėgis deguonies siurblio, pumpuojančio oksidatorių į degimo kamerą, išleidimo angoje siekia 600 atm. Šiam siurbliui varyti naudojama 189 MW turbina! Tik įsivaizduokite: 0,4 m skersmens turbinos ratas išvysto keturis kartus didesnę galią nei branduolinis ledlaužis Arktika su dviem branduoliniais reaktoriais! Tuo pačiu metu TNA yra sudėtingas mechaninis įtaisas, kurio velenas daro 230 apsisukimų per sekundę ir turi veikti skysto deguonies aplinkoje, kur vamzdyne tvyro menkiausia kibirkštėlė, net smėlio grūdelis. veda prie sprogimo. Tokio kuro siurblio sukūrimo technologija yra pagrindinė „Energomash“ patirtis, kurios turėjimas leidžia Rusijos įmonei šiandien parduoti savo variklius, skirtus montuoti į Amerikos „Atlas V“ ir „Antares“ raketas. Alternatyvos rusiški varikliai dar ne JAV.
Detonaciniam varikliui tokių komplikacijų nereikia, nes slėgį efektyvesniam degimui suteikia pati detonacija, kuri yra kuro mišinyje sklindanti suspaudimo banga. Detonacijos metu slėgis padidėja 18-20 kartų be jokios TNA.
Norint gauti detonacinio variklio degimo kameroje sąlygas, lygiavertes, pavyzdžiui, sąlygoms American Shuttle raketinio variklio (200 atm) degimo kameroje, pakanka tiekti degalus esant slėgiui... 10 atm. Tam reikalingas agregatas, palyginti su klasikinio skystojo kuro raketinio variklio TNA, yra toks pat kaip dviračio siurblys šalia Sayano-Shushenskaya valstybinės rajono elektrinės.
Tai yra, detonacinis variklis bus ne tik galingesnis ir ekonomiškesnis už įprastą skystojo kuro raketinį variklį, bet ir paprastesnis bei pigesnis. Tai kodėl 70 metų dizaineriams šis paprastumas nebuvo suteiktas?
Pagrindinė problema, su kuria susidūrė inžinieriai, buvo tai, kaip susidoroti su detonacijos banga. Esmė ne tik, kad variklis būtų stipresnis, kad jis atlaikytų padidėjusias apkrovas. Detonacija yra ne tik sprogimo banga, bet ir kažkas gudresnio. Sprogimo banga sklinda garso greičiu, o detonacijos banga – viršgarsiniu – iki 2500 m/s. Jis nesudaro stabilaus liepsnos fronto, todėl tokio variklio darbas pulsuoja: po kiekvieno detonacijos reikia atnaujinti kuro mišinį, o tada paleisti jame naują bangą.
Bandymai sukurti pulsuojantį reaktyvinį variklį buvo atlikti dar gerokai prieš detonacijos idėją. Būtent naudojant pulsuojančius reaktyvinius variklius jie bandė rasti alternatyvą stūmokliniai varikliai ketvirtajame dešimtmetyje. Vėlgi, mane patraukė paprastumas: skirtingai aviacijos turbina pulsuojančiam oru kvėpuojančiam varikliui (PURE) nereikėjo nei 40 000 apsisukimų per minutę greičiu besisukančio kompresoriaus, kuris pumpuotų orą į nepasotinamą degimo kameros pilvą, nei turbinos, veikiančios esant aukštesnei nei 1000˚C dujų temperatūrai. PuVRD slėgis degimo kameroje sukėlė pulsaciją deginant kurą.
Pirmuosius patentus pulsuojančiam oru kvėpuojančiam varikliui nepriklausomai 1865 m. gavo Charles de Luvri (Prancūzija) ir 1867 m. Nikolajus Afanasjevičius Telešovas (Rusija). Pirmąjį veiksmingą PuVRD dizainą 1906 metais užpatentavo rusų inžinierius V.V. Karavodinas, kuris po metų pastatė modelio instaliaciją. Dėl daugybės trūkumų Karavodin instaliacija praktiškai nebuvo naudojama. Pirmasis PURD, kuris buvo naudojamas tikruoju lėktuvu, buvo vokiškas Argus As 014, pagrįstas Miuncheno išradėjo Paulo Schmidto 1931 m. patentu. „Argus“ buvo sukurtas „keršto ginklui“ - sparnuotai bombai V-1. Panašią plėtrą 1942 m. sukūrė sovietų dizaineris Vladimiras Čelomėjus pirmajai sovietinei sparnuotajai raketai 10X.
Žinoma, šie varikliai dar nebuvo detonaciniai, nes naudojo įprasto degimo pulsacijas. Šių pulsacijų dažnis buvo mažas, todėl veikimo metu pasigirdo būdingas kulkosvaidžio garsas. Specifinės PURD charakteristikos dėl pertraukiamas režimas Vidutiniškai darbo buvo mažai, o XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio pabaigoje dizaineriams įvaldžius kompresorių, siurblių ir turbinų kūrimo sudėtingumą, turboreaktyviniai varikliai ir skysto kuro varikliai tapo dangaus karaliais, o PURE liko technikos pažangos periferijoje.
Įdomu tai, kad pirmuosius PuVRD sukūrė vokiečių ir sovietų dizaineriai nepriklausomai vienas nuo kito. Beje, detonacinio variklio idėja 1940 metais atėjo į galvą ne tik Zeldovičiui. Tuo pačiu metu tas pačias mintis išsakė Von Neumannas (JAV) ir Werneris Doeringas (Vokietija), todėl tarptautiniame moksle detonacinio degimo panaudojimo modelis buvo vadinamas ZND.
Idėja sujungti PURD su detonaciniu degimu buvo labai viliojanti. Tačiau paprastos liepsnos priekis sklinda 60–100 m/s greičiu, o jos pulsavimo dažnis PuVRD neviršija 250 per sekundę. O detonacinis frontas juda 1500 – 2500 m/s greičiu, todėl pulsavimo dažnis turėtų būti tūkstančiai per sekundę. Tokį mišinio atnaujinimo ir detonacijos inicijavimo greitį buvo sunku įgyvendinti praktiškai.
Nepaisant to, bandymai sukurti veikiančius pulsuojančius detonacinius variklius tęsėsi. JAV oro pajėgų specialistų darbas šia kryptimi baigėsi demonstracinio variklio sukūrimu, kuris pirmą kartą į dangų pakilo 2008 m. sausio 31 d. eksperimentiniame Long-EZ lėktuve. Istoriniame skrydžio metu variklis veikė... 10 sekundžių 30 metrų aukštyje. Tačiau prioritetas yra tokiu atveju liko JAV, o lėktuvas teisėtai užėmė vietą Nacionaliniame JAV oro pajėgų muziejuje.
Tuo tarpu kita, daug žadanti schema jau seniai buvo sugalvota
Kaip voverė ratuke
Idėja paleisti detonacijos bangą ir priversti ją bėgioti degimo kameroje kaip voverė ratu, mokslininkams gimė septintojo dešimtmečio pradžioje. Sukimo (sukimosi) detonacijos reiškinį teoriškai numatė sovietų fizikas iš Novosibirsko B. V. Voitsekhovskis 1960 m. Beveik kartu su juo, 1961 m., tą pačią mintį išsakė amerikietis J. Nichollsas iš Mičigano universiteto.
Rotorinis, arba besisukantis, detonacinis variklis struktūriškai yra žiedinė degimo kamera, į kurią degalai tiekiami naudojant radialiai išdėstytus purkštukus. Detonacijos banga kameros viduje juda ne ašine kryptimi, kaip PuVRD, o ratu, suspausdama ir degindama priešais esantį kuro mišinį ir galiausiai išstumdama degimo produktus iš purkštuko taip pat kaip ir mėsmalės varžtas išstumia maltą mėsą. Vietoj pulsavimo dažnio gauname detonacijos bangos sukimosi dažnį, kuris gali siekti kelis tūkstančius per sekundę, tai yra praktiškai variklis veikia ne kaip pulsuojantis, o kaip įprastas skysto kuro raketinis variklis su stacionariu degimu, bet daug efektyviau, nes iš tikrųjų jame vyksta kuro mišinio detonacija .
SSRS, kaip ir JAV, darbas su rotaciniu detonaciniu varikliu vyko nuo septintojo dešimtmečio pradžios, tačiau vėlgi, nepaisant akivaizdaus idėjos paprastumo, jo įgyvendinimui reikėjo išspręsti mįslingus teorinius klausimus. Kaip organizuoti procesą, kad banga neužgestų? Reikėjo suprasti sudėtingiausius fizinius ir cheminius procesus, vykstančius dujinėje aplinkoje. Čia skaičiavimai buvo atliekami nebe molekuliniu, o atominiu lygmeniu, chemijos ir kvantinės fizikos sankirtoje. Šie procesai yra sudėtingesni nei tie, kurie vyksta generuojant lazerio spindulį. Štai kodėl lazeris jau seniai veikė, o detonacijos variklis – ne. Norint suprasti šiuos procesus, reikėjo sukurti naują fundamentinį mokslą – fizikinę-cheminę kinetiką, kurios prieš 50 metų nebuvo. O norint praktiškai apskaičiuoti sąlygas, kuriomis detonacijos banga neišnyks, o taps savarankiška, reikėjo galingų kompiuterių, kurie pasirodė tik pastaraisiais metais. Tai yra pagrindas, kurį reikėjo pakloti praktinei sėkmei tramdant detonaciją.
JAV vyksta aktyvus darbas šia kryptimi. Šiuos tyrimus atlieka Pratt & Whitney, General Electric ir NASA. Pavyzdžiui, JAV karinio jūrų laivyno tyrimų laboratorija kuria besisukančių detonacinių dujų turbinų blokus laivynui. JAV karinis jūrų laivynas naudoja 430 dujų turbinų blokai 129 laivuose jie per metus sunaudoja už tris milijardus dolerių degalų. Ekonomiškesnės detonacijos įvedimas dujų turbininiai varikliai(GTD) leis sutaupyti milžiniškas pinigų sumas.
Rusijoje dešimtys tyrimų institutų ir projektavimo biurų dirbo ir tebedirba su detonaciniais varikliais. Tarp jų yra NPO „Energomash“, pirmaujanti variklių gamybos įmonė Rusijos kosmoso pramonėje, su daugeliu įmonių, kurių VTB bankas bendradarbiauja. Detonacinio skystojo kuro raketinio variklio kūrimas buvo vykdomas daugelį metų, tačiau norint, kad šio darbo ledkalnio viršūnė sužibėtų saulėje sėkmingo bandymo forma, organizacinis ir finansinis dalyvavimas buvo reikalingas gerai žinomas Advanced Research Foundation (APF). Tai buvo FPI, kuris skyrė reikalingų lėšų specializuotos laboratorijos „Detonaciniai skystųjų raketų varikliai“ sukūrimui 2014 m. Galų gale, nepaisant 70 metų tyrimų, ši technologija vis dar išlieka „per daug perspektyvi“ Rusijoje, kad ją finansuotų tokie klientai kaip Gynybos ministerija, kuriems, kaip taisyklė, reikia garantuoto praktinio rezultato. Ir dar laukia labai ilgas kelias.
„Schrew“ prisijaukinimas
Norėčiau tikėti, kad po viso to, kas buvo pasakyta aukščiau, išryškėja titaniškas darbas, atsidūręs tarp trumpo pranešimo apie bandymus, vykusius Energomash mieste 2016 m. liepos – rugpjūčio mėn., Chimkuose, eilučių: „Pirmą kartą m. pasaulyje, pastovus skersinių detonacijos bangų nuolatinio sukimosi detonacijos režimas, kurio dažnis yra apie 20 kHz (bangų sukimosi dažnis - 8 tūkst. apsisukimų per sekundę) kuro poroje „deguonis - žibalas“. Buvo įmanoma gauti keletą detonacijos bangų, kurios subalansavo viena kitos vibraciją ir smūgio apkrovas. M.V.Keldysh centre specialiai sukurtos nuo karščio saugančios dangos padėjo susidoroti su aukštos temperatūros apkrovomis. Variklis atlaikė kelis užvedimus esant ekstremalioms vibracinėms apkrovoms ir itin aukštai temperatūrai, nesant sieninio sluoksnio aušinimo. Ypatingą vaidmenį šioje sėkme suvaidino matematinių modelių kūrimas ir kuro purkštukai, kuris leido gauti detonacijai reikalingos konsistencijos mišinį.
Žinoma, nereikėtų perdėti pasiektos sėkmės reikšmės. Buvo sukurtas tik demonstracinis variklis, kuris veikė gana trumpai, ir apie tai tikrosios savybės nieko nepranešama. Anot NPO „Energomash“, detonacinio skystojo kuro raketinio variklio trauka padidės 10%, kai deginamas toks pat degalų kiekis kaip ir įprastame variklyje, o savitasis traukos impulsas turėtų padidėti 10–15%.
Tačiau pagrindinis rezultatas yra tai, kad praktiškai patvirtinta galimybė organizuoti detonacinį degimą skysto kuro varikliuose. Tačiau kelias į šios technologijos naudojimą kaip tikrosios dalies dalį lėktuvas Dar liko ilgas kelias. Kitas svarbus aspektas yra tai, kad mūsų šaliai dabar priskirtas dar vienas pasaulinis prioritetas aukštųjų technologijų srityje: Rusijoje pirmą kartą pasaulyje pradėjo veikti pilno dydžio detonacinis skysto kuro raketinis variklis, ir šis faktas išliks Rusijos istorijoje. Mokslas ir technologijos. paskelbta
Kol visa pažangi NATO šalių žmonija ruošiasi pradėti detonacinio variklio bandymus (bandymai gali įvykti 2019 m. (tiksliau daug vėliau)), atsilikusioje Rusijoje jie paskelbė baigę tokio variklio bandymus.
Jie tai paskelbė visiškai ramiai ir nieko negąsdinę. Tačiau Vakaruose, kaip ir tikėtasi, jie išsigando ir prasidėjo isteriškas kaukimas – mes būsime palikti visam gyvenimui. Detonacinio variklio (DE) kūrimo darbai vykdomi JAV, Vokietijoje, Prancūzijoje ir Kinijoje. Apskritai yra pagrindo manyti, kad Irakas yra suinteresuotas išspręsti problemą ir Šiaurės Korėja- labai daug žadanti plėtra, o tai iš tikrųjų reiškia naujas etapas raketų moksle. Ir apskritai variklių gamyboje.
Pirmą kartą detonacinio variklio idėją 1940 metais išsakė sovietų fizikas Ya.B. Zeldovičius. Ir tokio variklio sukūrimas žadėjo milžinišką naudą. Pavyzdžiui, raketų varikliui:
- Palyginti su įprastu raketiniu varikliu, galia padidėja 10 000 kartų. Šiuo atveju mes kalbame apie galią, gautą vienam variklio tūrio vienetui;
- 10 kartų mažiau degalų vienam galios vienetui;
- DD yra tiesiog žymiai (kelis kartus) pigesnis nei standartinis skystųjų raketų variklis.
Skystas raketinis variklis yra toks didelis ir labai brangus degiklis. Ir tai brangu, nes norint palaikyti stabilų degimą reikia daugybės mechaninių, hidraulinių, elektroninių ir kitų mechanizmų. Labai sudėtinga gamyba. Toks sudėtingas, kad JAV daug metų nesugeba sukurti savo skystojo kuro raketinio variklio ir yra priverstos pirkti RD-180 iš Rusijos.
Rusija labai greitai gaus serijinės gamybos, patikimą, nebrangų lengvųjų raketų variklį. Su visomis iš to išplaukiančiomis pasekmėmis:
raketa gali nešti daug kartų daugiau naudingoji apkrova– pats variklis sveria žymiai mažiau, deklaruojamam skrydžio nuotoliui reikia 10 kartų mažiau degalų. Arba galite tiesiog padidinti šį diapazoną 10 kartų;
raketos kaina sumažėja kelis kartus. Tai geras atsakymas tiems, kurie mėgsta organizuoti ginklavimosi varžybas su Rusija.
O tada – gili erdvė... Atsiveria tiesiog fantastiškos jos tyrinėjimo perspektyvos.
Tačiau amerikiečiai teisūs ir vietos dabar nėra – jau ruošiami sankcijų paketai, kad Rusijoje nenutiktų detonacinis variklis. Jie trukdys iš visų jėgų – mūsų mokslininkai labai rimtai pasisiūlė tapti lyderiais.
2018 m. vasario 07 d Žymos: 2311Diskusija: 3 komentarai
* Palyginti su įprastu raketiniu varikliu, galia padidėja 10 000 kartų. Šiuo atveju mes kalbame apie galią, gautą vienam variklio tūrio vienetui;
10 kartų mažiau degalų vienam galios vienetui;
—————
Kažkaip nedera su kitais leidiniais:
„Priklausomai nuo konstrukcijos, jis gali viršyti originalų skystojo kuro raketinį variklį pagal efektyvumą nuo 23–27%, kai tipinė konstrukcija su išsiplečiančiu antgaliu, iki 36–37% padidina VRE (pleišto oro raketų variklius). )
Jie gali keisti ištekančios dujų srovės slėgį priklausomai nuo atmosferos slėgio ir sutaupyti iki 8-12% degalų per visą konstrukcijos paleidimo atkarpą (pagrindinis sutaupymas pasiekiamas mažame aukštyje, kur jis siekia 25-30 %)“.
Svarstoma rotacinių detonacinių variklių kūrimo problema. Pateikiami pagrindiniai tokių variklių tipai: Nichols rotorinis detonacinis variklis, Wojciechowski variklis. Aptariamos pagrindinės detonacinių variklių konstrukcijos kūrimo kryptys ir tendencijos. Įrodyta, kad šiuolaikinės rotorinio detonacinio variklio koncepcijos iš esmės negali leisti sukurti tinkamo dizaino, kuris savo charakteristikomis būtų pranašesnis už esamus oru kvėpuojančius variklius. Priežastis – konstruktorių noras sujungti bangų generavimą, kuro deginimą ir kuro bei oksidatoriaus išmetimą į vieną mechanizmą. Dėl smūginių bangų struktūrų savaiminio organizavimo detonacinis degimas vyksta mažiausiu, o ne maksimaliu tūriu. Šiandien pasiektas faktinis rezultatas yra detonacinis degimas, kurio tūris neviršija 15 % degimo kameros tūrio. Sprendimas matomas kitaip – pirmiausia sukuriama optimali smūginių bangų konfigūracija, o tik tada į šią sistemą tiekiami kuro komponentai ir organizuojamas optimalus detonacinis degimas dideliame tūryje.
detonacinis variklis
rotorinis detonacinis variklis
Wojciechowski variklis
žiedinė detonacija
sukimosi detonacija
impulsinis detonacijos variklis
1. Voitsekhovsky B.V., Mitrofanov V.V., Topchiyan M.E., Detonacijos fronto sandara dujose. – Novosibirskas: SSRS mokslų akademijos Sibiro skyriaus leidykla, 1963 m.
2. Uskovas V.N., Bulatas P.V. Apie idealaus viršgarsinio srauto suspaudimo difuzoriaus projektavimo problemą // Fundamental Research. – 2012. – Nr.6 (1 dalis). – 178–184 p.
3. Uskovas V.N., Bulatas P.V., Prodanas N.V. Smūgio bangos netaisyklingo atspindžio nuo viršgarsinio srauto simetrijos ašies tyrimo, susidarant Macho diskui, istorija // Fundamentalus tyrimas. – 2012. – Nr.9 (2 dalis). – 414–420 p.
4. Uskovas V.N., Bulatas P.V., Prodanas N.V. Stacionarios Macho konfigūracijos modelio taikymo skaičiuojant Macho diską viršgarsinėje srovėje pagrindimas // Fundamental Research. – 2012. – Nr.11 (1 dalis). – 168–175 p.
5. Shchelkin K.I. Dujų degimo ir detonacijos nestabilumas // Fizinių mokslų pažanga. – 1965. – T. 87, leid. 2.– 273–302 p.
6. Nicholsas J.A., Wilkmsonas H.R., Morrisonas R.B. Pertraukiamas detonavimas kaip pasitikėjimą sukuriantis mechanizmas // Reaktyvinis varymas. – 1957. – Nr.21. – P. 534–541.
Rotoriniai detonaciniai varikliai
Visiems rotorinių detonacinių variklių (RDE) tipams būdinga tai, kad detonavimo bangoje degalų tiekimo sistema derinama su degalų deginimo sistema, tačiau tuomet viskas veikia kaip įprastame reaktyviniame variklyje – liepsnos vamzdis ir antgalis. Būtent šis faktas ir inicijavo tokią veiklą dujų turbininių variklių (GTE) modernizavimo srityje. Atrodo patrauklu dujų turbininiame variklyje pakeisti tik maišymo galvutę ir mišinio uždegimo sistemą. Norėdami tai padaryti, būtina užtikrinti detonacinio degimo tęstinumą, pavyzdžiui, paleidžiant detonacijos bangą ratu. Nicholsas buvo vienas pirmųjų, pasiūliusių tokią schemą 1957 m., vėliau ją sukūrė ir septintojo dešimtmečio viduryje atliko keletą eksperimentų su besisukančia detonacijos banga (1 pav.).
Reguliuojant kameros skersmenį ir žiedinio tarpo storį, kiekvienam kuro mišinio tipui galima parinkti tokią geometriją, kad detonacija būtų stabili. Praktikoje tarpo dydžio ir variklio skersmens santykis pasirodo nepriimtinas, todėl bangos sklidimo greitį būtina reguliuoti valdant degalų tiekimą, kaip aprašyta toliau.
Kaip ir impulsinio detonavimo varikliuose, žiedinė detonacijos banga gali išstumti oksidatorių, todėl RDE galima naudoti nuliniu greičiu. Šis faktas lėmė daugybę eksperimentinių ir skaičiavimo RDE tyrimų su žiedine degimo kamera ir savaiminiu išmetimu. kuro-oro mišinys, kurio čia išvardyti nėra prasmės. Visi jie pagaminti pagal maždaug tą pačią schemą (2 pav.), primenančią Nikolso variklio schemą (1 pav.).
Ryžiai. 1. Tolydžios žiedinės detonacijos žiediniame tarpelyje organizavimo schema: 1 - detonacijos banga; 2 - „šviežio“ kuro mišinio sluoksnis; 3 - kontakto pertrauka; 4 - pasroviui sklindanti įstrižinė smūginė banga; D - detonacijos bangos judėjimo kryptis
Ryžiai. 2. Tipinė RDE schema: V – laisvo srauto greitis; V4 - srauto greitis ties purkštuko išėjimu; a - šviežio kuro rinkinys, b - detonacijos bangos frontas; c - pritvirtinta įstrižinė smūginė banga; d - degimo produktai; p(r) - slėgio pasiskirstymas kanalo sienelėje
Tinkama alternatyva Nichols schemai būtų įrengti kelis kuro oksidacijos purkštukus, kurie pagal tam tikrą dėsnį esant tam tikram slėgiui įpuršktų kuro ir oro mišinį į zoną prieš pat detonacijos bangą (3 pav.). Reguliuojant slėgį ir kuro tiekimo greitį į degimo sritį už detonacijos bangos, galima daryti įtaką jos sklidimo greičiui prieš srovę. Ši kryptis yra perspektyvi, tačiau pagrindinė problema projektuojant tokius RDE yra ta, kad dažniausiai naudojamas supaprastintas detonacijos degimo fronto srauto modelis visiškai neatitinka tikrovės.
Ryžiai. 3. RDE su kontroliuojamu degalų tiekimu į degimo zoną. Wojciechowski rotorinis variklis
Pagrindinės viltys pasaulyje siejamos su detonaciniais varikliais, veikiančiais pagal schemą rotorinis variklis Voitsekhovskis. 1963 metais B.V. Voitsekhovskis pagal analogiją su sukimosi detonacija sukūrė nepertraukiamo dujų degimo schemą už trigubos konfigūracijos smūginių bangų, cirkuliuojančių žiediniu kanalu (4 pav.).
Ryžiai. 4 pav. Wojciechowskio diagrama apie nuolatinį dujų degimą už trigubos smūgio bangų konfigūracijos, cirkuliuojančių žiediniame kanale: 1 - šviežias mišinys; 2 - dvigubai suspaustas mišinys už trigubos smūgio bangų konfigūracijos, detonacijos sritis
Šiuo atveju stacionarus hidrodinaminis procesas su dujų degimu už smūginės bangos skiriasi nuo Chapman-Jouguet ir Zeldovich-Neuman detonacijos schemos. Šis procesas yra gana stabilus, jo trukmę lemia kuro mišinio padavimas ir žinomais eksperimentais siekia kelias dešimtis sekundžių.
Wojciechowskio detonacinio variklio konstrukcija buvo daugelio rotacinio ir sukimosi tyrimų prototipas. detonaciniai varikliaĭ pradėtas per pastaruosius 5 metus. Šis dizainas sudaro daugiau nei 85% visų tyrimų. Visi jie turi vieną organinį trūkumą – detonacijos zona užima per mažą bendros degimo zonos dalį, dažniausiai ne daugiau kaip 15 proc. Dėl to specifinės variklių charakteristikos yra prastesnės nei tradicinės konstrukcijos variklių.
Dėl Woitsekhovsky schemos įgyvendinimo nesėkmių priežasčių
Dauguma darbų su varikliais su nuolatine detonacija yra susiję su Wojciechowskio koncepcijos kūrimu. Nepaisant daugiau nei 40 metų trukusios tyrimų istorijos, rezultatai faktiškai išliko 1964 metų lygyje. Detonacinio degimo dalis neviršija 15% degimo kameros tūrio. Likusi dalis lėtai dega tokiomis sąlygomis, kurios toli gražu nėra optimalios.
Viena iš tokios padėties priežasčių yra veiksmingo skaičiavimo metodo nebuvimas. Kadangi srautas yra trimatis, o skaičiuojant atsižvelgiama tik į smūgio bangos impulso išsaugojimo dėsnius modelio detonacijos frontui statmena kryptimi, smūgio bangų polinkio į degimo produktų srautą apskaičiavimo rezultatai. skiriasi nuo eksperimentiškai stebimų daugiau nei 30 proc. Pasekmė ta, kad nepaisant daugelio metų tyrimų įvairios sistemos kuro tiekimo ir kuro komponentų santykio keitimo eksperimentai, beliko tik sukurti modelius, kuriuose detonacinis degimas vyksta ir palaikomas 10-15 s. Nekalbama apie efektyvumo didinimą ar pranašumus prieš esamus skysto kuro variklius ir dujų turbininius variklius.
Projekto autorių atlikta esamų RDE schemų analizė parodė, kad visos šiandien siūlomos RDE schemos iš esmės yra neveiksmingos. Detonacinis degimas vyksta ir yra sėkmingai palaikomas, tačiau tik ribotai. Likusioje tomo dalyje kalbame apie įprastą lėtą degimą ir už neoptimalios smūgio bangų sistemos, dėl kurios patiriami dideli nuostoliai bendras slėgis. Be to, slėgis taip pat yra kelis kartus mažesnis nei būtina idealioms degimo sąlygoms esant stechiometriniam kuro mišinio komponentų santykiui. Kaip rezultatas specifinis suvartojimas degalų, tenkančių vienam traukos vienetui, yra 30-40% didesnis nei tradicinių variklių.
Tačiau dauguma pagrindinė problema yra pats tęstinio detonavimo organizavimo principas. Kaip parodė septintajame dešimtmetyje atlikti nuolatinės žiedinės detonacijos tyrimai, detonacinis degimo frontas yra sudėtinga smūginės bangos struktūra, susidedanti iš mažiausiai dviejų trigubų konfigūracijų (apie trigubų smūgių bangų konfigūracijų. Tokia konstrukcija su pritvirtinta detonacijos zona, kaip ir bet kuri kita). termodinaminio grįžtamojo ryšio sistema, palikta atskirai, yra linkusi užimti padėtį, atitinkančią minimalų energijos lygį. Dėl to trigubos konfigūracijos ir detonacijos degimo sritis prisitaiko viena prie kitos taip, kad detonacijos frontas judėtų išilgai žiedinio tarpo su minimaliu galimu detonacijos tūriu Tai visiškai priešinga tikslui, kurį variklių konstruktoriai užsibrėžė degti detonaciniu būdu.
Už kūrimą efektyvus variklis RDE reikia išspręsti optimalios trigubos smūgio bangų konfigūracijos ir detonacijos degimo zonos organizavimo problemą. Optimalios smūginės bangos struktūros turi būti sukurtos įvairiose techniniai prietaisai, pavyzdžiui, optimaliuose viršgarsinio oro įsiurbimo angų difuzoriuose. Pagrindinis uždavinys – maksimaliai padidinti galimą detonacijos degimo dalies degimo kameros tūryje nuo šiandien nepriimtinų 15% iki mažiausiai 85%. Esamos variklių konstrukcijos, pagrįstos Nicholso ir Wojciechowskio projektais, negali atlikti šios užduoties.
Recenzentai:Uskovas V.N., technikos mokslų daktaras, Sankt Peterburgo valstybinio universiteto Matematikos ir mechanikos fakulteto Hidroaeromechanikos katedros profesorius, Sankt Peterburgas;
Emelyanovas V.N., technikos mokslų daktaras, profesorius, BSTU „VOENMEH“ Plazminių dujų dinamikos ir šiluminės inžinerijos katedros vedėjas. D.F. Ustinova, Sankt Peterburgas.
Darbą redaktorius gavo 2013-10-14.
Bibliografinė nuoroda
Bulat P.V., Prodan N.V. DETONACINIŲ VARIKLIŲ PROJEKTŲ APŽVALGA. ROTARIJOS DETONACIJOS VARIKLIAI // Fundamentalūs tyrimai. – 2013. – Nr.10-8. – S. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (prisijungimo data: 2019-07-29). Atkreipiame jūsų dėmesį į leidyklos „Gamtos mokslų akademija“ leidžiamus žurnalus
