Nagrinėjama rotorinių detonacinių variklių kūrimo problema. Pateikiami pagrindiniai tokių variklių tipai: Nichols rotorinis detonacinis variklis, Wojciechowski variklis. Aptariamos pagrindinės detonacinių variklių konstrukcijos kūrimo kryptys ir tendencijos. Parodyta, kad šiuolaikinės rotorinio detonacinio variklio koncepcijos iš esmės negali leisti sukurti veiksmingo dizaino, kuris savo charakteristikomis pranoktų esamus reaktyvinius variklius. Priežastis – konstruktorių noras sujungti bangų generavimą, kuro deginimą bei kuro ir oksidatoriaus išmetimą į vieną mechanizmą. Dėl smūginių bangų konstrukcijų savaiminio organizavimo detonacinis degimas atliekamas mažiausiu, o ne maksimaliu tūriu. Šiandien realiai pasiektas rezultatas yra detonacinis degimas, kurio tūris neviršija 15% degimo kameros tūrio. Išeitis matoma kitokiu požiūriu – pirmiausia sukuriama optimali smūginių bangų konfigūracija, o tik tada į šią sistemą tiekiami kuro komponentai ir organizuojamas optimalus detonacinis degimas dideliu tūriu.
detonacinis variklis
rotorinis detonacinis variklis
Wojciechowski variklis
žiedinė detonacija
sukimosi detonacija
impulsinis detonacijos variklis
1. B. V. Voitsekhovsky, V. V. Mitrofanov ir M. E. Topchiyan, Detonacijos fronto sandara dujose. - Novosibirskas: SSRS mokslų akademijos leidykla, 1963 m.
2. Uskovas V.N., Bulatas P.V. Apie idealaus difuzoriaus, skirto viršgarsiniam srautui suspausti, sukūrimo problemą // Pagrindinis tyrimas. - 2012. - Nr.6 (1 dalis). - S. 178-184.
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). - S. 414-420.
4. Uskovas V.N., Bulatas P.V., Prodanas N.V. Stacionarios Macho konfigūracijos modelio pritaikymo Macho disko skaičiavimui viršgarsinėje srovėje pagrindimas // Fundamentalus tyrimas. - 2012. - Nr.11 (1 dalis). – S. 168–175.
5. Shchelkin K.I. Degimo ir dujų detonacijos nestabilumas // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965. - T. 87, Nr. 2.– S. 273–302.
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 padavimo sistema derinama su kuro degimo sistema, tačiau tuomet viskas veikia kaip įprastame reaktyviniame variklyje – liepsnos vamzdis ir antgalis. Būtent šis faktas paskatino tokią veiklą modernizavimo srityje dujų turbininiai varikliai(GTE). 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 vienas pirmųjų pasiūlė tokią schemą 1957 m., o 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 pasirinkti tokią geometriją, kad detonacija būtų stabili. Praktiškai ryšys tarp tarpo ir variklio skersmens pasirodo nepriimtinas, todėl bangos sklidimo greitį būtina reguliuoti valdant degalų tiekimą, kaip aptarta toliau.
Kaip ir impulsinio detonavimo varikliuose, žiedinė detonacijos banga gali išmesti oksidatorių, todėl RDE galima naudoti nuliniu greičiu. Šis faktas lėmė daugybę eksperimentinių ir skaičiavimo RDE tyrimų su žiedine degimo kamera ir spontanišku išmetimu. kuro-oro mišinys, čia išvardyti, kas neturi prasmės. Visi jie pagaminti maždaug pagal tą pačią schemą (2 pav.), primenančią Nichols variklio schemą (1 pav.).
Ryžiai. 1. Tolydžios žiedinės detonacijos žiediniame tarpelyje organizavimo schema: 1 - detonacijos banga; 2 - "šviežio" kuro mišinio sluoksnis; 3 - kontaktų tarpas; 4 - pasroviui sklindanti įstrižinė smūginė banga; D yra detonacijos bangos kryptis
Ryžiai. 2. Tipiška grandinė RDE: V – laisvo srauto greitis; V4 - srautas purkštuko išleidimo angoje; a - šviežio kuro rinklės, b - detonacijos bangos frontas; c - pritvirtinta įstrižinė smūginė banga; d - degimo produktai; p(r) - slėgio pasiskirstymas kanalo sienelėje
Pagrįsta Nicholso schemos alternatyva galėtų būti daugybės kuro oksidacijos purkštukų įrengimas, kurie pagal tam tikrą dėsnį esant tam tikram slėgiui įpuršktų kuro ir oro mišinį į sritį prieš pat detonacijos bangą (3 pav.). Reguliuojant slėgį ir kuro tiekimo į degimo sritį už detonacijos bangos greitį, galima paveikti jos sklidimo prieš srovę greitį. Ši kryptis yra perspektyvi, tačiau pagrindinė tokių RDE projektavimo problema yra ta, kad plačiai naudojamas supaprastintas srauto modelis detonacijos degimo fronte 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 Wojciechowski rotorinio variklio schemą. 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. Wojciechowski nuolatinio dujų degimo už trigubos konfigūracijos smūginių bangų, cirkuliuojančių žiediniame kanale, schema: 1 - šviežias mišinys; 2 - dvigubai suspaustas mišinys už trigubos smūgio bangų konfigūracijos, detonacijos sritis
IN Ši byla stacionarus hidrodinaminis procesas su dujų degimu už smūginės bangos skiriasi nuo Chapman-Jouguet ir Zel'dovich-Neumann detonacijos schemos. Toks procesas yra gana stabilus, jo trukmę lemia kuro mišinio rezervas ir, gerai žinomų eksperimentų metu, yra kelios dešimtys sekundžių.
Wojciechowskio detonacinio variklio schema buvo prototipas daugybė tyrimų̆ sukimasis ir sukimasis detonaciniai varikliaĭ pradėtas per pastaruosius 5 metus. Ši schema sudaro daugiau nei 85% visų tyrimų. Visi jie turi vieną organinį trūkumą – detonacijos zona užima per mažai bendros degimo zonos, dažniausiai ne daugiau kaip 15 proc. Dėl to specifinės variklių charakteristikos yra prastesnės nei tradicinės konstrukcijos variklių.
Apie gedimų priežastis įgyvendinant Wojciechowski schemą
Dauguma darbų su varikliais su nuolatine detonacija yra susiję su Wojciechowski 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 yra lėtas degimas sąlygomis, kurios toli gražu nėra optimalios.
Viena iš tokios padėties priežasčių yra tinkamos skaičiavimo metodikos trūkumas. 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. Rezultatas yra tas, kad, nepaisant daugelio metų tyrimų įvairios sistemos kuro tiekimas ir kuro komponentų santykio keitimo eksperimentai, buvo tik sukurti modeliai, kuriuose detonacinis degimas vyksta ir palaikomas 10-15 s. Nekalbama apie efektyvumo didinimą ar pranašumus prieš esamus skystojo kuro ir dujų turbinų variklius.
Projekto autorių atlikta turimų RDE schemų analizė parodė, kad visos šiandien siūlomos RDE schemos iš esmės neveikia. Detonacinis degimas vyksta ir yra sėkmingai palaikomas, tačiau tik ribotai. Likusioje tomo dalyje mes susiduriame su įprastu lėtu degimu, be to, už neoptimalios smūgių bangų sistemos, dėl kurios atsiranda didelių nuostolių pilnas slėgis. Be to, slėgis taip pat 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 įprastų variklių.
Tačiau dauguma pagrindinė problema yra pats organizavimo principas nuolatinis detonavimas. Kaip parodė nuolatinės žiedinės detonacijos tyrimai, atlikti dar septintajame dešimtmetyje, detonacinis degimo frontas yra sudėtinga smūginės bangos struktūra, susidedanti iš mažiausiai dviejų trigubų konfigūracijų (maždaug trigubų smūginių bangų konfigūracijų. Tokia konstrukcija su pritvirtinta detonacijos zona, kaip ir bet kuri termodinaminė sistema Atsiliepimas, paliktas vienas, linkęs užimti minimalų energijos lygį atitinkančią poziciją. Dėl to trigubos konfigūracijos ir detonacinio degimo plotas yra suderinami vienas su kitu taip, kad detonacijos frontas judėtų išilgai žiedinio tarpo su minimaliu galimu detonacinio degimo tūriu. Tai tiesiogiai prieštarauja tikslui, kurį variklių konstruktoriai iškėlė detonaciniam degimui.
Už kūrimą efektyvus variklis RDE reikia išspręsti optimalios trigubos smūgio bangų konfigūracijos ir detonacijos degimo zonos organizavimo problemą. Turi būti galima sukurti optimalias smūginių bangų struktūras techniniai prietaisai, pavyzdžiui, optimaliuose viršgarsinio oro įsiurbimo angų difuzoriuose. Pagrindinė užduotis – maksimaliai įmanoma padidinti detonacijos degimo dalį degimo kameros tūryje nuo šiandien nepriimtinų 15% iki mažiausiai 85%. Esamos variklių konstrukcijos, pagrįstos Nicholso ir Wojciechowskio schemomis, 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, Plazminių dujų dinamikos ir šilumos inžinerijos katedros vedėjas, BSTU „VOENMEH“, pavadintas A.I. D.F. Ustinovas, Sankt Peterburgas.
Darbą redakcija gavo 2013-10-14.
Bibliografinė nuoroda
Bulat P.V., Prodan N.V. DETONUOJAMŲJŲ VARIKLŲ 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: 2019-03-14). Atkreipiame jūsų dėmesį į leidyklos „Gamtos istorijos akademija“ leidžiamus žurnalus
Detonaciniai varikliai pakeis dujų turbinų šerdį / Nuotrauka: finobzor.ru
Realiai vietoj nuolatinės priekinės liepsnos degimo zonoje susidaro detonacijos banga, besiveržianti viršgarsiniu greičiu. Tokioje suspaudimo bangoje detonuojamas kuras ir oksidatorius, šis procesas termodinamikos požiūriu didėja Variklio efektyvumas eilės tvarka, dėl degimo zonos kompaktiškumo.
Įdomu tai, kad dar 1940 metais sovietų fizikas Ya.B. Zeldovičius straipsnyje „Apie energijos naudojimą“ pasiūlė detonacinio variklio idėją detonacinis degimas“. Nuo tada daugelis mokslininkų iš skirtingos salys, tada JAV, tada Vokietija, tada pasirodė mūsų tautiečiai.
Vasarą, 2016 metų rugpjūtį, Rusijos mokslininkams pavyko sukurti pirmąjį pasaulyje pilno dydžio skystojo kuro reaktyvinį variklį, veikiantį detonacinio kuro degimo principu. Mūsų šalis pagaliau nustatė pasaulinį prioritetą kuriant naujausias technologijas daugelį metų po perestroikos.
Kodėl taip gerai naujas variklis? Reaktyvinis variklis naudoja energiją, išsiskiriančią deginant mišinį esant pastoviam slėgiui ir pastoviam liepsnos frontui. Degimo metu kuro ir oksidatoriaus dujų mišinys smarkiai padidina temperatūrą, o liepsnos stulpelis, išeinantis iš purkštuko, sukuria srovės trauką.
detonacinis variklis/ Nuotrauka: sdelanounas.ru
Detonacinio degimo metu reakcijos produktai nespėja subyrėti, nes šis procesas yra 100 kartų greitesnis už deflagraciją ir slėgis sparčiai didėja, o tūris išlieka nepakitęs. Tokių paskirstymas didelis skaičius energija iš tikrųjų gali sunaikinti automobilio variklį, todėl toks procesas dažnai siejamas su sprogimu.
Realiai vietoj nuolatinės priekinės liepsnos degimo zonoje susidaro detonacijos banga, besiveržianti viršgarsiniu greičiu. Tokioje suspaudimo bangoje detonuojami degalai ir oksidatorius, šis procesas termodinamikos požiūriu padidina variklio efektyvumą dydžiu, dėl degimo zonos kompaktiškumo. Todėl ekspertai taip uoliai ėmėsi plėtoti šią idėją.Įprastame raketiniame variklyje, kuris iš esmės yra didelis degiklis, svarbiausia ne degimo kamera ir purkštukas, o kuro turbosiurblio blokas (TNA), sukuriantis tokį slėgį, kad kuro. prasiskverbia į kamerą. Pavyzdžiui, rusiškame raketiniame variklyje RD-170, skirtame nešančiosioms raketoms „Energia“, slėgis degimo kameroje yra 250 atm, o siurblys, tiekiantis oksidatorių į degimo zoną, turi sukurti 600 atm slėgį.
Detonaciniame variklyje slėgį sukuria pati detonacija, kuri yra slenkanti suspaudimo banga kuro mišinyje, kurioje slėgis be jokios TNA jau yra 20 kartų didesnis, o turbosiurblių agregatai yra pertekliniai. Kad būtų aišku, „American Shuttle“ slėgis degimo kameroje yra 200 atm, o detonaciniam varikliui tokiomis sąlygomis mišiniui tiekti tereikia 10 atm – tai tarsi dviračio siurblys ir Sayano-Shushenskaya hidroelektrinė.
Šiuo atveju detonacija pagrįstas variklis yra ne tik paprastesnis ir eilės tvarka pigesnis, bet ir daug galingesnis bei ekonomiškesnis už įprastą raketinį variklį.Komandos valdymo su detonacijos banga problema iškilo įgyvendinant detonacinio variklio projektas. Šis reiškinys yra ne tik sprogimo banga, turinti garso greitį, bet ir detonacijos banga, sklindanti 2500 m/s greičiu, joje nėra liepsnos fronto stabilizavimo, kiekvienam pulsavimui mišinys atnaujinamas ir banga vėl prasideda.
Anksčiau rusų ir prancūzų inžinieriai kurdavo ir statydavo pulsuojančius reaktyvinius variklius, bet ne detonacijos principu, o įprastos degimo pulsacijos pagrindu. Tokių PUVRD charakteristikos buvo žemos, o kai variklių gamintojai sukūrė siurblius, turbinas ir kompresorius, atėjo amžius reaktyviniai varikliai ir LRE, o pulsuojantis liko pažangos nuošalyje. Šviesios mokslo galvos bandė detonacinį degimą derinti su PUVRD, tačiau įprasto degimo fronto pulsacijų dažnis yra ne didesnis kaip 250 per sekundę, o detonacinio fronto greitis siekia iki 2500 m/s ir jo pulsavimo dažnis. siekia kelis tūkstančius per sekundę. Atrodė, kad praktiškai neįmanoma pritaikyti tokio mišinio atsinaujinimo greičio ir tuo pačiu inicijuoti detonaciją.
JAV tokį detonacija pulsuojantį variklį buvo galima sukonstruoti ir išbandyti ore, tiesa, jis veikė vos 10 sekundžių, tačiau pirmenybė liko amerikiečių konstruktoriams. Tačiau jau praėjusio amžiaus 60-aisiais sovietų mokslininkas B.V. Voitsekhovskis ir beveik tuo pačiu metu amerikietis iš Mičigano universiteto J. Nicholsas sugalvojo degimo kameroje sukurti detonacijos bangą.
Nuotrauka: sdelanounas.ru
Kaip veikia detonacinės raketos variklis
Toks rotorinis variklis sudaryta iš žiedinės degimo kameros su antgaliais, išdėstytais išilgai jos spindulio kurui tiekti. Detonacijos banga skrieja kaip voverė ratu, kuro mišinys susitraukia ir perdega, degimo produktus išstumdamas pro antgalį. Sukimo variklyje gauname kelių tūkstančių per sekundę bangų sukimosi dažnį, jo veikimas panašus į darbo procesą raketiniame variklyje, tik efektyviau, dėl kuro mišinio detonavimo.
SSRS ir JAV, o vėliau ir Rusijoje dirbama kuriant sukamąjį detonacinį variklį su ištisine banga, suprasti viduje vykstančius procesus, tam buvo sukurtas ištisas fizikinės ir cheminės kinetikos mokslas. Neslopintos bangos sąlygoms apskaičiuoti prireikė galingų kompiuterių, kurie buvo sukurti visai neseniai.
Rusijoje daugelis mokslinių tyrimų institutų ir projektavimo biurų dirba prie tokio sukimo variklio projekto, įskaitant kosmoso pramonės variklių gamybos įmonę. Kuriant tokį variklį į pagalbą atvyko Pažangių tyrimų fondas, nes iš Gynybos ministerijos finansavimo gauti neįmanoma – jiems tereikia garantuoto rezultato.
Nepaisant to, atliekant bandymus Khimki mieste Energomaše, buvo užfiksuota pastovi nuolatinio sukimosi detonacijos būsena - 8 tūkstančiai apsisukimų per sekundę deguonies ir žibalo mišinyje. Tuo pačiu metu detonacinės bangos subalansavo vibracines bangas, o šilumą apsaugančios dangos atlaikė aukštą temperatūrą.
Tačiau nelepinkite savęs, nes tai tik demonstracinis variklis, kuris veikė labai trumpai ir dar nieko nepasakyta apie jo charakteristikas. Tačiau svarbiausia yra tai, kad buvo įrodyta galimybė sukurti detonacinį degimą ir viso dydžio sukamas variklis būtent Rusijoje mokslo istorijoje išliks amžinai.
MASKVA, leidimas „Pagaminta mūsų“
12
Detonacinių variklių bandymai
FPI_RUSSIA / Vimeo
Mokslinių tyrimų ir gamybos asociacijos „Energomash“ specializuota laboratorija „Detonation LRE“ išbandė pirmuosius pasaulyje pilno dydžio detonacinio skystojo kuro technologijos demonstratorius. raketinis variklis. TASS duomenimis, naujosios elektrinės veikia deguonies ir žibalo kuro pora.
Naujas variklis, skirtingai nuo kitų elektrinių, veikiančių principu vidaus degimas, veikia dėl kuro sprogimo. Detonacija yra viršgarsinis medžiagos, šiuo atveju kuro mišinio, degimas. Šiuo atveju mišiniu sklinda smūginė banga, po kurios vyksta cheminė reakcija, išskiriant didelį šilumos kiekį.
Detonacinių variklių veikimo principų ir tobulinimo tyrimai kai kuriose pasaulio šalyse vykdomi jau daugiau nei 70 metų. Pirmasis toks darbas pradėtas Vokietijoje 1940 m. Tiesa, tyrėjams tuo metu nepavyko sukurti veikiančio detonacinio variklio prototipo, tačiau buvo kuriami ir masiškai gaminami pulsuojantys reaktyviniai varikliai. Jie buvo pastatyti ant V-1 raketų.
Pulsuojančiuose reaktyviniuose varikliuose kuras degdavo ikigarsiniu greičiu. Šis degimas vadinamas deflagracija. Variklis vadinamas pulsuojančiu, nes į jo degimo kamerą reguliariais intervalais mažomis porcijomis buvo tiekiami degalai ir oksidatorius.
Slėgio žemėlapis rotorinio detonacinio variklio degimo kameroje. A - detonacijos banga; B - smūgio bangos galinis priekis; C - šviežių ir senų degimo produktų maišymo zona; D - kuro mišinio pildymo zona; E – nedetonuojančio sudegusio kuro mišinio sritis; F - išsiplėtimo zona su detonuotu degto kuro mišiniu
Detonaciniai varikliai šiandien skirstomi į du pagrindinius tipus: impulsinius ir rotacinius. Pastarieji dar vadinami sukimu. Veikimo principas impulsiniai varikliai panašiai kaip ir impulsinių reaktyvinių variklių. Pagrindinis skirtumas yra detonacinis kuro mišinio degimas degimo kameroje.
Rotaciniuose detonaciniuose varikliuose naudojama žiedinė degimo kamera, kurioje kuro mišinys tiekiamas nuosekliai per radialinius vožtuvus. Tokiose elektrinėse detonacija neišnyksta - detonacijos banga „apeina“ žiedinę degimo kamerą, už jos esantis kuro mišinys turi laiko atsinaujinti. Rotorinis variklis pirmą kartą buvo ištirtas SSRS šeštajame dešimtmetyje.
Detonaciniai varikliai gali veikti įvairiais skrydžio greičiais – nuo nulio iki penkių Macho skaičių (0-6,2 tūkst. kilometrų per valandą). Manoma, kad tokios elektrinės gali gaminti daugiau galios, sunaudojantys mažiau degalų nei įprasti reaktyviniai varikliai. Tuo pačiu metu detonacinių variklių konstrukcija yra gana paprasta: jiems trūksta kompresoriaus ir daug judančių dalių.
Visi iki šiol išbandyti detonaciniai varikliai buvo sukurti eksperimentiniams lėktuvams. Išbandyta Rusijoje maitinimo taškas yra pirmasis, skirtas montuoti ant raketos. Kokio tipo detonacinis variklis buvo išbandytas, nenurodoma.
Leidinys „Karinis-pramoninis kurjeris“ skelbia puikias naujienas iš proveržio raketų technologijų srities. Rusijoje buvo išbandytas detonacinės raketos variklis, penktadienį savo socialiniame tinkle „Facebook“ paskelbė ministro pirmininko pavaduotojas Dmitrijus Rogozinas.
„Vadinamieji detonaciniai raketų varikliai, sukurti pagal Pažangiųjų tyrimų fondo programą, buvo sėkmingai išbandyti“, – „Interfax-AVN“ cituoja ministro pirmininko pavaduotoją.
Manoma, kad detonacinis raketinis variklis yra vienas iš būdų įgyvendinti vadinamojo variklio hipergarso koncepciją, tai yra sukurti hipergarsinį garsą. lėktuvas galintis nuosavas variklis pasiekti 4–6 machų greitį (Mach – garso greitis).
Portalas russia-reborn.ru pateikia interviu su vienu iš pirmaujančių specializuotų variklių inžinierių Rusijoje apie detonacinius raketų variklius.
Pokalbis su Petru Levochkinu, NPO Energomash im. vyriausiuoju dizaineriu. Akademikas V.P. Gluško.
Kuriami ateities hipergarsinių raketų varikliai
Buvo atlikti sėkmingi vadinamųjų detonacinių raketų variklių bandymai, kurie davė labai įdomių rezultatų. Plėtros darbai šia kryptimi bus tęsiami.
Detonacija yra sprogimas. Ar galima tai padaryti valdomu? Ar įmanoma tokių variklių pagrindu sukurti hipergarsinius ginklus? Kokie raketų varikliai iškels negyvenamas ir pilotuojamas transporto priemones į artimą kosmosą? Tai mūsų pokalbis su NPO „Energomash im“ generalinio direktoriaus pavaduotoju – vyriausiuoju dizaineriu. Akademikas V.P. Gluško“ Petras Levočkinas.
Petras Sergejevičius, kokias galimybes atveria nauji varikliai?
Petras Levochkinas: Jei kalbėtume apie trumpalaikę perspektyvą, šiandien mes dirbame su varikliais tokioms raketoms kaip Angara A5V ir Soyuz-5, taip pat kitoms, kurios yra dar projektavimo stadijoje ir plačiajai visuomenei nežinomos. Apskritai mūsų varikliai yra skirti pakelti raketą nuo dangaus kūno paviršiaus. Ir tai gali būti bet koks – antžeminis, mėnulis, marsietis. Taigi, jei bus įgyvendintos Mėnulio ar Marso programos, tikrai jose dalyvausime.
Koks yra šiuolaikinių raketų variklių efektyvumas ir ar yra būdų juos pagerinti?
Petras Levočkinas: Jei kalbėtume apie energiją ir termodinaminiai parametrai variklių, galima sakyti, kad mūsų, kaip ir geriausi užsienio cheminių raketų varikliai šiandien, pasiekė tam tikrą tobulumą. Pavyzdžiui, kuro degimo užbaigtumas siekia 98,5 proc. Tai yra, beveik visa cheminė kuro energija variklyje paverčiama iš purkštuko išeinančios dujų srovės šilumine energija.
Variklius galima patobulinti įvairiais būdais. Tai apima daug energijos sunaudojančių kuro komponentų naudojimą, naujų kontūrų konstrukcijų įdiegimą ir slėgio padidėjimą degimo kameroje. Kita kryptis – naujų, tame tarpe ir priedų, technologijų naudojimas siekiant sumažinti darbo intensyvumą ir dėl to sumažinti raketinio variklio kainą. Visa tai lemia produkcijos naudingosios apkrovos sąnaudų sumažėjimą.
Tačiau atidžiau panagrinėjus tampa aišku, kad variklių energetinių charakteristikų didinimas tradiciniu būdu yra neefektyvus.
Naudojant kontroliuojamą raketinio kuro sprogimą, raketos greitis būtų aštuonis kartus didesnis už garso greitį
Kodėl?
Petras Levochkinas: Didėjant slėgiui ir degalų sąnaudoms degimo kameroje, natūraliai padidės variklio trauka. Tačiau tam reikės padidinti kameros ir siurblių sienelių storį. Dėl to didėja konstrukcijos sudėtingumas ir masė, o energijos prieaugis pasirodo ne toks didelis. Žaidimas nekainuos žvakės.
Tai reiškia, kad raketų varikliai išnaudojo savo plėtros išteklius?
Petras Levočkinas: Tikrai ne. Kalbėdamas technine kalba, juos galima patobulinti didinant vidaus motorinių procesų efektyvumą. Yra termodinaminio cheminės energijos pavertimo ištekančios srovės energija ciklai, kurie yra daug efektyvesni nei klasikinis raketų kuro deginimas. Tai yra detonacijos degimo ciklas ir jam artimas Hamfrio ciklas.
Pačią kuro detonacijos poveikį atrado mūsų tautietis – vėliau akademikas Jakovas Borisovičius Zeldovičius dar 1940 m. Šio efekto realizavimas praktiškai žadėjo labai dideles perspektyvas raketų moksle. Nenuostabu, kad vokiečiai tais pačiais metais aktyviai tyrinėjo degimo detonacijos procesą. Bet ne visai toliau sėkmingų eksperimentų jie nepadarė jokios pažangos.
Teoriniai skaičiavimai parodė, kad detonacinis degimas yra 25 procentais efektyvesnis už izobarinį ciklą, atitinkantį kuro deginimą esant pastoviam slėgiui, kuris įgyvendinamas šiuolaikinių skysto kuro variklių kamerose.
O kas suteikia detonacinio degimo pranašumų, palyginti su klasikiniu?
Petras Levochkinas: Klasikinis degimo procesas yra ikigarsinis. Detonacija – viršgarsinis. Reakcijos greitis mažame tūryje sukelia didžiulį šilumos išsiskyrimą - jis kelis tūkstančius kartų didesnis nei ikigarsinio degimo metu, įgyvendintame klasikiniuose raketiniuose varikliuose, kurių degimo kuro masė yra tokia pati. O mums, variklių inžinieriams, tai reiškia, kad su daug mažesniu detonaciniu varikliu ir nedidele degalų mase galima išgauti tokią pat trauką, kaip ir šiuolaikiniuose didžiuliuose skystųjų raketų varikliuose.
Ne paslaptis, kad detonacinio kuro degimo varikliai kuriami ir užsienyje. Kokios mūsų pozicijos? Pasiduodame, einame į jų lygį ar pirmaujame?
Petras Levočkinas: Mes nesame prastesni, tai tikrai. Tačiau negaliu sakyti, kad mes pirmaujame. Tema gana uždara. Viena pagrindinių technologinių paslapčių – kaip užtikrinti, kad raketinio variklio kuras ir oksidatorius ne degtų, o sprogtų, nesuardydami degimo kameros. Tai iš tikrųjų yra tam, kad tikras sprogimas būtų valdomas ir valdomas. Nuoroda: detonacija yra kuro degimas viršgarsinės smūgio bangos priekyje. Yra impulsinė detonacija, kai smūginė banga juda išilgai kameros ašies ir viena pakeičia kitą, taip pat nuolatinė (sukimosi) detonacija, kai smūgio bangos kameroje juda ratu.
Mūsų žiniomis, dalyvaujant Jūsų specialistams, buvo atlikti eksperimentiniai degimo detonaciniu būdu tyrimai. Kokie rezultatai buvo gauti?
Petras Levočkinas: Buvo atliktas darbas kuriant skystos detonacijos raketos variklio modelio kamerą. Pagal pažangių studijų fondo globa, didelis bendradarbiavimas pirmaujančių mokslo centrai Rusija. Tarp jų – Hidrodinamikos institutas. M.A. Lavrentjevas, MAI, „Keldysh centras“, Centrinis aviacijos variklių institutas, pavadintas A.I. P.I. Baranovas, Maskvos valstybinio universiteto Mechanikos ir matematikos fakultetas. Pasiūlėme kaip kurą naudoti žibalą, o kaip oksidatorių – dujinį deguonį. Teorinių ir eksperimentinių tyrimų metu buvo patvirtinta galimybė sukurti detonacinį raketos variklį, pagrįstą tokiais komponentais. Remdamiesi gautais duomenimis, sukūrėme, pagaminome ir sėkmingai išbandėme modelio detonavimo kamerą, kurios trauka yra 2 tonos ir slėgis degimo kameroje apie 40 atm.
Ši užduotis pirmą kartą buvo išspręsta ne tik Rusijoje, bet ir pasaulyje. Taigi, žinoma, buvo problemų. Pirma, jie yra susiję su stabiliu deguonies detonavimu žibalu ir, antra, su patikimu kameros priešgaisrinės sienos aušinimo užtikrinimu be užuolaidų aušinimo ir daugybės kitų problemų, kurių esmė yra aiški tik specialistams.
Realiai vietoj nuolatinės priekinės liepsnos degimo zonoje susidaro detonacijos banga, besiveržianti viršgarsiniu greičiu. Tokioje suspaudimo bangoje detonuojami degalai ir oksidatorius, šis procesas termodinamikos požiūriu padidina variklio efektyvumą dydžiu, dėl degimo zonos kompaktiškumo.
Įdomu tai, kad dar 1940 metais sovietų fizikas Ya.B. Detonacinio variklio idėją Zeldovičius pasiūlė straipsnyje „Dėl detonacinio degimo energijos panaudojimo“. Nuo to laiko daug mokslininkų iš įvairių šalių kūrė daug žadančią idėją – išsakė arba JAV, vėliau Vokietija, arba mūsų tautiečiai.
Vasarą, 2016 metų rugpjūtį, Rusijos mokslininkams pavyko sukurti pirmąjį pasaulyje pilno dydžio skystojo kuro reaktyvinį variklį, veikiantį detonacinio kuro degimo principu. Mūsų šalis pagaliau nustatė pasaulinį prioritetą kuriant naujausias technologijas daugelį metų po perestroikos.
Kodėl naujasis variklis toks geras? Reaktyvinis variklis naudoja energiją, išsiskiriančią deginant mišinį esant pastoviam slėgiui ir pastoviam liepsnos frontui. Degimo metu kuro ir oksidatoriaus dujų mišinys smarkiai padidina temperatūrą, o liepsnos stulpelis, išeinantis iš purkštuko, sukuria srovės trauką.
Detonacinio degimo metu reakcijos produktai nespėja subyrėti, nes šis procesas yra 100 kartų greitesnis už deflagraciją ir slėgis sparčiai didėja, o tūris išlieka nepakitęs. Išsiskyręs toks didelis energijos kiekis iš tikrųjų gali sunaikinti automobilio variklį, todėl toks procesas dažnai siejamas su sprogimu.
Realiai vietoj nuolatinės priekinės liepsnos degimo zonoje susidaro detonacijos banga, besiveržianti viršgarsiniu greičiu. Tokioje suspaudimo bangoje detonuojami degalai ir oksidatorius, šis procesas termodinamikos požiūriu padidina variklio efektyvumą dydžiu, dėl degimo zonos kompaktiškumo. Todėl ekspertai taip uoliai pradėjo plėtoti šią idėją.
Įprastame LRE, kuris iš tikrųjų yra didelis degiklis, pagrindinis dalykas yra ne degimo kamera ir antgalis, o kuro turbo siurblio blokas (FPU), kuris sukuria tokį slėgį, kad kuras prasiskverbia į kamerą. Pavyzdžiui, rusiškame raketiniame variklyje RD-170, skirtame nešančiosioms raketoms „Energia“, slėgis degimo kameroje yra 250 atm, o siurblys, tiekiantis oksidatorių į degimo zoną, turi sukurti 600 atm slėgį.
Detonaciniame variklyje slėgį sukuria pati detonacija, kuri yra slenkanti suspaudimo banga kuro mišinyje, kurioje slėgis be jokios TNA jau yra 20 kartų didesnis, o turbosiurblių agregatai yra pertekliniai. Kad būtų aišku, „American Shuttle“ slėgis degimo kameroje yra 200 atm, o detonaciniam varikliui tokiomis sąlygomis mišiniui tiekti tereikia 10 atm – tai tarsi dviračio siurblys ir Sayano-Shushenskaya hidroelektrinė.
Šiuo atveju detonacinis variklis yra ne tik paprastesnis ir pigesnis, bet ir daug galingesnis bei ekonomiškesnis nei įprastas raketinis variklis.
Vykstant detonacinio variklio projekto įgyvendinimui iškilo bendraturčio su detonacijos banga problema. Šis reiškinys yra ne tik sprogimo banga, turinti garso greitį, bet ir detonacijos banga, sklindanti 2500 m/s greičiu, joje nėra liepsnos fronto stabilizavimo, kiekvienam pulsavimui mišinys atnaujinamas ir banga vėl prasideda.
Anksčiau rusų ir prancūzų inžinieriai kurdavo ir statydavo pulsuojančius reaktyvinius variklius, bet ne detonacijos principu, o įprastos degimo pulsacijos pagrindu. Tokių PUVRD charakteristikos buvo žemos, o kai variklių gamintojai sukūrė siurblius, turbinas ir kompresorius, atėjo reaktyvinių variklių ir LRE amžius, o pulsuojantys liko progreso nuošalyje. Šviesios mokslo galvos bandė detonacinį degimą derinti su PUVRD, tačiau įprasto degimo fronto pulsacijų dažnis yra ne didesnis kaip 250 per sekundę, o detonacinio fronto greitis siekia iki 2500 m/s ir jo pulsavimo dažnis. siekia kelis tūkstančius per sekundę. Atrodė, kad praktiškai neįmanoma pritaikyti tokio mišinio atsinaujinimo greičio ir tuo pačiu inicijuoti detonaciją.
JAV tokį detonacija pulsuojantį variklį buvo galima sukonstruoti ir išbandyti ore, tiesa, jis veikė vos 10 sekundžių, tačiau pirmenybė liko amerikiečių konstruktoriams. Tačiau jau praėjusio amžiaus 60-aisiais sovietų mokslininkas B.V. Voitsekhovskis ir beveik tuo pačiu metu amerikietis iš Mičigano universiteto J. Nicholsas sugalvojo degimo kameroje sukurti detonacijos bangą.
Kaip veikia detonacinės raketos variklis
Toks sukamasis variklis susideda iš žiedinės degimo kameros su antgaliais, išdėstytais išilgai jo spindulio, kad paduotų kurą. Detonacijos banga bėga kaip voverė ratu aplink perimetrą, kuro mišinys suspaudžiamas ir išdega, degimo produktus išstumiant pro antgalį. Sukimo variklyje gauname kelių tūkstančių per sekundę bangų sukimosi dažnį, jo veikimas panašus į darbo procesą raketiniame variklyje, tik efektyviau, dėl kuro mišinio detonavimo.
SSRS ir JAV, o vėliau ir Rusijoje dirbama kuriant sukamąjį detonacinį variklį su ištisine banga, kad suprastų viduje vykstančius procesus, o tam buvo sukurtas visas mokslas – fizikinė ir cheminė kinetika. Neslopintos bangos sąlygoms apskaičiuoti prireikė galingų kompiuterių, kurie buvo sukurti visai neseniai.
Rusijoje prie tokio sukimo variklio projekto dirba daug mokslinių tyrimų institutų ir projektavimo biurų, įskaitant kosmoso pramonės NPO „Energomash“ variklių gamybos įmonę. Kuriant tokį variklį į pagalbą atvyko Pažangių tyrimų fondas, nes iš Gynybos ministerijos finansavimo gauti neįmanoma – jiems tereikia garantuoto rezultato.
Nepaisant to, atliekant bandymus Khimki mieste Energomaše, buvo užfiksuota pastovi nuolatinio sukimosi detonacijos būsena - 8 tūkstančiai apsisukimų per sekundę deguonies ir žibalo mišinyje. Tuo pačiu metu detonacinės bangos subalansavo vibracines bangas, o šilumą apsaugančios dangos atlaikė aukštą temperatūrą.
Tačiau nelepinkite savęs, nes tai tik demonstracinis variklis, kuris veikė labai trumpai ir dar nieko nepasakyta apie jo charakteristikas. Tačiau svarbiausia yra tai, kad buvo įrodyta galimybė sukurti detonacinį degimą ir Rusijoje buvo sukurtas pilno dydžio sukimosi variklis, kuris amžinai išliks mokslo istorijoje.
Vaizdo įrašas: „Energomash“ pirmasis pasaulyje išbandė detonacinį skysto kuro raketinį variklį
