Tiek aplūkota rotācijas detonācijas dzinēju izstrādes problēma. Tiek prezentēti galvenie šādu dzinēju veidi: Nichols rotācijas detonācijas dzinējs, Wojciechowski dzinējs. Apskatīti galvenie virzieni un tendences detonācijas dzinēju dizaina attīstībā. Ir pierādīts, ka mūsdienu koncepcijas par rotācijas detonācijas dzinēju principā nevar radīt praktiski izmantojamu konstrukciju, kas pēc tā īpašībām pārspēj esošos reaktīvos dzinējus. Iemesls ir dizaineru vēlme apvienot viļņu ģenerēšanu, degvielas sadedzināšanu un degvielas un oksidētāja izmešanu vienā mehānismā. Triecienviļņu konstrukciju pašorganizācijas rezultātā detonācijas sadegšana tiek veikta minimālā, nevis maksimālajā apjomā. Šodien faktiski sasniegtais rezultāts ir detonācijas sadegšana tilpumā, kas nepārsniedz 15% no sadegšanas kameras tilpuma. Izeja tiek saskatīta citā pieejā - vispirms tiek radīta optimāla triecienviļņu konfigurācija, un tikai tad šajā sistēmā tiek ievadītas degvielas sastāvdaļas un tiek organizēta optimāla detonācijas sadegšana lielā apjomā.
detonācijas dzinējs
rotācijas detonācijas dzinējs
Vojcehovska dzinējs
apļveida detonācija
spin detonācija
impulsa detonācijas dzinējs
1. B. V. Voitsekhovskis, V. V. Mitrofanovs un M. E. Topčijans, Detonācijas frontes uzbūve gāzēs. - Novosibirska: PSRS Zinātņu akadēmijas izdevniecība, 1963.
2. Uskovs V.N., Bulats P.V. Par ideāla difuzora projektēšanas problēmu virsskaņas plūsmas saspiešanai // Pamatpētījums. - 2012. - Nr.6 (1.daļa). - S. 178-184.
3. Uskovs V.N., Bulats P.V., Prodans N.V. Trieciena viļņa neregulāras atstarošanas no virsskaņas strūklas simetrijas ass izpētes vēsture, veidojot Maha disku // Fundamentālie pētījumi. - 2012. - Nr.9 (2.daļa). - S. 414-420.
4. Uskovs V.N., Bulats P.V., Prodans N.V. Stacionārā Maha konfigurācijas modeļa pielietojuma pamatojums Maha diska aprēķināšanai virsskaņas strūklā // Fundamentālie pētījumi. - 2012. - Nr.11 (1.daļa). – S. 168–175.
5. Ščelkins K.I. Degšanas un gāzu detonācijas nestabilitāte // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965. - T. 87, Nr. 2.– S. 273–302.
6. Nikolss J.A., Vilkmsons H.R., Morisons R.B. Intermitējoša detonācija kā uzticības radīšanas mehānisms // Reaktīvā dzinējspēks. - 1957. - Nr.21. - P. 534-541.
Rotācijas detonācijas dzinēji
Visu veidu rotācijas detonācijas dzinējiem (RDE) kopīgs tas, ka detonācijas vilnī degvielas padeves sistēma tiek apvienota ar degvielas sadegšanas sistēmu, bet pēc tam viss darbojas kā parastajā reaktīvā dzinējā - liesmas caurule un sprausla. Tas bija tas, kas aizsāka šādu aktivitāti modernizācijas jomā gāzes turbīnu dzinēji(GTE). Šķiet pievilcīgi gāzturbīnas dzinējā nomainīt tikai maisīšanas galviņu un maisījuma aizdedzes sistēmu. Lai to izdarītu, ir jānodrošina detonācijas degšanas nepārtrauktība, piemēram, palaižot detonācijas vilni aplī. Nikolss bija viens no pirmajiem, kas ierosināja šādu shēmu 1957. gadā, un pēc tam to izstrādāja un 60. gadu vidū veica virkni eksperimentu ar rotējošu detonācijas vilni (1. att.).
Pielāgojot kameras diametru un gredzenveida spraugas biezumu, katram degmaisījuma veidam iespējams izvēlēties tādu ģeometriju, lai detonācija būtu stabila. Praksē attiecības starp spraugu un dzinēja diametru izrādās nepieņemamas, un ir nepieciešams kontrolēt viļņu izplatīšanās ātrumu, kontrolējot degvielas padevi, kā aprakstīts tālāk.
Tāpat kā ar impulsa detonācijas dzinējiem, apļveida detonācijas vilnis spēj izmest oksidētāju, ļaujot izmantot RDE ar nulles ātrumu. Šis fakts izraisīja virkni RDE eksperimentālu un skaitļošanas pētījumu ar gredzenveida sadegšanas kameru un spontānu izmešanu. degvielas-gaisa maisījums, šeit uzskaitīt, kam nav nekādas jēgas. Tie visi ir uzbūvēti aptuveni pēc vienas shēmas (2. att.), kas atgādina Nikolsa dzinēja shēmu (1. att.).
Rīsi. 1. Nepārtrauktas riņķveida detonācijas organizēšanas shēma gredzenveida spraugā: 1 - detonācijas vilnis; 2 - "svaiga" degvielas maisījuma slānis; 3 - kontaktu sprauga; 4 - slīps triecienvilnis, kas izplatās lejup pa straumi; D ir detonācijas viļņa virziens
Rīsi. 2. Tipiska ķēde RDE: V - brīvās plūsmas ātrums; V4 - plūsmas ātrums sprauslas izejā; a - svaigas degvielas komplekti, b - detonācijas viļņu fronte; c - piestiprināts slīps triecienvilnis; d - sadegšanas produkti; p(r) - spiediena sadalījums uz kanāla sienas
Saprātīga alternatīva Nikolsa shēmai varētu būt daudzu degvielas oksidācijas inžektoru uzstādīšana, kas saskaņā ar noteiktu likumu ar noteiktu spiedienu iepludinātu degvielas-gaisa maisījumu zonā tieši pirms detonācijas viļņa (3. att.). Regulējot spiedienu un degvielas padeves ātrumu degšanas apgabalā aiz detonācijas viļņa, ir iespējams ietekmēt tā izplatīšanās ātrumu augšup pa straumi. Šis virziens ir daudzsološs, taču galvenā problēma šādu RDE projektēšanā ir tā, ka plaši izmantotais vienkāršotais plūsmas modelis detonācijas sadegšanas frontē nemaz neatbilst realitātei.
Rīsi. 3. RDE ar kontrolētu degvielas padevi degšanas zonā. Wojciechowski rotācijas dzinējs
Galvenās cerības pasaulē ir saistītas ar detonācijas dzinējiem, kas darbojas pēc Vojcehovska rotācijas dzinēja shēmas. 1963. gadā B.V. Voitsekhovskis pēc analoģijas ar spindetonāciju izstrādāja shēmu nepārtrauktai gāzes sadegšanai aiz trīskāršas triecienviļņu konfigurācijas, kas cirkulē gredzenveida kanālā (4. att.).
Rīsi. 4. att. Vojcehovska gāzes nepārtrauktas sadegšanas shēma aiz trīskāršas triecienviļņu konfigurācijas, kas cirkulē gredzenveida kanālā: 1 - svaigs maisījums; 2 - divreiz saspiests maisījums aiz trīskāršas triecienviļņu konfigurācijas, detonācijas zona
IN Šis gadījums stacionārais hidrodinamiskais process ar gāzes sadegšanu aiz triecienviļņa atšķiras no Čepmena-Džogū un Zeldoviča-Neimaņa detonācijas shēmas. Šāds process ir diezgan stabils, tā ilgumu nosaka degvielas maisījuma rezerves un, labi zināmos eksperimentos, ir vairāki desmiti sekunžu.
Vojcehovska detonācijas dzinēja shēma kalpoja kā prototips daudzi pētījumĭ rotācijas un spin detonācijas dzinējĭ uzsākta pēdējo 5 gadu laikā. Šī shēma veido vairāk nekā 85% no visiem pētījumiem. Visiem tiem ir viens organisks trūkums - detonācijas zona aizņem pārāk maz no kopējās degšanas zonas, parasti ne vairāk kā 15%. Rezultātā dzinēju specifiskā veiktspēja ir sliktāka nekā tradicionālās konstrukcijas dzinējiem.
Par neveiksmju cēloņiem Vojcehovska shēmas ieviešanā
Lielākā daļa darbu pie dzinējiem ar nepārtrauktu detonāciju ir saistīti ar Vojcehovska koncepcijas izstrādi. Neskatoties uz vairāk nekā 40 gadu ilgo pētījumu vēsturi, rezultāti faktiski palika 1964. gada līmenī. Detonācijas sadegšanas daļa nepārsniedz 15% no sadegšanas kameras tilpuma. Pārējais ir lēna sadegšana apstākļos, kas ir tālu no optimālajiem.
Viens no šādas situācijas iemesliem ir efektīvas aprēķinu metodikas trūkums. Tā kā plūsma ir trīsdimensiju un aprēķinos tiek ņemti vērā tikai impulsa saglabāšanas likumi triecienviļņam virzienā, kas ir perpendikulārs modeļa detonācijas frontei, triecienviļņu slīpuma aprēķināšanas rezultāti pret sadegšanas produktu plūsmu. atšķiras no eksperimentāli novērotajiem par vairāk nekā 30%. Rezultāts ir tāds, ka, neskatoties uz daudzu gadu pētījumiem dažādas sistēmas degvielas padeve un eksperimenti par degvielas komponentu attiecību maiņu, ir izveidoti tikai modeļi, kuros notiek detonācijas degšana un tiek uzturēta 10-15 s. Nav runas par efektivitātes palielināšanu vai priekšrocībām salīdzinājumā ar esošajiem šķidrās degvielas un gāzes turbīnu dzinējiem.
Projekta autoru veiktā pieejamo RDE shēmu analīze parādīja, ka visas šodien piedāvātās RDE shēmas principā nedarbojas. Detonācijas sadegšana notiek un tiek veiksmīgi uzturēta, taču tikai ierobežotā apjomā. Pārējā sējumā ir darīšana ar ierasto lēno degšanu, turklāt aiz neoptimālas triecienviļņu sistēmas, kas rada ievērojamus zaudējumus pilns spiediens. Turklāt spiediens ir arī vairākas reizes zemāks nekā nepieciešams ideāliem sadegšanas apstākļiem ar degvielas maisījuma komponentu stehiometrisko attiecību. Rezultātā specifiskais patēriņš degviela uz vilces vienību ir par 30-40% lielāka nekā parastajiem dzinējiem.
Bet lielākā daļa galvenā problēma ir pats organizācijas princips nepārtraukta detonācija. Kā liecina pētījumi par nepārtrauktu apļveida detonāciju, kas veikti tālajā 60. gados, detonācijas sadegšanas fronte ir sarežģīta triecienviļņu struktūra, kas sastāv no vismaz divām trīskāršām konfigurācijām (apmēram trīskāršās triecienviļņu konfigurācijas. Šāda struktūra ar pievienotu detonācijas zonu, tāpat kā jebkura termodinamiskā sistēma ar atsauksmes, atstāts viens, mēdz ieņemt minimālajam enerģijas līmenim atbilstošu pozīciju. Rezultātā trīskāršās konfigurācijas un detonācijas sadegšanas laukums tiek pielāgoti viens otram tā, lai detonācijas fronte pārvietotos pa gredzenveida spraugu ar minimālu iespējamo detonācijas sadegšanas tilpumu. Tas ir tieši pretējs mērķim, ko dzinēju dizaineri izvirzīja detonācijas sadedzināšanai.
Par radīšanu efektīvs dzinējs RDE ir jāatrisina problēma, kā izveidot optimālu trīskāršu triecienviļņu konfigurāciju un organizēt tajā detonācijas degšanas zonu. Optimālas triecienviļņu struktūras jāspēj izveidot dažādos veidos tehniskās ierīces, piemēram, optimālos virsskaņas gaisa ieplūdes difuzoros. Galvenais uzdevums ir maksimāli iespējamais detonācijas degšanas daļas palielinājums sadegšanas kameras tilpumā no šodien nepieņemamajiem 15% līdz vismaz 85%. Esošās dzinēju konstrukcijas, kuru pamatā ir Nikolsa un Vojcehovska shēmas, nevar nodrošināt šo uzdevumu.
Recenzenti:Uskovs V.N., tehnisko zinātņu doktors, Sanktpēterburgas Valsts universitātes Matemātikas un mehānikas fakultātes Hidroaeromehānikas katedras profesors, Sanktpēterburga;
Emeļjanovs V.N., tehnisko zinātņu doktors, profesors, A.I. vārdā nosauktā BSTU "VOENMEH" Plazmas gāzu dinamikas un siltumtehnikas katedras vadītājs. D.F. Ustinovs, Sanktpēterburga.
Darbs redakcijā saņemts 2013. gada 14. oktobrī.
Bibliogrāfiskā saite
Bulats P.V., Prodans N.V. DETONĒJOŠO DZINĒJU PROJEKTU APSKATS. ROTĀJI DETONĒJI DZINĒJI // Fundamentālie pētījumi. - 2013. - Nr.10-8. - S. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (piekļuves datums: 14.03.2019.). Jūsu uzmanībai piedāvājam izdevniecības "Dabas vēstures akadēmija" izdotos žurnālus
Detonācijas dzinēji nomainīs gāzturbīnu serdi / Foto: finobzor.ru
Patiesībā degšanas zonā pastāvīgas frontālās liesmas vietā veidojas detonācijas vilnis, kas steidzas virsskaņas ātrumā. Šādā kompresijas vilnī tiek detonēta degviela un oksidētājs, šis process no termodinamikas viedokļa palielinās Dzinēja efektivitāte par lielumu sadegšanas zonas kompaktuma dēļ.
Interesanti, ka tālajā 1940. gadā padomju fiziķis Ya.B. Zeldovičs ierosināja ideju par detonācijas dzinēju rakstā "Par enerģijas izmantošanu detonācijas sadegšana". Kopš tā laika daudzi zinātnieki no dažādas valstis, tad ASV, tad Vācija, tad nāca priekšā mūsu tautieši.
Vasarā, 2016. gada augustā, Krievijas zinātniekiem izdevās izveidot pasaulē pirmo pilna izmēra šķidrās degvielas reaktīvo dzinēju, kas darbojas pēc degvielas detonācijas sadegšanas principa. Mūsu valsts beidzot ir izvirzījusi pasaules prioritāti jaunāko tehnoloģiju attīstībā daudzus pēcperestroikas gadus.
Kāpēc tas ir tik labi jauns dzinējs? Reaktīvais dzinējs izmanto enerģiju, kas izdalās, sadedzinot maisījumu pastāvīgā spiedienā un nemainīgā liesmas frontē. Degšanas laikā degvielas un oksidētāja gāzes maisījums krasi paaugstina temperatūru un liesmas kolonna, kas izplūst no sprauslas, rada strūklas vilci.
detonācijas dzinējs/ Foto: sdelanounas.ru
Detonācijas sadegšanas laikā reakcijas produktiem nav laika sabrukt, jo šis process ir 100 reižu ātrāks par deflagrāciju un spiediens strauji pieaug, bet tilpums paliek nemainīgs. Tādu piešķiršana liels skaits enerģija faktiski var iznīcināt automašīnas dzinēju, tāpēc šāds process bieži tiek saistīts ar sprādzienu.
Patiesībā degšanas zonā pastāvīgas frontālās liesmas vietā veidojas detonācijas vilnis, kas steidzas virsskaņas ātrumā. Šādā kompresijas vilnī tiek detonēta degviela un oksidētājs, šis process no termodinamikas viedokļa paaugstina dzinēja efektivitāti par lielumu, pateicoties degšanas zonas kompaktumam. Tāpēc eksperti tik dedzīgi ķērās pie šīs idejas attīstīšanas.Parastā raķešu dzinējā, kas būtībā ir liels deglis, galvenais ir nevis sadegšanas kamera un sprausla, bet gan degvielas turbo sūkņa agregāts (TNA), kas rada tādu spiedienu, ka degviela. iekļūst kamerā. Piemēram, Krievijas RD-170 raķešu dzinējā, kas paredzēts Energia nesējraķetēm, spiediens sadegšanas kamerā ir 250 atm un sūknim, kas piegādā oksidētāju uz degšanas zonu, ir jārada 600 atm spiediens.
Detonācijas dzinējā spiedienu rada pati detonācija, kas ir plūstošs kompresijas vilnis degvielas maisījumā, kurā spiediens bez TNA jau ir 20 reizes lielāks un turbo sūkņa agregāti ir lieki. Lai būtu skaidrs, American Shuttle spiediens sadegšanas kamerā ir 200 atm, un detonācijas dzinējam šādos apstākļos ir nepieciešami tikai 10 atm maisījuma padevei - tas ir kā velosipēda sūknis un Sayano-Shushenskaya hidroelektrostacija.
Šajā gadījumā uz detonāciju balstīts dzinējs ir ne tikai vienkāršāks un par kārtu lētāks, bet arī daudz jaudīgāks un ekonomiskāks nekā parasts raķešu dzinējs.Problēma par līdzvadību ar detonācijas vilni radās ceļā uz detonācijas viļņa ieviešanu. detonācijas dzinēja projekts. Šī parādība nav tikai sprādziena vilnis, kuram ir skaņas ātrums, bet gan detonācijas vilnis, kas izplatās ar ātrumu 2500 m/s, tajā nenotiek liesmas frontes stabilizācija, katrai pulsācijai maisījums tiek atjaunināts un vilnis sākas no jauna.
Iepriekš krievu un franču inženieri izstrādāja un būvēja pulsējošus reaktīvos dzinējus, taču ne pēc detonācijas principa, bet gan uz parastās degšanas pulsācijas. Šādu PUVRD raksturlielumi bija zemi, un, kad dzinēju ražotāji izstrādāja sūkņus, turbīnas un kompresorus, pienāca vecums. reaktīvie dzinēji un LRE, un pulsējoša palika progresa malā. Zinātnes gaišās galvas mēģināja apvienot detonācijas sadegšanu ar PUVRD, taču parastās sadegšanas frontes pulsāciju biežums nav lielāks par 250 sekundē, bet detonācijas frontes ātrums ir līdz 2500 m/s un tās pulsācijas frekvence. sasniedz vairākus tūkstošus sekundē. Šķita, ka nav iespējams ieviest praksē šādu maisījuma atjaunošanas ātrumu un vienlaikus uzsākt detonāciju.
ASV bija iespēja uzbūvēt šādu detonācijas pulsējošu dzinēju un izmēģināt to gaisā, tomēr tas nostrādāja tikai 10 sekundes, bet prioritāte palika amerikāņu konstruktoriem. Bet jau pagājušā gadsimta 60. gados padomju zinātnieks B.V. Voitsekhovskis un gandrīz vienlaikus amerikānis no Mičiganas universitātes J. Nikolss nāca klajā ar ideju sadegšanas kamerā izveidot detonācijas vilni.
Attēls: sdelanounas.ru
Kā darbojas detonācijas raķešu dzinējs
Tādas rotācijas dzinējs sastāvēja no gredzenveida sadegšanas kameras ar sprauslām, kas novietotas gar tās rādiusu degvielas padevei. Detonācijas vilnis skrien apkārt kā vāvere ritenī, degvielas maisījums saraujas un izdeg, izspiežot degšanas produktus caur sprauslu. Spin dzinējā mēs iegūstam viļņu griešanās frekvenci vairākus tūkstošus sekundē, tā darbība ir līdzīga darba procesam raķešu dzinējā, tikai efektīvāk, pateicoties degmaisījuma detonācijai.
PSRS un ASV, vēlāk arī Krievijā notiek darbs pie rotācijas detonācijas dzinēja izveides ar nepārtrauktu vilni, lai izprastu iekšienē notiekošos procesus, kam tika izveidota vesela fizikālās un ķīmiskās kinētikas zinātne. Lai aprēķinātu neslāpēta viļņa apstākļus, bija nepieciešami jaudīgi datori, kas tika izveidoti tikai nesen.
Krievijā pie šāda spin dzinēja projekta strādā daudzi pētniecības institūti un projektēšanas biroji, tostarp kosmosa nozares dzinēju būves uzņēmums. Šāda dzinēja izstrādē palīgā nāca Padziļinātās pētniecības fonds, jo Aizsardzības ministrijas finansējumu nav iespējams iegūt – tiem nepieciešams tikai garantēts rezultāts.
Neskatoties uz to, testu laikā Himki pie Energomash tika reģistrēts vienmērīgs nepārtrauktas griešanās detonācijas stāvoklis - 8 tūkstoši apgriezienu sekundē ar skābekļa un petrolejas maisījumu. Tajā pašā laikā detonācijas viļņi līdzsvaroja vibrācijas viļņus, un siltuma aizsargpārklājumi izturēja augstu temperatūru.
Bet neglaimojiet sev, jo šis ir tikai demonstrācijas dzinējs, kas ir strādājis ļoti īsu laiku un par tā īpašībām vēl nekas nav teikts. Bet galvenais ir tas, ka ir pierādīta iespēja radīt detonācijas degšanu un pilnā izmērā spin dzinējs tieši Krievijā uz visiem laikiem paliks zinātnes vēsturē.
MASKAVA, izdevums "Izgatavojuši mēs"
12
Detonācijas dzinēju testi
FPI_RUSSIA / Vimeo
Pētniecības un ražošanas asociācijas "Energomash" specializētā laboratorija "Detonation LRE" testēja pasaulē pirmos pilna izmēra detonācijas šķidrās degvielas tehnoloģiju demonstratorus. raķešu dzinējs. Saskaņā ar TASS datiem jaunās spēkstacijas darbojas ar skābekļa un petrolejas degvielas pāri.
Jaunais dzinējs, atšķirībā no citām spēkstacijām, kas darbojas pēc principa iekšējā degšana, darbojas degvielas detonācijas dēļ. Detonācija ir vielas, šajā gadījumā degvielas maisījuma, virsskaņas sadegšana. Šajā gadījumā pa maisījumu izplatās triecienvilnis, kam seko ķīmiska reakcija ar liela siltuma daudzuma izdalīšanos.
Detonācijas dzinēju darbības principu izpēte un attīstība dažās pasaules valstīs tiek veikta jau vairāk nekā 70 gadus. Pirmais šāds darbs sākās Vācijā pagājušā gadsimta 40. gados. Tiesa, pētniekiem toreiz neizdevās izveidot strādājošu detonācijas dzinēja prototipu, taču tika izstrādāti un masveidā ražoti pulsējoši reaktīvie dzinēji. Tie tika novietoti uz V-1 raķetēm.
Pulsējošos reaktīvos dzinējos degviela sadega zemskaņas ātrumā. Šo sadegšanu sauc par deflagrāciju. Dzinēju sauc par pulsējošu, jo tā sadegšanas kamerā ar regulāriem intervāliem nelielās porcijās tika ievadīta degviela un oksidētājs.
Spiediena karte rotācijas detonācijas dzinēja sadegšanas kamerā. A - detonācijas vilnis; B - triecienviļņa aizmugurējā priekšpuse; C - svaigu un vecu sadegšanas produktu sajaukšanas zona; D - degvielas maisījuma uzpildes laukums; E ir nedetonējošā sadedzinātā kurināmā maisījuma apgabals; F - izplešanās zona ar detonētu sadedzinātu degvielas maisījumu
Detonācijas dzinēji mūsdienās ir sadalīti divos galvenajos veidos: impulsa un rotācijas. Pēdējos sauc arī par spin. Darbības princips impulsu dzinēji līdzīgi kā impulsa reaktīvo dzinēju gadījumā. Galvenā atšķirība ir degvielas maisījuma detonācijas sadegšanā sadegšanas kamerā.
Rotācijas detonācijas dzinējos tiek izmantota gredzenveida sadegšanas kamera, kurā degvielas maisījums tiek padots secīgi caur radiālajiem vārstiem. Šādās spēkstacijās detonācija neizzūd - detonācijas vilnis “skrien apkārt” gredzenveida sadegšanas kamerai, aiz tās esošajam degvielas maisījumam ir laiks atjaunināt. Rotācijas dzinējs pirmo reizi tika pētīts PSRS 50. gados.
Detonācijas dzinēji spēj darboties plašā lidojuma ātrumu diapazonā - no nulles līdz pieciem Maha cipariem (0-6,2 tūkstoši kilometru stundā). Tiek uzskatīts, ka šādas spēkstacijas var ražot vairāk jaudas, patērē mazāk degvielas nekā parastie reaktīvie dzinēji. Tajā pašā laikā detonācijas dzinēju konstrukcija ir salīdzinoši vienkārša: tiem trūkst kompresora un daudzu kustīgu daļu.
Visi līdz šim pārbaudītie detonācijas dzinēji ir izstrādāti eksperimentālām lidmašīnām. Pārbaudīts Krievijā barošanas punkts ir pirmais, kas paredzēts uzstādīšanai uz raķetes. Kāda veida detonācijas dzinējs tika pārbaudīts, nav norādīts.
Izdevums "Militāri rūpnieciskais kurjers" ziņo par lieliskām ziņām no raķešu izrāvienu tehnoloģiju jomas. Krievijā izmēģināts detonācijas raķešu dzinējs, piektdien savā Facebook lapā paziņoja vicepremjers Dmitrijs Rogozins.
"Tā sauktie detonācijas raķešu dzinēji, kas izstrādāti Advanced Research Foundation programmas ietvaros, ir veiksmīgi pārbaudīti," Interfax-AVN citē premjerministra vietnieku.
Tiek uzskatīts, ka detonācijas raķešu dzinējs ir viens no veidiem, kā īstenot tā sauktās motora hiperskaņas koncepciju, tas ir, hiperskaņas radīšanu. lidmašīna spējīgs uz savs dzinējs sasniegt ātrumu 4 - 6 Machs (Mach - skaņas ātrums).
Portāls russia-reborn.ru sniedz interviju ar vienu no vadošajiem specializētajiem dzinēju inženieriem Krievijā par detonācijas raķešu dzinējiem.
Intervija ar Petru Levočkinu, NPO Energomash im. Akadēmiķis V.P. Gluško.
Tiek radīti dzinēji nākotnes hiperskaņas raķetēm
Tika veikti veiksmīgi tā saukto detonācijas raķešu dzinēju testi, kas deva ļoti interesantus rezultātus. Attīstības darbs šajā virzienā tiks turpināts.
Detonācija ir sprādziens. Vai to var padarīt pārvaldāmu? Vai uz šādu dzinēju bāzes ir iespējams izveidot hiperskaņas ieročus? Kādi raķešu dzinēji aizvedīs neapdzīvotus un apkalpotus transportlīdzekļus tuvākajā kosmosā? Šī ir mūsu saruna ar NPO Energomash im ģenerāldirektora vietnieku - galveno dizaineri. Akadēmiķis V.P. Gluško" autors Petrs Levočkins.
Petr Sergejevič, kādas iespējas paver jauni dzinēji?
Petrs Levočkins: Ja runājam par īstermiņa perspektīvu, tad šodien mēs strādājam pie dzinējiem tādām raķetēm kā Angara A5V un Soyuz-5, kā arī citām, kas ir pirmsprojektēšanas stadijā un plašākai sabiedrībai nav zināmas. Kopumā mūsu dzinēji ir paredzēti, lai paceltu raķeti no debess ķermeņa virsmas. Un tas var būt jebkurš - sauszemes, Mēness, Marsa. Tātad, ja tiks īstenotas Mēness vai Marsa programmas, mēs noteikti tajās piedalīsimies.
Kāda ir mūsdienu raķešu dzinēju efektivitāte un vai ir veidi, kā tos uzlabot?
Petrs Levočkins: Ja runājam par enerģiju un termodinamiskie parametri dzinēji, var teikt, ka mūsējie, kā arī šodien labākie ārzemju ķīmiskie raķešu dzinēji ir sasnieguši zināmu pilnību. Piemēram, degvielas sadegšanas pilnība sasniedz 98,5 procentus. Tas ir, gandrīz visa dzinējā esošā degvielas ķīmiskā enerģija tiek pārveidota no sprauslas izplūstošās gāzes strūklas siltumenerģijā.
Dzinējus var uzlabot daudzos veidos. Tas ietver energoietilpīgāku degvielas komponentu izmantošanu, jaunu shēmu ieviešanu un spiediena palielināšanu sadegšanas kamerā. Vēl viens virziens ir jaunu, tostarp piedevu, tehnoloģiju izmantošana, lai samazinātu darbaspēka intensitāti un rezultātā samazinātu raķešu dzinēja izmaksas. Tas viss noved pie izejas lietderīgās slodzes izmaksu samazināšanās.
Tomēr, rūpīgāk izpētot, kļūst skaidrs, ka dzinēju enerģētisko raksturlielumu palielināšana tradicionālā veidā ir neefektīva.
Izmantojot kontrolētu propelenta sprādzienu, raķetei varētu iegūt astoņas reizes lielāku skaņas ātrumu
Kāpēc?
Petrs Levočkins: Palielinot spiedienu un degvielas patēriņu sadegšanas kamerā, dabiski palielināsies dzinēja vilce. Bet tam būs nepieciešams palielināt kameras un sūkņu sienu biezumu. Rezultātā palielinās struktūras sarežģītība un tās masa, un enerģijas ieguvums izrādās ne tik liels. Spēle nemaksās sveci.
Tas ir, raķešu dzinēji ir izsmēluši savas attīstības resursus?
Petrs Ļevočkins: Ne īsti. Runājot tehniskā valoda, tos var uzlabot, palielinot iekšējo motorisko procesu efektivitāti. Pastāv ķīmiskās enerģijas termodinamiskās pārvēršanas cikli izplūstošas strūklas enerģijā, kas ir daudz efektīvāki nekā klasiskā raķešu degvielas sadedzināšana. Šis ir detonācijas sadegšanas cikls un tam tuvs Hamfrija cikls.
Pašu degvielas detonācijas efektu atklāja mūsu tautietis - vēlākais akadēmiķis Jakovs Borisovičs Zeldovičs tālajā 1940. gadā. Šī efekta realizācija praksē solīja ļoti lielas perspektīvas raķešu zinātnē. Nav pārsteidzoši, ka vācieši tajos pašos gados aktīvi pētīja degšanas detonācijas procesu. Bet ne gluži tālāk veiksmīgi eksperimenti viņi nesniedza nekādu progresu.
Teorētiskie aprēķini ir parādījuši, ka detonācijas sadegšana ir par 25 procentiem efektīvāka nekā izobāriskais cikls, kas atbilst degvielas sadegšanai nemainīgā spiedienā, kas tiek realizēts mūsdienu šķidrās degvielas dzinēju kamerās.
Un kas sniedz detonācijas sadedzināšanas priekšrocības salīdzinājumā ar klasisko?
Petrs Levočkins: Klasiskais sadegšanas process ir zemskaņas. Detonācija - virsskaņas. Reakcijas ātrums nelielā tilpumā izraisa milzīgu siltuma izdalīšanos - tas ir vairākus tūkstošus reižu lielāks nekā zemskaņas sadegšanā, ko īsteno klasiskajos raķešu dzinējos ar tādu pašu degošās degvielas masu. Un mums, dzinējspēka inženieriem, tas nozīmē, ka ar daudz mazāka izmēra detonācijas dzinēju un mazu degvielas masu var iegūt tādu pašu vilci kā mūsdienu milzīgajos šķidro raķešu dzinējos.
Nav noslēpums, ka arī ārzemēs tiek izstrādāti dzinēji ar degvielas detonācijas sadedzināšanu. Kādas ir mūsu pozīcijas? Padodamies, ejam viņu līmenī vai esam vadībā?
Petrs Levočkins: Mēs neesam zemāki, tas ir skaidrs. Bet es arī nevaru teikt, ka esam vadībā. Tēma ir diezgan slēgta. Viens no galvenajiem tehnoloģiskajiem noslēpumiem ir, kā nodrošināt, lai raķešu dzinēja degviela un oksidētājs nevis sadeg, bet uzsprāgst, nesagraujot sadegšanas kameru. Tas patiesībā ir, lai īsts sprādziens būtu kontrolējams un vadāms. Uzziņai: detonācija ir degvielas sadegšana virsskaņas triecienviļņa priekšā. Ir impulsa detonācija, kad triecienvilnis pārvietojas pa kameras asi un viens nomaina otru, kā arī nepārtraukta (spin) detonācija, kad triecienviļņi kamerā pārvietojas pa apli.
Cik zināms, ar Jūsu speciālistu piedalīšanos ir veikti eksperimentālie pētījumi par detonācijas degšanu. Kādi rezultāti ir iegūti?
Petrs Levočkins: Tika veikts darbs, lai izveidotu šķidruma detonācijas raķešu dzinēja modeļa kameru. Zem padziļināto studiju fonda patronāža notiek liela vadošo iestāžu sadarbība zinātniskie centri Krievija. Starp tiem ir Hidrodinamikas institūts. M.A. Lavrentjevs, MAI, "Keldysh centrs", Centrālais aviācijas motoru institūts nosaukts A.I. P.I. Baranovs, Maskavas Valsts universitātes Mehānikas un matemātikas fakultāte. Mēs ierosinājām izmantot petroleju kā degvielu un gāzveida skābekli kā oksidētāju. Teorētisko un eksperimentālo pētījumu procesā tika apstiprināta iespēja izveidot detonācijas raķešu dzinēju, pamatojoties uz šādiem komponentiem. Pamatojoties uz iegūtajiem datiem, esam izstrādājuši, izgatavojuši un veiksmīgi izmēģinājuši detonācijas kameras modeli ar vilces spēku 2 tonnas un spiedienu sadegšanas kamerā aptuveni 40 atm.
Šis uzdevums pirmo reizi tika atrisināts ne tikai Krievijā, bet arī pasaulē. Tātad, protams, bija problēmas. Pirmkārt, tie ir saistīti ar stabilas skābekļa detonācijas nodrošināšanu ar petroleju un, otrkārt, ar kameras ugunsdrošības sienas uzticamas dzesēšanas nodrošināšanu bez aizkaru dzesēšanas un daudzām citām problēmām, kuru būtība ir skaidra tikai speciālistiem.
Patiesībā degšanas zonā pastāvīgas frontālās liesmas vietā veidojas detonācijas vilnis, kas steidzas virsskaņas ātrumā. Šādā kompresijas vilnī tiek detonēta degviela un oksidētājs, šis process no termodinamikas viedokļa paaugstina dzinēja efektivitāti par lielumu, pateicoties degšanas zonas kompaktumam.
Interesanti, ka tālajā 1940. gadā padomju fiziķis Ya.B. Zeldovičs ierosināja ideju par detonācijas dzinēju rakstā "Par detonācijas sadedzināšanas enerģijas izmantošanu". Kopš tā laika daudzi zinātnieki no dažādām valstīm ir strādājuši pie daudzsološas idejas, nāca klajā vai nu ASV, tad Vācija, vai arī mūsu tautieši.
Vasarā, 2016. gada augustā, Krievijas zinātniekiem izdevās izveidot pasaulē pirmo pilna izmēra šķidrās degvielas reaktīvo dzinēju, kas darbojas pēc degvielas detonācijas sadegšanas principa. Mūsu valsts beidzot ir izvirzījusi pasaules prioritāti jaunāko tehnoloģiju attīstībā daudzus pēcperestroikas gadus.
Kāpēc jaunais dzinējs ir tik labs? Reaktīvais dzinējs izmanto enerģiju, kas izdalās, sadedzinot maisījumu pastāvīgā spiedienā un nemainīgā liesmas frontē. Degšanas laikā degvielas un oksidētāja gāzes maisījums krasi paaugstina temperatūru un liesmas kolonna, kas izplūst no sprauslas, rada strūklas vilci.
Detonācijas sadegšanas laikā reakcijas produktiem nav laika sabrukt, jo šis process ir 100 reižu ātrāks par deflagrāciju un spiediens strauji pieaug, bet tilpums paliek nemainīgs. Tik liela enerģijas daudzuma izdalīšanās faktiski var iznīcināt automašīnas dzinēju, tāpēc šāds process bieži tiek saistīts ar sprādzienu.
Patiesībā degšanas zonā pastāvīgas frontālās liesmas vietā veidojas detonācijas vilnis, kas steidzas virsskaņas ātrumā. Šādā kompresijas vilnī tiek detonēta degviela un oksidētājs, šis process no termodinamikas viedokļa paaugstina dzinēja efektivitāti par lielumu, pateicoties degšanas zonas kompaktumam. Tāpēc eksperti tik dedzīgi sāka attīstīt šo ideju.
Parastā LRE, kas patiesībā ir liels deglis, galvenais ir nevis sadegšanas kamera un sprausla, bet gan degvielas turbo sūkņa bloks (FPU), kas rada tādu spiedienu, ka degviela iekļūst kamerā. Piemēram, Krievijas RD-170 raķešu dzinējā, kas paredzēts Energia nesējraķetēm, spiediens sadegšanas kamerā ir 250 atm un sūknim, kas piegādā oksidētāju uz degšanas zonu, ir jārada 600 atm spiediens.
Detonācijas dzinējā spiedienu rada pati detonācija, kas ir plūstošs kompresijas vilnis degvielas maisījumā, kurā spiediens bez TNA jau ir 20 reizes lielāks un turbo sūkņa agregāti ir lieki. Lai būtu skaidrs, American Shuttle spiediens sadegšanas kamerā ir 200 atm, un detonācijas dzinējam šādos apstākļos ir nepieciešami tikai 10 atm maisījuma padevei - tas ir kā velosipēda sūknis un Sayano-Shushenskaya hidroelektrostacija.
Šajā gadījumā uz detonāciju balstīts dzinējs ir ne tikai vienkāršāks un lētāks par lielumu, bet arī daudz jaudīgāks un ekonomiskāks nekā parasts raķešu dzinējs.
Ceļā uz detonācijas dzinēja projekta realizāciju radās kopīpašuma problēma ar detonācijas vilni. Šī parādība nav tikai sprādziena vilnis, kuram ir skaņas ātrums, bet gan detonācijas vilnis, kas izplatās ar ātrumu 2500 m/s, tajā nenotiek liesmas frontes stabilizācija, katrai pulsācijai maisījums tiek atjaunināts un vilnis sākas no jauna.
Iepriekš krievu un franču inženieri izstrādāja un būvēja pulsējošus reaktīvos dzinējus, taču ne pēc detonācijas principa, bet gan uz parastās degšanas pulsācijas. Šādu PUVRD raksturlielumi bija zemi, un, kad dzinēju ražotāji izstrādāja sūkņus, turbīnas un kompresorus, pienāca reaktīvo dzinēju un LRE laikmets, un pulsējošie palika progresa malā. Zinātnes gaišās galvas mēģināja apvienot detonācijas sadegšanu ar PUVRD, taču parastās sadegšanas frontes pulsāciju biežums nav lielāks par 250 sekundē, bet detonācijas frontes ātrums ir līdz 2500 m/s un tās pulsācijas frekvence. sasniedz vairākus tūkstošus sekundē. Šķita, ka nav iespējams ieviest praksē šādu maisījuma atjaunošanas ātrumu un vienlaikus uzsākt detonāciju.
ASV bija iespēja uzbūvēt šādu detonācijas pulsējošu dzinēju un izmēģināt to gaisā, tomēr tas nostrādāja tikai 10 sekundes, bet prioritāte palika amerikāņu konstruktoriem. Bet jau pagājušā gadsimta 60. gados padomju zinātnieks B.V. Voitsekhovskis un gandrīz vienlaikus amerikānis no Mičiganas universitātes J. Nikolss nāca klajā ar ideju sadegšanas kamerā izveidot detonācijas vilni.
Kā darbojas detonācijas raķešu dzinējs
Šāds rotācijas dzinējs sastāvēja no gredzenveida sadegšanas kameras ar sprauslām, kas novietotas gar tā rādiusu, lai padotu degvielu. Detonācijas vilnis skrien kā vāvere ritenī pa apkārtmēru, degmaisījums tiek saspiests un izdegts, izspiežot sadegšanas produktus caur sprauslu. Spin dzinējā mēs iegūstam viļņu griešanās frekvenci vairākus tūkstošus sekundē, tā darbība ir līdzīga darba procesam raķešu dzinējā, tikai efektīvāk, pateicoties degmaisījuma detonācijai.
PSRS un ASV, vēlāk arī Krievijā notiek darbs pie rotācijas detonācijas dzinēja izveides ar nepārtrauktu vilni, lai izprastu iekšienē notiekošos procesus, un tam tika izveidota vesela zinātne - fizikālā un ķīmiskā kinētika. Lai aprēķinātu neslāpēta viļņa apstākļus, bija nepieciešami jaudīgi datori, kas tika izveidoti tikai nesen.
Krievijā pie šāda griešanās dzinēja projekta strādā daudzi pētniecības institūti un projektēšanas biroji, tostarp kosmosa nozares dzinēju ražošanas uzņēmums NPO Energomash. Šāda dzinēja izstrādē palīgā nāca Padziļinātās pētniecības fonds, jo Aizsardzības ministrijas finansējumu nav iespējams iegūt – tiem nepieciešams tikai garantēts rezultāts.
Neskatoties uz to, testu laikā Himki pie Energomash tika reģistrēts vienmērīgs nepārtrauktas griešanās detonācijas stāvoklis - 8 tūkstoši apgriezienu sekundē ar skābekļa un petrolejas maisījumu. Tajā pašā laikā detonācijas viļņi līdzsvaroja vibrācijas viļņus, un siltuma aizsargpārklājumi izturēja augstu temperatūru.
Bet neglaimojiet sev, jo šis ir tikai demonstrācijas dzinējs, kas ir strādājis ļoti īsu laiku un par tā īpašībām vēl nekas nav teikts. Bet galvenais ir tas, ka ir pierādīta iespēja radīt detonācijas sadegšanu un Krievijā ir izveidots pilna izmēra spin dzinējs, kas zinātnes vēsturē paliks uz visiem laikiem.
Video: Energomash bija pirmais pasaulē, kas izmēģināja detonācijas šķidro propelentu raķešu dzinēju
