Eksploracja kosmosu jest mimowolnie kojarzona z statki kosmiczne. Sercem każdej rakiety nośnej jest jej silnik. Musi rozwinąć pierwszą prędkość kosmiczną - około 7,9 km/s, aby wynieść astronautów na orbitę, oraz drugą prędkość kosmiczną, aby pokonać pole grawitacyjne planety.
Nie jest to łatwe do osiągnięcia, ale naukowcy nieustannie poszukują nowych sposobów rozwiązania tego problemu. Projektanci z Rosji posunęli się jeszcze dalej i zdołali opracować detonację silnik rakietowy, których próby zakończyły się sukcesem. Osiągnięcie to można nazwać prawdziwym przełomem w dziedzinie inżynierii kosmicznej.
Nowe szanse
Dlaczego pokłada się duże nadzieje w silnikach detonacyjnych? Według naukowców ich moc będzie 10 tysięcy razy większa niż moc istniejących silników rakietowych. Jednocześnie będą dużo konsumować mniej paliwa, a ich produkcja charakteryzuje się niskimi kosztami i opłacalnością. Z czym to jest związane?
Chodzi o utlenianie paliwa. Jeżeli nowoczesne rakiety wykorzystują proces deflagracji - powolne (poddźwiękowe) spalanie paliwa pod stałym ciśnieniem, to detonacyjny silnik rakietowy funkcjonuje na zasadzie eksplozji, detonacji palna mieszanka. Spala się z prędkością ponaddźwiękową, uwalniając ogromną ilość energii cieplnej jednocześnie z propagacją fali uderzeniowej.
Opracowanie i przetestowanie rosyjskiej wersji silnika detonacyjnego zostało przeprowadzone przez specjalistyczne laboratorium „Detonation LRE” w ramach kompleksu produkcyjnego Energomash.
Wyższość nowych silników
Czołowi naukowcy na świecie badają i rozwijają silniki detonacyjne od 70 lat. Głównym powodem uniemożliwiającym powstanie tego typu silnika jest niekontrolowane samozapłon paliwa. Ponadto w programie znalazły się zadania wydajnego mieszania paliwa i utleniacza, a także integracja dyszy i wlotu powietrza.
Po rozwiązaniu tych problemów możliwe będzie stworzenie detonacyjnego silnika rakietowego, który na swój sposób Specyfikacja techniczna wyprzedza czas. Jednocześnie naukowcy nazywają jego następujące zalety:
- Zdolność do rozwijania prędkości w zakresie poddźwiękowym i hipersonicznym.
- Wyjątek od konstrukcji wielu ruchomych części.
- Niższa waga i koszt elektrownia.
- Wysoka sprawność termodynamiczna.
Seryjnie dany typ silnik nie został wyprodukowany. Po raz pierwszy został przetestowany na nisko latających samolotach w 2008 roku. Silnik detonacyjny do pojazdów nośnych został po raz pierwszy przetestowany przez rosyjskich naukowców. Dlatego to wydarzenie ma tak wielkie znaczenie.
Zasada działania: impulsowa i ciągła
Obecnie naukowcy opracowują instalacje z pulsacyjnym i ciągłym przepływem pracy. Zasada działania detonacyjnego silnika rakietowego z obwód impulsowy Praca polega na cyklicznym napełnianiu komory spalania mieszanką palną, jej sekwencyjnym zapalaniu i uwalnianiu produktów spalania do otoczenia.
Odpowiednio, w ciągłym procesie roboczym, paliwo jest stale dostarczane do komory spalania, paliwo spala się w jednej lub kilku falach detonacyjnych, które w sposób ciągły krążą w poprzek przepływu. Zaletami takich silników są:
- Pojedynczy zapłon paliwa.
- Stosunkowo prosta konstrukcja.
- Małe gabaryty i masa instalacji.
- Bardziej efektywne wykorzystanie palnej mieszanki.
- Niski poziom wytwarzanego hałasu, wibracji i szkodliwych emisji.
W przyszłości, wykorzystując te zalety, detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe o schemacie pracy ciągłej zastąpi wszystkie istniejące instalacje ze względu na swoją masę, rozmiary i charakterystykę kosztową.
Testy silnika detonacyjnego
Pierwsze testy krajowej instalacji detonacyjnej przeprowadzono w ramach projektu powołanego przez Ministerstwo Edukacji i Nauki. przedstawiony jako prototyp mały silnik z komorą spalania o średnicy 100 mm i pierścieniowym kanałem o szerokości 5 mm. Badania przeprowadzono na specjalnym stanowisku, podczas pracy rejestrowano wskaźniki różne rodzaje mieszanina palna - wodór-tlen, gaz ziemny-tlen, propan-butan-tlen.
Testy silnika rakietowego z detonacją tlenowo-wodorową wykazały, że cykl termodynamiczny tych jednostek jest o 7% wydajniejszy niż innych jednostek. Ponadto potwierdzono eksperymentalnie, że wraz ze wzrostem ilości podawanego paliwa wzrasta ciąg, liczba fal detonacyjnych oraz prędkość obrotowa.
Analogi w innych krajach
Rozwój silników detonacyjnych prowadzony jest przez naukowców z wiodących krajów świata. Największy sukces w tym kierunku odnieśli projektanci z USA. W swoich modelach zaimplementowali ciągły tryb pracy, czyli rotacyjny. Wojsko USA planuje wykorzystać te instalacje do wyposażenia okrętów nawodnych. Dzięki mniejszej masie i niewielkim rozmiarom przy dużej mocy wyjściowej pomogą zwiększyć efektywność łodzi bojowych.
Stechiometryczna mieszanina wodoru i tlenu jest wykorzystywana do jego pracy przez amerykański silnik rakietowy detonacyjny. Zalety takiego źródła energii są przede wszystkim ekonomiczne – tlenu spala się dokładnie tyle, ile potrzeba do utlenienia wodoru. Teraz rząd USA wydaje kilka miliardów dolarów na zaopatrzenie okrętów wojennych w paliwo węglowe. Paliwo stechiometryczne obniży koszty kilkukrotnie.
Dalsze kierunki rozwoju i perspektywy
Nowe dane uzyskane w wyniku testowania silników detonacyjnych zdeterminowały zastosowanie zasadniczo nowych metod konstruowania schematu działania na paliwie płynnym. Jednak do funkcjonowania takie silniki muszą mieć wysoką odporność na ciepło ze względu na dużą ilość uwalnianej energii cieplnej. W tej chwili opracowywana jest specjalna powłoka, która zapewni działanie komory spalania w warunkach wysokiej temperatury.
Szczególne miejsce w dalszych badaniach zajmuje tworzenie głowic mieszających, za pomocą których możliwe będzie uzyskanie kropli materiału palnego o określonej wielkości, stężeniu i składzie. Aby rozwiązać te problemy, zostanie stworzony nowy detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe, który stanie się podstawą nowej klasy pojazdów nośnych.
Pod koniec stycznia pojawiły się doniesienia o nowych sukcesach rosyjskiej nauki i techniki. Z oficjalnych źródeł okazało się, że jeden z krajowych projektów obiecującego detonacyjnego silnika odrzutowego przeszedł już etap testów. Przynosi to moment całkowitego zakończenia wszystkich wymaganych prac, w wyniku których rosyjskie rakiety kosmiczne lub wojskowe będą mogły otrzymać nowe elektrownie o poprawionych parametrach. Co więcej, nowe zasady działania silników mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w dziedzinie rakiet, ale także w innych dziedzinach.
W ostatnich dniach stycznia wicepremier Dmitrij Rogozin opowiadał krajowej prasie o ostatnich sukcesach organizacji badawczych. Poruszył między innymi proces tworzenia silniki odrzutowe stosując nowe zasady działania. Obiecujący silnik ze spalaniem detonacyjnym został już poddany testom. Zdaniem wicepremiera zastosowanie nowych zasad pracy elektrowni pozwala na uzyskanie znacznego wzrostu wydajności. W porównaniu z projektami architektury tradycyjnej następuje wzrost ciągu o około 30%.
Schemat silnika rakiety detonacyjnej
Nowoczesne silniki rakietowe różne klasy a typy eksploatowane na różnych obszarach wykorzystują tzw. cykl izobaryczny lub spalanie deflagracyjne. W ich komorach spalania utrzymywane jest stałe ciśnienie, przy którym paliwo spala się powoli. Silnik oparty na zasadach deflagracji nie potrzebuje szczególnie mocnych jednostek, ale ma ograniczone maksymalne osiągi. Zwiększenie głównych cech, zaczynając od pewnego poziomu, okazuje się nieracjonalnie trudne.
Alternatywą dla silnika o cyklu izobarycznym w kontekście poprawy wydajności jest układ z tzw. spalanie detonacyjne. W tym przypadku reakcja utleniania paliwa zachodzi za falą uderzeniową, z wysoka prędkość poruszanie się po komorze spalania. Stawia to szczególne wymagania w stosunku do konstrukcji silnika, ale jednocześnie oferuje oczywiste korzyści. Pod względem sprawności spalania paliwa spalanie detonacyjne jest o 25% lepsze niż spalanie deflagracyjne. Różni się również od spalania przy stałym ciśnieniu zwiększoną szybkością wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni frontu reakcji. Teoretycznie możliwe jest zwiększenie tego parametru o trzy do czterech rzędów wielkości. W konsekwencji, prędkość gazów reaktywnych można zwiększyć 20-25 razy.
Tak więc silnik detonacyjny różni się zwiększony współczynnik użyteczne działanie, zdolne do rozwinięcia większej przyczepności przy mniejszym zużyciu paliwa. Jego przewaga nad tradycyjnymi konstrukcjami jest oczywista, ale do niedawna postęp w tej dziedzinie pozostawiał wiele do życzenia. Zasady detonacyjnego silnika odrzutowego zostały sformułowane już w 1940 roku przez radzieckiego fizyka Ya.B. Zeldowicza, ale gotowe produkty tego rodzaju nie weszły jeszcze do eksploatacji. Głównymi przyczynami braku realnych sukcesów są problemy ze stworzeniem odpowiednio mocnej konstrukcji, a także trudność wywołania, a następnie utrzymania fali uderzeniowej przy wykorzystaniu istniejących paliw.
Jeden z najnowszych krajowych projektów w dziedzinie detonacyjnych silników rakietowych został uruchomiony w 2014 roku i jest rozwijany w NPO Energomash imienia V.I. akademik V.P. Głuszko. Według dostępnych danych celem projektu z szyfrem Ifrit było zbadanie podstawowych zasad Nowa technologia z późniejszym stworzeniem ciekłego silnika rakietowego wykorzystującego naftę i gazowy tlen. Nowy silnik, nazwany na cześć demonów ognia z arabskiego folkloru, został oparty na zasadzie spalania wirowo-detonacyjnego. Tak więc, zgodnie z główną ideą projektu, fala uderzeniowa musi w sposób ciągły poruszać się po okręgu wewnątrz komory spalania.
Wiodącym twórcą nowego projektu był NPO Energomash, a raczej specjalne laboratorium utworzone na jego podstawie. Ponadto w prace zaangażowane było kilka innych organizacji badawczych i projektowych. Program otrzymał wsparcie od Advanced Research Foundation. Dzięki wspólnym wysiłkom wszystkim uczestnikom projektu Ifrit udało się stworzyć optymalny wygląd obiecującego silnika, a także stworzyć modelową komorę spalania o nowych zasadach działania.
Aby przestudiować perspektywy całego kierunku i nowe pomysły, tzw. modelowa komora spalania detonacyjnego spełniająca wymagania projektu. Taki eksperymentalny silnik o zredukowanej konfiguracji miał wykorzystywać jako paliwo płynną naftę. Jako środek utleniający zaproponowano gazowy wodór. W sierpniu 2016 r. rozpoczęto testy komory doświadczalnej. Ważne, że po raz pierwszy w historii projekt tego typu trafił na etap testów stanowiskowych. Wcześniej opracowywano krajowe i zagraniczne silniki rakietowe detonacyjne, ale nie testowano ich.
Podczas badań próbki modelowej udało się uzyskać bardzo ciekawe wyniki pokazując poprawność zastosowanych podejść. A więc za pomocą odpowiednie materiały i technologie okazały się podnosić ciśnienie w komorze spalania do 40 atmosfer. Ciąg eksperymentalnego produktu osiągnął 2 tony.
Wzorcowa kamera na stanowisku probierczym
W ramach projektu ifrit uzyskano pewne wyniki, ale krajowy silnik detonacyjny na paliwo płynne wciąż jest daleki od pełnego praktycznego zastosowania. Przed wprowadzeniem takiego sprzętu do nowych projektów technologicznych projektanci i naukowcy będą musieli podjąć decyzję cała linia najpoważniejsze zadania. Dopiero potem przemysł rakietowo-kosmiczny czy zbrojeniowy będzie mógł zacząć wykorzystywać w praktyce potencjał nowych technologii.
W połowie stycznia Rosyjska gazeta”opublikowano wywiad z głównym projektantem NPO Energomasz, Piotrem Lewoczkinem, którego tematem był obecny stan rzeczy i perspektywy silników detonacyjnych. Przedstawiciel przedsiębiorstwa-dewelopera przypomniał główne założenia projektu, a także poruszył temat osiągniętych sukcesów. Ponadto opowiedział o możliwych obszarach zastosowania Ifrit i podobnych konstrukcji.
Np, silniki detonacyjne mogą być stosowane w samolotach hipersonicznych. P. Lewoczkin przypomniał, że silniki proponowane obecnie do zastosowania w takim sprzęcie wykorzystują spalanie poddźwiękowe. Przy prędkości hipersonicznej aparatu lotu powietrze wpływające do silnika musi zostać spowolnione do tryb dźwięku. Jednak energia hamowania musi prowadzić do dodatkowych obciążeń termicznych płatowca. W silnikach detonacyjnych szybkość spalania paliwa osiąga co najmniej M=2,5. Umożliwia to zwiększenie prędkości lotu samolotu. Taka maszyna z silnikiem stukowym byłaby w stanie rozpędzić się do prędkości ośmiokrotnie przekraczających prędkość dźwięku.
Jednak rzeczywiste perspektywy silników rakietowych typu detonacyjnego nie są jeszcze zbyt duże. Według P. Lewoczkina „właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego”. Naukowcy i projektanci będą musieli przestudiować wiele zagadnień, a dopiero potem możliwe będzie tworzenie konstrukcji o praktycznym potencjale. Z tego powodu przemysł kosmiczny jeszcze przez długi czas będzie musiał korzystać z tradycyjnych silników na paliwo ciekłe, co jednak nie przekreśla możliwości ich dalszego doskonalenia.
Ciekawostką jest to, że zasada detonacji spalanie znajduje zastosowanie nie tylko w dziedzinie silników rakietowych. Już istnieje projekt krajowy systemie lotniczym z komorą spalania typu detonacyjnego działającą na zasadzie impulsu. Prototyp tego rodzaju został wystawiony na próbę iw przyszłości może dać początek nowemu kierunkowi. Najwięcej zastosowań mogą znaleźć nowe silniki o spalaniu detonacyjnym różne obszary i częściowo zastąpić turbiny gazowe lub silniki turboodrzutowe o tradycyjnej konstrukcji.
W OKB opracowywany jest krajowy projekt detonacyjnego silnika lotniczego. JESTEM. Kołyski. Informacje o tym projekcie zostały po raz pierwszy zaprezentowane na ubiegłorocznym międzynarodowym forum wojskowo-technicznym "Armia-2017". Na stoisku przedsiębiorstwa-dewelopera znajdowały się materiały dot różne silniki, zarówno seryjne, jak i w fazie rozwoju. Wśród tych ostatnich była obiecująca próbka detonacji.
Istotą nowej propozycji jest zastosowanie niestandardowej komory spalania zdolnej do pulsacyjnego spalania detonacyjnego paliwa w atmosferze powietrza. W takim przypadku częstotliwość „wybuchów” wewnątrz silnika powinna sięgać 15-20 kHz. W przyszłości możliwy jest dodatkowy wzrost tego parametru, w wyniku którego hałas silnika będzie wykraczał poza zakres odbierany przez ludzkie ucho. Takie cechy silnika mogą być szczególnie interesujące.
Pierwsze uruchomienie prototypu Ifrit
Jednak główne zalety nowej elektrowni wiążą się z poprawą wydajności. Testy laboratoryjne eksperymentalnych produktów wykazały, że pod względem osiągów są one o około 30% lepsze od tradycyjnych silników z turbiną gazową. Do czasu pierwszej publicznej demonstracji materiałów na silniku OKB. JESTEM. Kołyski można dostać i dość wysokie Charakterystyka wydajności. Eksperymentalny silnik nowego typu był w stanie pracować bez przerwy przez 10 minut. Całkowity czas pracy tego produktu na stoisku w tym czasie przekroczył 100 godzin.
Przedstawiciele dewelopera wskazali, że możliwe jest już stworzenie nowego silnika detonacyjnego o ciągu 2-2,5 tony, nadającego się do montażu na lekkich samolotach lub bezzałogowych statkach powietrznych. W konstrukcji takiego silnika proponuje się zastosowanie tzw. rezonatory odpowiedzialne za właściwy ruch Spalanie paliwa. Ważna zaleta nowym projektem jest podstawowa możliwość instalowania takich urządzeń w dowolnym miejscu płatowca.
Specjaliści OKB im. JESTEM. Kołyski pracują Silniki lotnicze z pulsacyjnym spalaniem detonacyjnym od ponad trzech dekad, ale jak dotąd projekt nie wyszedł z etapu badań i nie ma realnych perspektyw. główny powód– brak porządku i niezbędnego finansowania. Jeśli projekt otrzyma niezbędne wsparcie, to w dającej się przewidzieć przyszłości można stworzyć przykładowy silnik nadający się do zastosowania w różnych pojazdach.
Do tej pory rosyjskim naukowcom i projektantom udało się wykazać bardzo niezwykłe wyniki w dziedzinie silników odrzutowych przy użyciu nowych zasad działania. Istnieje kilka projektów jednocześnie odpowiednich do zastosowania w przestrzeni kosmicznej i polach hipersonicznych. Ponadto nowe silniki mogą być stosowane w lotnictwie „tradycyjnym”. Niektóre projekty są nadal na wczesnym etapie i nie są jeszcze gotowe do kontroli i innych prac, podczas gdy w innych obszarach osiągnięto już najbardziej godne uwagi wyniki.
Zgłębiając tematykę silników odrzutowych ze spalaniem detonacyjnym, rosyjscy specjaliści byli w stanie stworzyć laboratoryjny model komory spalania o pożądanych właściwościach. Prototyp Ifrit został już przetestowany, podczas którego zebrano dużą ilość różnych informacji. Za pomocą otrzymanych danych rozwój kierunku będzie kontynuowany.
Opanowanie nowego kierunku i przełożenie pomysłów na praktyczną formę zajmie dużo czasu, dlatego w dającej się przewidzieć przyszłości rakiety kosmiczne i wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości będą wyposażone tylko w tradycyjne silniki na płyn. Niemniej jednak prace wyszły już z czysto teoretycznego etapu i teraz każda próba eksperymentalnego silnika przybliża moment budowy pełnoprawnej rakiety z nowymi elektrowniami.
Według serwisów:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Ekologia konsumpcji Nauka i technologia: Pod koniec sierpnia 2016 r. światowe agencje informacyjne obiegła wiadomość: na jednym ze stoisk NPO Energomasz w podmoskiewskich Chimkach pojawił się pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik rakietowy na paliwo ciekłe (LRE) rozpoczęto spalanie paliwa za pomocą detonacji.
Pod koniec sierpnia 2016 roku wiadomości obiegła światowe agencje informacyjne: na jednym ze stoisk NPO Energomasz w podmoskiewskich Chimkach uruchomiono pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik rakietowy na paliwo ciekłe (LRE) wykorzystujący detonacyjne spalanie paliwa . Krajowa nauka i technologia jeździ na to wydarzenie od 70 lat.
Pomysł silnika detonacyjnego został zaproponowany przez radzieckiego fizyka Ya.B. Zeldovicha w artykule „On the Energy Use of Detonation Combustion”, opublikowanym w Journal of Technical Physics w 1940 roku. Od tego czasu na całym świecie prowadzone są badania i eksperymenty nad praktycznym wdrożeniem obiecująca technologia. W tym wyścigu umysłów przodowały Niemcy, potem USA, a potem ZSRR. A teraz Rosja zapewniła sobie ważny priorytet w światowej historii technologii. W ostatnie lata czymś takim jak nasz kraj nie może się często pochwalić.
Na grzbiecie fali
Jakie są zalety silnika detonacyjnego? W tradycyjnych silnikach rakietowych, podobnie jak w konwencjonalnych silnikach tłokowych lub turboodrzutowe silniki lotnicze wykorzystuje energię uwalnianą podczas spalania paliwa. W tym przypadku w komorze spalania LRE powstaje nieruchome czoło płomienia, w którym spalanie odbywa się przy stałym ciśnieniu. Ten proces normalnego spalania nazywa się deflagracją. W wyniku interakcji paliwa i utleniacza temperatura mieszaniny gazów gwałtownie wzrasta, a z dyszy wydostaje się ognista kolumna produktów spalania, które tworzą ciąg strumienia.
Detonacja to także spalanie, ale zachodzi ono 100 razy szybciej niż przy spalaniu konwencjonalnego paliwa. Proces ten przebiega tak szybko, że często detonację myli się z eksplozją, zwłaszcza że uwalnia się w tym przypadku tak dużo energii, że np. silnik samochodu kiedy to zjawisko występuje w jego cylindrach, może faktycznie się zawalić. Jednak detonacja nie jest eksplozją, ale rodzajem spalania tak gwałtownym, że produkty reakcji nie mają nawet czasu na rozprężenie, dlatego proces ten, w przeciwieństwie do deflagracji, zachodzi przy stałej objętości i gwałtownie rosnącym ciśnieniu.
W praktyce wygląda to tak: zamiast stacjonarnego czoła płomienia w mieszance paliwowej wewnątrz komory spalania powstaje fala detonacyjna, która porusza się z prędkością ponaddźwiękową. W tej fali sprężania następuje detonacja mieszanki paliwa i utleniacza, az termodynamicznego punktu widzenia proces ten jest znacznie wydajniejszy niż konwencjonalne spalanie paliwa. Sprawność spalania detonacyjnego jest o 25–30% wyższa, tj. przy spalaniu tej samej ilości paliwa uzyskuje się większy ciąg, a ze względu na zwartość strefy spalania silnik detonacyjny pod względem mocy usuwanej na jednostkę objętości teoretycznie przewyższa konwencjonalne silniki rakietowe o rząd wielkości.
Już samo to wystarczyło, by zwrócić na ten pomysł największą uwagę specjalistów. W końcu stagnacja, jaka powstała obecnie w rozwoju światowej kosmonautyki, tkwiącej od pół wieku na orbicie okołoziemskiej, związana jest przede wszystkim z kryzysem budowy silników rakietowych. Nawiasem mówiąc, lotnictwo też jest w kryzysie, nie mogąc przekroczyć progu trzech prędkości dźwięku. Kryzys ten można porównać do sytuacji w lotnictwie tłokowym pod koniec lat 30. Śruba i silnik wewnętrzne spalanie wyczerpały swój potencjał i dopiero pojawienie się silników odrzutowych umożliwiło osiągnięcie jakościowego efektu nowy poziom wysokość, prędkość i zasięg.
Konstrukcje klasycznych silników rakietowych na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci zostały dopracowane do perfekcji i praktycznie osiągnęły granicę swoich możliwości. Możliwe jest zwiększenie ich specyficznych cech w przyszłości tylko w bardzo małych granicach - o kilka procent. Dlatego światowa kosmonautyka jest zmuszona podążać szeroką ścieżką rozwoju: do załogowych lotów na Księżyc trzeba zbudować gigantyczne pojazdy nośne, a to jest bardzo trudne i szalenie kosztowne, przynajmniej dla Rosji. Próba przezwyciężenia kryzysu za pomocą silników jądrowych natknęła się na problemy środowiskowe. Być może jest jeszcze za wcześnie, aby porównywać pojawienie się detonacyjnych silników rakietowych z przejściem lotnictwa na napęd odrzutowy, ale są one całkiem w stanie przyspieszyć proces eksploracji kosmosu. Ponadto tego typu silniki odrzutowe mają jeszcze jedną bardzo ważną zaletę.
GRES w miniaturze
Zwykły LRE to w zasadzie duży palnik. Aby zwiększyć jego ciąg i specyficzne właściwości, konieczne jest podniesienie ciśnienia w komorze spalania. W takim przypadku paliwo, które jest wtryskiwane do komory przez dysze, musi być dostarczane pod wyższym ciśnieniem, niż jest to realizowane podczas procesu spalania, w przeciwnym razie strumień paliwa po prostu nie może wniknąć do komory. Dlatego najtrudniejsze i droga jednostka w LRE nie jest komora z dyszą, która jest na widoku, ale turbopompa paliwowa (TNA), ukryta w głębi rakiety wśród zawiłości rurociągów.
Na przykład najpotężniejszy na świecie silnik rakietowy na paliwo ciekłe RD-170, stworzony dla pierwszego etapu radzieckiej superciężkiej rakiety nośnej Energia przez tę samą NPO Energia, ma ciśnienie w komorze spalania 250 atmosfer. to dużo. Ale ciśnienie na wylocie pompy tlenu pompującej utleniacz do komory spalania osiąga 600 atm. Ta pompa napędzana jest turbiną o mocy 189 MW! Wyobraź sobie: koło turbiny o średnicy 0,4 m rozwija czterokrotnie większą moc niż atomowy lodołamacz Arktika z dwoma reaktorami jądrowymi! Jednocześnie TNA jest złożonym urządzeniem mechanicznym, którego wał wykonuje 230 obrotów na sekundę i musi pracować w środowisku ciekłego tlenu, w którym nawet najmniejsza iskra, ale ziarnko piasku w rurociągu prowadzi do wybuchu. Technologia tworzenia takiego TNA jest głównym know-how Energomash, którego posiadanie pozwala rosyjskiej firmie sprzedawać dziś swoje silniki do instalacji w amerykańskich pojazdach nośnych Atlas V i Antares. Alternatywy Rosyjskie silniki jeszcze nie w USA.
W przypadku silnika detonacyjnego takie utrudnienia nie są potrzebne, ponieważ sama detonacja zapewnia ciśnienie dla wydajniejszego spalania, jakim jest fala sprężania przebiegająca w mieszance paliwowej. Podczas detonacji ciśnienie wzrasta 18–20 razy bez TNA.
Aby uzyskać warunki w komorze spalania silnika detonacyjnego odpowiadające np. warunkom w komorze spalania LRE amerykańskiego wahadłowca (200 atm) wystarczy podać paliwo pod ciśnieniem... 10 atm. Wymagana do tego jednostka, w porównaniu z TNA klasycznego silnika rakietowego, przypomina pompę rowerową w pobliżu elektrowni okręgowej Sayano-Shushenskaya.
Oznacza to, że silnik detonacyjny będzie nie tylko mocniejszy i bardziej ekonomiczny niż konwencjonalny silnik rakietowy, ale także o rząd wielkości prostszy i tańszy. Dlaczego więc ta prostota nie była dana projektantom przez 70 lat?
Głównym problemem, przed którym stanęli inżynierowie, było radzenie sobie z falą detonacyjną. Chodzi nie tylko o to, aby silnik był mocniejszy, aby mógł wytrzymać zwiększone obciążenia. Detonacja to nie tylko fala uderzeniowa, ale coś bardziej subtelnego. Fala uderzeniowa rozchodzi się z prędkością dźwięku, a fala detonacyjna z prędkością ponaddźwiękową - do 2500 m/s. Nie tworzy stabilnego czoła płomienia, więc praca takiego silnika jest pulsacyjna: po każdej detonacji konieczna jest wymiana mieszanki paliwowej, a następnie rozpoczęcie w niej nowej fali.
Próby stworzenia pulsującego silnika odrzutowego podejmowano na długo przed pomysłem detonacji. Próbowali znaleźć alternatywę przy użyciu pulsujących silników odrzutowych silniki tłokowe w latach trzydziestych XX wieku. Prostota ponownie przyciąga: w przeciwieństwie do turbina lotnicza w przypadku pulsacyjnego silnika odrzutowego (PUJE) nie była potrzebna ani sprężarka obracająca się z prędkością 40 000 obrotów na minutę do wtłaczania powietrza do nienasyconego brzucha komory spalania, ani turbina pracująca przy temperaturze gazu powyżej 1000°C. W PuVRD ciśnienie w komorze spalania powodowało pulsacje spalania paliwa.
Pierwsze patenty na pulsacyjny silnik odrzutowy uzyskał niezależnie w 1865 r. Charles de Louvrier (Francja) iw 1867 r. Nikołaj Afanasjewicz Teleszow (Rosja). Pierwszy działający projekt PuVRD został opatentowany w 1906 roku przez rosyjskiego inżyniera V.V. Karavodina, który rok później zbudował modelową fabrykę. Ze względu na szereg niedociągnięć instalacja Karavodin nie znalazła zastosowania w praktyce. Pierwszym PUVRD działającym na prawdziwym samolocie był niemiecki Argus As 014, oparty na patencie monachijskiego wynalazcy Paula Schmidta z 1931 roku. Argus został stworzony dla „broni odwetu” - skrzydlatej bomby V-1. Podobny rozwój został stworzony w 1942 roku przez radzieckiego projektanta Władimira Chelomeya dla pierwszego radzieckiego pocisku manewrującego 10X.
Oczywiście silniki te nie były jeszcze silnikami detonacyjnymi, ponieważ wykorzystywały konwencjonalne impulsy spalania. Częstotliwość tych pulsacji była niska, co powodowało charakterystyczny dźwięk karabinu maszynowego podczas pracy. Specyficzne właściwości PUVRD ze względu na tryb przerywanyśrednia prac była niewielka, a po tym, jak konstruktorzy uporali się z trudnościami tworzenia sprężarek, pomp i turbin, do końca lat 40. królowały silniki turboodrzutowe i rakietowe, a PUVRD pozostawał na peryferiach postępu technicznego.
Ciekawe, że niemieccy i radzieccy projektanci stworzyli pierwszego PuVRD niezależnie od siebie. Nawiasem mówiąc, pomysł silnika detonacyjnego w 1940 roku przyszedł do głowy nie tylko Zeldowiczowi. W tym samym czasie te same myśli wyrażali Von Neumann (USA) i Werner Döring (Niemcy), tak że w nauce międzynarodowej model wykorzystania spalania detonacyjnego nazwano ZND.
Pomysł połączenia PUVRD ze spalaniem detonacyjnym był bardzo kuszący. Ale czoło zwykłego płomienia rozchodzi się z prędkością 60-100 m/s, a częstotliwość jego pulsacji w PUVRD nie przekracza 250 na sekundę. A front detonacji porusza się z prędkością 1500-2500 m/s, więc częstotliwość pulsacji powinna wynosić tysiące na sekundę. Takie tempo wymiany mieszanki i inicjacji detonacji było trudne do zrealizowania w praktyce.
Niemniej jednak kontynuowano próby stworzenia nadających się do użytku pulsacyjnych silników detonacyjnych. Prace specjalistów Sił Powietrznych USA w tym kierunku zakończyły się stworzeniem silnika demonstracyjnego, który 31 stycznia 2008 roku po raz pierwszy wzbił się w powietrze na eksperymentalnym samolocie Long-EZ. W historycznym locie silnik pracował przez... 10 sekund na wysokości 30 metrów. Jednak priorytet ta sprawa pozostał w Stanach Zjednoczonych, a samolot słusznie zajął swoje miejsce w Muzeum Narodowym Sił Powietrznych USA.
Tymczasem od dawna wymyślono inny, znacznie bardziej obiecujący schemat.
Jak wiewiórka w kole
Pomysł zapętlenia fali detonacyjnej i sprawienia, by biegła ona w komorze spalania jak wiewiórka w kole, zrodził się u naukowców na początku lat 60. XX wieku. Zjawisko detonacji spinowej (rotacyjnej) teoretycznie przewidział radziecki fizyk z Nowosybirska B. V. Voitsekhovsky w 1960 roku. Niemal równocześnie z nim, w 1961 roku, ten sam pomysł wyraził Amerykanin J. Nicholls z University of Michigan.
Obrotowy lub wirowy silnik detonacyjny jest konstrukcyjnie pierścieniową komorą spalania, do której paliwo jest dostarczane za pomocą promieniowo rozmieszczonych dysz. Fala detonacyjna wewnątrz komory nie porusza się osiowo, jak w PuVRD, lecz po okręgu, sprężając i spalając przed sobą mieszankę paliwową, a na końcu wypychając produkty spalania z dyszy w komorze. w taki sam sposób, jak śruba maszynki do mięsa wypycha mięso mielone. Zamiast częstotliwości pulsacji otrzymujemy częstotliwość wirowania fali detonacyjnej, która może dochodzić do kilku tysięcy na sekundę, czyli w praktyce silnik pracuje nie jako silnik pulsacyjny, ale jak konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe ze spalaniem stacjonarnym, ale znacznie wydajniej, bo detonuje mieszankę paliwową.
W ZSRR, podobnie jak w USA, prace nad rotacyjnym silnikiem detonacyjnym trwały od początku lat 60., ale znowu, mimo pozornej prostoty pomysłu, jego realizacja wymagała rozwiązania zagadkowych zagadnień teoretycznych. Jak zorganizować proces, aby fala nie wygasła? Konieczne było zrozumienie najbardziej złożonych procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w ośrodku gazowym. Tutaj obliczenia nie były już przeprowadzane na poziomie molekularnym, ale na poziomie atomowym, na styku chemii i fizyki kwantowej. Procesy te są bardziej złożone niż te, które zachodzą podczas generowania wiązki laserowej. Dlatego laser działa od dawna, ale silnik detonacyjny nie. Aby zrozumieć te procesy, konieczne było stworzenie nowej fundamentalnej nauki - kinetyki fizykochemicznej, która nie istniała 50 lat temu. A do praktycznego obliczenia warunków, w których fala detonacyjna nie zaniknie, ale stanie się samowystarczalna, potrzebne były potężne komputery, które pojawiły się dopiero w ostatnich latach. To jest fundament, który musiał zostać położony na podstawie praktycznego sukcesu w oswajaniu detonacji.
Aktywne prace w tym kierunku prowadzone są w Stanach Zjednoczonych. Badania te są przeprowadzane przez Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Na przykład Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych opracowuje turbiny gazowe z detonacją wirową dla floty. US Navy używa 430 instalacje turbin gazowych na 129 statkach zużywają rocznie paliwo o wartości trzech miliardów dolarów. Wprowadzenie bardziej ekonomicznej detonacji silniki z turbiną gazową(GTE) pozwoli zaoszczędzić ogromne fundusze.
W Rosji dziesiątki instytutów badawczych i biur projektowych pracowały i nadal pracują nad silnikami detonacyjnymi. Wśród nich jest NPO Energomash, wiodąca firma produkująca silniki w rosyjskim przemyśle kosmicznym, z wieloma której przedsiębiorstwami współpracuje VTB Bank. Prace nad detonacyjnym silnikiem rakietowym trwały ponad rok, ale aby wierzchołek góry lodowej tych prac zabłysnął pod słońcem w postaci udanej próby, potrzebny był organizacyjny i finansowy udział ciesząca się złą sławą Fundacja Badań Zaawansowanych (FPI). To FPI przydzieliło niezbędne fundusze utworzenie w 2014 roku specjalistycznego laboratorium „Detonacyjne silniki rakietowe”. W końcu, pomimo 70 lat badań, technologia ta jest nadal „zbyt obiecująca” w Rosji, aby mogła być finansowana przez klientów takich jak Ministerstwo Obrony, którzy z reguły potrzebują gwarantowanego praktycznego wyniku. A to jeszcze bardzo daleko.
Poskromienie złośnicy
Chciałbym wierzyć, że po tym wszystkim, co zostało powiedziane powyżej, tytaniczna praca, która zagląda między wiersze krótkiego komunikatu o testach, które odbyły się w Energomaszu w Chimkach w lipcu - sierpniu 2016 r., staje się jasna: „Po raz pierwszy w świecie, ustalony tryb ciągłej detonacji wirowej poprzecznych fal detonacyjnych o częstotliwości około 20 kHz (częstotliwość wirowania fali - 8 tysięcy obrotów na sekundę) na parze paliwowej "tlen - nafta". Udało się uzyskać kilka fal detonacyjnych, które równoważyły wzajemne obciążenia wibracyjne i udarowe. Powłoki osłony termicznej opracowane specjalnie w Keldysh Center pomogły poradzić sobie z wysokimi obciążeniami temperaturowymi. Silnik wytrzymał kilka rozruchów w warunkach ekstremalnych obciążeń wibracyjnych i bardzo wysokich temperatur przy braku chłodzenia warstwy przyściennej. Szczególną rolę w tym sukcesie odegrało stworzenie modeli matematycznych i wtryskiwacze paliwa, co umożliwiło uzyskanie mieszaniny o konsystencji niezbędnej do wystąpienia detonacji.
Oczywiście nie należy przeceniać znaczenia osiągniętego sukcesu. Powstał jedynie silnik demonstracyjny, który działał stosunkowo krótko io tym prawdziwe cechy nic nie jest zgłaszane. Według NPO Energomash detonacyjny silnik rakietowy zwiększy ciąg o 10% przy spalaniu takiej samej ilości paliwa jak w silniku konwencjonalnym, a właściwy impuls ciągu powinien wzrosnąć o 10–15%.
Ale głównym rezultatem jest to, że praktycznie potwierdzono możliwość zorganizowania spalania detonacyjnego w silniku rakietowym na paliwo ciekłe. Jednak sposób wykorzystania tej technologii jako części realnej samolot jest jeszcze długa droga do przebycia. Inny ważny aspekt jest to, że naszemu krajowi przypisano teraz kolejny światowy priorytet w dziedzinie wysokich technologii: po raz pierwszy na świecie w Rosji wystrzelono pełnowymiarowy detonacyjny silnik rakietowy i fakt ten pozostanie w historii nauki i techniki . opublikowany
Podczas gdy cała postępowa ludzkość z krajów NATO przygotowuje się do rozpoczęcia testów silnika detonacyjnego (testy mogą się odbyć w 2019 roku (ale raczej znacznie później)), zacofana Rosja ogłosiła zakończenie testów takiego silnika.
Ogłosili to dość spokojnie i nikogo nie strasząc. Ale na Zachodzie, zgodnie z przewidywaniami, przestraszyli się i zaczęło się histeryczne wycie – zostaniemy w tyle do końca życia. Prace nad silnikiem detonacyjnym (DD) prowadzone są w USA, Niemczech, Francji i Chinach. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją powody, by sądzić, że Irak jest zainteresowany rozwiązaniem problemu i Korea Północna- bardzo obiecujący rozwój, co właściwie oznacza Nowa scena w nauce o rakietach. I ogólnie w budowie silników.
Idea silnika detonacyjnego została po raz pierwszy wyrażona w 1940 roku przez radzieckiego fizyka Ya.B. Zeldowicz. A stworzenie takiego silnika obiecało ogromne korzyści. Dla silnika rakietowego, na przykład:
- Moc jest zwiększona 10 000 razy w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem rakietowym. W tym przypadku mówimy o mocy otrzymanej na jednostkę objętości silnika;
- 10 razy mniej paliwa na jednostkę mocy;
- DD jest po prostu znacznie (wielokrotnie) tańszy niż standardowy silnik rakietowy.
Tak dużym i bardzo drogim palnikiem jest silnik rakietowy na paliwo ciekłe. I drogie, ponieważ do utrzymania stabilnego spalania wymagana jest duża liczba mechanizmów mechanicznych, hydraulicznych, elektronicznych i innych. Bardzo złożona produkcja. Tak skomplikowane, że Stany Zjednoczone od wielu lat nie są w stanie stworzyć własnego silnika rakietowego na paliwo ciekłe i są zmuszone do zakupu RD-180 w Rosji.
Rosja już wkrótce otrzyma seryjny, niezawodny, niedrogi lekki silnik rakietowy. Ze wszystkimi tego konsekwencjami:
rakieta może unieść wielokrotnie więcej ładunek- sam silnik waży znacznie mniej, paliwo jest potrzebne 10 razy mniej na deklarowany zasięg lotu. I możesz po prostu zwiększyć ten zasięg 10 razy;
koszt rakiety jest wielokrotnie zmniejszany. To dobra odpowiedź dla tych, którzy lubią urządzać wyścig zbrojeń z Rosją.
A jest jeszcze przestrzeń kosmiczna… Otwierają się po prostu fantastyczne perspektywy jej rozwoju.
Jednak Amerykanie mają rację i teraz nie ma miejsca na przestrzeń – pakiety sankcji są już przygotowywane, aby w Rosji nie doszło do detonacji silnika. Będą ingerować ze wszystkich sił - nasi naukowcy złożyli boleśnie poważne roszczenia do przywództwa.
07 lutego 2018 r Tagi: 2311Dyskusja: 3 komentarze
* 10 000 razy większa moc w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem rakietowym. W tym przypadku mówimy o mocy otrzymanej na jednostkę objętości silnika;
10 razy mniej paliwa na jednostkę mocy;
—————
jakoś nie pasuje do innych postów:
„W zależności od projektu, może przekroczyć oryginalny LRE pod względem wydajności od 23-27% dla typowej konstrukcji z rozszerzającą się dyszą, do 36-37% wzrostu KVRD (silniki rakietowe z klinem powietrznym)
Są w stanie zmieniać ciśnienie wypływającego strumienia gazu w zależności od ciśnienia atmosferycznego i oszczędzać do 8-12% paliwa w całym miejscu startu konstrukcji (główne oszczędności występują na małych wysokościach, gdzie sięgają 25-30%) »
Rozważono problem rozwoju silników detonacyjnych rotacyjnych. Przedstawiono główne typy takich silników: obrotowy silnik detonacyjny Nicholsa, silnik Wojciechowskiego. Rozważono główne kierunki i trendy w rozwoju konstrukcji silników detonacyjnych. Wykazano, że współczesne koncepcje silnika detonacyjnego nie mogą w zasadzie doprowadzić do stworzenia wykonalnej konstrukcji przewyższającej właściwościami istniejące silniki odrzutowe. Powodem jest chęć projektantów do połączenia generowania fal, spalania paliwa oraz wyrzucania paliwa i utleniacza w jeden mechanizm. W wyniku samoorganizacji struktur fali uderzeniowej spalanie detonacyjne odbywa się w minimalnej, a nie maksymalnej objętości. Rezultatem faktycznie osiągniętym dzisiaj jest spalanie detonacyjne w objętości nieprzekraczającej 15% objętości komory spalania. Wyjścia upatruje się w innym podejściu – najpierw powstaje optymalna konfiguracja fal uderzeniowych, a dopiero potem do tego układu wprowadzane są składniki paliwa i organizowane jest optymalne spalanie detonacyjne w dużej objętości.
silnik detonacyjny
obrotowy silnik detonacyjny
Silnik Wojciechowskiego
detonacja okrężna
detonacja wirowa
impulsowy silnik detonacyjny
1. BV Voitsekhovsky, VV Mitrofanov i ME Topchiyan, Struktura frontu detonacji w gazach. - Nowosybirsk: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1963.
2. Uskov V.N., Bulat P.V. O problemie zaprojektowania idealnego dyfuzora do kompresji przepływu naddźwiękowego // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 6 (część 1). - S. 178-184.
3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Historia badania nieregularnego odbicia fali uderzeniowej od osi symetrii naddźwiękowego strumienia z utworzeniem dysku Macha // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 9 (część 2). - S. 414-420.
4. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Uzasadnienie zastosowania stacjonarnego modelu konfiguracji Macha do obliczeń dysku Macha w naddźwiękowym odrzutowcu // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 11 (część 1). – S. 168–175.
5. Shchelkin KI Niestabilność spalania i detonacji gazów // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965 r. - T. 87, nr. 2.– S. 273–302.
6. Nichols JA, Wilkmson HR, Morrison RB Przerywana detonacja jako mechanizm generujący zaufanie // Napęd odrzutowy. - 1957. - nr 21. - s. 534–541.
Obrotowe silniki detonacyjne
Cechą wspólną wszystkich typów silników detonacyjnych (RDE) jest to, że układ zasilania paliwem jest połączony z układem spalania paliwa w fali detonacyjnej, ale wtedy wszystko działa jak w konwencjonalnym silniku odrzutowym – rura płomieniowa i dysza. Fakt ten zapoczątkował taką działalność w zakresie modernizacji silników turbinowych (GTE). Atrakcyjna wydaje się wymiana samej głowicy mieszającej i układu zapłonu mieszanki w silniku z turbiną gazową. W tym celu konieczne jest zapewnienie ciągłości spalania detonacyjnego, np. poprzez wywołanie fali detonacyjnej po okręgu. Nichols jako jeden z pierwszych zaproponował taki schemat w 1957 r., a następnie rozwinął go i przeprowadził serię eksperymentów z wirującą falą detonacyjną w połowie lat 60. (ryc. 1).
Dopasowując średnicę komory i grubość szczeliny pierścieniowej, dla każdego rodzaju mieszanki paliwowej, można dobrać taką geometrię, aby detonacja była stabilna. W praktyce zależność między szczeliną a średnicą silnika okazuje się niedopuszczalna i konieczne jest sterowanie prędkością propagacji fali poprzez sterowanie dopływem paliwa, co omówiono poniżej.
Podobnie jak w przypadku silników z detonacją impulsową, okrągła fala detonacyjna jest w stanie wyrzucić utleniacz, umożliwiając użycie RDE przy zerowej prędkości. Fakt ten doprowadził do lawiny eksperymentalnych i obliczeniowych badań RDE z pierścieniową komorą spalania i spontanicznym wyrzutem. mieszanka paliwowo-powietrzna, aby wymienić tutaj, co nie ma sensu. Wszystkie są zbudowane w przybliżeniu według tego samego schematu (ryc. 2), przypominającego schemat silnika Nicholsa (ryc. 1).
Ryż. 1. Schemat organizacji ciągłej detonacji kołowej w szczelinie pierścieniowej: 1 - fala detonacyjna; 2 - warstwa „świeżej” mieszanki paliwowej; 3 - przerwa kontaktowa; 4 - ukośna fala uderzeniowa rozchodząca się w dół; D to kierunek fali detonacyjnej
Ryż. 2. Typowy schemat RDE: V to prędkość swobodnego przepływu; V4 - natężenie przepływu na wylocie dyszy; a - zestawy świeżego paliwa, b - czoło fali detonacyjnej; c - dołączona ukośna fala uderzeniowa; d - produkty spalania; p(r) - rozkład ciśnienia na ściance kanału
Rozsądną alternatywą dla schematu Nicholsa może być instalacja wielu wtryskiwaczy utleniających paliwo, które wtryskiwałyby mieszankę paliwowo-powietrzną w obszar bezpośrednio przed falą detonacyjną zgodnie z pewnym prawem przy zadanym ciśnieniu (rys. 3). Regulując ciśnienie i szybkość dostarczania paliwa do obszaru spalania za falą detonacyjną, można wpływać na szybkość jej propagacji w górę. Ten kierunek jest obiecujący, ale głównym problemem przy projektowaniu takich RDE jest to, że szeroko stosowany uproszczony model przepływu w detonacyjnym froncie spalania w ogóle nie odpowiada rzeczywistości.
Ryż. 3. RDE z kontrolowanym doprowadzeniem paliwa do strefy spalania. Silnik rotacyjny Wojciechowskiego
Główne nadzieje na świecie wiążą się z działającymi według schematu silnikami detonacyjnymi silnik rotacyjny Wojcechowski. W 1963 B.V. Voitsekhovsky, analogicznie do detonacji spinowej, opracował schemat ciągłego spalania gazu za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w pierścieniowym kanale (ryc. 4).
Ryż. Rys. 4. Schemat ciągłego spalania gazu Wojciechowskiego za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w kanale pierścieniowym: 1 - świeża mieszanka; 2 - podwójnie sprężona mieszanka za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych, obszar detonacji
W tym przypadku stacjonarny proces hydrodynamiczny ze spalaniem gazu za falą uderzeniową różni się od schematu detonacji Chapmana-Jougueta i Zel'dovicha-Neumanna. Taki proces jest dość stabilny, jego czas trwania zależy od rezerwy mieszanki paliwowej iw znanych eksperymentach wynosi kilkadziesiąt sekund.
Schemat silnika detonacyjnego Wojciechowskiego posłużył jako pierwowzór do licznych badań rotacyjno-spinowych silniki detonacyjnĕ rozpoczęte w ciągu ostatnich 5 lat. Ten schemat stanowi ponad 85% wszystkich badań. Wszystkie mają jedną organiczną wadę - strefa detonacji zajmuje zbyt mało całkowitej strefy spalania, zwykle nie więcej niż 15%. W rezultacie specyficzna wydajność silników jest gorsza niż w przypadku silników o tradycyjnej konstrukcji.
O przyczynach niepowodzeń z realizacją schematu Wojciechowskiego
Większość prac nad silnikami o ciągłej detonacji związana jest z rozwojem koncepcji Wojciechowskiego. Pomimo ponad 40-letniej historii badań, wyniki faktycznie pozostały na poziomie z 1964 roku. Udział spalania detonacyjnego nie przekracza 15% objętości komory spalania. Reszta to powolne spalanie w warunkach dalekich od optymalnych.
Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest brak praktycznej metodyki obliczeń. Ponieważ przepływ jest trójwymiarowy, a w obliczeniach uwzględniono tylko prawa zachowania pędu na fali uderzeniowej w kierunku prostopadłym do frontu detonacji modelu, wyniki obliczeń nachylenia fal uderzeniowych do przepływu produktów spalania różnią się od obserwowanych eksperymentalnie o ponad 30%. Rezultat jest taki, że pomimo wielu lat badań różne systemy zasilania paliwem i eksperymentów nad zmianą proporcji składników paliwa, jedyne co zostało zrobione to stworzenie modeli, w których zachodzi spalanie detonacyjne i jest utrzymywane przez 10-15 s. Nie ma mowy o zwiększaniu wydajności ani o przewadze nad istniejącymi silnikami na paliwo ciekłe i turbinami gazowymi.
Analiza dostępnych schematów RDE przeprowadzona przez autorów projektu wykazała, że wszystkie oferowane obecnie schematy RDE są w zasadzie niedziałające. Spalanie detonacyjne zachodzi i jest skutecznie podtrzymywane, ale tylko w ograniczonym zakresie. W dalszej części tomu mamy do czynienia ze zwykłym powolnym spalaniem, zresztą za nieoptymalnym układem fal uderzeniowych, co prowadzi do znacznych strat pełne ciśnienie. Ponadto ciśnienie jest również kilkukrotnie niższe niż jest to konieczne dla idealnych warunków spalania przy stechiometrycznym stosunku składników mieszanki paliwowej. W rezultacie konkretne zużycie paliwo na jednostkę ciągu jest o 30-40% wyższe niż w przypadku silników konwencjonalnych.
Ale najbardziej główny problem jest samą zasadą organizowania ciągłej detonacji. Jak wykazały badania ciągłej detonacji kołowej, przeprowadzone jeszcze w latach 60., front spalania detonacyjnego jest złożoną strukturą fali uderzeniowej, składającą się z co najmniej dwóch potrójnych konfiguracji (mniej więcej potrójnych konfiguracji fal uderzeniowych. Taka struktura z dołączoną strefą detonacji, jak każdy termodynamiczny system sprzężenia zwrotnego, pozostawiony sam sobie, ma tendencję do przyjmowania pozycji odpowiadającej minimalnemu poziomowi energii. W rezultacie konfiguracje potrójne i obszar spalania detonacyjnego są do siebie dopasowane, tak że czoło detonacji przemieszcza się przez szczelinę pierścieniową z minimalna możliwa do tego ilość spalania detonacyjnego, co jest wprost przeciwne do celu, jaki konstruktorzy silników wyznaczyli dla spalania detonacyjnego.
Do tworzenia wydajny silnik RDE musi rozwiązać problem stworzenia optymalnej potrójnej konfiguracji fal uderzeniowych i zorganizowania w niej strefy spalania detonacyjnego. Optymalne struktury fali uderzeniowej muszą być w stanie tworzyć się w różnych formach urządzenia techniczne np. w optymalnych dyfuzorach naddźwiękowych wlotów powietrza. Głównym zadaniem jest maksymalne możliwe zwiększenie udziału spalania detonacyjnego w objętości komory spalania z niedopuszczalnych dziś 15% do co najmniej 85%. Istniejące konstrukcje silników oparte na schematach Nicholsa i Wojciechowskiego nie są w stanie zapewnić tego zadania.
Recenzenci:Uskov V.N., doktor nauk technicznych, profesor Wydziału Hydroaeromechaniki Uniwersytetu Państwowego w Petersburgu, Wydział Matematyki i Mechaniki, Petersburg;
Emelyanov V.N., doktor nauk technicznych, profesor, kierownik Katedry Dynamiki Gazu Plazmowego i Techniki Cieplnej, BSTU „VOENMEH” im. A.I. D.F. Ustinow, Petersburg.
Praca wpłynęła do redakcji 14 października 2013 r.
Link bibliograficzny
Bulat P.V., Prodan N.V. PRZEGLĄD PROJEKTÓW SILNIKÓW DETONUJĄCYCH. OBROTOWE SILNIKI DETONUJĄCE // Badania podstawowe. - 2013. - Nr 10-8. - s. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (data dostępu: 29.07.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Historii Naturalnej”
