Marynarka wojenna USA planuje zmodernizować swoją siłę instalacje turbin gazowych, które są obecnie instalowane na ich samolotach i statkach, poprzez zmianę konwencjonalnych silników cyklu Braytona na detonacyjne silniki rotacyjne. Oczekuje się, że pozwoli to zaoszczędzić paliwo w wysokości około 400 milionów dolarów rocznie. Jednak seryjne zastosowanie nowych technologii jest możliwe, zdaniem ekspertów, nie wcześniej niż za dekadę.
Rozwój silników obrotowych lub wirujących w Ameryce jest prowadzony przez Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Według wstępnych szacunków nowe silniki będą miały więcej mocy, a także około jednej czwartej bardziej ekonomiczny konwencjonalne silniki. Jednocześnie podstawowe zasady działania elektrowni pozostaną bez zmian – gazy ze spalonego paliwa będą wpływać do turbiny gazowej, obracając jej łopatki. Według US Navy Laboratory, nawet w stosunkowo odległej przyszłości, kiedy cała flota USA będzie zasilana energią elektryczną, odpowiedzialność za wytwarzanie energii nadal będzie spoczywać na Turbiny gazowe w pewnym stopniu modyfikowane.
Przypomnijmy, że wynalezienie pulsacyjnego silnika odrzutowego przypada na koniec XIX wieku. Autorem wynalazku był szwedzki inżynier Martin Wiberg. Nowe elektrownie rozpowszechniły się w czasie II wojny światowej, choć były znacznie gorsze pod względem swoich możliwości Specyfikacja techniczna silniki lotnicze, które istniały w tym czasie.
Należy zauważyć, że na ten moment W tym czasie flota amerykańska liczy 129 statków, z których korzysta 430 silniki z turbiną gazową. Co roku koszt zaopatrzenia ich w paliwo to około 2 mld dolarów. W przyszłości kiedy nowoczesne silniki zostaną zastąpione nowymi, zmieni się również wielkość kosztów komponentu paliwowego.
Silniki wewnętrzne spalanie obecnie używane działają w cyklu Braytona. Jeśli w kilku słowach zdefiniujemy istotę tego pojęcia, to wszystko sprowadza się do sekwencyjnego mieszania utleniacza i paliwa, dalszego sprężania powstałej mieszanki, następnie podpalenia i spalania wraz z rozprężaniem produktów spalania. Rozprężanie to służy właśnie do wprawiania w ruch, poruszania tłokami, obracania turbiny, czyli wykonywania czynności mechanicznych, zapewniających stałe ciśnienie. Proces spalania mieszanki paliwowej przebiega z prędkością poddźwiękową - proces ten nazywany jest daflagracją.
Jeśli chodzi o nowe silniki, naukowcy zamierzają zastosować w nich spalanie wybuchowe, czyli detonację, w której spalanie zachodzi z prędkością ponaddźwiękową. I choć obecnie zjawisko detonacji nie zostało jeszcze w pełni zbadane, wiadomo, że przy tego rodzaju spalaniu powstaje fala uderzeniowa, która rozchodząc się w mieszaninie paliwowo-powietrznej powoduje reakcję chemiczną, w wyniku której następuje wydanie całkiem duża liczba energia cieplna. Kiedy fala uderzeniowa przechodzi przez mieszaninę, nagrzewa się, co prowadzi do detonacji.
Przy opracowywaniu nowego silnika planuje się wykorzystanie pewnych rozwiązań uzyskanych w procesie opracowywania pulsacyjnego silnika detonacyjnego. Jego zasada działania polega na tym, że jest wstępnie skompresowany mieszanka paliwowa jest podawany do komory spalania, gdzie ulega zapaleniu i detonacji. Produkty spalania rozszerzają się w dyszy, wykonując działania mechaniczne. Następnie cały cykl powtarza się od początku. Ale wadą silników pulsacyjnych jest to, że częstotliwość taktowania jest zbyt niska. Ponadto sama konstrukcja tych silników staje się bardziej złożona wraz ze wzrostem liczby pulsacji. Wynika to z konieczności synchronizacji pracy zaworów odpowiedzialnych za dostarczanie mieszanki paliwowej, a także bezpośrednio z samymi cyklami detonacyjnymi. Pulsujące silniki są również bardzo hałaśliwe, wymagają dużej ilości paliwa do działania, a praca jest możliwa tylko przy stałym dozowanym wtrysku paliwa.
Jeśli porównamy detonacyjne silniki rotacyjne z pulsacyjnymi, to zasada ich działania jest nieco inna. W szczególności nowe silniki zapewniają stałą, nietłumioną detonację paliwa w komorze spalania. Zjawisko to nazywane jest detonacją spinową lub rotacyjną. Po raz pierwszy został opisany w 1956 roku przez radzieckiego naukowca Bogdana Voitsekhovsky'ego. Zjawisko to zostało odkryte znacznie wcześniej, jeszcze w 1926 roku. Pionierami byli Brytyjczycy, którzy zauważyli, że w niektórych układach pojawia się jasna, świecąca „głowa”, która porusza się po spirali, zamiast płaskiej fali detonacyjnej.
Voitsekhovsky za pomocą zaprojektowanego przez siebie fotorejestratora sfotografował czoło fali poruszającej się w pierścieniowej komorze spalania w mieszance paliwowej. Detonacja spinowa różni się od detonacji płaskiej tym, że powstaje w niej pojedyncza poprzeczna fala uderzeniowa, po czym następuje ogrzany gaz, który nie przereagował, a już za tą warstwą znajduje się strefa reakcji chemicznej. I to właśnie taka fala uniemożliwia spalenie samej komory, którą Marlen Topchyan nazwała „spłaszczonym pączkiem”.
Należy zauważyć, że w przeszłości silniki detonacyjne zostały już zastosowane. W szczególności mówimy o pulsowaniu silnik odrzutowy, który był używany przez Niemców pod koniec II wojny światowej w pociskach manewrujących V-1. Jego produkcja była dość prosta, użycie jest dość łatwe, ale jednocześnie ten silnik nie był zbyt niezawodny do rozwiązywania ważnych zadań.
Ponadto w 2008 roku wystartował Rutang Long-EZ, eksperymentalny samolot wyposażony w silnik detonacyjny impulsowy. Lot trwał tylko dziesięć sekund na wysokości trzydziestu metrów. W tym czasie elektrownia rozwinęła ciąg około 890 niutonów.
Eksperymentalny model silnika, zaprezentowany przez amerykańskie laboratorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, to pierścieniowa komora spalania w kształcie stożka o średnicy 14 cm od strony paliwowej i 16 cm od strony dyszy. Odległość między ściankami komory wynosi 1 centymetr, natomiast „rurka” ma długość 17,7 centymetra.
Mieszanka powietrza i wodoru jest stosowana jako mieszanka paliwowa, która jest podawana pod ciśnieniem 10 atmosfer do komory spalania. Temperatura mieszaniny wynosi 27,9 stopnia. Należy zauważyć, że ta mieszanina jest uznawana za najdogodniejszą do badania zjawiska detonacji spinowej. Ale zdaniem naukowców całkiem możliwe będzie zastosowanie mieszanki paliwowej w nowych silnikach, składającej się nie tylko z wodoru, ale także z innych palnych składników i powietrza.
Badania eksperymentalne silnika rotacyjnego wykazały jego większą sprawność i moc w porównaniu z silnikami spalinowymi. Kolejną korzyścią jest znaczna oszczędność paliwa. Jednocześnie w trakcie eksperymentu stwierdzono, że spalanie mieszanki paliwowej w obrotowym silniku „próbnym” jest nierównomierne, dlatego konieczna jest optymalizacja konstrukcji silnika.
Produkty spalania, które rozprężają się w dyszy, można zebrać za pomocą stożka w jeden strumień gazu (jest to tzw. efekt Coandy), a następnie strumień ten jest kierowany do turbiny. Pod wpływem tych gazów turbina będzie się obracać. Tym samym część pracy turbiny może być wykorzystana do napędzania statków, a częściowo do generowania energii, która jest niezbędna dla wyposażenia statku i różnych systemów.
Same silniki mogą być produkowane bez ruchomych części, co znacznie uprości ich konstrukcję, co z kolei obniży koszt elektrowni jako całości. Ale to tylko w perspektywie. Przed uruchomieniem nowych silników w produkcja masowa, konieczne jest rozwiązanie wielu trudnych problemów, z których jednym jest wybór trwałych materiałów żaroodpornych.
Należy zauważyć, że w tej chwili silniki detonacyjne są uważane za jedne z najbardziej obiecujących silników. Opracowują je również naukowcy z University of Texas w Arlington. Punkt mocy, który stworzyli, został nazwany „silnikiem ciągłej detonacji”. Na tej samej uczelni prowadzone są badania nad doborem różnych średnic komór pierścieniowych oraz różnych mieszanek paliwowych, które zawierają wodór i powietrze lub tlen w różnych proporcjach.
W tym kierunku rozwija się również Rosja. Tak więc w 2011 roku, według dyrektora zarządzającego stowarzyszenia badawczo-produkcyjnego Saturn I. Fiodorowa, naukowcy Centrum naukowo-techniczne nazwany na cześć Lyulki, trwają prace nad pulsującym silnikiem odrzutowym. Prace prowadzone są równolegle z rozwojem obiecujący silnik, nazwany „Produktem 129” dla T-50. Ponadto Fiodorow powiedział również, że stowarzyszenie prowadzi badania nad stworzeniem zaawansowanych samolotów kolejnego etapu, które mają być bezzałogowe.
Jednocześnie głowica nie określiła jakiego rodzaju pulsowania nadchodzi silnik przemówienie. W tej chwili znane są trzy typy takich silników - bezzaworowy, zaworowy i detonacyjny. Powszechnie przyjmuje się natomiast fakt, że silniki pulsacyjne są najprostsze i najtańsze w produkcji.
Do tej pory kilka dużych firm obronnych prowadzi badania nad stworzeniem pulsującego, wysokiej wydajności silniki odrzutowe. Wśród tych firm są amerykański Pratt & Whitney i General Electric i francuska SNECMA.
W ten sposób możemy wyciągnąć pewne wnioski: stworzenie nowego obiecującego silnika ma pewne trudności. główny problem w tej chwili leży w teorii: co dokładnie dzieje się, gdy fala detonacji uderzeniowej porusza się po okręgu, wiadomo tylko w W ogólnych warunkach, a to znacznie komplikuje proces optymalizacji rozwoju. Dlatego Nowa technologia, co prawda ma bardzo dużą atrakcyjność, ale w skali produkcji przemysłowej jest mało realny.
Jeśli jednak naukowcom uda się uporać z zagadnieniami teoretycznymi, będzie można mówić o prawdziwym przełomie. W końcu turbiny są wykorzystywane nie tylko w transporcie, ale także w energetyce, w której wzrost wydajności może mieć jeszcze silniejszy efekt.
Użyte materiały:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
Silnik detonacyjny zwiększy prędkość samolotu od Mach 5 do Mach 8.
Detonacja to eksplozja. Czy da się to opanować? Czy na bazie takich silników można stworzyć broń hipersoniczną? Jakie silniki rakietowe wyniosą niezamieszkane i załogowe pojazdy w bliski kosmos? To była nasza rozmowa z zastępcą dyrektora generalnego - głównym projektantem „NPO Energomash imienia akademika V.P. Głuszki” Piotra Lewoczkina.
Petr Sergeevich, jakie możliwości otwierają nowe silniki?
Piotr Lewoczkin: Jeśli mówimy o perspektywie krótkoterminowej, dzisiaj pracujemy nad silnikami do takich rakiet, jak Angara A5V i Sojuz-5, a także innych, które są na etapie wstępnego projektowania i są nieznane ogółowi społeczeństwa. Ogólnie rzecz biorąc, nasze silniki są zaprojektowane do podnoszenia rakiety z powierzchni ciała niebieskiego. I może to być dowolny - ziemski, księżycowy, marsjański. Jeśli więc programy księżycowe czy marsjańskie zostaną zrealizowane, na pewno weźmiemy w nich udział.
Jaka jest sprawność nowoczesnych silników rakietowych i czy istnieją sposoby na ich poprawę?
Piotr Lewoczkin: Jeśli chodzi o energię i parametry termodynamiczne silników, można powiedzieć, że zarówno nasze, jak i najlepsze obecnie zagraniczne chemiczne silniki rakietowe osiągnęły pewną doskonałość. Na przykład kompletność spalania paliwa sięga 98,5 proc. Oznacza to, że prawie cała energia chemiczna paliwa w silniku jest przekształcana w energię cieplną strumienia gazu wychodzącego z dyszy.
Silniki można ulepszać na wiele sposobów. Obejmuje to zastosowanie bardziej energochłonnych komponentów paliwowych, wprowadzenie nowych konstrukcji obwodów oraz zwiększenie ciśnienia w komorze spalania. Kolejnym kierunkiem jest wykorzystanie nowych, w tym addytywnych, technologii w celu zmniejszenia pracochłonności, aw efekcie obniżenia kosztów silnika rakietowego. Wszystko to prowadzi do obniżenia kosztów produkcji ładunek.
Jednak po bliższym przyjrzeniu się staje się jasne, że zwiększanie charakterystyk energetycznych silników w tradycyjny sposób jest nieefektywne.
Użycie kontrolowanej eksplozji paliwa może nadać rakiecie prędkość ośmiokrotnie większą od prędkości dźwięku
Dlaczego?
Piotr Lewoczkin: Zwiększenie ciśnienia i przepływu paliwa w komorze spalania w naturalny sposób zwiększy ciąg silnika. Będzie to jednak wymagało zwiększenia grubości ścianek komory i pomp. W efekcie wzrasta złożoność konstrukcji i jej masa, a zysk energetyczny okazuje się niewielki. Gra nie będzie kosztować świeczki.
Oznacza to, że silniki rakietowe wyczerpały zasoby swojego rozwoju?
Piotr Lewoczkin: Nie na pewno w ten sposób. Mówienie język techniczny, można je poprawić zwiększając efektywność procesów wewnątrzruchowych. Istnieją cykle termodynamicznej konwersji energii chemicznej na energię wypływającego strumienia, które są znacznie wydajniejsze niż klasyczne spalanie paliwa rakietowego. Jest to cykl spalania detonacyjnego i zbliżony do niego cykl Humphreya.
Sam efekt detonacji paliwa odkrył nasz rodak - późniejszy akademik Jakow Borysowicz Zeldowicz już w 1940 roku. Realizacja tego efektu w praktyce zapowiadała bardzo duże perspektywy w nauce o rakietach. Nic dziwnego, że Niemcy w tych samych latach aktywnie badali proces detonacji spalania. Ale nie całkiem dalej udane eksperymenty nie poczynili żadnych postępów.
Obliczenia teoretyczne wykazały, że spalanie detonacyjne jest o 25 proc. wydajniejsze od cyklu izobarycznego, co odpowiada spalaniu paliwa pod stałym ciśnieniem, jakie jest realizowane w komorach nowoczesnych silników na paliwo ciekłe.
A jakie są zalety spalania detonacyjnego w porównaniu z klasycznym?
Piotr Lewoczkin: Klasyczny proces spalania jest poddźwiękowy. Detonacja - naddźwiękowa. Szybkość reakcji w małej objętości prowadzi do wydzielania ogromnego ciepła - jest ono kilka tysięcy razy większe niż w spalaniu poddźwiękowym, realizowanym w klasycznych silnikach rakietowych przy tej samej masie spalanego paliwa. A dla nas, inżynierów silników, oznacza to, że przy znacznie mniejszym silniku detonacyjnym i przy niewielkiej masie paliwa można uzyskać taki sam ciąg, jak w nowoczesnych ogromnych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe.
Nie jest tajemnicą, że silniki z detonacyjnym spalaniem paliwa są opracowywane również za granicą. Jakie są nasze stanowiska? Ustępujemy, idziemy na ich poziom czy jesteśmy w czołówce?
Piotr Lewoczkin: Nie poddamy się, to pewne. Ale też nie mogę powiedzieć, że jesteśmy w czołówce. Temat raczej zamknięty. Jednym z głównych sekretów technologicznych jest zapewnienie, aby paliwo i utleniacz silnika rakietowego nie paliły się, ale eksplodowały, nie niszcząc komory spalania. W rzeczywistości oznacza to, że prawdziwa eksplozja może być kontrolowana i zarządzana. Dla porównania: detonacja to spalanie paliwa przed naddźwiękową falą uderzeniową. Występuje detonacja pulsacyjna, gdy fala uderzeniowa porusza się wzdłuż osi komory i jedna zastępuje drugą, oraz detonacja ciągła (wirowa), gdy fale uderzeniowe w komorze poruszają się po okręgu.
O ile nam wiadomo, przeprowadzono badania eksperymentalne spalania detonacyjnego z udziałem Państwa specjalistów. Jakie wyniki uzyskano?
Piotr Lewoczkin: Prowadzono prace nad stworzeniem modelowej komory dla silnika rakietowego z detonacją cieczy. Pod patronatem Fundacji Studiów Zaawansowanych duża współpraca wiodąca ośrodki naukowe Rosja. Wśród nich Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Lavrentiev, MAI, „Keldysh Center”, Centralny Instytut Silników Lotniczych. LICZBA PI. Baranowa z Wydziału Mechaniki i Matematyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Zaproponowaliśmy użycie nafty jako paliwa i gazowego tlenu jako środka utleniającego. W toku badań teoretycznych i eksperymentalnych potwierdzono możliwość stworzenia detonacyjnego silnika rakietowego w oparciu o takie komponenty. Na podstawie uzyskanych danych opracowaliśmy, wyprodukowaliśmy i pomyślnie przetestowaliśmy modelową komorę detonacyjną o ciągu 2 ton i ciśnieniu w komorze spalania około 40 atm.
To zadanie zostało rozwiązane po raz pierwszy nie tylko w Rosji, ale także na świecie. Więc oczywiście były problemy. Po pierwsze wiążą się one z zapewnieniem stabilnej detonacji tlenu za pomocą nafty, po drugie z zapewnieniem niezawodnego chłodzenia ściany ogniowej komory bez chłodzenia kurtynowego i szeregiem innych problemów, których istota jest jasna tylko dla specjaliści.
Czy silnik detonacyjny może być używany w pociskach hipersonicznych?
Piotr Lewoczkin: Jest to możliwe i konieczne. Choćby dlatego, że spalanie w nim paliwa jest naddźwiękowe. A w tych silnikach, na których teraz próbują stworzyć kontrolowany samolot hipersoniczny, spalanie jest poddźwiękowe. A to stwarza wiele problemów. W końcu, jeśli spalanie w silniku jest poddźwiękowe, a silnik leci, powiedzmy, z prędkością Mach 5 (jeden Mach równa prędkości dźwięk), konieczne jest spowolnienie nadchodzącego przepływu powietrza do tryb dźwięku. W związku z tym cała energia tego opóźnienia jest przekształcana w ciepło, co prowadzi do dodatkowego przegrzania konstrukcji.
A w silniku detonacyjnym proces spalania zachodzi z prędkością co najmniej dwa i pół razy większą niż prędkość dźwięku. W związku z tym możemy zwiększyć prędkość samolotu o tę kwotę. Oznacza to, że mówimy już nie o pięciu, ale o ośmiu huśtawkach. Jest to rzeczywista prędkość, która jest obecnie osiągalna. samolot z silnikami hipersonicznymi, które będą wykorzystywać zasadę spalania detonacyjnego.
Piotr Lewoczkin: Ten skomplikowany problem. Właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego. Wciąż pozostaje wiele nieodkrytych obszarów poza nawiasami naszego badania. Dziś wspólnie z RSC Energia próbujemy ustalić, jak w przyszłości może wyglądać silnik jako całość z komorą detonacyjną w odniesieniu do górnych stopni.
Na jakich silnikach człowiek poleci na odległe planety?
Piotr Lewoczkin: Moim zdaniem jeszcze długo będziemy latać na tradycyjnych silnikach rakietowych, udoskonalając je. Chociaż oczywiście rozwijają się też inne rodzaje silników rakietowych, na przykład elektryczne silniki rakietowe (są one znacznie wydajniejsze niż silniki rakietowe - ich impuls właściwy jest 10 razy większy). Niestety, dzisiejsze silniki i rakiety nośne nie pozwalają nam mówić o rzeczywistości masowych lotów międzyplanetarnych, a tym bardziej międzygalaktycznych. Jak dotąd wszystko jest na poziomie fantazji: silniki fotonowe, teleportacja, lewitacja, fale grawitacyjne. Chociaż z drugiej strony, nieco ponad sto lat temu, pisma Juliusza Verne'a były postrzegane jako czysta fantazja. Być może rewolucyjny przełom w obszarze, w którym pracujemy, jest już niedaleko. W tym w zakresie praktycznego tworzenia rakiet wykorzystujących energię wybuchu.
Dossier „RG”
„Stowarzyszenie Naukowo-Produkcyjne Energomasz” zostało założone przez Walentyna Pietrowicza Głuszkę w 1929 roku. Teraz nosi jego imię. Tutaj opracowują i produkują silniki rakietowe na paliwo ciekłe do I, w niektórych przypadkach II stopni rakiet nośnych. NPO opracowała ponad 60 różnych silników odrzutowych na paliwo ciekłe. Pierwszy satelita został wystrzelony na silnikach Energomash, pierwszy człowiek poleciał w kosmos, wystrzelono pierwszy pojazd samobieżny Lunochod-1. Obecnie ponad dziewięćdziesiąt procent rakiet nośnych w Rosji startuje z silnikami zaprojektowanymi i wyprodukowanymi przez NPO Energomash.
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 ta sprawa 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.
Płyn silnik rakietowy- to taki duży i bardzo drogi palnik. 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 czasami unieść duża ilośćładowność - 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: 1934Dyskusja: 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%) »Odpowiedź
Silniki detonacyjne nazywane są silnikami w trybie normalnym, w których stosuje się spalanie detonacyjne paliwa. Sam silnik może być (teoretycznie) czymkolwiek - silnikiem spalinowym, odrzutowym, a nawet parowym. W teorii. Jednak do tej pory wszystkie znane komercyjnie akceptowalne silniki o takich trybach spalania paliwa, zwanych potocznie „wybuchowymi”, nie były stosowane ze względu na ich… mmm…. komercyjną niedopuszczalność..
Źródło:
Co daje zastosowanie spalanie detonacyjne w silnikach? Rażąco upraszczając i uogólniając, coś takiego:
Zalety
1. Zastąpienie konwencjonalnego spalania detonacją ze względu na specyfikę dynamiki gazu czoła fali uderzeniowej zwiększa teoretyczną maksymalną osiągalną kompletność spalania mieszanki, co umożliwia zwiększenie Sprawność silnika i zmniejszyć zużycie o około 5-20%. Dotyczy to wszystkich typów silników, zarówno silników spalinowych, jak i silników odrzutowych.
2. Szybkość spalania części mieszanki paliwowej wzrasta około 10-100 razy, co oznacza, że teoretycznie możliwe jest zwiększenie litrowej mocy silnika spalinowego (lub ciągu właściwego na kilogram masy dla silników odrzutowych) o mniej więcej tyle samo razy. Ten czynnik ma również znaczenie dla wszystkich typów silników.
3. Współczynnik ma znaczenie tylko dla silników odrzutowych wszystkich typów: ponieważ procesy spalania zachodzą w komorze spalania z prędkościami naddźwiękowymi, a temperatury i ciśnienia w komorze spalania wzrastają wielokrotnie, istnieje doskonała teoretyczna możliwość pomnożenia natężenie przepływu strumienia z dyszy. Co z kolei prowadzi do proporcjonalnego wzrostu ciągu, impulsu właściwego, sprawności i/lub zmniejszenia masy silnika i wymaganego paliwa.
Wszystkie te trzy czynniki są bardzo ważne, ale nie są rewolucyjne, ale, że tak powiem, z natury ewolucyjne. Rewolucyjny jest czwartym i piątym czynnikiem i dotyczy tylko silników odrzutowych:
4. Tylko zastosowanie technologii detonacyjnych umożliwia stworzenie uniwersalnego silnika odrzutowego o przepływie bezpośrednim (a zatem na utleniaczu atmosferycznym!) o dopuszczalnej masie, wielkości i ciągu, w celu praktycznego i wielkoskalowego rozwoju zasięgu do, naddźwiękowych i hipersonicznych prędkości 0-20 Mach.
5. Tylko technologie detonacyjne umożliwiają wyciśnięcie chemicznych silników rakietowych (pary paliwowo-utleniającej) parametry prędkości wymagane do ich szerokiego zastosowania w lotach międzyplanetarnych.
Pozycje 4 i 5. teoretycznie ujawniają nam a) tania droga w bliski kosmos, oraz b) drogę do załogowych startów na najbliższe planety, bez konieczności konstruowania monstrualnych superciężkich pojazdów nośnych ważących ponad 3500 ton.
Wady silników detonacyjnych wynikają z ich zalet:
Źródło:
1. Szybkość spalania jest tak duża, że najczęściej silniki te można zmusić do pracy tylko cyklicznej: wypalanie wlotu. Co najmniej trzykrotnie zmniejsza maksymalną osiągalną litrową moc i / lub ciąg, czasami pozbawiając samą ideę sensu.
2. Temperatury, ciśnienia i tempo ich wzrostu w komorze spalania silników detonacyjnych są takie, że wykluczają bezpośrednie użycie większości znanych nam materiałów. Wszystkie z nich są zbyt słabe, aby zbudować prosty, tani i wydajny silnik. Wymagana jest albo cała rodzina zasadniczo nowych materiałów, albo zastosowanie sztuczek projektowych, które nie zostały jeszcze opracowane. Nie mamy materiałów, a komplikacja projektu często sprawia, że cały pomysł nie ma sensu.
Istnieje jednak dziedzina, w której silniki detonacyjne są niezastąpione. Jest to ekonomicznie opłacalny hiperdźwięk atmosferyczny o zakresie prędkości 2-20 Max. Dlatego walka toczy się na trzech frontach:
1. Utwórz schemat silnika za pomocą ciągła detonacja w komorze spalania. Co wymaga superkomputerów i nietrywialnych podejść teoretycznych do obliczenia ich hemodynamiki. Na tym polu przeklęte pikowane kurtki jak zwykle objęły prowadzenie i po raz pierwszy na świecie teoretycznie pokazały, że ciągła delegacja jest generalnie możliwa. Wynalazek, odkrycie, patent – wszystko. I zaczęli robić praktyczną konstrukcję z zardzewiałych rur i nafty.
2. Stworzenie konstruktywne rozwiązania zrobienie możliwe zastosowania klasyczne materiały. Przeklnijcie pikowane kurtki z pijanymi misiami, a tutaj jako pierwsi wymyślili i wykonali laboratoryjny wielokomorowy silnik, który działa już dowolnie długo. Ciąg jest jak w silniku Su27, a waga jest taka, że 1 (jeden!) dziadek trzyma go w dłoniach. Ponieważ jednak wódka była przypalona, okazało się, że silnik chwilowo pulsuje. Z drugiej strony drań pracuje tak czysto, że da się go nawet włączyć w kuchni (gdzie pikowane kurtki faktycznie go popijały między wódką a bałałajką)
3. Tworzenie supermateriałów do przyszłych silników. Ten obszar jest najciaśniejszy i najbardziej tajny. Nie mam informacji o przełomach w nim.
Na podstawie powyższego należy rozważyć perspektywy detonacji, tłokowy silnik spalinowy. Jak wiadomo, wzrost ciśnienia w komorze spalania o klasycznych wymiarach, podczas detonacji w silniku spalinowym, większa prędkość dźwięk. Pozostając w tej samej konstrukcji, nie ma możliwości, aby tłok mechaniczny, nawet przy znacznych związanych masach, poruszał się w cylindrze z mniej więcej takimi samymi prędkościami. Taktowanie klasycznego układu również nie może działać z takimi prędkościami. Dlatego bezpośrednia konwersja klasycznego ICE na detonacyjny nie ma sensu z praktycznego punktu widzenia. Silnik wymaga przeprojektowania. Ale gdy tylko zaczniemy to robić, okazuje się, że tłok w tej konstrukcji jest po prostu dodatkowe szczegóły. Dlatego IMHO detonacja tłoka ICE to anachronizm.
W rzeczywistości zamiast stałego czołowego płomienia w strefie spalania powstaje fala detonacyjna, pędząca z prędkością ponaddźwiękową. W takiej fali sprężania następuje detonacja paliwa i utleniacza, proces ten z punktu widzenia termodynamiki zwiększa sprawność silnika o rząd wielkości, ze względu na zwartość strefy spalania.
Co ciekawe, w 1940 roku radziecki fizyk Ya.B. Zel'dovich zaproponował ideę silnika detonacyjnego w artykule „O wykorzystaniu energii spalania detonacyjnego”. Od tego czasu wielu naukowców z różne kraje, potem Stany Zjednoczone, potem Niemcy, potem wystąpili nasi rodacy.
Latem, w sierpniu 2016 roku, rosyjskim naukowcom udało się stworzyć pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik odrzutowy na paliwo ciekłe, działający na zasadzie detonacyjnego spalania paliwa. Nasz kraj w końcu ustanowił światowy priorytet w rozwoju najnowszych technologii na wiele lat po pierestrojce.
Dlaczego jest tak dobrze nowy silnik? Silnik odrzutowy wykorzystuje energię uwalnianą podczas spalania mieszanki pod stałym ciśnieniem i przy stałym froncie płomienia. Podczas spalania mieszanina gazowa paliwa i utleniacza gwałtownie podnosi temperaturę, a kolumna płomienia wydobywająca się z dyszy tworzy ciąg strumienia.
Podczas spalania detonacyjnego produkty reakcji nie mają czasu na zapadnięcie się, ponieważ proces ten przebiega 100 razy szybciej niż deflagracja, a ciśnienie wzrasta gwałtownie, a objętość pozostaje niezmieniona. Uwolnienie tak dużej ilości energii może wręcz zniszczyć silnik samochodu, dlatego taki proces często kojarzy się z wybuchem.
W rzeczywistości zamiast stałego czołowego płomienia w strefie spalania powstaje fala detonacyjna, pędząca z prędkością ponaddźwiękową. W takiej fali sprężania następuje detonacja paliwa i utleniacza, proces ten z punktu widzenia termodynamiki zwiększa sprawność silnika o rząd wielkości, ze względu na zwartość strefy spalania. Dlatego eksperci tak gorliwie przystąpili do opracowania tego pomysłu.W konwencjonalnym silniku rakietowym, który jest zasadniczo dużym palnikiem, najważniejsza jest nie komora spalania i dysza, ale turbopompa paliwowa (TNA), która wytwarza takie ciśnienie, że paliwo wnika do komory. Na przykład w rosyjskim silniku rakietowym RD-170 dla pojazdów nośnych Energia ciśnienie w komorze spalania wynosi 250 atm, a pompa dostarczająca utleniacz do strefy spalania musi wytworzyć ciśnienie 600 atm.
W silniku detonacyjnym ciśnienie jest wytwarzane przez samą detonację, która reprezentuje przemieszczającą się falę sprężania w mieszance paliwowej, w której ciśnienie bez TNA jest już 20 razy większe, a turbopompy są zbędne. Żeby było jasne, American Shuttle ma ciśnienie w komorze spalania 200 atmosfer, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atmosfer do dostarczenia mieszanki - to jest jak pompka rowerowa i elektrownia wodna Sayano-Shushenskaya.
W tym przypadku silnik detonacyjny jest nie tylko prostszy i o rząd wielkości tańszy, ale znacznie mocniejszy i oszczędniejszy niż konwencjonalny silnik rakietowy.Problem współsterowania z falą detonacyjną pojawił się na drodze do wdrożenia projekt silnika detonacyjnego. Zjawisko to to nie tylko fala uderzeniowa, która ma prędkość dźwięku, ale fala detonacyjna rozchodząca się z prędkością 2500 m/s, nie ma w niej stabilizacji czoła płomienia, dla każdego pulsowania następuje aktualizacja mieszanki i fala zaczyna się od nowa.
Wcześniej rosyjscy i francuscy inżynierowie opracowali i zbudowali pulsujące silniki odrzutowe, ale nie na zasadzie detonacji, ale na podstawie zwykłej pulsacji spalania. Charakterystyki takich PUVRD były niskie, a kiedy konstruktorzy silników opracowali pompy, turbiny i sprężarki, nadeszła era silników odrzutowych i LRE, a pulsacyjne pozostały na marginesie postępu. Bystre głowy nauki próbowały połączyć spalanie detonacyjne z PUVRD, ale częstotliwość pulsacji konwencjonalnego frontu spalania wynosi nie więcej niż 250 na sekundę, a front detonacyjny ma prędkość do 2500 m/s i częstotliwość pulsacji osiąga kilka tysięcy na sekundę. Niemożliwe wydawało się zrealizowanie takiego tempa wymiany mieszanki i jednoczesne zainicjowanie detonacji.
W USA udało się zbudować taki pulsujący silnik detonacyjny i przetestować go w powietrzu, jednak działał on tylko przez 10 sekund, ale priorytetem pozostali amerykańscy konstruktorzy. Ale już w latach 60. ubiegłego wieku radziecki naukowiec B.V. Voitsekhovsky i prawie w tym samym czasie Amerykanin z University of Michigan, J. Nichols, wpadli na pomysł zapętlenia fali detonacyjnej w komorze spalania.
Jak działa silnik rakiety detonacyjnej
Taki silnik rotacyjny składał się z pierścieniowej komory spalania z dyszami umieszczonymi wzdłuż jej promienia do dostarczania paliwa. Fala detonacyjna przebiega jak wiewiórka w kole po obwodzie, mieszanka paliwowa jest sprężana i wypalana, wypychając produkty spalania przez dyszę. W silniku spinowym uzyskujemy częstotliwość wirowania fali rzędu kilku tysięcy na sekundę, jego działanie jest podobne do procesu pracy silnika rakietowego, tylko wydajniej, ze względu na detonację mieszanki paliwowej.
W ZSRR i USA, a później w Rosji trwają prace nad stworzeniem obrotowego silnika detonacyjnego z falą ciągłą, aby zrozumieć procesy zachodzące w jego wnętrzu, dla których stworzono całą naukę o kinetyce fizycznej i chemicznej. Do obliczenia warunków fali nietłumionej potrzebne były potężne komputery, które powstały dopiero niedawno.
W Rosji wiele instytutów badawczych i biur projektowych pracuje nad projektem takiego silnika spinowego, w tym firma produkująca silniki przemysłu kosmicznego NPO Energomash. Z pomocą w opracowaniu takiego silnika przyszła Fundacja Zaawansowanych Badań, ponieważ uzyskanie dofinansowania z Ministerstwa Obrony jest niemożliwe – potrzebują tylko gwarantowanego wyniku.
Niemniej jednak podczas testów w Chimkach w Energomaszu zarejestrowano stały stan ciągłej detonacji wirowania - 8 tysięcy obrotów na sekundę na mieszance tlenu i nafty. Jednocześnie fale detonacyjne równoważyły fale wibracyjne, a powłoki termoizolacyjne wytrzymywały wysokie temperatury.
Ale nie schlebiaj sobie, ponieważ jest to tylko silnik demonstracyjny, który działał bardzo krótko i nic nie zostało jeszcze powiedziane o jego właściwościach. Ale najważniejsze jest to, że udowodniono możliwość tworzenia spalania detonacyjnego i pełnowymiarowego wirować silnik to w Rosji na zawsze pozostanie w historii nauki.
