Publikácia Military-Industrial Courier prináša skvelé správy z oblasti prelomových raketových technológií. Detonácia raketový motor vicepremiér Dmitrij Rogozin uviedol v piatok na svojej facebookovej stránke.
„Takzvané detonačné raketové motory vyvinuté v rámci programu Advanced Research Foundation boli úspešne testované,“ cituje Interfax-AVN podpredsedu vlády.
Predpokladá sa, že detonačný raketový motor je jedným zo spôsobov implementácie konceptu takzvaného motorického hyperzvuku, teda vytvorenia hypersonického lietadla schopný vďaka vlastný motor dosahujú rýchlosti Mach 4 - 6 (Mach je rýchlosť zvuku).
Portál russia-reborn.ru poskytuje rozhovor s jedným z popredných špecializovaných špecialistov na motory v Rusku ohľadom detonačných raketových motorov.
Rozhovor s Pyotrom Levochkinom, hlavným dizajnérom NPO Energomash pomenovaný po akademikovi V. P. Glushkovi.
Vznikajú motory pre hypersonické rakety budúcnosti
Takzvané detonačné raketové motory boli úspešne testované, dávajú veľmi zaujímavé výsledky. Vývojové práce v tomto smere budú pokračovať.
Detonácia je výbuch. Dá sa to zvládnuť? Je možné vytvoriť hypersonické zbrane založené na takýchto motoroch? Aké raketové motory vynesú neobývané a pilotované vozidlá do blízkeho vesmíru? O tom bol náš rozhovor so zástupcom generálneho riaditeľa - hlavným projektantom NPO Energomash pomenovaným po akademikovi V. P. Glushkovi, Petrovi Levochkinovi.
Petr Sergejevič, aké príležitosti otvárajú nové motory?
Petr Levochkin: Ak hovoríme o blízkej budúcnosti, dnes pracujeme na motoroch pre rakety ako Angara A5V a Sojuz-5, ako aj ďalšie, ktoré sú v štádiu predbežného návrhu a širokej verejnosti neznáme. Vo všeobecnosti sú naše motory navrhnuté tak, aby zdvihli raketu z povrchu nebeského telesa. A môže to byť čokoľvek – pozemské, mesačné, marťanské. Ak sa teda budú realizovať lunárne alebo marťanské programy, určite sa ich zúčastníme.
Aká je účinnosť moderných raketových motorov a existujú spôsoby, ako ich zlepšiť?
Petr Levochkin: Ak hovoríme o energii a termodynamické parametre motory, potom môžeme povedať, že naše, ako aj najlepšie zahraničné chemické raketové motory súčasnosti, dotiahli určitú dokonalosť. Napríklad úplnosť spaľovania paliva dosahuje 98,5 percenta. To znamená, že takmer všetka chemická energia paliva v motore sa premení na tepelnú energiu prúdu plynu prúdiaceho z dýzy.
Motory sa dajú vylepšiť v rôznych smeroch. To zahŕňa použitie energeticky náročnejších komponentov paliva, zavedenie nových riešení okruhov a zvýšenie tlaku v spaľovacej komore. Ďalším smerom je použitie nových, vrátane aditívnych, technológií s cieľom znížiť náročnosť práce a v dôsledku toho znížiť náklady na raketový motor. To všetko vedie k zníženiu nákladov na výstup užitočné zaťaženie.
Pri bližšom skúmaní sa však ukazuje, že zvyšovanie energetických charakteristík motorov tradičným spôsobom je neúčinné.
Použitie riadenej explózie pohonnej látky môže poskytnúť rakete rýchlosť osemkrát vyššiu ako rýchlosť zvuku
prečo?
Petr Levochkin: Zvýšením tlaku a prietoku paliva v spaľovacej komore sa zákonite zvýši ťah motora. To si však bude vyžadovať zvýšenie hrúbky stien komory a čerpadiel. V dôsledku toho sa zvyšuje zložitosť konštrukcie a jej hmotnosť, energetický zisk nie je taký veľký. Hra nebude stáť za sviečku.
To znamená, že raketové motory vyčerpali svoje vývojové zdroje?
Petr Levochkin: Nie tak celkom. Zjednodušene povedané technický jazyk, možno ich zlepšiť zvýšením účinnosti intramotorických procesov. Existujú cykly termodynamickej premeny chemickej energie na energiu vytekajúceho prúdu, ktoré sú oveľa efektívnejšie ako klasické spaľovanie raketového paliva. Ide o detonačný spaľovací cyklus a s ním úzko súvisiaci Humphreyov cyklus.
Samotný efekt detonácie paliva objavil náš krajan – neskorší akademik Jakov Borisovič Zeldovič ešte v roku 1940. Implementácia tohto efektu v praxi sľubovala veľmi veľké vyhliadky v raketovej vede. Nie je prekvapujúce, že v tých istých rokoch Nemci aktívne študovali proces detonačného spaľovania. Ale už nie tak celkom úspešné experimenty neurobili žiadny pokrok.
Teoretické výpočty ukázali, že detonačné spaľovanie je o 25 percent efektívnejšie ako izobarický cyklus zodpovedajúci spaľovaniu paliva pri konštantnom tlaku, ktorý sa realizuje v komorách moderných motorov na kvapalné palivo.
Aké sú výhody detonačného spaľovania v porovnaní s klasickým spaľovaním?
Petr Levochkin: Klasický proces spaľovania je podzvukový. Detonácia - nadzvuková. Rýchlosť reakcie v malom objeme vedie k enormnému uvoľňovaniu tepla - je niekoľkotisíckrát vyššie ako pri podzvukovom spaľovaní, realizované v klasických raketových motoroch s rovnakou hmotnosťou horiaceho paliva. A pre nás, motorových inžinierov, to znamená, že s výrazne menšími rozmermi detonačného motora a s nízkou hmotnosťou paliva môžeme získať rovnaký ťah ako v obrovských moderných raketových motoroch na kvapalné palivo.
Nie je žiadnym tajomstvom, že motory s detonačným spaľovaním paliva sa vyvíjajú aj v zahraničí. Aké sú naše pozície? Sme menejcenní, sme na ich úrovni, alebo vedieme?
Petr Levochkin: Nevzdávame sa – to je isté. Ale nemôžem povedať, že sme vo vedení. Téma je dosť uzavretá. Jedným z hlavných technologických tajomstiev je, ako zabezpečiť, aby palivo a okysličovadlo raketového motora nezhoreli, ale explodovali, bez zničenia spaľovacej komory. To znamená, aby bol skutočný výbuch riadený a zvládnuteľný. Pre informáciu: detonácia je spaľovanie paliva v prednej časti nadzvukovej rázovej vlny. Rozlišuje sa pulzná detonácia, kedy sa rázová vlna pohybuje po osi komory a jedna nahrádza druhú, ako aj kontinuálna (spinová) detonácia, kedy sa rázové vlny v komore pohybujú v kruhu.
Pokiaľ vieme, experimentálne štúdie detonačného spaľovania boli vykonané za účasti vašich špecialistov. Aké výsledky sa dosiahli?
Petr Levochkin: Pracovalo sa na vytvorení modelovej komory raketového motora s kvapalinovou detonáciou. Na projekte pracovala veľká spolupráca popredných vedcov pod patronátom Nadácie pre pokročilý výskum vedeckých centier Rusko. Medzi nimi je pomenovaný Ústav hydrodynamiky. M.A. Lavrentiev, MAI, „Keldysh Center“, Ústredný inštitút strojárstva leteckých motorov pomenovaný po. P.I. Baranova, Fakulta mechaniky a matematiky Moskovskej štátnej univerzity. Navrhli sme použiť ako palivo petrolej a ako okysličovadlo plynný kyslík. V procese teoretického a experimentálneho výskumu sa potvrdila možnosť vytvorenia detonačného raketového motora pomocou takýchto komponentov. Na základe získaných údajov sme vyvinuli, vyrobili a úspešne otestovali modelovú detonačnú komoru s ťahom 2 tony a tlakom v spaľovacej komore cca 40 atm.
Tento problém bol vyriešený prvýkrát nielen v Rusku, ale aj vo svete. Takže, samozrejme, boli problémy. Jednak súvisí so zabezpečením stabilnej detonácie kyslíka petrolejom a jednak so zabezpečením spoľahlivého chladenia požiarnej steny komory bez chladenia clonou a množstva ďalších problémov, ktorých podstata je pochopiteľná len pre odborníkov.
Môže byť detonačný motor použitý v hypersonických raketách?
Petr Levochkin: Je to možné aj nevyhnutné. Už len preto, že spaľovanie paliva v ňom je nadzvukové. A v tých motoroch, na ktorých sa teraz snažia vytvoriť riadené hypersonické lietadlá, je spaľovanie podzvukové. A to vytvára veľa problémov. Ak je totiž spaľovanie v motore podzvukové a motor letí povedzme rýchlosťou päť machov (jeden mach rovná rýchlosti zvuk), musíte spomaliť prichádzajúci prúd vzduchu, kým zvukový režim. V súlade s tým sa všetka energia tohto brzdenia premení na teplo, čo vedie k dodatočnému prehriatiu konštrukcie.
A v detonačnom motore proces spaľovania prebieha rýchlosťou najmenej dva a pol krát vyššou ako rýchlosť zvuku. A podľa toho môžeme o túto čiastku zvýšiť rýchlosť lietadla. To znamená, že už nehovoríme o piatich, ale o ôsmich výkyvoch. To je v súčasnosti dosiahnuteľná rýchlosť lietadiel s hypersonickými motormi, ktoré budú využívať princíp detonačného spaľovania.
Petr Levochkin: Toto je komplexná problematika. Práve sme otvorili dvere do oblasti detonačného spaľovania. Je toho ešte veľa, čo zostáva nepreskúmané nad rámec nášho výskumu. Dnes sa spolu s RSC Energia snažíme určiť, ako by mohol v budúcnosti vyzerať motor ako celok s detonačnou komorou vo vzťahu k horným stupňom.
Na akých motoroch bude človek lietať na vzdialené planéty?
Petr Levochkin: Podľa mňa budeme ešte dlho lietať na tradičných raketových motoroch na kvapalné palivo, ktoré budeme vylepšovať. Aj keď sa určite vyvíjajú aj iné typy raketových motorov, napríklad elektrické raketové motory (sú oveľa efektívnejšie ako kvapalné raketové motory - ich špecifický impulz je 10x vyšší). Bohužiaľ, dnešné motory a nosné rakety nám neumožňujú hovoriť o realite masových medziplanetárnych, a ešte viac medzigalaktických letov. Všetko je tu stále na úrovni fantázie: fotónové motory, teleportácia, levitácia, gravitačné vlny. Aj keď na druhej strane, len niečo vyše sto rokov, boli diela Julesa Verna vnímané ako čistá fantasy. Azda revolučný prelom v oblasti, v ktorej pracujeme, na seba nenechá dlho čakať. Vrátane oblasti praktickej tvorby rakiet s využitím energie výbuchu.
Dokument "RG":
„Výskumné a výrobné združenie Energomash“ založil Valentin Petrovič Glushko v roku 1929. Teraz nesie jeho meno. Tu vyvíjajú a vyrábajú kvapalné raketové motory pre prvý a v niektorých prípadoch aj druhý stupeň nosných rakiet. NPO vyvinula viac ako 60 rôznych kvapalinových prúdových motorov. Prvý satelit bol vypustený pomocou motorov Energomash, prvý človek letel do vesmíru a bolo vypustené prvé samohybné vozidlo Lunokhod-1. Dnes viac ako deväťdesiat percent nosných rakiet v Rusku štartuje pomocou motorov vyvinutých a vyrobených v NPO Energomash.
Skúšky detonačných motorov
FPI_RUSSIA / Vimeo
Špecializované laboratórium "Detonation liquid raketové motory" vedeckého a výrobného združenia "Energomash" testovalo prvé demonštrátory technológií detonačných kvapalných raketových motorov na svete v plnej veľkosti. Ako uvádza agentúra TASS, nové elektrárne fungujú na palivovom páre kyslík-kerozín.
Nový motor na rozdiel od iných elektrární fungujúcich na princípe vnútorné spaľovanie, funguje v dôsledku detonácie paliva. Detonácia je nadzvukové spaľovanie akejkoľvek látky, v v tomto prípade palivovej zmesi. V tomto prípade sa zmesou šíri rázová vlna, po ktorej nasleduje uvoľnenie chemickej reakcie veľké množstvá teplo.
Štúdium princípov činnosti a vývoj detonačných motorov sa v niektorých krajinách sveta uskutočňuje už viac ako 70 rokov. Prvé takéto práce začali v Nemecku v 40. rokoch 20. storočia. Je pravda, že v tom čase vedci nedokázali vytvoriť funkčný prototyp detonačného motora, ale boli vyvinuté a sériovo vyrábané pulzujúce motory dýchajúce vzduch. Boli inštalované na raketách V-1.
Pulzujúce prúdové motory spaľovali palivo podzvukovou rýchlosťou. Toto spaľovanie sa nazýva deflagrácia. Motor sa nazýva pulzujúci motor, pretože palivo a okysličovadlo sa do jeho spaľovacej komory dodávajú v malých dávkach v pravidelných intervaloch.
Tlaková mapa v spaľovacej komore rotačného detonačného motora. A - detonačná vlna; B - zadná predná časť rázovej vlny; C - zmiešavacia zóna čerstvých a starých produktov spaľovania; D - oblasť plnenia palivovou zmesou; E - oblasť nedetonovanej spálenej palivovej zmesi; F - expanzná zóna s odpálenou zmesou paliva
Detonačné motory sa dnes delia na dva hlavné typy: pulzné a rotačné. Posledne menované sa tiež nazývajú spin. Princíp činnosti impulzných motorov je podobný ako pri impulzných motoroch. motory dýchajúce vzduch. Hlavným rozdielom je detonačné spaľovanie palivovej zmesi v spaľovacej komore.
Rotačné detonačné motory využívajú prstencovú spaľovaciu komoru, do ktorej je palivová zmes privádzaná postupne cez radiálne usporiadané ventily. V takýchto elektrárňach detonácia nezomrie - detonačná vlna „prebieha“ okolo prstencovej spaľovacej komory a palivová zmes za ňou má čas na obnovu. Rotačný motor prvýkrát sa začali študovať v ZSSR v 50. rokoch 20. storočia.
Detonačné motory sú schopné pracovať v širokom rozsahu letových rýchlostí - od nuly do piatich Machových čísel (0-6,2 tisíc kilometrov za hodinu). Predpokladá sa, že takéto elektrárne dokážu vyrábať viac energie, spotrebuje menej paliva ako bežné prúdové motory. Konštrukcia detonačných motorov je zároveň pomerne jednoduchá: nemajú kompresor a veľa pohyblivých častí.
Všetky doteraz testované detonačné motory boli vyvinuté pre experimentálne lietadlá. Takto testované v Rusku Power Point je prvý určený pre inštaláciu na raketu. Aký typ detonačného motora bol testovaný, nie je špecifikované.
Prieskum vesmíru je nedobrovoľne spojený s vesmírne lode. Srdcom každej nosnej rakety je jej motor. Musí dosiahnuť prvú únikovú rýchlosť – asi 7,9 km/s – aby dopravila astronautov na obežnú dráhu, a druhú únikovú rýchlosť, aby prekonala gravitačné pole planéty.
Dosiahnuť to nie je jednoduché, no vedci neustále hľadajú nové spôsoby, ako tento problém vyriešiť. Konštruktéri z Ruska zašli ešte ďalej a podarilo sa im vyvinúť detonačný raketový motor, ktorého testy skončili úspechom. Tento úspech možno nazvať skutočným prielomom v oblasti vesmírneho inžinierstva.
Nové príležitosti
Prečo sa obviňujú detonačné motory? veľké nádeje? Podľa výpočtov vedcov bude ich výkon 10-tisíckrát väčší ako výkon existujúcich raketových motorov. Zároveň veľa spotrebujú menej paliva a ich výroba sa vyznačuje nízkymi nákladmi a ziskovosťou. S čím to súvisí?
Všetko je to o oxidačnej reakcii paliva. Ak moderné rakety používajú deflagračný proces - pomalé (podzvukové) spaľovanie paliva pri konštantnom tlaku, potom funguje detonačný raketový motor v dôsledku výbuchu, detonácie horľavá zmes. Horí nadzvukovou rýchlosťou, pričom súčasne so šírením rázovej vlny uvoľňuje obrovské množstvo tepelnej energie.
Vývoj a testovanie Ruská verzia Detonačný motor študovalo špecializované laboratórium „Detonačné kvapalné raketové motory“ ako súčasť výrobného komplexu Energomash.
Prevaha nových motorov
Poprední svetoví vedci študujú a vyvíjajú detonačné motory už 70 rokov. Hlavným dôvodom, ktorý bráni vytvoreniu tohto typu motora, je nekontrolované samovznietenie paliva. Okrem toho boli na programe úlohy efektívneho miešania paliva a okysličovadla, ako aj integrácia dýzy a prívodu vzduchu.
Po vyriešení týchto problémov bude možné vytvoriť detonačný raketový motor, ktorý svojím vlastným spôsobom Technické špecifikácie predbehne čas. Vedci zároveň nazývajú tieto výhody:
- Schopnosť dosiahnuť rýchlosti v podzvukových a nadzvukových rozsahoch.
- Odstránenie mnohých pohyblivých častí z dizajnu.
- Nižšia hmotnosť a náklady na elektráreň.
- Vysoká termodynamická účinnosť.
Serial tento typ motor sa nevyrábal. Prvýkrát bol testovaný na nízko letiacich lietadlách v roku 2008. Detonačný motor pre nosné rakety prvýkrát testovali ruskí vedci. Preto sa tejto udalosti pripisuje taký veľký význam.
Princíp činnosti: pulzný a kontinuálny
V súčasnosti vedci vyvíjajú inštalácie s pulzným a nepretržitým pracovným tokom. Princíp činnosti detonačného raketového motora s impulzným pracovným obvodom je založený na cyklickom plnení spaľovacej komory horľavou zmesou, jej postupnom zapaľovaní a uvoľňovaní splodín horenia do okolia.
V súlade s tým je v kontinuálnom prevádzkovom procese palivo dodávané kontinuálne do spaľovacej komory, palivo horí v jednej alebo viacerých detonačných vlnách, ktoré nepretržite cirkulujú cez prúd. Výhody takýchto motorov sú:
- Jednorazové zapálenie paliva.
- Relatívne jednoduchý dizajn.
- Malé rozmery a hmotnosť inštalácií.
- Efektívnejšie využitie horľavej zmesi.
- Nízka hladina hluku, vibrácií a škodlivých emisií.
V budúcnosti, využívajúc tieto výhody, kontinuálny detonačný kvapalný raketový motor nahradí všetky existujúce inštalácie kvôli svojej hmotnosti, veľkosti a nákladovým charakteristikám.
Skúšky detonačných motorov
Prvé testy domácej detonačnej inštalácie sa uskutočnili v rámci projektu Ministerstva školstva a vedy. Prezentované ako prototyp malý motor so spaľovacou komorou s priemerom 100 mm a šírkou prstencového kanála 5 mm. Testy sa vykonávali na špeciálnom stojane, pri práci sa zaznamenávali ukazovatele rôzne druhy horľavá zmes - vodík-kyslík, zemný plyn-kyslík, propán-bután-kyslík.
Testy detonačného raketového motora využívajúceho kyslíkovo-vodíkové palivo dokázali, že termodynamický cyklus týchto zariadení je o 7 % efektívnejší ako pri prevádzke iných zariadení. Okrem toho sa experimentálne potvrdilo, že s nárastom množstva dodávaného paliva sa zvyšuje ťah, ako aj počet detonačných vĺn a rýchlosť otáčania.
Analógy v iných krajinách
Vedci z popredných krajín sveta vyvíjajú detonačné motory. Najväčší úspech v tomto smere dosiahli dizajnéri z USA. Vo svojich modeloch implementovali kontinuálny spôsob práce, čiže rotačný. Americká armáda plánuje použiť tieto zariadenia na vybavenie povrchových lodí. Vďaka nižšej hmotnosti a malým rozmerom s vysokým výstupným výkonom pomôžu zvýšiť efektivitu bojových člnov.
Americký detonačný raketový motor využíva na svoju činnosť stechiometrickú zmes vodíka a kyslíka. Výhody takéhoto zdroja energie sú predovšetkým ekonomické – spáli sa len toľko kyslíka, koľko je potrebné na oxidáciu vodíka. Americká vláda v súčasnosti vynakladá niekoľko miliárd dolárov na zabezpečenie uhlíkového paliva pre vojnové lode. Stechiometrické palivo niekoľkonásobne zníži náklady.
Ďalšie smery vývoja a perspektívy
Nové údaje získané ako výsledok testovania detonačných motorov určili použitie zásadne nových metód na zostavenie schémy prevádzky kvapalného paliva. Aby však takéto motory fungovali, musia mať vysokú tepelnú odolnosť kvôli veľkému množstvu uvoľnenej tepelnej energie. V súčasnosti sa vyvíja špeciálny náter, ktorý zabezpečí funkčnosť spaľovacej komory pod vplyvom vysokej teploty.
Špeciálne miesto v daľší výskum zahŕňa vytvorenie miešacích hláv, pomocou ktorých bude možné získať kvapôčky horľavého materiálu danej veľkosti, koncentrácie a zloženia. Na vyriešenie týchto problémov bude vytvorený nový detonačný kvapalný raketový motor, ktorý sa stane základom novej triedy nosných rakiet.
Rusko úspešne otestovalo detonačné raketové motory. V rozhovore pre RG hovoril o tom, či je možné na ich základe vytvoriť hypersonické zbrane. hlavný dizajnér"NPO Energomash pomenovaný po akademikovi V.P. Glushkovi" Petr Levochkin 19. januára 2018, 10:48
Takzvané detonačné raketové motory boli úspešne testované a priniesli veľmi zaujímavé výsledky. Vývojové práce v tomto smere budú pokračovať.
Detonácia je výbuch. Dá sa to zvládnuť? Je možné vytvoriť hypersonické zbrane založené na takýchto motoroch? Aké raketové motory vynesú neobývané a pilotované vozidlá do blízkeho vesmíru? O tom bol náš rozhovor so zástupcom generálneho riaditeľa - hlavným projektantom NPO Energomash pomenovaným po akademikovi V. P. Glushkovi, Petrovi Levochkinovi.
Petr Sergejevič, aké príležitosti otvárajú nové motory?
Petr Levochkin: Ak hovoríme o blízkej budúcnosti, dnes pracujeme na motoroch pre rakety ako Angara A5V a Sojuz-5, ako aj ďalšie, ktoré sú v štádiu predbežného návrhu a širokej verejnosti neznáme. Vo všeobecnosti sú naše motory navrhnuté tak, aby zdvihli raketu z povrchu nebeského telesa. A môže to byť čokoľvek – pozemské, mesačné, marťanské. Ak sa teda budú realizovať lunárne alebo marťanské programy, určite sa ich zúčastníme.
Aká je účinnosť moderných raketových motorov a existujú spôsoby, ako ich zlepšiť?
Petr Levochkin: Ak hovoríme o energetických a termodynamických parametroch motorov, tak môžeme povedať, že naše, ale aj najlepšie zahraničné chemické raketové motory súčasnosti dotiahli určitú dokonalosť. Napríklad úplnosť spaľovania paliva dosahuje 98,5 percenta. To znamená, že takmer všetka chemická energia paliva v motore sa premení na tepelnú energiu prúdu plynu prúdiaceho z dýzy.
Motory sa dajú vylepšiť v rôznych smeroch. To zahŕňa použitie energeticky náročnejších komponentov paliva, zavedenie nových riešení okruhov a zvýšenie tlaku v spaľovacej komore. Ďalším smerom je použitie nových, vrátane aditívnych, technológií s cieľom znížiť náročnosť práce a v dôsledku toho znížiť náklady na raketový motor. To všetko vedie k zníženiu nákladov na spustené užitočné zaťaženie.
Pri bližšom skúmaní sa však ukazuje, že zvyšovanie energetických charakteristík motorov tradičným spôsobom je neúčinné.
Použitie riadenej explózie pohonnej látky môže poskytnúť rakete rýchlosť osemkrát vyššiu ako rýchlosť zvuku
prečo?
Petr Levochkin: Zvýšením tlaku a prietoku paliva v spaľovacej komore sa zákonite zvýši ťah motora. To si však bude vyžadovať zvýšenie hrúbky stien komory a čerpadiel. V dôsledku toho sa zvyšuje zložitosť konštrukcie a jej hmotnosť, energetický zisk nie je taký veľký. Hra nebude stáť za sviečku.
To znamená, že raketové motory vyčerpali svoje vývojové zdroje?
Petr Levochkin: Nie tak celkom. Z technického hľadiska ich možno zlepšiť zvýšením účinnosti intramotorických procesov. Existujú cykly termodynamickej premeny chemickej energie na energiu vytekajúceho prúdu, ktoré sú oveľa efektívnejšie ako klasické spaľovanie raketového paliva. Ide o detonačný spaľovací cyklus a s ním úzko súvisiaci Humphreyov cyklus.
Samotný efekt detonácie paliva objavil náš krajan – neskorší akademik Jakov Borisovič Zeldovič ešte v roku 1940. Implementácia tohto efektu v praxi sľubovala veľmi veľké vyhliadky v raketovej vede. Nie je prekvapujúce, že v tých istých rokoch Nemci aktívne študovali proces detonačného spaľovania. Nepokročili však nad rámec nie celkom úspešných experimentov.
Teoretické výpočty ukázali, že detonačné spaľovanie je o 25 percent efektívnejšie ako izobarický cyklus zodpovedajúci spaľovaniu paliva pri konštantnom tlaku, ktorý sa realizuje v komorách moderných motorov na kvapalné palivo.
Aké sú výhody detonačného spaľovania v porovnaní s klasickým spaľovaním?
Petr Levochkin: Klasický proces spaľovania je podzvukový. Detonácia - nadzvuková. Rýchlosť reakcie v malom objeme vedie k enormnému uvoľňovaniu tepla - je niekoľkotisíckrát vyššie ako pri podzvukovom spaľovaní, realizované v klasických raketových motoroch s rovnakou hmotnosťou horiaceho paliva. A pre nás, motorových inžinierov, to znamená, že s výrazne menšími rozmermi detonačného motora a s nízkou hmotnosťou paliva môžeme získať rovnaký ťah ako v obrovských moderných raketových motoroch na kvapalné palivo.
Nie je žiadnym tajomstvom, že motory s detonačným spaľovaním paliva sa vyvíjajú aj v zahraničí. Aké sú naše pozície? Sme menejcenní, sme na ich úrovni, alebo vedieme?
Petr Levochkin: Nevzdávame sa – to je isté. Ale nemôžem povedať, že sme vo vedení. Téma je dosť uzavretá. Jedným z hlavných technologických tajomstiev je, ako zabezpečiť, aby palivo a okysličovadlo raketového motora nezhoreli, ale explodovali, bez zničenia spaľovacej komory. To znamená, aby bol skutočný výbuch riadený a zvládnuteľný. Pre informáciu: detonácia je spaľovanie paliva v prednej časti nadzvukovej rázovej vlny. Rozlišuje sa pulzná detonácia, kedy sa rázová vlna pohybuje po osi komory a jedna nahrádza druhú, ako aj kontinuálna (spinová) detonácia, kedy sa rázové vlny v komore pohybujú v kruhu.
Pokiaľ vieme, experimentálne štúdie detonačného spaľovania boli vykonané za účasti vašich špecialistov. Aké výsledky sa dosiahli?
Petr Levochkin: Pracovalo sa na vytvorení modelovej komory raketového motora s kvapalinovou detonáciou. Na projekte pracovala veľká spolupráca popredných vedeckých centier v Rusku pod patronátom Nadácie pre pokročilý výskum. Medzi nimi je pomenovaný Ústav hydrodynamiky. M.A. Lavrentiev, MAI, „Keldysh Center“, Ústredný inštitút strojárstva leteckých motorov pomenovaný po. P.I. Baranova, Fakulta mechaniky a matematiky Moskovskej štátnej univerzity. Navrhli sme použiť ako palivo petrolej a ako okysličovadlo plynný kyslík. V procese teoretického a experimentálneho výskumu sa potvrdila možnosť vytvorenia detonačného raketového motora pomocou takýchto komponentov. Na základe získaných údajov sme vyvinuli, vyrobili a úspešne otestovali modelovú detonačnú komoru s ťahom 2 tony a tlakom v spaľovacej komore cca 40 atm.
Tento problém bol vyriešený prvýkrát nielen v Rusku, ale aj vo svete. Takže, samozrejme, boli problémy. Jednak súvisí so zabezpečením stabilnej detonácie kyslíka petrolejom a jednak so zabezpečením spoľahlivého chladenia požiarnej steny komory bez chladenia clonou a množstva ďalších problémov, ktorých podstata je pochopiteľná len pre odborníkov.
Môže byť detonačný motor použitý v hypersonických raketách?
Petr Levochkin: Je to možné aj nevyhnutné. Už len preto, že spaľovanie paliva v ňom je nadzvukové. A v tých motoroch, na ktorých sa teraz snažia vytvoriť riadené hypersonické lietadlá, je spaľovanie podzvukové. A to vytvára veľa problémov. Ak je totiž spaľovanie v motore podzvukové a motor letí povedzme rýchlosťou päť machov (jeden mach sa rovná rýchlosti zvuku), treba prichádzajúci prúd vzduchu spomaliť na zvukový režim. V súlade s tým sa všetka energia tohto brzdenia premení na teplo, čo vedie k dodatočnému prehriatiu konštrukcie.
A v detonačnom motore proces spaľovania prebieha rýchlosťou najmenej dva a pol krát vyššou ako rýchlosť zvuku. A podľa toho môžeme o túto čiastku zvýšiť rýchlosť lietadla. To znamená, že už nehovoríme o piatich, ale o ôsmich výkyvoch. To je v súčasnosti dosiahnuteľná rýchlosť lietadiel s hypersonickými motormi, ktoré budú využívať princíp detonačného spaľovania.
Motory, ktoré využívajú detonačné spaľovanie paliva v normálnom režime, sa nazývajú detonačné motory. Samotný motor môže byť (teoreticky) čokoľvek – spaľovací motor, prúdový, alebo dokonca parný. Teoreticky. Doteraz sa však všetky známe komerčne prijateľné motory s takýmito režimami spaľovania paliva, bežne označovanými ako „výbuch“, nepoužívali z dôvodu ich... mmm... komerčnej neprijateľnosti.
Zdroj:
Čo dáva aplikácia detonačné spaľovanie v motoroch? Pre veľké zjednodušenie a zovšeobecnenie niečo také:
Výhody
1. Nahradením klasického spaľovania detonačným spaľovaním v dôsledku dynamiky plynov čela rázovej vlny sa zvyšuje teoretická maximálna dosiahnuteľná úplnosť spaľovania zmesi, čo umožňuje zvýšiť Účinnosť motora a znížiť spotrebu o cca 5-20%. To platí pre všetky typy motorov, spaľovacie aj prúdové motory.
2. Rýchlosť spaľovania časti palivovej zmesi sa zvýši asi 10-100 krát, čo znamená, že je teoreticky možné, aby spaľovací motor zvýšil litrový výkon (alebo špecifický ťah na kilogram hmotnosti pre prúdové motory) o približne rovnaké množstvo. Tento faktor je relevantný aj pre všetky typy motorov.
3. Faktor je relevantný len pre prúdové motory všetkých typov: keďže spaľovacie procesy prebiehajú v spaľovacej komore nadzvukovou rýchlosťou a teploty a tlaky v spaľovacej komore sa výrazne zvyšujú, je tu vynikajúca teoretická možnosť opakovane zvyšovať rýchlosť prúdu z trysky. Čo následne vedie k úmernému zvýšeniu ťahu, špecifického impulzu, účinnosti a/alebo zníženiu hmotnosti motora a potrebného paliva.
Všetky tieto tri faktory sú veľmi dôležité, no nie sú revolučné, ale takpovediac evolučné. Štvrtý a piaty faktor sú revolučné a vzťahujú sa len na prúdové motory:
4. Iba použitie detonačných technológií umožňuje vytvoriť priamoprúdový (a teda na atmosférickom okysličovadle!) univerzálny prúdový motor prijateľná hmotnosť, veľkosť a ťah, pre praktický a rozsiahly rozvoj rozsahu sub-, super- a hypersonických rýchlostí 0-20Max.
5. Len detonačné technológie umožňujú vytlačiť okysličovadlo paliva z chemických raketových motorov (parné okysličovadlo paliva) rýchlostné parametre potrebné na ich široké využitie pri medziplanetárnych letoch.
P.4 a 5. nám teoreticky prezrádzajú a) lacná cesta do blízkeho vesmíru a b) cesta k pilotovaným štartom k blízkym planétam bez potreby vyrábať monštruózne superťažké nosné rakety s hmotnosťou nad 3500 ton.
Nevýhody detonačných motorov vyplývajú z ich výhod:
Zdroj:
1. Rýchlosť spaľovania je taká vysoká, že tieto motory môžu byť najčastejšie prevádzkované iba cyklicky: sanie-spaľovanie-výfuk. Čo znižuje maximálny dosiahnuteľný litrový výkon a/alebo ťah najmenej trikrát, čo niekedy zmarí účel samotnej myšlienky.
2. Teploty, tlaky a rýchlosti ich nárastu v spaľovacej komore detonačných motorov sú také, že vylučujú priame použitie väčšiny nám známych materiálov. Všetky sú príliš slabé na to, aby postavili jednoduchý, lacný a efektívny motor. Vyžaduje sa buď celá rodina zásadne nových materiálov, alebo použitie zatiaľ neoverených dizajnérskych trikov. Nemáme materiály a opätovné skomplikovanie dizajnu často robí celý nápad bezvýznamným.
Existuje však oblasť, ktorej sa detonačné motory nevyhnú. Ide o ekonomicky realizovateľný atmosférický hyperzvuk s rozsahom otáčok 2-20 Max. Preto boj prebieha na troch frontoch:
1. Vytvorenie schémy motora s nepretržitá detonácia v spaľovacej komore. Čo si vyžaduje superpočítače a netriviálne teoretické prístupy na výpočet ich hemodynamiky. V tejto oblasti sa ako vždy ujali prvenstvo zatracované prešívané bundy, ktoré po prvý raz na svete teoreticky ukázali, že nepretržité delegovanie je vo všeobecnosti možné. Vynález, objav, patent – to je všetko. A začali vyrábať praktickú konštrukciu z hrdzavých rúr a petroleja.
2. Tvorba konštruktívne riešenia robí možné aplikácie klasické materiály. Čert vem tie prešívané bundy s ožratými medveďmi a tu ako prví vymysleli a vyrobili laboratórny viackomorový motor, ktorý už funguje donekonečna. Ťah je ako pri motore Su27 a hmotnosť je taká, že ho môže držať v rukách jeden (jeden!) dedko. Ale keďže bola vodka spálená, ukázalo sa, že motor pulzuje. Ale ten bastard funguje tak čisto, že ho môžete zapnúť aj v kuchyni (kde ho prešívané bundy v intervaloch medzi vodkou a balalajkou skutočne spláchli)
3. Tvorba supermateriálov pre budúce motory. Táto oblasť je najtesnejšia a najtajnejšia. O prelomoch v ňom nemám žiadne informácie.
Na základe vyššie uvedeného zvážme vyhliadky na detonáciu, piestový spaľovací motor. Ako je známe, dochádza pri detonácii v spaľovacom motore k zvýšeniu tlaku v spaľovacej komore klasických rozmerov vyššiu rýchlosť zvuk. Pri zachovaní rovnakej konštrukcie neexistuje žiadny spôsob, ako dosiahnuť, aby sa mechanický piest, a dokonca aj s významnými súvisiacimi hmotami, pohyboval vo valci približne rovnakými rýchlosťami. Rozvodový remeň s klasickým usporiadaním tiež nemôže fungovať pri takýchto rýchlostiach. Priama prestavba klasického spaľovacieho motora na detonačný je preto z praktického hľadiska nezmyselná. Je potrebné prerobiť motor. Ale akonáhle to začneme robiť, ukáže sa, že piest v tomto prevedení je jednoduchý extra detail. Preto je IMHO piestový detonačný spaľovací motor anachronizmom.
