Освоєння космічного простору мимоволі асоціюється з космічними кораблями. Серцем будь-якої ракети-носія є її двигун. Він має розвинути першу космічну швидкість – близько 7,9 км/с, щоб доставити космонавтів на орбіту, та другу космічну, щоб подолати поле тяжіння планети.
Домогтися цього непросто, але вчені постійно шукають нових шляхів вирішення цього завдання. Конструктори з Росії зробили крок ще далі і зуміли розробити детонаційний ракетний двигун, Випробування якого завершилися успіхом. Це досягнення можна назвати справжнім проривом у галузі космічного машинобудування.
Нові можливості
Чому на детонаційні двигуни покладають великі надії? За розрахунками вчених, їхня потужність буде в 10 тис. разів більша, ніж потужність існуючих ракетних двигунів. При цьому вони споживатимуть набагато менше палива, А їх виробництво відзначиться низькою вартістю та рентабельністю. З чим це пов'язано?
Вся справа в реакції окислення пального. Якщо в сучасних ракетах використовується процес дефлаграції - повільне (дозвукове) горіння палива при постійному тиску, детонаційний ракетний двигун функціонує за рахунок вибуху, детонації. горючої суміші. Вона згоряє із надзвуковою швидкістю з виділенням величезної кількості теплової енергії одночасно з поширенням ударної хвилі.
Розробкою та випробуванням російського варіанта детонаційного двигуна займалася спеціалізована лабораторія «Детонаційні ЗРД» у складі виробничого комплексу «Енергомаш».
Перевага нових двигунів
Вивченням та розробкою детонаційних двигунів займаються провідні світові вчені протягом 70 років. Основною причиною, що перешкоджає створенню цього двигунів, є неконтрольоване самозаймання палива. Крім того, на порядку денному стояли завдання щодо ефективного змішування пального та окислювача, а також інтеграції сопла та повітрозабірника.
Вирішивши ці завдання, вдасться створити детонаційний ракетний двигун, який за своїм технічним характеристикамобжене час. При цьому вчені називають такі його переваги:
- Здатність розвивати швидкості у дозвуковому та гіперзвуковому діапазонах.
- Виняток із конструкції багатьох рухомих частин.
- Нижча маса та вартість силової установки.
- Висока термодинамічна ефективність.
Серійно даний типдвигун не вироблявся. Вперше був випробуваний на літаках, що низько летять, у 2008 році. Детонаційний двигун для ракет-носіїв був уперше випробуваний російськими вченими. Саме тому цій події приділяється настільки велике значення.
Принцип роботи: імпульсний та безперервний
В даний час вчені ведуть розробку установок з імпульсним та безперервним робочим процесом. Принцип роботи детонаційного ракетного двигуна імпульсною схемоюроботи заснований на циклічному заповненні камери згоряння горючою сумішшю, послідовному її займанні та викиді продуктів згоряння в навколишнє середовище.
Відповідно, при безперервному робочому процесі паливо подається в камеру згоряння безперервно, пальне згоряє в одній або декількох хвилях детонації, які безперервно циркулюють поперек потоку. Перевагами таких двигунів є:
- Одноразове запалення палива.
- Відносно проста конструкція.
- Невеликі габарити та маса установок.
- Більш ефективне використання горючої суміші.
- Низький рівень шуму, вібрації та шкідливих викидів.
У перспективі, використовуючи дані переваги, детонаційний рідинний ракетний двигун безперервної схеми роботи витіснить всі існуючі установки завдяки своїм габаритним і вартісним характеристикам.
Випробування детонаційного двигуна
Перші випробування вітчизняної детонаційної установки пройшли у рамках проекту, започаткованого Міністерством освіти і науки. Як дослідний зразок був представлений невеликий двигунз камерою згоряння діаметром 100 мм та шириною кільцевого каналу в 5 мм. Випробування проводились на спеціальному стенді, фіксувалися показники під час роботи на різних видахпаливної суміші - водень-кисень, природний газ-кисень, пропан-бутан-кисень.
Випробування детонаційного ракетного двигуна на киснево-водневому паливі довели, що термодинамічний цикл цих установок на 7% ефективніший, ніж під час роботи інших установок. Крім того, було експериментально підтверджено, що зі збільшенням кількості палива, що подається, збільшується і тяга, а також кількість детонаційних хвиль і частота обертання.
Аналоги в інших країнах
Розробкою детонаційних двигунів займаються вчені провідних країн світу. Найбільших успіхів у цьому напрямі досягли конструктори із США. У своїх моделях вони реалізували безперервний спосіб роботи або ротаційний. Американські військові планують використовувати ці установки для оснащення надводних кораблів. Завдяки меншій масі і невеликим розмірам при високій потужності вони допоможуть збільшити ефективність бойових катерів.
Стехіометричну суміш водню та кисню використовує для своєї роботи американський детонаційний ракетний двигун. Переваги такого джерела енергії в першу чергу економічні - кисню згоряє рівно стільки, скільки потрібно для окислення водню. Наразі для забезпечення військових кораблів вуглецевим паливом уряд США витрачає кілька мільярдів доларів. Стехіометричне пальне знизить витрати у кілька разів.
Подальші напрямки розробки та перспективи
Нові дані, отримані в результаті випробувань детонаційних двигунів, визначили застосування нових методів побудови схеми роботи на рідкому паливі. Але для функціонування такі двигуни повинні мати високу жароміцність через велику кількість теплової енергії, що виділяється. На даний момент ведеться розробка особливого покриття, яке забезпечить працездатність камери згоряння під високотемпературним впливом.
p align="justify"> Особливе місце в подальших дослідженнях займає створення змішувальних головок, за допомогою яких можна буде отримати краплі пального матеріалу заданого розміру, концентрації та складу. За вирішенням цих питань буде створено новий детонаційний рідинний ракетний двигун, який стане основою нового класу ракет-носіїв.
Наприкінці січня з'явилися повідомлення про нові успіхи російської науки та техніки. З офіційних джерел стало відомо, що один із вітчизняних проектів перспективного реактивного двигуна детонаційного типу вже пройшов стадію випробувань. Це наближає момент повного завершення всіх потрібних робіт, за результатами яких космічні або військові ракети російської розробки зможуть отримати нові силові установки з підвищеними характеристиками. Понад те, нові принципи роботи двигунів можуть знайти застосування у сфері ракет, а й у інших областях.
В останніх числах січня віце-прем'єр Дмитро Рогозін розповів вітчизняній пресі про останні успіхи науково-дослідних організацій. Серед інших тем він торкнувся процесу створення реактивних двигунів, що використовують нові засади роботи. Перспективний двигун із детонаційним горінням вже був доведений до випробувань. За словами віце-прем'єр-міністра, застосування нових принципів роботи силової установки дозволяє отримати значний приріст характеристик. У порівнянні з конструкціями традиційної архітектури спостерігається зростання тяги близько 30%.
Схема детонаційного ракетного двигуна
Сучасні ракетні двигуни різних класіві типів, що експлуатуються у різних галузях, використовують т.зв. ізобаричний цикл або дефлаграційне горіння. У камерах згоряння підтримується постійний тиск, у якому відбувається повільне горіння палива. Двигун на дефлаграційних принципах не потребує особливо міцних агрегатів, проте обмежений у максимальних показниках. Підвищення основних характеристик починаючи з певного рівня виявляється невиправдано складним.
Альтернатива двигуну з ізобаричним циклом у тих підвищення характеристик – система з т.зв. детонаційним горінням. У такому випадку реакція окислення пального відбувається за ударною хвилею, високою швидкістющо переміщається камерою згоряння . Це особливі вимоги до конструкції двигуна, але при цьому дає очевидні переваги. З точки зору ефективності згоряння палива детонаційне горіння на 25% краще за дефлаграційне. Також відрізняється від горіння з постійним тиском збільшеною потужністю тепловиділення з одиниці площі поверхні фронту реакції. Теоретично, можливе підвищення цього параметра на три-чотири порядку. Як наслідок, швидкість реактивних газів можна збільшити у 20-25 разів.
Таким чином, детонаційний двигун, відрізняючись підвищеним коефіцієнтомкорисної дії, здатний розвивати велику тягу при меншій витраті палива. Його переваги перед традиційними конструкціями очевидні, проте донедавна прогрес у цій галузі залишав бажати кращого. Принципи детонаційного реактивного двигуна було сформульовано ще 1940 року радянським фізиком Я.Б. Зельдовичем, але готові подібні вироби все ще не дійшли до експлуатації. Головні причини відсутності реальних успіхів – проблеми зі створенням досить міцної конструкції, а також складність запуску та подальшого підтримання ударної хвилі при застосуванні існуючих палив.
Один із останніх вітчизняних проектів у галузі детонаційних ракетних двигунів стартував у 2014 році та розробляється в НВО «Енергомаш» ім. академіка В.П. Глушко. Згідно з доступними даними, метою проекту із шифром «Іфрит» було вивчення основних принципів нової технікиз подальшим створенням рідинного ракетного двигуна, що використовує гас і газоподібний кисень. В основу нового двигуна, названого на ім'я вогненних демонів з арабського фольклору, укладався принцип спінового детонаційного горіння. Таким чином, відповідно до основної ідеї проекту, ударна хвиля повинна безперервно переміщатися по колу всередині камери згоряння.
Головним розробником нового проекту стало НВО "Енергомаш", а точніше створена на його базі спеціальна лабораторія. Крім того, до робіт залучили кілька інших науково-дослідних та проектних організацій. Програма одержала підтримку Фонду перспективних досліджень. Спільними зусиллями всі учасники проекту «Іфріт» змогли сформувати оптимальний вигляд перспективного двигуна, а також створити модельну камеру згоряння з новими принципами роботи.
Для вивчення перспектив всього напряму та нових ідей кілька років тому було побудовано т.зв. модельна детонаційна камера згоряння, що відповідає вимогам проекту. Такий досвідчений двигун зі скороченою комплектацією повинен був використовувати як паливо рідкий гас. Як окислювач пропонувався газоподібний водень. У серпні 2016 року розпочалися випробування дослідної камери. Важливо, що вперше в історії проект такого роду вдалося довести до стадії стендових перевірок. Раніше вітчизняні та закордонні детонаційні ракетні двигуни розроблялися, але не випробовувалися.
У ході випробувань модельного зразка вдалося отримати дуже цікаві результати, що показують правильність використаних підходів Так, за рахунок використання правильних матеріалівта технологій вдалося довести тиск усередині камери згоряння до 40 атмосфер. Тяга дослідного виробу сягнула 2 т .
Модельна камера на випробувальному стенді
У рамках проекту «Іфрит» було отримано певні результати, але вітчизняний детонаційний двигун на рідкому паливі поки що далекий від повноцінного практичного застосування. Перед впровадженням такого обладнання нові проекти техніки конструкторам і вченим належить вирішити цілий ряднайсерйозніших завдань. Тільки після цього ракетно-космічна галузь чи оборонна промисловість зможуть розпочати реалізацію потенціалу нової техніки практично.
У середині січня « російська газета» опублікувала інтерв'ю з головним конструктором НВО «Енергомаш» Петром Льовочкіним, темою якого став поточний стан справ та перспективи детонаційних двигунів. Представник підприємства-розробника нагадав про основні положення проекту, а також торкнувся теми досягнутих успіхів. Крім того, він розповів про можливі сфери застосування «Іфриту» та подібні до нього конструкції.
Наприклад, Детонаційні двигуни можуть використовуватися в гіперзвукових літальних апаратах.. П. Льовочкін нагадав, що двигуни, які зараз пропонуються для застосування на такій техніці, використовують дозвукове горіння. При гіперзвуковій швидкості апарату польоту повітря, що надходить у двигун, необхідно загальмувати до звукового режиму. Однак енергія гальмування повинна призводити до додаткових теплових навантажень планера. У детонаційних двигунах швидкість горіння палива досягає щонайменше М=2,5. Завдяки цьому з'являється можливість підвищити швидкість польоту літального апарату. Подібна машина з двигуном детонаційного типу зможе розганятися до швидкостей, що у вісім разів перевищують швидкість звуку.
Втім, реальні перспективи ракетних двигунів детонаційного типу поки не надто великі. За словами П. Льовочкіна, ми «тільки прочинили двері в область детонаційного горіння». Вченим і конструкторам належить вивчити безліч питань, і лише після цього можна буде займатися створенням конструкцій із практичним потенціалом. Через це космічної галузі ще довго доведеться використовувати рідинні двигуни традиційної конструкції, що, однак, не скасовує можливості їхнього подальшого вдосконалення.
Цікавим є той факт, що детонаційний принципгоріння знаходить застосування у сфері ракетних двигунів. Вже існує вітчизняний проект авіаційної системиз камерою згоряння детонаційного типу, що працює за імпульсним принципом. Досвідчений зразок такого роду був доведений до випробувань і в майбутньому може дати старт новому напрямку. Нові двигуни з детонаційним горінням можуть знайти застосування в самих різних сферахі частково замінити газотурбінні чи турбореактивні двигуни традиційних конструкцій.
Вітчизняний проект детонаційного авіаційного двигуна розробляється у ОКБ ім. А.М. Люльки. Інформація про цей проект вперше була представлена на міжнародному військово-технічному форумі «Армія-2017». На стенді підприємства-розробника були присутні матеріали щодо різним двигунам, як серійним, і перебувають у стадії розробки. Серед останніх був перспективний детонаційний зразок.
Суть нової пропозиції полягає у застосуванні нестандартної камери згоряння, здатної здійснювати імпульсне детонаційне горіння палива у повітряній атмосфері. При цьому частота "вибухів" усередині двигуна повинна досягати 15-20 кГц. У перспективі можливе додаткове збільшення цього параметра, у результаті шум двигуна піде межі діапазону, сприйманого людським вухом. Такі особливості двигуна можуть становити певний інтерес.
Перший запуск дослідного виробу "Іфрит"
Однак головні переваги нової силової установки пов'язані із підвищеними характеристиками. Стендові випробування дослідних виробів показали, що вони приблизно на 30% перевершують традиційні газотурбінні двигуни за питомими показниками. На час першої публічної демонстрації матеріалів по двигуну ОКБ ім. А.М. Люльки змогло отримати і досить високі експлуатаційні характеристики. Досвідчений двигун нового типу зміг без перерви пропрацювати 10 хвилин. Сумарне напрацювання цього виробу на стенді на той момент перевищило 100 годин.
Представники підприємства-розробника вказували, що вже зараз можна створити новий детонаційний двигун із тягою 2-2,5 т, придатний для встановлення на легкі літаки чи безпілотні літальні апарати. У конструкції такого двигуна пропонується використати т.зв. резонаторні пристрої, що відповідають за правильний хідгоріння палива. Важливою перевагоюнового проекту є важлива можливість встановлення таких пристроїв будь-де планера.
Фахівці ДКБ ім. А.М. Люльки працюють над авіаційними двигунамиз імпульсним детонаційним горінням понад три десятиліття, але поки що проект не виходить з науково-дослідної стадії і не має реальних перспектив. Головна причина– відсутність замовлення та необхідного фінансування. Якщо проект отримає необхідну підтримку, то вже в найближчому майбутньому може бути створений зразок двигуна, придатний для використання на різній техніці.
До теперішнього часу російські вчені та конструктори встигли показати дуже примітні результати в галузі реактивних двигунів, які використовують нові принципи роботи. Існує відразу кілька проектів, придатних для застосування в ракетно-космічній та гіперзвуковій областях. Крім того, нові двигуни можуть застосовуватись і в «традиційній» авіації. Деякі проекти поки що знаходяться на ранніх стадіях і ще не готові до перевірок та інших робіт, тоді як в інших напрямках вже були отримані чудові результати.
Досліджуючи тематику реактивних двигунів з детонаційним горінням, російські фахівці змогли створити стендовий модельний зразок камери згоряння з бажаними характеристиками. Досвідчений виріб «Іфрит» вже пройшов випробування, під час яких було зібрано велику кількість різноманітної інформації. За допомогою отриманих даних розвиток напряму продовжуватиметься.
Освоєння нового напряму та переведення ідей у практично застосовну форму займе чимало часу, і з цієї причини в найближчому майбутньому космічні та армійські ракети в найближчому майбутньому будуть комплектуватися тільки традиційними рідинними двигунами. Проте роботи вже вийшли з суто теоретичної стадії, і тепер кожен тестовий запуск дослідного двигуна наближає момент будівництва повноцінних ракет з новими силовими установками.
За матеріалами сайтів:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Наприкінці серпня 2016 року світові інформаційні агентства облетіла новина: на одному зі стендів НВО «Енергомаш» у підмосковних Хімках запрацював перший у світі повнорозмірний рідинний ракетний двигун (ЖРД) з використанням детонаційного горіння палива.
Наприкінці серпня 2016 року світові інформаційні агенції облетіла новина: на одному зі стендів НВО «Енергомаш» у підмосковних Хімках запрацював перший у світі повнорозмірний рідинний ракетний двигун (ЖРД) із використанням детонаційного горіння палива. До цієї події вітчизняна наука та техніка тривала 70 років.
Ідея детонаційного двигуна була запропонована радянським фізиком Я. Б. Зельдовичем у статті «Про енергетичне використання детонаційного згоряння», опублікованій у «Журналі технічної фізики» ще 1940 року. З того часу в усьому світі йшли дослідження та експерименти з практичної реалізації перспективної технології. У цій гонці умів уперед виривалися то Німеччина, США, то СРСР. І ось важливий пріоритет у світовій історії техніки закріпила за собою Росія. У Останніми рокамичимось подібним до нашої країни вдається похвалитися не часто.
На гребені хвилі
У чому ж переваги детонаційного двигуна? У традиційних ЖРД, як, втім, і у звичайних поршневих або турбореактивних авіадвигунахвикористовується енергія, яка виділяється при спалюванні палива. У камері згоряння ЗРД при цьому утворюється стаціонарний фронт полум'я, горіння в якому відбувається при постійному тиску. Цей процес звичайного горіння називається дефлаграцією. В результаті взаємодії пального та окислювача температура газової суміші різко зростає і з сопла виривається вогненний стовп продуктів згоряння, які утворюють реактивну тягу.
Детонація - це теж горіння, але відбувається воно у 100 разів швидше, ніж при звичайному спалюванні палива. Цей процес йде так швидко, що детонацію часто плутають із вибухом, тим більше, що при цьому виділяється стільки енергії, що, наприклад, автомобільний мотору разі виникнення цього явища в його циліндрах і справді може зруйнуватися. Однак детонація - це не вибух, а вид горіння настільки стрімкого, що продукти реакції навіть не встигають розширитися, тому цей процес, на відміну від дефлаграції, йде при постійному обсязі та тиску, що різко зростає.
На практиці це виглядає так: замість стаціонарного фронту полум'я в паливній суміші всередині камери згоряння формується детонаційна хвиля, яка рухається з надзвуковою швидкістю. У цій хвилі стиснення і відбувається детонація суміші пального та окислювача, а це процес з термодинамічної точки зору значно ефективніший, ніж звичайне спалювання палива. ККД детонаційного згоряння на 25–30% більше, тобто при спалюванні однакової кількості палива виходить більше тяги, а завдяки компактності зони горіння детонаційний двигун за потужністю, що знімається з одиниці об'єму, теоретично перевищує звичайні ЗРД.
Вже одного цього виявилося достатньо, щоб привернути увагу фахівців до цієї ідеї. Адже той застій, який зараз виник у розвитку світової космонавтики, яка на півстоліття застрягла на навколоземній орбіті, насамперед пов'язана з кризою ракетного двигунобудування. У кризі, до речі, знаходиться й авіація, яка не здатна переступити поріг трьох швидкостей звуку. Цю кризу можна порівняти із ситуацією в поршневій авіації наприкінці 1930-х років. Гвинт та двигун внутрішнього згоряннявичерпали свій потенціал, і лише поява реактивних двигунів дозволила вийти на якісно новий рівеньвисот, швидкостей та дальності польотів.
Конструкції класичних ЖРД за останні десятиліття були вилизані до досконалості та практично підійшли до межі своїх можливостей. Збільшити їх питомі показники у майбутньому можна лише у дуже незначних межах - на лічені відсотки. Тому світова космонавтика змушена йти екстенсивним шляхом розвитку: для пілотованих польотів на Місяць доводиться будувати гігантські ракети-носії, а це дуже складно і дуже дорого, принаймні для Росії. Спроба подолати кризу за допомогою ядерних двигунів натрапила на екологічні проблеми. Поява детонаційних ЗРД, можливо, і рано порівнювати з переходом авіації на реактивну тягу, але прискорити процес освоєння космосу вони цілком здатні. Тим більше що цей тип реактивних двигунів має ще одну дуже важливу перевагу.
ДРЕС у мініатюрі
Звичайний ЗРД - це, в принципі, великий пальник. Для збільшення його тяги та питомих характеристик потрібно піднімати тиск у камері згоряння. При цьому паливо, яке впорскується в камеру через форсунки, подається при більшому тиску, ніж реалізується в процесі згоряння, інакше струмінь палива просто не зможе проникнути в камеру. Тому найскладнішим і дорогим агрегатомв ЖРД є зовсім не камера з соплом, яке у всіх на увазі, а паливний турбонасосний агрегат (ТНА), захований у надрах ракети серед хитросплетіння трубопроводів.
Наприклад, у найпотужнішого в світі ЖРД РД-170, створеного для першого ступеня радянської надважкої ракети-носія «Енергія» тим самим НВО «Енергія», тиск у камері згоряння становить 250 атмосфер. Це дуже багато. Але тиск на виході з кисневого насоса, що хитає окислювач у камеру згоряння, досягає величини 600 атм. Для приводу насоса використовується турбіна потужністю 189 МВт! Тільки уявіть собі це: колесо турбіни діаметром 0,4 м розвиває потужність, вчетверо більшу за атомний криголам «Арктика» з двома ядерними реакторами! При цьому ТНА - це складний механічний пристрій, вал якого здійснює 230 оборотів в секунду, а працювати йому доводиться в середовищі рідкого кисню, де найменша не іскра навіть, а піщинка в трубопроводі призводить до вибуху. Технології створення такого ТНА є головним ноу-хау «Енергомашу», володіння яким дозволяє російській компанії і сьогодні продавати свої двигуни для установки на американських ракетах-носіях Atlas V і Antares. Альтернативи російським двигунаму США поки що немає.
Для детонаційного двигуна такі складності не потрібні, оскільки тиск для більш ефективного згоряння забезпечує сама детонація, яка і являє собою хвилю стиснення, що біжить в паливній суміші. При детонації тиск збільшується у 18–20 разів без жодного ТНА.
Щоб отримати в камері згоряння двигуна детонації умови, еквівалентні, наприклад, умовам в камері згоряння ЖРД американського «Шаттла» (200 атм), достатньо подавати паливо під тиском... 10 атм. Агрегат, необхідний для цього, порівняно з ТНА класичного ЗРД - все одно, що велосипедний насос поруч Саяно-Шушенської ГРЕС.
Тобто детонаційний двигун буде не тільки потужнішим і економічнішим за звичайний ЖРД, але й на порядок простіше і дешевше. То чому ж ця простота протягом 70 років не давалася до рук конструкторів?
Головна проблема, яка постала перед інженерами, - як упоратися з детонаційною хвилею. Адже справа не тільки в тому, щоб зробити двигун міцнішим, щоб він витримав підвищені навантаження. Детонація - це не просто вибухова хвиля, а дещо хитріша. Вибухова хвиля поширюється зі швидкістю звуку, а детонаційна зі надзвуковою швидкістю - до 2500 м/с. Вона не утворює стабільного фронту полум'я, тому робота такого двигуна має пульсуючий характер: після кожної детонації необхідно оновити паливну суміш, після чого запустити в ній нову хвилю.
Спроби створити пульсуючий реактивний двигун робилися задовго до ідеї детонації. Саме у застосуванні пульсуючих реактивних двигунів намагалися знайти альтернативу поршневим мотораму 1930-ті роки. Приваблювала знову ж таки простота: на відміну від авіаційної турбінидля пульсуючого повітряно-реактивного двигуна (ПуВРД) не потрібні були ні обертається зі швидкістю 40 000 оборотів на хвилину компресор для нагнітання повітря в ненаситне черево камери згоряння, ні турбіна, що працює при температурі газу понад 1000? У ПуВРД тиск у камері згоряння створювали пульсації горіння палива.
Перші патенти на пульсуючий повітряно-реактивний двигун були отримані незалежно один від одного в 1865 Шарлем де Лувр'є (Франція) і в 1867 Миколою Опанасовичем Телешовим (Росія). Першу працездатну конструкцію ПуВРД запатентував 1906 року російський інженер В.В. Караводін, який роком пізніше побудував модельну установку. Установка Караводіна внаслідок низки недоліків не знайшла застосування практично. Першим ПуВРД, який працював на реальному літальному апараті, став німецький Argus As 014, заснований на патенті 1931 мюнхенського винахідника Пауля Шмідта. Argus створювався для «зброї відплати» – крилатої бомби «Фау-1». Аналогічну розробку створив 1942 року радянський конструктор Володимир Челомей для першої радянської крилатої ракети 10Х.
Звичайно, ці двигуни ще не були детонаційними, оскільки в них використовувалися пульсації звичайного горіння. Частота цих пульсацій була невелика, що породжувало характерний кулеметний звук під час роботи. Питомі характеристики ПуВРД через переривчастого режимуроботи в середньому були невисокими і після того, як конструктори до кінця 1940-х років впоралися зі складнощами створення компресорів, насосів і турбін, турбореактивні двигуни та ЖРД стали королями неба, а ПуВРД залишилися на периферії технічного прогресу.
Цікаво, що перші ПуВРД німецькі та радянські конструктори створили незалежно один від одного. До речі, і ідея детонаційного двигуна в 1940 році спала на думку не одному тільки Зельдовичу. Одночасно з ним самі думки висловили Фон Нейман (США) і Вернер Дерінг (Німеччина), тож у міжнародній науці модель використання детонаційного горіння назвали ZND.
Ідея об'єднати ПуВРД із детонаційним горінням була дуже привабливою. Але фронт звичайного полум'я поширюється зі швидкістю 60-100 м/с і частота його пульсацій у ПВРД не перевищує 250 за секунду. А детонаційний фронт рухається зі швидкістю 1500-2500 м/с, таким чином частота пульсацій повинна становити тисячі за секунду. Реалізувати таку швидкість оновлення суміші та ініціацію детонації на практиці було важко.
Проте спроби створення працездатних пульсуючих детонаційних двигунів тривали. Робота фахівців ВПС США у цьому напрямі увінчалася створенням двигуна-демонстратора, який 31 січня 2008 року вперше піднявся на небо на експериментальному літаку Long-EZ. В історичному польоті двигун пропрацював… 10 секунд на висоті 30 метрів. Проте пріоритет у даному випадкузалишився за Сполученими Штатами, а літак по праву посів місце у Національному музеї ВПС США.
Тим часом вже давно була вигадана інша, набагато перспективніша схема
Як білка у колесі
Думка закільцювати детонаційну хвилю і змусити її бігати в камері згоряння, як білка в колесі, народилася у вчених на початку 1960-х років. Явище спинової (обертається) детонації теоретично передбачив радянський фізик з Новосибірська Б. В. Войцеховський у 1960 році. Майже одночасно з ним, у 1961 році, ту саму ідею висловив американець Дж. Ніколлс з університету Мічігану.
Ротаційний, або спиновий, детонаційний двигун конструктивно є кільцевою камерою згоряння, паливо в яку подається за допомогою радіально розташованих форсунок. Детонаційна хвиля всередині камери рухається не в осьовому напрямку, як у ПуВРД, а по колу, стискаючи і випалюючи паливну суміш перед собою і зрештою виштовхуючи продукти згоряння із сопла точно так, як гвинт м'ясорубки виштовхує назовні фарш. Замість частоти пульсацій ми отримуємо частоту обертання детонаційної хвилі, яка може досягати кількох тисяч на секунду, тобто практично двигун працює не як пульсуючий, а як звичайний ЖРД зі стаціонарним горінням, але значно ефективніше, оскільки насправді в ньому відбувається детонація паливної суміші. .
У СРСР, як і в США, роботи над ротаційним детонаційним двигуном йшли з початку 1960-х років, але знову ж таки при простоті ідеї її реалізація зажадала вирішення головоломних теоретичних питань. Як організувати процес так, щоб хвиля не згасала? Потрібно було розуміння найскладніших фізико-хімічних процесів, які у газовому середовищі. Тут розрахунок вівся не на молекулярному, але в атомарному рівні, з кінця хімії і квантової фізики. Ці процеси більш складні, ніж ті, що відбуваються при генерації променя лазера. Саме тому лазер вже давно працює, а детонаційний двигун – ні. Для розуміння цих процесів потрібно було створити нову фундаментальну науку - фізико-хімічну кінетику, якої 50 років тому ще не існувало. А для практичного розрахунку умов, за яких детонаційна хвиля не загасатиме, а стане самопідтримуваною, були потрібні потужні ЕОМ, що з'явилися лише останніми роками. Ось який фундамент необхідно було покласти в основу практичних успіхів приборкання детонації.
Активні роботи у цьому напрямі ведуться у Сполучених Штатах. Цими дослідженнями займаються Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Наприклад, у науково-дослідній лабораторії ВМФ США розробляються спінові детонаційні газотурбінні установки для флоту. У ВМФ США використовується 430 газотурбінних установокна 129 кораблях, за рік вони споживають палива на три мільярди доларів. Використання більш економних детонаційних газотурбінних двигунів(ВМД) дозволить зберегти гігантські кошти.
У Росії над детонаційними двигунами працювали і продовжують працювати десятки НДІ та КБ. Серед них і НВО «Енергомаш» - провідна двигунобудівна компанія російської космічної промисловості, з багатьма підприємствами якої співпрацює банк ВТБ. Розробка детонаційного ЗРД велася не один рік, але для того щоб вершина айсберга цієї роботи засяяла під сонцем у вигляді успішного випробування, знадобилася організаційна та фінансова участь відомого Фонду перспективних досліджень (ФПІ). Саме ФПІ виділив необхідні коштидля створення у 2014 році спеціалізованої лабораторії «Детонаційні ЗРД». Адже, незважаючи на 70 років досліджень, ця технологія досі залишається в Росії «надто перспективною», щоб її фінансували замовники на кшталт Міністерства оборони, яким потрібний, як правило, гарантований практичний результат. А до нього дуже далеко.
приборкання норовливої
Хочеться вірити, що після всього сказаного вище стає зрозумілою та титанічна робота, яка проглядає між рядками короткого повідомлення про випробування, що відбулися на «Енергомаші» в Хімках у липні - серпні 2016 року: «Вперше у світі був зареєстрований режим безперервної спінової детонації поперечних детонаційних. хвиль частотою близько 20 кГц (частота обертання хвилі - 8 тисяч обертів на секунду) на паливній парі "кисень - гас". Вдалося домогтися отримання кількох детонаційних хвиль, які врівноважували вібраційні та ударні навантаження одне одного. Спеціально розроблені у центрі імені М. В. Келдиша теплозахисні покриття допомогли впоратися з високими температурними навантаженнями. Двигун витримав кілька пусків в умовах екстремальних вібронавантажень та надвисоких температур за відсутності охолодження пристінного шару. Особливу роль у цьому успіху відіграло створення математичних моделей та паливних форсунок, що дозволяли отримувати суміш необхідної виникнення детонації консистенції».
Зрозуміло, не варто перебільшувати значення досягнутого успіху. Створено лише двигун-демонстратор, який пропрацював відносно недовго, та про нього реальні характеристикинічого не повідомляється. За інформацією НВО «Енергомаш», детонаційний ЗРД дозволить підняти тягу на 10% при спалюванні тієї ж кількості палива, що й у звичайному двигуні, а питомий імпульс тяги має збільшитися на 10–15%.
Але головний результат у тому, що практично підтверджено можливість організації детонаційного горіння в ЖРД. Однак шлях до використання цієї технології у складі реальних літальних апаратівмає бути ще довгий. Інший важливий аспектполягає в тому, що ще один світовий пріоритет у галузі високих технологій відтепер закріплений за нашою країною: вперше у світі повнорозмірний детонаційний ЗРД запрацював саме в Росії, і цей факт залишиться в історії науки та техніки. опубліковано
Поки все прогресивне людство з країн НАТО готується приступити до випробувань детонаційного двигуна (випробування можуть статися в 2019 році (а скоріше значно пізніше)), у відсталій Росії оголосили про завершення випробувань такого двигуна.
Оголосили спокійно і нікого не лякаючи. Але на Заході очікувано злякалися і почалося істеричне виття - ми відстанемо на все життя. Роботи над детонаційним двигуном (ДД) ведуться у США, Німеччині, Франції та Китаї. Загалом є підстави вважати, що вирішення проблеми цікавить Ірак і Північну Корею– дуже перспективна напрацювання, яка фактично означає новий етапу ракетобудуванні. І взагалі у двигунобудуванні.
Ідея детонаційного двигуна вперше була озвучена 1940 року радянським фізиком Я.Б. Зельдовичем. І створення такого двигуна обіцяло величезні вигоди. Для ракетного двигуна, наприклад:
- У 10 000 разів підвищується потужність проти звичайним ЖРД. У разі ми говоримо про потужності, одержуваної з одиниці обсягу двигуна;
- У 10 разів менше за паливо на одиницю потужності;
- ДД просто суттєво (у рази) дешевше за стандартний ЖРД.
Рідкісний ракетний двигун - це такий великий і дуже дорогий пальник. А дорога тому, що для підтримки стійкого горіння потрібна велика кількість механічних, гідравлічних, електронних та інших механізмів. Дуже складне виробництво. Так складне, що США вже багато років не можуть створити свій ЖРД і змушені закуповувати в Росії РД-180.
Росія скоро отримає серійний надійний недорогий легкий ракетний двигун. З усіма наслідками:
ракета може нести в рази більшу кількість корисного навантаження- сам двигун важить значно менше, палива потрібно в 10 разів менше на заявлену дальність польоту. А можна цю дальність просто вдесятеро збільшити;
собівартість ракети знижується кратно. Це гарна відповідь для любителів організувати гонку озброєння з Росією.
А ще є далекий космос… Відкриваються просто фантастичні перспективи щодо його освоєння.
Втім, американці мають рацію і зараз не до космосу – вже готуються пакети санкцій, щоб детонаційний двигун у Росії не стався. Заважатимуть щосили – аж надто серйозну заявку на лідерство зробили наші вчені.
07 Лют 2018 Мітки: 2311Обговорення: 3 коментарі
* У 10 000 разів підвищується потужність у порівнянні зі звичайним ЗРД. У разі ми говоримо про потужності, одержуваної з одиниці обсягу двигуна;
У 10 разів менше за паливо на одиницю потужності;
—————
якось не в'яжеться з іншими публікаціями:
«Залежно від конструкції він може перевершувати оригінальний ЖРД по ККД від 23-27% для типової конструкції з соплом, що розширюється, аж до 36-37% приросту в КВРД (клиноповітряні ракетні двигуни)
Вони здатні змінювати тиск газового струменя в залежності від атмосферного тиску, і економити до 8-12% палива на всій ділянці виведення конструкції (Основна економія відбувається на малих висотах, де вона доходить до 25-30%).
Розглянуто проблему розробки ротаційних детонаційних двигунів. Подано основні типи таких двигунів: ротаційний детонаційний двигун Ніколса, двигун Войцеховського. Розглянуто основні напрямки та тенденції розвитку конструкції детонаційних двигунів. Показано, що сучасні концепції ротаційного детонаційного двигуна не можуть в принципі призвести до створення працездатної конструкції, що перевершує за своїми характеристиками повітряно-реактивні двигуни, що існують. Причиною є прагнення конструкторів об'єднати в один механізм генерацію хвилі, горіння палива та ежекцію палива та окислювача. Внаслідок самоорганізації ударно-хвильових структур детонаційне горіння здійснюється в мінімальному, а не максимальному обсязі. Реально досягнутий сьогодні результат - детонаційне горіння в об'ємі, що не перевищує 15% об'єму камери згоряння. Вихід бачиться в іншому підході – спочатку створюється оптимальна конфігурація ударних хвиль, а вже потім у цю систему подаються компоненти палива та організується оптимальне детонаційне горіння у великому обсязі.
детонаційний двигун
ротаційний детонаційний двигун
двигун Войцеховського
кругова детонація
спинова детонація
імпульсний детонаційний двигун
1. Войцеховський Б.В., Митрофанов В.В., Топчіян М.Є., Структура фронту детонації у газах. - Новосибірськ: Вид-во З АН СРСР, 1963.
2. Усков В.М., Булат П.В. Про завдання проектування ідеального дифузора для стиснення надзвукового потоку // Фундаментальні дослідження. - 2012. - № 6 (ч. 1). - С. 178-184.
3. Усков В.М., Булат П.В., Проданий Н.В. Історія вивчення нерегулярного відображення стрибка ущільнення від осі симетрії надзвукового струменя з утворенням диска Маха // Фундаментальні дослідження. - 2012. - № 9 (ч. 2). - С. 414-420.
4. Усков В.М., Булат П.В., Продано Н.В. Обгрунтування застосування моделі стаціонарної Маховської конфігурації до розрахунку диска Маха в надзвуковій струмені // Фундаментальні дослідження. - 2012. - № 11 (ч. 1). - С. 168-175.
5. Щолкін К.І. Нестійкість горіння та детонації газів // Успіхи фізичних наук. - 1965. - Т. 87, вип. 2. - С. 273-302.
6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Intermittent Detonation як Trust-Producing Mechanism // Jet Propulsion. - 1957. - № 21. - P. 534-541.
Ротаційні детонаційні двигуни
Всі види ротаційних детонаційних двигунів (RDE) споріднює те, що система подачі палива поєднана з системою спалювання палива в детонаційній хвилі, але далі все працює, як у звичайному реактивному двигуні - жарова труба та сопло. Саме цей факт ініціював таку активність на ниві модернізації газотурбінних двигунів (ВМД). Видається привабливим замінити в ВМД тільки змішувальну головку та систему розпалювання суміші. Для цього потрібно забезпечити безперервність детонаційного горіння, наприклад, запустивши хвилю детонації по колу. Одним з перших таку схему запропонував Ніколс в 1957 р., а потім розвинув її і в середині 60-х років провів серію експериментів з детонаційною хвилею, що обертається (рис. 1).
Регулюючи діаметр камери та товщину кільцевого зазору, для кожного виду паливної суміші можна підібрати таку геометрію, що детонація буде стійкою. Насправді співвідношення величини зазору і діаметра двигуна виходять неприйнятними і регулювати швидкість поширення хвилі доводиться, керуючи подачею палива, що сказано нижче.
Так само як і в імпульсних детонаційних двигунах, кругова хвиля детонації здатна ежектувати окислювач, що дозволяє використовувати RDE при нульових швидкостях. Цей факт спричинив шквал експериментальних та розрахункових досліджень RDE з кільцевою камерою згоряння та мимовільною ежекцією. паливно-повітряної суміші, перераховувати тут які немає сенсу. Усі вони побудовані приблизно за однією схемою (рис. 2), що нагадує схему двигуна Ніколса (рис. 1).
Мал. 1. Схема організації безперервної кругової детонації в кільцевому зазорі: 1 – детонаційна хвиля; 2 – шар «свіжої» паливної суміші; 3 – контактний розрив; 4 - косий стрибок ущільнення, що поширюється вниз за течією; D - напрямок руху детонаційної хвилі
Мал. 2. Типова схема RDE: V - швидкість потоку, що набігає; V4 - швидкість потоку на виході із сопла; а - свіжа ТВС, b - фронт детонаційної хвилі; c - приєднаний косий стрибок ущільнення; d – продукти згоряння; p(r) - розподіл тиску на стінці каналу
Розумною альтернативою схемі Ніколса могла б стати установка безлічі паливно-окислювальних форсунок, які сприскували б паливно-повітряну змість в область безпосередньо перед детонаційною хвилею за певним законом із заданим тиском (рис. 3). Регулюючи тиск і швидкість подачі палива в область горіння за хвилею детонації, можна впливати на швидкість її поширення вгору по потоку. Даний напрямок є перспективним, але основна проблема в проектуванні подібних RDE полягає в тому, що спрощена модель течії, що повсюдно використовується, у фронті детонаційного горіння зовсім не відповідає реальності.
Мал. 3. RDE з регульованою подачею палива в область горіння. Ротаційний двигун Войцеховського
Основні надії у світі пов'язуються з детонаційними двигунами, що працюють за схемою ротаційного двигунаВойцеховського. У 1963 р. Б.В. Войцеховський за аналогією зі спиновою детонацією розробив схему безперервного спалювання газу за потрійною конфігурацією ударних хвиль, що циркулюють у кільцевому каналі (рис. 4).
Мал. 4. Схема Войцехівського безперервного спалювання газу за потрійною конфігурацією ударних хвиль, що циркулюють у кільцевому каналі: 1 - свіжа суміш; 2 - двічі стисла суміш за потрійною конфігурацією ударних хвиль, область детонації
У цьому випадку стаціонарний гідродинамічний процес із горінням газу за ударною хвилею відрізняється від схеми детонації Чепмена-Жуге та Зельдовича-Неймана. Такий процес цілком стійкий, його тривалість визначається запасом паливної суміші та у відомих експериментах становить кілька десятків секунд.
Схема детонаційного двигуна Войцеховського послужила прототипом численних досліджень ротаційних та спинових. детонаційних двигунй, ініційованих останні 5 років. На цю схему припадає понад 85% усіх досліджень. Усім їм притаманний один органічний недолік - зона детонації займає дуже невелику частину загальної зони горіння, зазвичай трохи більше 15 %. В результаті питомі показники двигунів виходять гіршими, ніж у двигунів традиційної конструкції.
Про причини невдач із реалізацією схеми Войцеховського
Більшість робіт з двигунів з безперервною детонацією пов'язані з розвитком концепції Войцеховського. Попри більш ніж 40-річну історію досліджень, результати фактично залишилися лише на рівні 1964 р. Частка детонаційного горіння вбирається у 15 % від обсягу камери згоряння. Решта - повільне горіння за умов, далеких від оптимальних.
Однією з причин такого стану справ є відсутність працездатної методики розрахунку. Оскільки течія є тривимірною, а при розрахунку враховуються лише закони збереження кількості руху на ударній хвилі в перпендикулярному до модельного фронту детонації напрямку, то результати розрахунку нахилу ударних хвиль до потоку продуктів згоряння відрізняються від експериментально більш ніж на 30 %. Наслідком є те, що, незважаючи на багаторічні дослідження різних системподачі палива та експерименти щодо зміни співвідношення компонентів палива, все, що вдалося зробити, - це створити моделі, в яких детонаційне горіння виникає і підтримується протягом 10-15 с. Ні про збільшення ККД, ні про переваги в порівнянні з існуючими ЖРД та ВМД не йдеться.
Проведений авторами проекту аналіз наявних схем RDE показав, що всі схеми RDE, що пропонуються сьогодні, непрацездатні в принципі. Детонаційне горіння виникає та успішно підтримується, але тільки в обмеженому обсязі. В іншому обсязі ми маємо справу зі звичайним повільним горінням, причому за неоптимальною системою ударних хвиль, що призводить до значних втрат повного тиску. Крім того, тиск виявляється також нижчим, ніж необхідно для ідеальних умов горіння при стехіометричному співвідношенні компонентів паливної суміші. В результаті питома витратапалива на одиницю тяги виявляється на 30-40% вище, ніж у двигунів традиційних схем.
Але самої головною проблемоює сам принцип організації безперервної детонації. Як показали дослідження безперервної кругової детонації, виконані ще в 60-і роки, фронт детонаційного горіння являє собою складну ударно-хвильову структуру, що складається як мінімум з двох потрійних конфігурацій (про потрійні конфігурації ударних хвиль. Така структура з приєднаною зоною детонації, Будь-яка термодинамічна система зі зворотним зв'язком, залишена в спокої, прагне зайняти положення, що відповідає мінімальному рівню енергії, в результаті потрійні конфігурації і область детонаційного горіння підлаштовуються один під одного так, щоб фронт детонації переміщався по кільцевому зазору при мінімально можливому для цього об'ємі. Це прямо протилежно до тієї мети, яку ставлять перед детонаційним горінням конструктори двигунів.
Для створення ефективного двигуна RDE необхідно вирішити завдання створення оптимальної потрійної конфігурації ударних хвиль та організації у ній зони детонаційного спалювання. Оптимальні ударно-хвильові структури необхідно вміти створювати в різних технічні пристрої, наприклад, оптимальних дифузорах надзвукових воздухозаборников . Основне завдання - максимально можливе збільшення частки детонаційного горіння в обсязі камери згоряння з неприйнятних сьогоднішніх 15% хоча б 85%. Існуючі проекти двигунів, засновані на схемах Ніколса та Войцеховського, не можуть забезпечити виконання цього завдання.
Рецензенти:Усков В.М., д.т.н., професор кафедри гідроаеромеханіки Санкт-Петербурзького державного університету, математико-механічний факультет, м. Санкт-Петербург;
Ємельянов В.М., д.т.н., професор, завідувач кафедри плазмогазодинаміки та теплотехніки, БДТУ «ВОЄНМІХ» ім. Д.Ф. Устинова, м. Санкт-Петербург.
Робота надійшла до редакції 14.10.2013.
Бібліографічне посилання
Булат П.В., Продано Н.В. ОГЛЯД ПРОЕКТІВ ДЕТОНАЦІЙНИХ ДВИГУНІВ. РОТАЦІЙНІ ДЕТОНАЦІЙНІ ДВИГУНИ // Фундаментальні дослідження. - 2013. - № 10-8. - С. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (дата звернення: 29.07.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»
