Розглянуто проблему розробки імпульсних детонаційних двигунів. Перераховані основні наукові центри, провідні дослідження з двигунів нового покоління Розглянуто основні напрямки та тенденції розвитку конструкції детонаційних двигунів. Представлені основні типи таких двигунів: імпульсний, багатотрубний імпульсний, імпульсний з високочастотним резонатором. Показано відмінність у способі створення тяги порівняно з класичним реактивним двигуном, що оснащений соплом Лаваля. Описано поняття тягової стінки та тягового модуля. Показано, що імпульсні детонаційні двигуниудосконалюються у напрямі підвищення частоти проходження імпульсів, і цей напрямок має своє право на життя в області легких та дешевих безпілотних літальних апаратів, а також при розробці різних ежекторних підсилювачів тяги. Показано основні складності принципового характеру в моделюванні детонаційної турбулентної течії з використанням обчислювальних пакетів, заснованих на застосуванні диференціальних моделей турбулентності та опосередкування рівнянь Нав'є-Стокса за часом.
детонаційний двигун
імпульсний детонаційний двигун
1. Булат П.В., Засухін О.М., Продано Н.В. Історія експериментальних досліджень донного тиску// Фундаментальні дослідження. - 2011. - № 12 (3). - С. 670-674.
2. Булат П.В., Засухін О.М., Продано Н.В. Коливання донного тиску// Фундаментальні дослідження. - 2012. - № 3. - С. 204-207.
3. Булат П.В., Засухін О.М., Продан Н.В.. Особливості застосування моделей турбулентності при розрахунку течій у надзвукових трактах перспективних повітряно-реактивних двигунів // Двигун. – 2012. – № 1. – С. 20–23.
4. Булат П.В., Засухін О.М., Усков В.М. Про класифікацію режимів течії в каналі з раптовим розширенням // Теплофізика та Аеромеханіка. - 2012. - № 2. - С. 209-222.
5. Булат П.В., Продано Н.В. Про низькочастотні видаткові коливання донного тиску // Фундаментальні дослідження. - 2013. - № 4 (3). - С. 545-549.
6. Ларіонов С.Ю., Нечаєв Ю.М., Мохов А.А. Дослідження та аналіз «холодних» продувок тягового модуля високочастотного пульсуючого детонаційного двигуна // Вісник МАІ. - Т.14. - № 4 - М.: Вид-во МАІ-Прінт, 2007. - С. 36-42.
7. Тарасов А.І., Щіпаков В.А. Перспективи використання пульсуючих детонаційних технологій у турбореактивних двигунах. ВАТ «НВО «Сатурн» НТЦ ім. А. Люльки, Москва, Росія. Московський авіаційний інститут (ГТУ). - Москва, Росія. ISSN 1727-7337. Авіаційно-космічна техніка та технологія, 2011. - № 9 (86).
Проекти з детонаційного горіння в США включені до програми розробок перспективних двигунів IHPTET. У кооперацію входять майже всі дослідні центри, які працюють у галузі двигунобудування. Тільки в NASA на ці цілі виділяється до 130 млн доларів на рік. Це доводить актуальність досліджень у цьому напрямі.
Огляд робіт у галузі детонаційних двигунів
Ринкова стратегія провідних світових виробників спрямована як на розробку нових реактивних детонаційних двигунів, а й у модернізацію існуючих шляхом заміни у яких традиційної камери згоряння на детонаційну. Крім того, детонаційні двигуни можуть стати складовим елементомкомбінованих установок різних типівнаприклад, використовуватися як форсажна камера ТРДД, як підйомні ежекторні двигуни в СВВП (приклад на рис. 1 - проект транспортного СВВП фірми «Боїнг»).
У США розробки детонаційних двигунів ведуть багато наукових центрів та університетів: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield and Valcartier, Uniyersite de Poitiers , University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.
Провідні позиції з розробки детонаційних двигунів займає спеціалізований центр Seattle Aerosciences Center (SAC), викуплений 2001 р. компанією Pratt and Whitney у фірми Adroit Systems. Більшість робіт центру фінансується ВПС і NASA з бюджету міжвідомчої програми Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), спрямованої створення нових технологій для реактивних двигунів різних типів.
Мал. 1. Патент US 6,793,174 В2 фірми "Боїнг", 2004 р.
Загалом, починаючи з 1992 р. спеціалістами центру SAC здійснено понад 500 стендових випробувань експериментальних зразків. Роботи з пульсуючих детонаційних двигунів (PDE) із споживанням атмосферного кисню Центр SAC веде на замовлення ВМС США. Враховуючи складність програми, фахівці ВМС залучили до її реалізації практично всі організації, які займаються детонаційними двигунами. Окрім компанії Pratt and Whitney, у роботах беруть участь Дослідницький центр United Technologies Research Center (UTRC) та фірма Boeing Phantom Works.
В даний час у нашій країні над цією актуальною проблемою в теоретичному плані працюють такі університети та інститути Російської академії наук (РАН): Інститут хімічної фізики РАН (ІХФ), Інститут машинознавства РАН, Інститут високих температур РАН (ІВТАН) Новосибірський інститут гідродинаміки ім. Лаврентьєва (ІДіЛ), Інститут теоретичної та прикладної механікиім. Християновича (ІТМП), Фізико-технічний інститут ім. Іоффе, Московський державний університет (МДУ), Московський державний авіаційний інститут (МАІ), Новосибірський державний університет, Чебоксарський державний університет, Саратовський державний університет та ін.
Напрямки робіт з імпульсних детонаційних двигунів
Напрямок № 1 – Класичний імпульсний детонаційний двигун (ІДД). Камера згоряння типового реактивного двигунаскладається з форсунок для змішування палива з окислювачем, пристрої запалювання паливної сумішіі власне жарової труби, в якій йдуть окислювально-відновлювальні реакції (горіння). Жарова труба закінчується соплом. Як правило, це сопло Лаваля, що має звужується частина, мінімальний критичний переріз, в якому швидкість продуктів згоряння дорівнює місцевій швидкості звуку, частина, що розширюється, в якій статичний тиск продуктів згоряння знижується до тиску в навколишньому середовищі, наскільки це можливо. Дуже грубо можна оцінити тягу двигуна як площу критичного перерізу сопла, помножену на різницю тиску в камері згоряння та навколишньому середовищі. Тому тяга тим вища, що вищий тиск у камері згоряння.
Тяга імпульсного детонаційного двигуна визначається іншими факторами - передачею імпульсу детонаційною хвилею тягової стінки. Сопло в цьому випадку взагалі не потрібне. Імпульсні детонаційні двигуни мають свою нішу - дешеві та одноразові літальні апарати. У цій ніші вони успішно розвиваються у напрямку підвищення частоти проходження імпульсів.
Класичний вигляд ІДД - циліндрична камера згоряння, яка має плоску або спеціально спрофільовану стінку, що називається «тяговою стінкою» (рис. 2). Простота пристрою ІДД - незаперечна його перевага. Як показує аналіз наявних публікацій, незважаючи на різноманіття пропонованих схем ІДД, всім їм властиве використання як резонансних пристроїв детонаційних труб значної довжини та застосування клапанів, що забезпечують періодичну подачу робочого тіла.
Слід зазначити, що ІДД, створеним на базі традиційних детонаційних труб, незважаючи на високу термодинамічну ефективність в одиничній пульсації, притаманні недоліки, характерні для класичних пульсуючих повітряно-реактивних двигунів, а саме:
Низька частота (до 10 Гц) пульсацій, що визначає відносно невисокий рівень середньої тягової ефективності;
Високі теплові та вібраційні навантаження.
Мал. 2. Принципова схемаімпульсно-детонаційного двигуна (ІДД)
Напрямок №2 - Багатотрубний ІДД. Основною тенденцією при розробках ІДД є перехід до багатотрубної схеми (рис. 3). У таких двигунах частота роботи окремої труби залишається низькою, але за рахунок чергування імпульсів у різних трубах розробники сподіваються отримати прийнятні питомі характеристики. Така схема видається цілком працездатною, якщо вирішити проблему вібрацій та асиметрії тяги, а також проблему донного тиску, зокрема, можливих низькочастотних коливань у донній області між трубами.
Мал. 3. Імпульсно-детонаційний двигун (ІДД) традиційної схеми з пакетом детонаційних труб як резонатори
Напрямок № 3 – ІДД із високочастотним резонатором. Існує і альтернативний напрямок – широко розрекламована останнім часом схема з тяговими модулями (рис. 4), що мають спеціально спрофільований високочастотний резонатор. Роботи у цьому напрямі ведуться у НТЦ ім. А. Люльки та в МАІ. Схема відрізняється відсутністю будь-яких механічних клапанів та запальних пристроїв переривчастої дії.
Тяговий модуль ІДД пропонованої схеми складається з реактора та резонатора. Реактор служить для підготовки паливно-повітряної сумішідо детонаційного згоряння, розкладаючи молекули горючої сумішіна хімічно-активні складові. p align="justify"> Принципова схема одного циклу роботи такого двигуна наочно представлена на рис. 5.
Взаємодіючи з донною поверхнею резонатора як із перешкодою, детонаційна хвиля в процесі зіткнення передає їй імпульс від сил надлишкового тиску.
ІДД із високочастотними резонаторами мають право на успіх. Зокрема, вони можуть претендувати на модернізацію форсажних камер та доопрацювання простих ТРД, призначених знову ж таки для дешевих БПЛА. Як приклад можна навести спроби МАІ та ЦІАМ модернізувати таким чином ТРД МД-120 за рахунок заміни камери згоряння реактором активації паливної суміші та встановленням за турбіною тягових модулів з високочастотними резонаторами. Поки працездатну конструкцію створити зірвалася, т.к. для профілювання резонаторів авторами використовується лінійна теорія хвиль стиснення, тобто. розрахунки проводяться в акустичному наближенні. Динаміка детонаційних хвиль і хвиль стиснення описується зовсім іншим математичним апаратом. Використання стандартних чисельних пакетів до розрахунку високочастотних резонаторів має обмеження принципового характеру . Усе сучасні моделітурбулентності засновані на середовищі рівнянь Навье-Стокса (базові рівняння газової динаміки) за часом. Крім того, вводиться припущення Бусінеска, що тензор напруги турбулентного тертя пропорційний градієнту швидкості. Обидва припущення не виконуються в турбулентних потоках з ударними хвилями, якщо характерні частоти можна порівняти з частотою турбулентної пульсації. На жаль, ми маємо справу саме з таким випадком, тому тут потрібна або побудова моделі вищого рівня, або пряме чисельне моделювання на основі повних рівнянь Нав'є-Стокса без використання моделей турбулентності (завдання, непідйомне на сучасному етапі).
Мал. 4. Схема ІДД із високочастотним резонатором
Мал. 5. Схема ІДД з високочастотним резонатором: СЗС - надзвуковий струмінь; УВ – ударна хвиля; Ф – фокус резонатора; ДВ – детонаційна хвиля; ВР – хвиля розрідження; ОУВ - відбита ударна хвиля
ІДД удосконалюються у напрямі підвищення частоти проходження імпульсів. Цей напрямок має своє право на життя в галузі легких та дешевих безпілотних літальних апаратів, а також при розробці різних ежекторних підсилювачів тяги.
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. Імпульсні двигуни // Фундаментальні дослідження. - 2013. - № 10-8. - С. 1667-1671;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (дата звернення: 14.03.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»
Що насправді стоїть за повідомленнями про перший у світі детонаційний ракетний двигун, випробуваний у Росії?
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(ЗРД) з 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
Випробування детонаційного рідинного ракетного двигуна
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. Внаслідок взаємодії пального та окислювача температура газової суміші різко зростає і з сопла виривається вогненний стовп продуктів згоряння, які й 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 і двигун внутрішнього згоряння вичерпали свій потенціал, і лише поява реактивних двигунів дозволила вийти якісно новий рівеньвисот, швидкостей та дальності польотів.
Детонаційний ракетний двигун
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 двигунівнатрапила 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 складне механічний пристрій, вал якого здійснює 230 оборотів на 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 російської компаніїі сьогодні продавати свої двигуни для встановлення на американських ракетах-носіях Atlas V та 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?
Пульс прогресу
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 моторам у 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. Поруч із ним самі думки висловили Фон Нейман (США) і Вернер Дерінг (Німеччина), отже міжнародній науцімодель 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 придумана інша, набагато перспективніша схема детонаційного двигуна.
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 щодо 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 кошти для 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 цьому успіху зіграло створення математичних моделейі 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 ЖРД дозволить підняти тягу на 10% при спалюванні тієї ж кількості палива, що й у звичайному двигуні, а питомий імпульс тяги має збільшитись на 10–15%.
Створення першого у світі повнорозмірного детонаційного ЗРД закріпило за Росією важливий пріоритет у світовій історії науки та техніки.
Але головний результат у тому, що практично підтверджено можливість організації детонаційного горіння в ЖРД. Однак шлях до використання цієї технології у складі реальних літальних апаратів має бути ще довгим. Інший важливий аспектполягає в тому, що ще один світовий пріоритет у галузі високих технологійвідтепер закріплений за нашою країною: вперше у світі повнорозмірний детонаційний ЖРД запрацював саме в Росії, і цей факт залишиться в історії науки та техніки.
Для практичної реалізації ідеї детонаційного ЗРД знадобилося 70 років напруженої праці вчених та конструкторів.
Фото: Фонд перспективних досліджень
Загальна оцінка матеріалу: 5
АНАЛОГІЧНІ МАТЕРІАЛИ (ПО МІТКАХ):
Графен прозорий, магнітний та фільтруючий воду Батько відеозапису Олександр Понятов та AMPEX
Випробування детонаційного двигуна
FPI_RUSSIA / Vimeo
Спеціалізована лабораторія «Детонаційні ЗРД» науково-виробничого об'єднання «Енергомаш» провела випробування перших у світі повнорозмірних демонстраторів технологій детонаційного рідинного ракетного двигуна. Як повідомляє ТАРС, нові силові установки працюють на паливній парі кисень-гас.
Новий двигун, на відміну інших силових установок, які працюють за принципом внутрішнього згоряння, функціонує з допомогою детонації палива. Детонацією називається надзвукове горіння будь-якої речовини, у разі паливної суміші. При цьому по суміші поширюється ударна хвиля, за якою слідує хімічна реакція з виділенням великої кількості тепла.
Вивчення принципів роботи та розробка детонаційних двигунів ведеться в деяких країнах світу вже понад 70 років. Перші такі роботи розпочалися ще у Німеччині у 1940-х роках. Правда тоді працюючого прототипу детонаційного двигуна дослідникам створити не вдалося, але були розроблені і серійно випускалися пульсуючі повітряно-реактивні двигуни. Вони ставилися на ракети Фау-1.
У пульсуючих повітряно-реактивних двигунах паливо згоряло з дозвуковою швидкістю. Таке горіння називається дефлаграцією. Пульсуючим двигун називається тому, що в камеру згоряння паливо і окислювач подавалися невеликими порціями через рівні проміжки часу.
Карта тиску в камері згоряння ротаційного двигуна детонації. A - детонаційна хвиля; B – задній фронт ударної хвилі; C - зона змішування свіжих та старих продуктів горіння; D – область заповнення паливною сумішшю; E - область нездетонованої згорілої паливної суміші; F - зона розширення з згорілою паливною сумішшю, що здетонувала.
Детонаційні двигуни сьогодні поділяються на два основні типи: імпульсні та ротаційні. Останні ще називають спіновими. Принцип роботи імпульсних двигунівсхожий з таким у пульсуючих повітряно-реактивних двигунів. Основна відмінність полягає в детонаційному горінні паливної суміші в камері згоряння.
У ротаційних детонаційних двигунах використовується кільцева камера згоряння, в якій паливна суміш послідовно подається через радіально розташовані клапани. У таких силових установках детонація не згасає – детонаційна хвиля «оббігає» кільцеву камеру згоряння, паливна суміш за нею встигає оновитися. Ротаційний двигунвперше почали вивчати в СРСР у 1950-х роках.
Детонаційні двигуни здатні працювати у широкій межі швидкостей польоту - від нуля до п'яти чисел Маха (0-6,2 тисячі кілометрів на годину). Вважається, що такі силові установки можуть видавати велику потужністьспоживаючи палива менше, ніж звичайні реактивні двигуни. При цьому конструкція детонаційних двигунів відносно проста: у них відсутній компресор і багато частин, що рухаються.
Усі детонаційні двигуни, що випробовувалися досі, розроблялися для експериментальних літаків. Випробована в Росії така силова установка є першою, призначеною для встановлення на ракету. Який саме тип двигуна детонації пройшов випробування, не уточнюється.
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 етап у 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 паливана 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 потрібно велика кількістьмеханічних, 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 Велика 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: 1934Обговорення: 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%).Відповісти
Об'єднана двигунобудівна корпорація (ОДК) має намір Найближчим часомрозпочати створення нових авіаційних та ракетних двигунів, в яких будуть використовуватися детонаційні технології.
Демонстратори технологій детонаційних дозвукового та надзвукового двигунів вже створено. На випробуваннях вони показали на 30–50% кращі питомі тяги та витрату палива в порівнянні зі звичайними силовими установками, повідомило РИА "Новости" з посиланням на дані корпорації.
У проекті зі створення детонаційних двигунів візьме участь Дослідно-конструкторське бюро ім. Люльки. Бюро запропонувало розробити сімейство таких силових установок, які можна було б використати на безпілотних літальних апаратах, крилатих ракетах, повітряно-космічних літаках та ракетах.
Детаційні двигуни відрізняються:
- горінням паливної суміші, що супроводжується проходженням по ній ударної хвилі, яка формується за рахунок надзвукового поширення паливної суміші фронту горіння;
- Широким діапазоном швидкостей - від дозвукових до гіперзвукових, що може допомогти при створенні гіперзвукових ракет, проектування яких активно ведеться в Росії в останні роки.
2013 року Дослідно-конструкторське бюро ім. Люльки випробувало досвідчений зменшений зразок пульсуючого резонаторного двигуна детонації з двостадійним спалюванням гасовоповітряної суміші. Під час випробувань середня виміряна тяга силової установкистановила близько ста кілограмів, а тривалість безперервної роботи- Більше десяти хвилин. У ході експериментів проводилося багаторазове включення та вимкнення нового двигуна, а також регулювання тяги.
За оцінкою конструкторського бюро, детонаційні двигуни дозволять збільшити тягозброєність літаків у 1,5–2 рази. Роботи зі створення пульсуючих детонаційних двигунів ведуться у Росії з 2011 року.
Крім Росії у світі відразу кілька компаній займаються розробкою детонаційних двигунів: французька компанія SNECMA та американські General Electric та Pratt & Whitney.
ОСНОВИ ДЕТОНАЦІЙНОГО ДВИГУНА
Якби питома витратапалива не зростав зі збільшенням швидкості польоту, то застосовуючи сучасні рішенняДля покращення зовнішньої аеродинаміки, збільшуючи висоту польоту, на надзвукових швидкостях можна було б досягти таких же характеристик дальності, що й у дозвукового магістрального літака. Але ось внутрішня аеродинаміка надзвукових літаків має непереборний недолік - на надзвукових швидкостях питома витрата палива традиційної силової установки монотонно зростає зі збільшенням швидкості на будь-яких висотах польоту. Вихід бачиться у використанні двигунів, заснованих на інших принципах, ніж традиційний термодинамічний цикл Брайтона горіння палива при постійному тиску. До останніх відносяться пульсуючі повітряно-реактивні та детонаційні двигуни. У статті розглянуто переваги використання детонаційного горіння в турбореактивних та ракетних двигунах.
Одним із найкращих у термодинамічному плані є детонаційний двигун. Завдяки тому, що в ньому спалювання палива відбувається в ударних хвилях приблизно в 100 разів швидше, ніж при звичайному повільному горінні (дефлаграції), цей тип двигуна теоретично відрізняється рекордною потужністю, що знімається з одиниці об'єму, порівняно з іншими типами теплових двигунів.
Питання про використання детонаційного горіння в енергетиці та реактивних двигунах вперше було поставлено Я.Б. Зельдович ще в 1940 р. За його оцінками прямоточні повітряно-реактивні двигуни, що використовують детонаційне згоряння палива, повинні мати максимально можливу термодинамічну ефективність.
НАПРЯМКИ РОБОТ ЗА ІМПУЛЬСНИМИ ДЕТОНАЦІЙНИМИ ДВИГУНАМИ
Напрямок №1 - Класичний імпульсний детонаційний двигун
Камера згоряння типового реактивного двигуна складається з форсунок для змішування палива з окислювачем, пристрої підпалювання паливної суміші та власне жарової труби, в якій йдуть окислювально-відновні реакції (горіння). Жарова труба закінчується соплом. Як правило, це сопло Лаваля, що має звужувальну частину, мінімальний критичний переріз, в якому швидкість продуктів згоряння дорівнює місцевій швидкості звуку, частина, що розширюється, в якій статичний тиск продуктів згоряння знижується до тиску в навколишньому середовищі, наскільки це можливо. Дуже грубо, можна оцінити тягу двигуна як площу критичного перерізу сопла, помножену на різницю тиску в камері згоряння та навколишньому середовищі. Тому тяга тим вища, що вищий тиск у камері згоряння.
Тяга імпульсного детонаційного двигуна визначається іншими факторами - передачею імпульсу детонаційною хвилею тягової стінки. Сопло в цьому випадку взагалі не потрібне. Імпульсні детонаційні двигуни мають свою нішу - дешеві та одноразові літальні апарати. У цій ніші вони успішно розвиваються у напрямку підвищення частоти проходження імпульсів.
Традиційні імпульсні детонаційні двигуни є довгими трубами, по яких з невеликою частотою йдуть ударні хвилі. Система хвиль стиснення та розрідження автоматично регулює подачу палива та окислювача. Через низьку частоту проходження ударних хвиль (одиниці Гц) час, протягом якого відбувається спалювання палива, порівняно з характерним часом циклу, мало. В результаті, незважаючи на високий ККДвласне детонаційного спалювання (на 20-25% більше, ніж у двигунів із циклом Брайтона) загальний ККД таких конструкцій низький.
Основне завдання в цій галузі на сучасному етапі - розробка двигунів з високою частотоюпрямування ударних хвиль в камері згоряння або створення двигуна з безперервною детонацією(CDE).
Класичний вигляд ІДД - циліндрична камера згоряння, яка має плоску або спеціально спрофільовану стінку, що називається "тяговою стінкою". Простота пристрою ІДД - незаперечна його перевага. Незважаючи на різноманіття пропонованих схем ІДД, всім їм властиве використання як резонансних пристроїв детонаційних труб значної довжини та застосування клапанів, що забезпечують періодичну подачу робочого тіла.
Слід зазначити, що ІДД, створеним на базі традиційних детонаційних труб, незважаючи на високу термодинамічну ефективність в одиничній пульсації, притаманні недоліки, характерні для класичних пульсуючих повітряно-реактивних двигунів, а саме:
- низька частота (до 10 Гц) пульсацій, що визначає відносно невисокий рівень середньої тягової ефективності;
– високі теплові та вібраційні навантаження.
Напрямок №2 - Багатотрубний ІДД
Основною тенденцією при розробках ІДД є перехід до багатотрубної схеми. У таких двигунах частота роботи окремої труби залишається низькою, але за рахунок чергування імпульсів у різних трубах розробники сподіваються отримати прийнятні питомі характеристики. Така схема є цілком працездатною, якщо вирішити проблему вібрацій та асиметрії тяги, а також проблему донного тиску, зокрема, можливих низькочастотних коливань у донній області між трубами.
Напрямок №3 - ІДД з високочастотним резонатором
Тяговий Модуль ІДД пропонованої схеми складається з реактора та резонатора. Реактор служить для підготовки паливно-повітряної суміші до згоряння детонації, розкладаючи молекули горючої суміші на хімічно активні складові.
Взаємодіючи з донною поверхнею резонатора як із перешкодою, детонаційна хвиля в процесі зіткнення передає їй імпульс від сил надлишкового тиску.
ІДД із високочастотними резонаторами мають право на успіх. Зокрема, вони можуть претендувати на модернізацію форсажних камер та доопрацювання простих ТРД, призначених знову ж таки для дешевих БПЛА. Як приклад можна навести спроби в МАІ та ЦІАМ модернізувати таким чином ТРД МД-120 за рахунок заміни камери згоряння реактором активації паливної суміші та встановленням за турбіною тягових модулів з високочастотними резонаторами. Поки працездатну конструкцію створити зірвалася, т.к. для профілювання резонаторів авторами використовується лінійна теорія хвиль стиснення, тобто. розрахунки проводяться в акустичному наближенні. Динаміка детонаційних хвиль і хвиль стиснення описується зовсім іншим математичним апаратом.
Використання стандартних чисельних пакетів до розрахунку високочастотних резонаторів має обмеження принципового характеру. Усі сучасні моделі турбулентності засновані на середовищі рівнянь Навье-Стокса (базові рівняння газової динаміки) за часом. Крім того, вводиться припущення Бусінеска, що тензор напруги турбулентного тертя пропорційний градієнту швидкості. Обидва припущення не виконуються в турбулентних потоках з ударними хвилями, якщо характерні частоти можна порівняти з частотою турбулентної пульсації. На жаль, ми маємо справу саме з таким випадком, тому тут потрібна або побудова моделі вищого рівня, або пряме чисельне моделювання на основі повних рівнянь Навье - Стокса без використання моделей турбулентності (завдання непідйомне на сучасному етапі).
З наведених вище схем видно, що досліджувані сьогодні схеми ІДД - це однорежимні двигуни, що мають дуже обмежений діапазон регулювання, тому пряме їх використання як єдина силова установка на літаку недоцільно. Інша справа – ракетний двигун.
