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 і 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 двигуна Войцеховського. 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 даному випадкустаціонарний 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 стала прототипом численних дослідженнях̆ 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 з зворотним зв'язком, Дана в спокої, прагне зайняти становище, що відповідає мінімальному рівню енергії. В результаті потрійні конфігурації і область детонаційного горіння підлаштовуються один під одного так, щоб фронт детонації переміщався кільцевим зазором при мінімально можливому для цього обсязі детонаційного горіння. 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: 14.03.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»
Детонаційні двигуни замінять ядро газотурбінних / Фото: finobzor.ru
Насправді замість постійного фронтального полум'я в зоні згоряння утворюється детонаційна хвиля, що мчить з надзвуковою швидкістю. У такій хвилі стиснення детонують паливо та окислювач, цей процес, з погляду термодинаміки підвищує ККД двигунана порядок завдяки компактності зони згоряння.
Цікаво, що ще 1940 року радянський фізик Я.Б. Зельдович запропонував ідею детонаційного двигуна у статті «Про енергетичне використання детонаційного згоряння». З того часу над перспективною ідеєю працювали багато вчених з різних країн, вперед виходили США, Німеччина, наші співвітчизники.
Влітку, у серпні 2016 року, російським ученим вдалося створити вперше у світі повнорозмірний рідинний реактивний двигун, який працює на принципі детонаційного згоряння палива. Наша країна нарешті за багато постперебудовних років встановила світовий пріоритет у освоєнні новітньої техніки.
Чим же такий гарний новий двигун? У реактивному двигуні застосовується енергія, що виділяється при спалюванні суміші при постійному тиску та незмінному полум'яному фронті. Газова суміш з палива та окислювача при горінні різко підвищує температуру і стовп полум'я, що виривається із сопла, створює реактивну тягу.
Детаціонаційний двигун/ Фото: sdelanounas.ru
При детонаційному горінні продукти реакції не встигають зруйнуватися, тому що цей процес у 100 разів швидше за дефларгацію і тиск при цьому стрімко збільшується, а обсяг залишається незмінним. Виділення такого великої кількостіенергії справді може зруйнувати двигун автомобіля, тому такий процес часто асоціюється із вибухом.
Насправді замість постійного фронтального полум'я в зоні згоряння утворюється детонаційна хвиля, що мчить з надзвуковою швидкістю. У такій хвилі стиснення детонують паливо та окислювач, цей процес, з точки зору термодинаміки, підвищує ККД двигуна на порядок, завдяки компактності зони згоряння. Тому фахівці так завзято і приступили до розробки цієї ідеї. У звичайному ЗРД, по суті, є великим пальником, головне не камера згоряння та сопло, а паливний турбонасосний агрегат (ТНА), що створює такий тиск, щоб паливо проникло в камеру. Наприклад, у російському ЖРД РД-170 для ракет-носіїв «Енергія» тиск у камері згоряння 250 атм і насосу, що подає окислювач у зону згоряння доводиться створювати тиск 600 атм.
У детонаційному двигуні тиск створюється самою детонацією, що представляє хвилю стиснення, що біжить, в суміші палива, в якій тиск без всякого ТНА вже в 20 разів більше і турбонасосні агрегати є зайвими. Щоб було зрозуміло, у американського «Шаттла» тиск у камері згоряння 200 атм, а детонаційному двигуну в таких умовах треба лише 10 атм для подачі суміші – це як велосипедний насос та Саяно-Шушенська ГЕС.
Двигун на основі детонації в такому випадку не тільки більш простий і дешевий на цілий порядок, але набагато потужніший і економічніший, ніж звичайний ЖРД. Це непросто вибухова хвиля, що має швидкість звуку, а детонаційна, що поширюється зі швидкістю 2500 м/сек, у ній немає стабілізації фронту полум'я, за кожну пульсацію оновлюється суміш і хвиля знову запускається.
Раніше російські та французькі інженери розробляли та будували реактивні пульсуючі двигуни, але не на принципі детонації, а на основі пульсації звичайного горіння. Характеристики таких ПуВРД були низькими і коли двигунобудівники розробили насоси, турбіни та компресори, настав час реактивних двигуніві ЗРД, а пульсуючі залишилися на узбіччі прогресу. Світлі голови науки намагалися поєднати детонаційне горіння з ПуВРД, але частота пульсацій звичайного фронту горіння становить не більше 250 в секунду, а фронт детонації має швидкість до 2500 м/сек і частота його пульсацій досягає кілька тисяч в секунду. Здавалося неможливим втілити практично таку швидкість оновлення суміші і навіть ініціювати детонацію.
У СЩА вдалося побудувати такий детонаційний пульсуючий двигун і випробувати його в повітрі, щоправда, пропрацював він лише 10 секунд, але пріоритет залишився за американськими конструкторами. Але вже у 60-х роках минулого століття радянському вченому Б.В. Войцеховському і майже в той же час і американцю з університету в Мічигані Дж. Ніколсу прийшла ідея закольцювати в камері згоряння хвилю детонації.
Зображення: sdelanounas.ru
Як працює детонаційний ЖРД
Такий ротаційний двигунскладався з кільцевої камери згоряння з форсунками, що розміщені за її радіусом для подачі палива. Хвиля детонації бігає як білка в колесі по колу, паливна сумішстискається та вигоряє, виштовхуючи продукти згоряння через сопло. У спиновому двигуні отримуємо частоту обертання хвилі в кілька тисяч на секунду, робота його подібна до робочого процесу в ЖРД, тільки більш ефективно, завдяки детонації суміші палива.
У СРСР та США, а пізніше в Росії ведуться роботи зі створення ротаційного детонаційного двигуна з незатухаючою хвилею, розуміння процесів, що відбуваються всередині, для чого була створена ціла наука фізико-хімічна кінетика. Для розрахунку умов незагасаючої хвилі потрібні були потужні ЕОМ, які створили лише останнім часом.
У Росії над проектом такого спінового двигуна працюють багато НДІ та КБ, серед яких двигунобудівна компанія космічної промисловості. На допомогу у розробці такого двигуна прийшов Фонд перспективних досліджень, адже фінансування від Міністерства оборони досягти неможливо – їм подавай лише гарантований результат.
Проте на випробуваннях у Хімках на «Енергомаші» був зафіксований режим безперервної спинової детонації - 8 тисяч обертів на секунду на суміші «кисень - гас». При цьому хвилі детонації врівноважували хвилі вібрації, а теплозахисні покриття витримали високі температури.
Але не варто зваблюватися, адже це лише двигун-демонстратор, який пропрацював дуже нетривалий час і про характеристики його поки що нічого не сказано. Але основне в тому, що доведено можливість створення детонаційного горіння та створено повнорозмірний спіновий двигунсаме у Росії, що залишиться в історії науки назавжди.
МОСКВА, видання "Зроблено у нас"
12
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 від інших силових установок, що працюють за принципом внутрішнього згорянняфункціонує за рахунок 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 двигун уперше 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. Випробувана в Росії така силова установкає першою, призначеною для встановлення на ракету. Який саме тип двигуна детонації пройшов випробування, не уточнюється.
Видання «Військово-промисловий Кур'єр» повідомляє чудову новину з галузі проривних ракетних технологій. Детонаційний ракетний двигун випробуваний у Росії, повідомив у п'ятницю віце-прем'єр Дмитро Рогозін на своїй сторінці у Facebook.
«Пройшли успішні випробування про детонаційні ракетні двигуни, розроблені в рамках програми Фонду перспективних досліджень», — цитує віце-прем'єра Інтерфакс-АВН.
Вважається, що детонаційний ракетний двигун — один із шляхів реалізації концепції так званого моторного гіперзвуку, тобто створення гіперзвукових літальних апаратів, здатних за рахунок власного двигунадосягати швидкості в 4 - 6 Махів (Мах - швидкість звуку).
Портал russia-reborn.ru наводить інтерв'ю одного з провідних профільних двигуністів Росії щодо детонаційних ракетних двигунів.
Інтерв'ю з Петром Льовочкіним, головним конструктором «НУО Енергомаш ім. академіка В.П. Глушко».
Створюються двигуни для гіперзвукових ракет майбутнього
Пройшли успішні випробування про детонаційних ракетних двигунів, які дали дуже цікаві результати. Дослідно-конструкторські роботи у цьому напрямі будуть продовжені.
Детонація – це вибух. Чи можна її зробити керованою? Чи можна на базі таких двигунів створити гіперзвукову зброю? Які ракетні двигуни виводитимуть безлюдні та пілотовані апарати до ближнього космосу? Про це наша розмова із заступником гендиректора — головним конструктором «НУО Енергомаш ім. академіка В.П. Глушко» Петром Льовочкіним.
Петре Сергійовичу, які можливості відкривають нові двигуни?
Петро Льовочкін: Якщо говорити про найближчу перспективу, то сьогодні ми працюємо над двигунами для таких ракет, як Ангара А5В і Союз-5, а також іншими, які знаходяться на передпроектній стадії і невідомі широкому загалу. Взагалі, наші двигуни призначені для відриву ракети від поверхні небесного тіла. І вона може бути будь-якою — земною, місячною, марсіанською. Отже, якщо реалізовуватимуться місячна або марсіанська програми, ми обов'язково візьмемо в них участь.
Якою є ефективність сучасних ракетних двигунів і чи є шляхи їх удосконалення?
Петро Льовочкін: Якщо говорити про енергетичні та термодинамічні параметридвигунів, то можна сказати, що наші, як, втім, і найкращі закордонні хімічні ракетні двигуни на сьогоднішній день досягли певної досконалості. Наприклад, повнота згоряння палива сягає 98,5 відсотка. Тобто практично вся хімічна енергія палива в двигуні перетворюється на теплову енергію струменя газу з сопла, що витікає.
Удосконалювати двигуни можна з різних напрямків. Це застосування більш енергоємних компонентів палива, введення нових схемних рішень, збільшення тиску в камері згоряння. Іншим напрямом є застосування нових, у тому числі адитивних технологій з метою зниження трудомісткості і, як наслідок, зниження вартості ракетного двигуна. Все це веде до зниження вартості корисного навантаження, що виводиться.
Однак при більш детальному розгляді стає ясно, що підвищення енергетичних характеристик двигунів традиційним способом є малоефективним.
Використання керованого вибуху палива може дати ракеті швидкість у вісім разів вище за швидкість звуку
Чому?
Петро Льовочкін: Збільшення тиску та витрати палива в камері згоряння, природно, збільшить тягу двигуна. Але це вимагатиме збільшення товщини стінок камери та насосів. В результаті складність конструкції та її маса зростають, енергетичний виграш виявляється не таким уже й великим. Овчинка вичинки не коштуватиме.
Тобто ракетні двигуни вичерпали ресурс свого розвитку?
Петро Льовочкін: Не зовсім так. Висловлюючись технічною мовоюїх можна вдосконалювати через підвищення ефективності внутрішньорухових процесів. Існують цикли термодинамічного перетворення хімічної енергії в енергію струменя, що витікає, які набагато ефективніше класичного горіння ракетного палива. Це цикл детонаційного горіння та близький до нього цикл Хамфрі.
Сам ефект паливної детонації відкрив наш співвітчизник — згодом академік Яків Борисович Зельдович ще 1940 року. Реалізація цього ефекту практично обіцяла дуже великі перспективи в ракетобудуванні. Не дивно, що німці у ті роки активно досліджували детонаційний процес горіння. Але далі не зовсім вдалих експериментівсправа у них не просунулась.
Теоретичні розрахунки показали, що детонаційне горіння на 25 відсотків ефективніше, ніж ізобаричний цикл, що відповідає згорянню палива при постійному тиску, реалізованому в камерах сучасних рідинно-рактивних двигунів.
А чим забезпечуються переваги детонаційного горіння порівняно з класичним?
Петро Льовочкін: Класичний процес горіння - дозвуковий. Детонаційний - надзвуковий. Швидкість протікання реакції в малому обсязі призводить до величезного тепловиділення - воно в кілька тисяч разів вище, ніж при дозвуковому горінні, реалізованому в класичних ракетних двигунах при одній масі палива, що горить. А для нас, двигуністів, це означає, що при значно менших габаритах детонаційного двигуна і при малій масі палива можна отримати ту саму тягу, що й у величезних сучасних рідинних ракетних двигунах.
Не секрет, що двигуни з детонаційним горінням палива розробляють і за кордоном. Які наші позиції? Поступаємося, йдемо на їхньому рівні чи лідируємо?
Петро Льовочкін: Не поступаємося – це точно. Але й сказати, що лідируємо, не можу. Тема досить закрита. Один із головних технологічних секретів полягає в тому, як домогтися того, щоб пальне та окислювач ракетного двигуна не горіли, а вибухали, при цьому не руйнуючи камеру згоряння. Тобто фактично зробити справжній вибух контрольованим та керованим. Для довідки: детонаційним називають горіння палива у фронті надзвукової ударної хвилі. Розрізняють імпульсну детонацію, коли ударна хвиля рухається вздовж осі камери і одна змінює іншу, а також безперервну (спинову) детонацію, коли ударні хвилі в камері рухаються по колу.
Наскільки відомо, за участю ваших фахівців проведено експериментальні дослідження детонаційного горіння. Які результати було отримано?
Петро Льовочкін: Були виконані роботи зі створення модельної камери рідинного детонаційного ракетного двигуна. Над проектом під патронажем Фонду перспективних досліджень працювала велика кооперація ведучих наукових центрівРосії. Серед них Інститут гідродинаміки ім. М.А. Лаврентьєва, МАІ, Центр Келдиша, Центральний інститут авіаційного моторобудування ім. П.І. Баранова, Механіко-математичний факультет МДУ. Як пальне ми запропонували використовувати гас, а окислювача - газоподібний кисень. У процесі теоретичних та експериментальних досліджень було підтверджено можливість створення детонаційного ракетного двигуна на таких компонентах. На основі отриманих даних ми розробили, виготовили та успішно випробували детонаційну модельну камеру з тягою в 2 тонни та тиском у камері згоряння близько 40 атм.
Це завдання вирішувалося вперше у Росії, а й у світі. Тому, звісно, проблеми були. По-перше, пов'язані із забезпеченням стійкої детонації кисню з гасом, по-друге, із забезпеченням надійного охолодження вогневої стінки камери без завісного охолодження та масою інших проблем, суть яких зрозуміла лише фахівцям.
Насправді замість постійного фронтального полум'я в зоні згоряння утворюється детонаційна хвиля, що мчить з надзвуковою швидкістю. У такій хвилі стиснення детонують паливо та окислювач, цей процес, з точки зору термодинаміки, підвищує ККД двигуна на порядок, завдяки компактності зони згоряння.
Цікаво, що ще 1940 року радянський фізик Я.Б. Зельдович запропонував ідею детонаційного двигуна у статті «Про енергетичне використання детонаційного згоряння». З того часу над перспективною ідеєю працювало багато вчених із різних країн, вперед виходили то США, то Німеччина, то наші співвітчизники.
Влітку, у серпні 2016 року, російським ученим вдалося створити вперше у світі повнорозмірний рідинний реактивний двигун, який працює на принципі детонаційного згоряння палива. Наша країна нарешті за багато постперебудовних років встановила світовий пріоритет у освоєнні новітньої техніки.
Чим же такий гарний новий двигун? У реактивному двигуні застосовується енергія, що виділяється при спалюванні суміші при постійному тиску та незмінному полум'яному фронті. Газова суміш з палива та окислювача при горінні різко підвищує температуру і стовп полум'я, що виривається із сопла, створює реактивну тягу.
При детонаційному горінні продукти реакції не встигають зруйнуватися, тому що цей процес у 100 разів швидше за дефларгацію і тиск при цьому стрімко збільшується, а обсяг залишається незмінним. Виділення такої великої кількості енергії справді може зруйнувати двигун автомобіля, тому такий процес часто асоціюється із вибухом.
Насправді замість постійного фронтального полум'я в зоні згоряння утворюється детонаційна хвиля, що мчить з надзвуковою швидкістю. У такій хвилі стиснення детонують паливо та окислювач, цей процес, з точки зору термодинаміки, підвищує ККД двигуна на порядок, завдяки компактності зони згоряння. Тому фахівці так завзято і розпочали розробку цієї ідеї.
У звичайному ЗРД, по суті є великим пальником, головне не камера згоряння і сопло, а паливний турбонасосний агрегат (ТНА), що створює такий тиск, щоб паливо проникло в камеру. Наприклад, у російському ЖРД РД-170 для ракет-носіїв «Енергія» тиск у камері згоряння 250 атм і насосу, що подає окислювач у зону згоряння доводиться створювати тиск 600 атм.
У детонаційному двигуні тиск створюється самою детонацією, що представляє хвилю стиснення, що біжить, в суміші палива, в якій тиск без всякого ТНА вже в 20 разів більше і турбонасосні агрегати є зайвими. Щоб було зрозуміло, у американського «Шаттла» тиск у камері згоряння 200 атм, а детонаційному двигуну в таких умовах треба лише 10 атм для подачі суміші – це як велосипедний насос та Саяно-Шушенська ГЕС.
Двигун на основі детонації в такому разі не тільки простіший і дешевший на цілий порядок, але набагато потужніший і економічніший, ніж звичайний ЗРД.
На шляху впровадження проекту детонаційного двигуна постала проблема впорання з хвилею детонації. Це непросто вибухова хвиля, що має швидкість звуку, а детонаційна, що поширюється зі швидкістю 2500 м/сек, у ній немає стабілізації фронту полум'я, за кожну пульсацію оновлюється суміш і хвиля знову запускається.
Раніше російські та французькі інженери розробляли та будували реактивні пульсуючі двигуни, але не на принципі детонації, а на основі пульсації звичайного горіння. Характеристики таких ПуВРД були низькими і коли двигунобудівники розробили насоси, турбіни та компресори, настало століття реактивних двигунів і ЖРД, а пульсуючі залишилися на узбіччі прогресу. Світлі голови науки намагалися поєднати детонаційне горіння з ПуВРД, але частота пульсацій звичайного фронту горіння становить не більше 250 в секунду, а фронт детонації має швидкість до 2500 м/сек і частота його пульсацій досягає кілька тисяч в секунду. Здавалося неможливим втілити практично таку швидкість оновлення суміші і навіть ініціювати детонацію.
У СЩА вдалося побудувати такий детонаційний пульсуючий двигун і випробувати його в повітрі, щоправда, пропрацював він лише 10 секунд, але пріоритет залишився за американськими конструкторами. Але вже у 60-х роках минулого століття радянському вченому Б.В. Войцеховському і майже в той же час і американцю з університету в Мічигані Дж. Ніколсу прийшла ідея закольцювати в камері згоряння хвилю детонації.
Як працює детонаційний ЖРД
Такий ротаційний двигун складався з кільцевої камери згоряння з форсунками, розміщеними за її радіусом для подачі палива. Хвиля детонації бігає як білка в колесі по колу, паливна суміш стискається та вигоряє, виштовхуючи продукти згоряння через сопло. У спиновому двигуні отримуємо частоту обертання хвилі в кілька тисяч на секунду, робота його подібна до робочого процесу в ЖРД, тільки більш ефективно, завдяки детонації суміші палива.
У СРСР та США, а пізніше в Росії ведуться роботи зі створення ротаційного детонаційного двигуна з незатухаючою хвилею для розуміння процесів, що відбуваються всередині і для цього була створена ціла наука — фізико-хімічна кінетика. Для розрахунку умов незагасаючої хвилі потрібні були потужні ЕОМ, які створили лише останнім часом.
У Росії над проектом такого спінового двигуна працює багато НДІ та КБ, серед яких двигунобудівна компанія космічної промисловості НВО «Енергомаш». На допомогу у розробці такого двигуна прийшов Фонд перспективних досліджень, адже фінансування від Міністерства оборони досягти неможливо – їм подавай лише гарантований результат.
Проте на випробуваннях у Хімках на «Енергомаші» був зафіксований режим безперервної спинової детонації – 8 тисяч обертів на секунду на суміші «кисень – гас». При цьому хвилі детонації врівноважували хвилі вібрації, а теплозахисні покриття витримали високі температури.
Але не варто зваблюватися, адже це лише двигун-демонстратор, який пропрацював дуже нетривалий час і про характеристики його поки що нічого не сказано. Але основне в тому, що доведено можливість створення детонаційного горіння та створено повнорозмірний спіновий двигун саме в Росії, що залишиться в історії науки назавжди.
Відео: «Енергомаш» першим у світі випробував детонаційний рідинний ракетний двигун
