Військово-морські сили США планують у майбутньому провести модернізацію силових газотурбінних установок, які в даний час встановлені на їх літаках і кораблях, помінявши звичайні двигуни з циклом Брайтона на детонаційні ротаційні двигуни. За рахунок цього передбачається економія палива на суму близько 400 мільйонів доларів щороку. Однак серійне використання нових технологій можливе, за оцінками експертів, не раніше ніж через десятиліття.
Розробки ротаційних або спинових ротаційних двигунів в Америці проводяться Науково-дослідною лабораторією флоту США. Згідно з початковими підрахунками, нові двигуни володітимуть більшою потужністю, а також приблизно на чверть економічніше звичайних двигунів. При цьому основні принципи роботи силової установки залишаться колишніми – гази від палива, що згоріло, надходитимуть у газову турбіну, обертаючи її лопаті. Згідно з даними лабораторії ВМС США, навіть у відносно далекому майбутньому, коли весь американський флот приводиться в дію за допомогою електрики, за вироблення енергії, як і раніше, відповідатимуть газові турбіни, Певною мірою видозмінені.
Нагадаємо, що винахід пульсуючого повітряно-реактивного двигуна посідає кінець дев'ятнадцятого століття. Автором винаходу був шведський інженер Мартін Віберг. Широке поширення нові силові установки набули в роки Другої світової війни, хоча вони значно поступалися своїми технічним характеристикамавіадвигунам, які існували на той час.
Слід зазначити, що на Наразічасу американський флот налічує 129 кораблів, у яких використовується 430 газотурбінних двигуна. Щороку витрати на забезпечення їх паливом становлять близько 2 мільярдів доларів. У майбутньому, коли сучасні двигунибудуть замінені новими, зміняться та обсяги витрат на паливну складову.
Двигуни внутрішнього згоряння, що використовуються в даний час, працюють за циклом Брайтона. Якщо визначити суть даного поняття в кількох словах, то все зводиться до послідовного змішування окислювача та палива, подальшого стиснення отриманої суміші, потім – підпалу та горіння з розширенням продуктів горіння. Це розширення якраз і використовується для руху, переміщення поршнів, обертання турбіни, тобто виконання механічних дій, забезпечуючи постійний тиск. Процес горіння паливної суміші рухається із дозвуковою швидкістю – цей процес зветься дафлаграція.
Що стосується нових двигунів, то вчені мають намір використовувати в них вибухове горіння, тобто детонацію, коли горіння відбувається зі надзвуковою швидкістю. І хоча в даний час явище детонації ще вивчене не повною мірою, проте відомо, що при такому вигляді горіння виникає ударна хвиля, яка поширюючись по суміші палива і повітря викликає хімічну реакцію, наслідком якої є виділення досить великої кількостітеплової енергії. Коли ударна хвиля проходить через суміш, відбувається її нагрівання, що призводить до детонації.
У розробці нового двигуна планується використовувати певні напрацювання, отримані в процесі розробки детонаційного пульсуючого двигуна. Його принцип роботи полягає в тому, що попередньо стиснута паливна сумішподається в камеру згоряння, де здійснюється її підпал та детонація. Продукти горіння розширюються в соплі, виконуючи механічні дії. Потім цикл повторюється спочатку. Але недоліком пульсуючих двигунів і те, що частота повторення циклів занадто мала. Крім цього, конструкція самих цих двигунів у разі збільшення числа пульсацій стає складнішою. Це пояснюється необхідністю синхронізації роботи клапанів, які відповідають за подачу паливної суміші, а також безпосередньо самими циклами детонування. Пульсуючі двигуни ще й дуже галасливі, для їх роботи необхідна велика кількість палива, а робота можлива тільки при постійному дозованому виприскуванні палива.
Якщо порівнювати детонаційні ротаційні двигуни з пульсуючими, принцип їх роботи трохи відрізняється. Так, зокрема, в нових двигунах передбачена постійна детонація палива в камері згоряння. Подібне явище отримало назву спинова, або детонація, що обертається. Вперше її було описано 1956 року радянським ученим Богданом Войцеховським. А відкрито це явище було набагато раніше, ще 1926 року. Першопрохідцями стали британці, які помітили, що в певних системах виникала яскрава «голова», що світилася, яка рухалася по спіралі, замість детонаційної хвилі, що має плоску форму.
Войцехівський же, використавши фотореєстратор, який сам і сконструював, сфотографував фронт хвилі, яка рухалася в кільцевій камері згоряння в паливній суміші. Спинова детонація відрізняється від плоскої тим, що в ній виникає єдина ударна поперечна хвиля, потім слідує нагрітий газ, який не прореагував, а вже за цим шаром знаходиться зона хімічної реакції. І саме така хвиля запобігає згоранню самої камери, яку Марлен Топчіян обізвав «сплющеним бубликом».
Слід зазначити, що у минулому детонаційні двигунивже застосовувалися. Зокрема йдеться і пульсуючому повітряно-реактивному двигуні, який використовували німці наприкінці Другої світової війни на крилатих ракетах «Фау-1». Виробництво його було досить простим, використання досить легким, проте при цьому цей двигун був не дуже надійним для вирішення важливих завдань.
Далі, в 2008 році, у повітря піднявся Rutang Long-EZ - експериментальний літак, оснащений детонаційним пульсуючим двигуном. Політ тривав лише десять секунд на висоті тридцяти метрів. За цей час силова установка розвинула потяг близько 890 ньютонів.
Експериментальний зразок двигуна, представлений американською лабораторією ВМС США, це кільцева конусоподібна камера згоряння, що має діаметр 14 сантиметрів з боку подачі палива і 16 сантиметрів з боку сопла. Між стінами камери відстань становить 1 сантиметр, при цьому трубка має довжину 17,7 сантиметрів.
Суміш повітря та водню використовується як паливна суміш, яка подається під тиском 10 атмосфер в камеру згоряння. Температура суміші складає 27,9 градусів. Зазначимо, ця суміш визнана найзручнішою для вивчення явища спинової детонації. Але, як стверджують вчені, у нових двигунах цілком можна буде використовувати паливну суміш, що складається не тільки з водню, але й з інших горючих компонентів та повітря.
Експериментальні дослідження ротаційного двигуна показали його велику ефективність та потужність у порівнянні з двигунами внутрішнього згоряння. Ще одна перевага – значна економія палива. У той же час, в ході проведення експерименту було виявлено, що згоряння паливної суміші в ротаційному пробному двигуні відбувається неоднорідно, тому необхідно оптимізувати конструкцію двигуна.
Продукти горіння, які розширюються в соплі, можна зібрати в один газовий струмінь за допомогою конуса (це так званий ефект Коанда), а потім цей струмінь відправляти в турбіну. Під дією цих газів турбіна обертатиметься. Таким чином, частково роботу турбіни можна буде використовувати для руху кораблів, а частково – для вироблення енергії, яка необхідна для корабельного обладнання та різних систем.
Самі двигуни можна виробляти без рухомих частин, що значно спростить їхню конструкцію, що, у свою чергу, знизить вартість силової установки в цілому. Але це лише у перспективі. Перед тим, як запускати нові двигуни в серійне виробництво, Необхідно вирішити багато складних завдань, однією з яких є вибір міцних термостійких матеріалів.
Зазначимо, що зараз ротаційні детонаційні двигуни вважаються одними з найбільш перспективних двигунів. Розробками їх займаються вчені з Техаського університету в Арлінгтоні. Силова установка, яка була створена ними, була названа «двигуном безперервної детонації». У тому ж університеті проводяться дослідження з підбору різних діаметрів кільцевих камер та різних паливних сумішей, до складу яких входять водень та повітря чи кисень у різних пропорціях.
У Росії також ведуться розробки у цьому напрямі. Так, у 2011 році, за словами керуючого директора науково-виробничого об'єднання «Сатурн» І.Федорова, силами вчених Науково-технічний центрімені Люльки, ведуться розробки пульсуючого повітряного реактивного двигуна. Робота ведеться паралельно із розробками перспективного двигуна, який отримав назву «Виріб 129» для Т-50 Крім цього, Федоров також сказав, що об'єднання проводить дослідження зі створення перспективних літаків наступного етапу, які, як передбачається, будуть безпілотними.
При цьому керівник не уточнив, про який саме вид пульсуючого двигуна йдемова. На даний момент відомі три типи таких двигунів – безклапанний, клапанний та детонаційний. Загальноприйнятим, тим часом, визнано факт, що пульсуючі двигуни є найбільш простими та дешевими у виробництві.
На сьогоднішній день деякі великі оборонні фірми займаються проведенням досліджень у сфері створення високоефективних пульсуючих реактивних двигунів. Серед цих фірм – американські Pratt & Whitney та General Electricта французька SNECMA.
Таким чином, можна зробити певні висновки: створення нового перспективного двигуна має певні труднощі. Головна проблемав даний момент полягає в теорії: що саме відбувається при русі ударної хвилі детонації по колу, відомо тільки в загальних рисаха це значною мірою ускладнює процес оптимізації розробок. Тому нова технологія, хоч і має дуже велику привабливість, але в масштабах промислового виробництва вона малореалізована.
Однак, якщо дослідникам вдасться розібратися з теоретичними питаннями, можна буде говорити про справжній прорив. Адже турбіни використовуються не лише на транспорті, а й у енергетичній сфері, в якій підвищення ККД може мати ще сильніший ефект.
Використані матеріали:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
Детонаційний двигун дозволить збільшити швидкість літального апарату з п'яти до восьми махів
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 "НВО 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" та "Союз-5", а також іншими, які знаходяться на передпроектній стадії та 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 напрямком 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 виведеної корисного навантаження.
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 за однієї і тієї ж маси 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:Було виконано 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 паливо 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.
Чи можна використовувати детонаційний двигун у гіперзвукових ракетах?
Петро Льовочкін:І можна і потрібно. Хоча б тому, що горіння палива в ньому надзвукове. А в тих двигунах, на яких зараз намагаються створити керовані гіперзвукові літальні апарати, дозвукове горіння. І це створює безліч проблем. Адже якщо горіння в двигуні дозвукове, а двигун летить, припустимо, зі швидкістю п'ять махів (один мах дорівнює швидкостізвуку), треба зустрічний потік повітря загальмувати до звукового режиму. Відповідно, вся енергія цього гальмування перетворюється на тепло, що веде до додаткового перегріву конструкції.
А в детонаційному двигуні процес горіння йде при швидкості як мінімум у два з половиною рази вище за звуковий. І, відповідно, на цю величину ми можемо збільшити швидкість літального апарату. Тобто вже йдеться не про п'ять, а про вісім махів. Це реально досяжна на сьогоднішній день швидкість літальних апаратівз гіперзвуковими двигунами, в яких використовуватиметься принцип детонаційного горіння.
Петро Льовочкін:Це важке питання. Ми тільки прочинили двері в область детонаційного горіння. Ще багато невивченого залишилося за дужками нашого дослідження. Сьогодні спільно з РКК "Енергія" ми намагаємося визначити, як може в перспективі виглядати двигун в цілому з камерою детонації стосовно розгінних блоків.
На яких двигунах людина полетить до далеких планет?
Петро Льовочкін:На мою думку, ще довго ми літатимемо на традиційних ЖРД займаючись їх удосконаленням. Хоча безумовно розвиваються й інші типи ракетних двигунів, наприклад, електроракетні (вони значно ефективніші за ЖРД - питомий імпульс у них у 10 разів вищий). На жаль, сьогоднішні двигуни та засоби виведення не дозволяють говорити про реальність масових міжпланетних, а тим більше міжгалактичних перельотів. Тут поки що все на рівні фантастики: фотонні двигуни, телепортація, левітація, гравітаційні хвилі Хоча, з іншого боку, всього сто років тому твори Жюля Верна сприймалися як чиста фантастика. Можливо, революційного прориву у сфері, де ми працюємо, чекати залишилося зовсім недовго. У тому числі й у галузі практичного створення ракет, які використовують енергію вибуху.
Досьє "РГ"
"Науково-виробниче об'єднання Енергомаш" засновано Валентином Петровичем Глушком у 1929 році. Нині носить його ім'я. Тут розробляють і випускають рідинні ракетні двигуни для I, окремих випадках II ступенів ракет-носіїв. У НУО розроблено понад 60 різних рідинних реактивних двигунів. На двигунах "Енергомашу" було запущено першого супутника, відбувся політ першої людини в космос, запущено перший самохідний апарат "Луноход-1". Сьогодні на двигунах, розроблених та вироблених у НВО "Енергомаш", злітає понад дев'яносто відсотків ракет-носіїв у Росії.
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 даному випадкуми говоримо про потужність, що отримується з одиниці об'єму двигуна;
- У 10 разів менше паливана одиницю потужності;
- ДД просто суттєво (у рази) дешевше за стандартний ЖРД.
Рідинний 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 Велика кількістькорисного 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
Детонаційними називаються двигуни у штатному режимі яких використовуються детонаційне згоряння палива. Сам двигун може бути (теоретично) будь-яким, - двс, реактивним, та хоч паровим. Теоретично. Однак, до теперішнього часу всі відомі комерційно прийнятні двигуни таких режимів згоряння палива, в народі іменованого "вибухом", не використовували в силу їх... м-м-м.... комерційної неприйнятності.
Джерело:
Що дає застосування детонаційного згорянняу двигунах? Сильно спрощуючи та узагальнюючи, приблизно таке:
Переваги
1. Заміна звичайного горіння детонаційним за рахунок особливостей газодинаміки фронту ударної хвилі, збільшує теоретичну гранично досяжну повноту згоряння суміші, що дозволяє підвищити ККД двигуна, і знизити витрати приблизно на 5-20%. Це актуально для всіх типів двигунів, як ДВЗ, так і реактивних.
2. Швидкість згоряння порції паливної суміші збільшується приблизно в 10-100 разів, отже, теоретично можна для ДВС збільшити літрову потужність (або питому тягу на кілограм маси для реактивних двигунів) приблизно в таку ж кількість разів. Цей фактор також актуальний для всіх типів двигунів.
3. Фактор актуальний тільки для реактивних двигунів всіх типів: оскільки процеси горіння йдуть у камері згоряння на надзвукових швидкостях, а температури та тиску в камері згоряння зростають у рази, то з'являється відмінна теоретична можливість багаторазово збільшити швидкість закінчення реактивного струменя з сопла. Що у свою чергу веде до пропорційного зростання тяги, питомого імпульсу, економічності та/або зниження маси двигуна та необхідного палива.
Всі ці три чинники дуже важливі, але мають не революційний, а еволюційний характер. Революційним є четвертий і п'ятий фактор, і відноситься він тільки до реактивних двигунів:
4. Тільки застосування детонаційних технологій дозволяє створити прямоточний (а значить, - на атмосферному окислювачі!) універсальний реактивний двигун прийнятної маси, розмірів і тяги, для практичного та широкомасштабного освоєння діапазону до-, понад- та гіперзвукових швидкостей 0-20Мах.
5. Тільки детонаційні технології дозволяють вичавити з хімічних ракетних двигунів (на парі паливо-окислювач) швидкісні параметринеобхідні їхнього широкого застосування у міжпланетних перельотах.
П.4 та 5. теоретично відкривають нам а) дешеву дорогуу ближній космос, і б)дорогу до пілотованих пусків до найближчих планет, без необхідності робити монструозні надважкі ракетоносії масою over3500tonnes.
Недоліки детонаційних двигунів випливають з їх переваг:
Джерело:
1. Швидкість горіння настільки висока, що найчастіше ці двигуни вдається змусити працювати лише циклічно: впуск-горіння-випуск. Що щонайменше втричі знижує максимально досяжну літрову потужність та/або тягу, іноді позбавляючи сенсу саму витівку.
2. Температури, тиску та швидкості їх наростання в камері згоряння детонаційних двигунів такі, що виключають пряме застосування більшості відомих нам матеріалів. Всі вони надто слабкі для побудови простої, дешевої та ефективного двигуна. Потрібно або ціле сімейство принципово нових матеріалів, або застосування поки що невідпрацьованих конструкторських хитрощів. Матеріалів у нас немає, а ускладнення конструкції знову ж таки часто позбавляє сенсу всю задуму.
Проте є область, у якій без детонаційних двигунів не обійтися. Це економічно виправданий атмосферний гіперзвук з діапазоном швидкостей 2-20 Max. Тому битва йде за трьома напрямками:
1. Створення схеми двигуна з безперервною детонацієюу камері згоряння. Що вимагає суперкомп'ютерів та нетривіальних теоретичних підходів для розрахунку їхньої гемодинаміки. У цій галузі прокляті ватники як завжди вирвалися вперед, і вперше у світі теоретично показали, що безперервна делегація взагалі можлива. Винахід, відкриття, патент - усі справи. І розпочали виготовлення практичної конструкції з іржавих труб та гасу.
2. Створення конструктивних рішеньроблять можливими застосуваннякласичних матеріалів Прокляття ватники з п'яними ведмедями і тут першими вигадали і зробили лабораторний багатокамерний двигун, який вже працює скільки завгодно довго. Тяга як у двигуна Су27, а вага така, що його в руках тримає 1 (один!) дідусь. Але оскільки горілка була палена, то двигун вийшов поки що пульсуючий. Зате сволота працює настільки чисто, що його можна включати навіть на кухні (де ватники його власне і запилили в проміжках між горілкою і балалайкою)
3. Створення суперматеріалів майбутніх двигунів. Ця область найбільш туга та найбільш секретна. Про прориви в ній інформації я не маю.
Виходячи з вищеозвученого розглянемо перспективи детонаційного, поршневого ДВЗ. Як відомо, наростання тиску в камері згоряння класичних розмірів, при детонації в ДВЗ відбувається швидше швидкостізвуку. Залишаючись у тому конструктиві, немає способу змусити механічний поршень, та ще з значними пов'язаними масами, рухатися в циліндрі з такими ж швидкостями. ГРМ класичного компонування теж не може працювати на таких швидкостях. Тому пряма переробка класичного ДВС на детонаційний з практичного погляду безглузда. Потрібно заново розробити двигун. Але як тільки ми цим починаємо займатися, то виявляється, що поршень у цій конструкції просто зайва деталь. Тому ІМХО, поршневий детонаційний ДВЗ це анахронізм.
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 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.
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 погляду 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, 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 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 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, 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 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» було зафіксовано режим безперервної спинової детонації, що встановився, — 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.
