Detonationsmotor energomash. Detonationsmotor - die Zukunft des russischen Motorenbaus

Der militärisch-industrielle Kurier hat großartige Neuigkeiten auf dem Gebiet der bahnbrechenden Raketentechnologie. In Russland sei ein Detonationsraketentriebwerk getestet worden, teilte der stellvertretende Ministerpräsident Dmitri Rogosin am Freitag auf seiner Facebook-Seite mit.

"Die sogenannten Detonationsraketentriebwerke, die im Rahmen des Advanced Research Fund-Programms entwickelt wurden, wurden erfolgreich getestet", wird der Vize-Premier von Interfax-AVN zitiert.

Es wird angenommen, dass ein Detonationsraketentriebwerk eine der Möglichkeiten ist, das Konzept des sogenannten motorischen Hyperschalls umzusetzen, dh die Schaffung von Hyperschallflugzeugen, die Geschwindigkeiten von Mach 4-6 erreichen können (Mach ist die Schallgeschwindigkeit). aufgrund des eigenen Motors.

Das Portal russia-reborn.ru bietet ein Interview mit einem der führenden spezialisierten Triebwerksspezialisten in Russland über Detonationsraketentriebwerke.

Interview mit Pjotr ​​Lyovochkin, Chefdesigner von NPO Energomash im. Akademiker V.P. Glushko".

Es entstehen Triebwerke für Hyperschallraketen der Zukunft
Die sogenannten Detonationsraketentriebwerke wurden mit sehr interessanten Ergebnissen erfolgreich getestet. Die Entwicklungsarbeiten in diese Richtung werden fortgesetzt.

Detonation ist eine Explosion. Können Sie es handhabbar machen? Ist es möglich, auf der Grundlage solcher Motoren Hyperschallwaffen zu bauen? Welche Raketentriebwerke werden unbemannte und bemannte Fahrzeuge in den nahen Weltraum bringen? Dies ist unser Gespräch mit dem stellvertretenden Generaldirektor - Chefdesigner von NPO Energomash im. Akademiker V.P. Glushko “von Pjotr ​​Lyovochkin.

Petr Sergeevich, welche Möglichkeiten eröffnen neue Motoren?

Pjotr ​​Lyovochkin: Wenn wir über die nahe Zukunft sprechen, arbeiten wir heute an Triebwerken für Raketen wie Angara A5B und Sojus-5 sowie andere, die sich in der Vorentwicklungsphase befinden und der Öffentlichkeit unbekannt sind. Im Allgemeinen sind unsere Triebwerke dafür ausgelegt, eine Rakete von der Oberfläche eines Himmelskörpers zu heben. Und es kann alles sein - terrestrisch, lunar, Mars. Wenn also die Mond- oder Marsprogramme umgesetzt werden, werden wir auf jeden Fall daran teilnehmen.

Wie hoch ist die Effizienz moderner Raketentriebwerke und gibt es Möglichkeiten, sie zu verbessern?

Pjotr ​​Lyovochkin: Wenn wir über die energetischen und thermodynamischen Parameter von Triebwerken sprechen, können wir sagen, dass unsere und die besten ausländischen chemischen Raketentriebwerke heute ein gewisses Maß an Perfektion erreicht haben. Zum Beispiel erreicht der Wirkungsgrad der Kraftstoffverbrennung 98,5 Prozent. Das heißt, fast die gesamte chemische Energie des Kraftstoffs im Motor wird in Wärmeenergie des aus der Düse ausströmenden Gasstrahls umgewandelt.

Sie können Motoren in verschiedene Richtungen verbessern. Dies ist der Einsatz energieintensiverer Kraftstoffkomponenten, die Einführung neuer Kreislauflösungen, eine Druckerhöhung im Brennraum. Eine andere Richtung ist der Einsatz neuer, auch additiver Technologien, um die Arbeitsintensität und damit die Kosten eines Raketentriebwerks zu reduzieren. All dies führt zu einer Verringerung der Kosten der Ausgangsnutzlast.

Bei näherer Betrachtung wird jedoch klar, dass eine herkömmliche Steigerung der Energiecharakteristik von Motoren wirkungslos ist.

Die Verwendung einer kontrollierten Treibstoffexplosion kann einer Rakete die achtfache Schallgeschwindigkeit verleihen
Wieso den?

Petr Lyovochkin: Eine Erhöhung des Drucks und Kraftstoffverbrauchs in der Brennkammer wird natürlich den Triebwerksschub erhöhen. Dies erfordert jedoch eine Erhöhung der Dicke der Wände der Kammer und der Pumpen. Dadurch nimmt die Komplexität der Struktur und deren Masse zu und der Energiegewinn fällt nicht so groß aus. Das Spiel wird die Kerze nicht wert sein.

Das heißt, Raketentriebwerke haben ihre Entwicklungsressourcen erschöpft?

Pjotr ​​Ljowotschkin: Nicht ganz. Technisch lassen sie sich durch Effizienzsteigerung intramotorischer Prozesse verbessern. Es gibt Zyklen der thermodynamischen Umwandlung chemischer Energie in die Energie eines ausströmenden Jets, die viel effizienter sind als die klassische Verbrennung von Raketentreibstoff. Dies ist der Detonationsverbrennungszyklus und der Humphrey-Zyklus in der Nähe davon.

Die eigentliche Wirkung der Treibstoffdetonation wurde 1940 von unserem Landsmann - dem späteren Akademiemitglied Yakov Borisovich Zeldovich - entdeckt. Die Umsetzung dieses Effekts in die Praxis versprach sehr große Perspektiven in der Raketentechnik. Es ist nicht verwunderlich, dass die Deutschen in denselben Jahren den Detonationsprozess der Verbrennung aktiv untersuchten. Aber sie kamen nicht über nicht sehr erfolgreiche Experimente hinaus.

Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass die Detonationsverbrennung 25 Prozent effizienter ist als der isobare Zyklus, der der Verbrennung von Kraftstoff bei konstantem Druck entspricht, die in den Kammern moderner Flüssigkeitsraketentriebwerke durchgeführt wird.

Und was sind die Vorteile der Detonationsverbrennung gegenüber der klassischen Verbrennung?

Petr Lyovochkin: Der klassische Verbrennungsprozess ist Unterschall. Detonation - Überschall. Die Reaktionsgeschwindigkeit in einem kleinen Volumen führt zu einer enormen Wärmefreisetzung - sie ist mehrere Tausend Mal höher als bei der Unterschallverbrennung, die in klassischen Raketentriebwerken mit der gleichen Masse an brennendem Treibstoff implementiert wird. Und für uns Triebwerksspezialisten bedeutet dies, dass man mit einer deutlich kleineren Baugröße eines Detonationstriebwerks und einer geringen Treibstoffmasse den gleichen Schub wie in riesigen modernen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken erzielen kann.

Es ist kein Geheimnis, dass auch im Ausland Motoren mit Detonationsverbrennung von Kraftstoff entwickelt werden. Was sind unsere Positionen? Sind wir unterlegen, befinden wir uns auf ihrem Niveau oder sind wir an der Spitze?

Pjotr ​​Lyovochkin: Wir geben nicht nach - das steht fest. Aber ich kann auch nicht sagen, dass wir in Führung liegen. Das Thema ist geschlossen genug. Eines der wichtigsten technologischen Geheimnisse besteht darin, sicherzustellen, dass der Treibstoff und das Oxidationsmittel des Raketenmotors nicht verbrennen, sondern explodieren, ohne die Brennkammer zu zerstören. Das heißt in der Tat, eine echte Explosion kontrolliert und kontrolliert zu machen. Als Referenz: Detonation ist die Verbrennung von Treibstoff vor einer Überschall-Stoßwelle. Man unterscheidet zwischen Impulsdetonation, wenn sich die Stoßwelle entlang der Kammerachse bewegt und die eine die andere ersetzt, sowie kontinuierliche (Spin-)Detonation, wenn sich die Stoßwellen in der Kammer im Kreis bewegen.

Soweit bekannt, wurden experimentelle Studien zur Detonationsverbrennung unter Beteiligung Ihrer Spezialisten durchgeführt. Welche Ergebnisse wurden erzielt?

Pjotr ​​Lyovochkin: Es wurde daran gearbeitet, eine Modellkammer für ein Flüssigzu erstellen. An dem Projekt arbeitete eine große Kooperation der führenden wissenschaftlichen Zentren Russlands unter der Schirmherrschaft der Advanced Research Foundation. Unter ihnen ist das Institut für Hydrodynamik genannt. M. A. Lavrentieva, MAI, "Keldysh Center", benannt nach dem Central Institute of Aviation Motors PI. Baranova, Fakultät für Mechanik und Mathematik, Staatliche Universität Moskau. Wir schlugen vor, Kerosin als Brennstoff und gasförmigen Sauerstoff als Oxidationsmittel zu verwenden. In theoretischen und experimentellen Studien wurde die Möglichkeit bestätigt, ein Detonationsraketentriebwerk basierend auf solchen Komponenten zu entwickeln. Basierend auf den gewonnenen Daten haben wir eine Detonationsmodellkammer mit einem Schub von 2 Tonnen und einem Druck in der Brennkammer von ca. 40 atm entwickelt, hergestellt und erfolgreich getestet.

Diese Aufgabe wurde erstmals nicht nur in Russland, sondern weltweit gelöst. Daher gab es natürlich Probleme. Erstens verbunden mit der Bereitstellung einer stabilen Detonation von Sauerstoff mit Kerosin und zweitens mit der Bereitstellung einer zuverlässigen Kühlung der Brandwand der Kammer ohne Vorhangkühlung und einer Vielzahl anderer Probleme, deren Wesen nur Fachleuten klar ist.

Tatsächlich wird anstelle einer konstanten Frontalflamme in der Verbrennungszone eine Detonationswelle gebildet, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet. Bei einer solchen Kompressionswelle detonieren Kraftstoff und Oxidationsmittel, dieser Prozess erhöht aus thermodynamischer Sicht den Wirkungsgrad des Motors aufgrund der Kompaktheit der Verbrennungszone um eine Größenordnung.

Interessanterweise hat der sowjetische Physiker Ya.B. Zeldovich schlug die Idee eines Detonationsmotors in dem Artikel "On the Energy Use of Detonation Combustion" vor. Seitdem haben viele Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern an einer vielversprechenden Idee gearbeitet, mal die USA, mal Deutschland, mal unsere Landsleute.

Im Sommer, im August 2016, gelang es russischen Wissenschaftlern, das weltweit erste Flüssigtreibstoff-Triebwerk in Originalgröße zu bauen, das nach dem Prinzip der Detonationsverbrennung von Kraftstoff arbeitet. Unser Land hat sich in den vielen Jahren nach der Perestroika endlich eine weltweite Priorität bei der Entwicklung der neuesten Technologie gesetzt.

Warum ist der neue Motor so gut? Ein Strahltriebwerk nutzt die Energie, die bei der Verbrennung des Gemisches bei konstantem Druck und konstanter Flammenfront freigesetzt wird. Während der Verbrennung erhöht das Gasgemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel die Temperatur stark und die aus der Düse austretende Flammensäule erzeugt einen Strahlschub.

Bei der Detonationsverbrennung haben die Reaktionsprodukte keine Zeit, sich zu zersetzen, da dieser Prozess 100-mal schneller ist als die Deflargation und der Druck schnell ansteigt, das Volumen jedoch unverändert bleibt. Die Freisetzung einer so großen Energiemenge kann sogar den Motor eines Autos zerstören, weshalb dieser Vorgang oft mit einer Explosion verbunden ist.

Tatsächlich wird anstelle einer konstanten Frontalflamme in der Verbrennungszone eine Detonationswelle gebildet, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet. In einer solchen Kompressionswelle detonieren Brennstoff und Oxidationsmittel, dieser Vorgang aus thermodynamischer Sicht steigert den Wirkungsgrad des Motors um eine Größenordnung, aufgrund der Kompaktheit der Verbrennungszone. Deshalb haben sich die Spezialisten mit großem Eifer an die Entwicklung dieser Idee gemacht: Bei einem herkömmlichen Flüssigtreibstoffmotor, der eigentlich ein Großbrenner ist, kommt es nicht auf Brennkammer und Düse, sondern auf die Kraftstoff-Turbopumpeneinheit (TNA) an. die einen solchen Druck erzeugt, dass der Kraftstoff in die Kammer eindringt. Im russischen RD-170-Raketentriebwerk für Energia-Trägerraketen beispielsweise beträgt der Druck in der Brennkammer 250 atm und die Pumpe, die das Oxidationsmittel in die Verbrennungszone fördert, muss einen Druck von 600 atm erzeugen.

Bei einem Detonationsmotor wird der Druck durch die Detonation selbst erzeugt, eine wandernde Kompressionswelle im Kraftstoffgemisch, bei der der Druck ohne TPA bereits 20-mal höher ist und die Turbopumpenaggregate überflüssig sind. Um es klar zu machen, das American Shuttle hat einen Brennkammerdruck von 200 atm, und ein Detonationsmotor braucht unter solchen Bedingungen nur 10 atm, um das Gemisch zu liefern - es ist wie eine Fahrradpumpe und das Sayano-Shushenskaya HPP.

In diesem Fall ist ein Triebwerk auf Detonationsbasis nicht nur um eine Größenordnung einfacher und billiger, sondern auch deutlich leistungsstärker und sparsamer als ein herkömmliches Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk zur Bewältigung der Detonationswelle entstand. Dieses Phänomen ist nicht nur eine Druckwelle, die Schallgeschwindigkeit hat, und eine Detonationswelle, die sich mit einer Geschwindigkeit von 2500 m / s ausbreitet, es gibt keine Stabilisierung der Flammenfront, die Mischung wird bei jeder Pulsation erneuert und die Welle wird neu gestartet.

Zuvor entwickelten und bauten russische und französische Ingenieure pulsierende Strahltriebwerke, jedoch nicht nach dem Prinzip der Detonation, sondern auf der Grundlage des Pulsierens der konventionellen Verbrennung. Die Eigenschaften solcher PUVRDs waren gering, und als Triebwerksbauer Pumpen, Turbinen und Kompressoren entwickelten, kam das Zeitalter der Strahltriebwerke und Flüssigkeitsraketentriebwerke, und die pulsierenden blieben am Rande des Fortschritts. Die klugen Köpfe der Wissenschaft haben versucht, die Detonationsverbrennung mit einer PUVRD zu kombinieren, aber die Pulsationsfrequenz einer herkömmlichen Verbrennungsfront beträgt nicht mehr als 250 pro Sekunde, und die Detonationsfront hat eine Geschwindigkeit von bis zu 2500 m / s und eine Frequenz von seine Pulsationen erreichen mehrere Tausend pro Sekunde. Es schien unmöglich, eine solche Geschwindigkeit der Gemischerneuerung in der Praxis umzusetzen und gleichzeitig eine Detonation einzuleiten.

In den USA war es möglich, einen solchen detonationspulsierenden Motor zu bauen und in der Luft zu testen, er funktionierte jedoch nur 10 Sekunden, aber die Priorität blieb bei den amerikanischen Konstrukteuren. Aber bereits in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts hat der sowjetische Wissenschaftler B.V. Voitsekhovsky und fast zeitgleich ein Amerikaner von der University of Michigan, J. Nichols, hatten die Idee, eine Detonationswelle im Brennraum zu schleifen.

Wie funktioniert ein Detonationsraketentriebwerk?

Ein solcher Rotationsmotor bestand aus einer ringförmigen Brennkammer mit entlang ihres Radius angeordneten Düsen zur Kraftstoffversorgung. Die Detonationswelle läuft wie ein Eichhörnchen in einem Rad um einen Kreis, das Kraftstoffgemisch komprimiert und verbrennt und drückt die Verbrennungsprodukte durch die Düse. In einem Spin-Motor erhalten wir eine Rotationsfrequenz einer Welle von mehreren Tausend pro Sekunde, seine Funktionsweise ähnelt dem Arbeitsprozess in einem Flüssigtreibstoff-Motor, nur durch die Detonation des Kraftstoffgemisches effizienter.

In der UdSSR und den USA und später in Russland wird daran gearbeitet, einen Rotationsdetonationsmotor mit kontinuierlicher Welle zu entwickeln, um die darin ablaufenden Prozesse zu verstehen, für die eine ganze Wissenschaft der physikalisch-chemischen Kinetik geschaffen wurde. Um die Bedingungen einer ungedämpften Welle zu berechnen, waren leistungsstarke Computer erforderlich, die erst vor kurzem entwickelt wurden.

In Russland arbeiten viele Forschungsinstitute und Konstruktionsbüros an dem Projekt eines solchen Spinntriebwerks, darunter das Triebwerksunternehmen der Raumfahrtindustrie NPO Energomash. Der Advanced Research Fund kam bei der Entwicklung eines solchen Triebwerks zu Hilfe, da es unmöglich ist, vom Verteidigungsministerium Finanzmittel zu erhalten - ihnen nur ein garantiertes Ergebnis zu geben.

Trotzdem wurde während der Tests in Khimki bei Energomash ein stationärer Zustand kontinuierlicher Spindetonation aufgezeichnet - 8000 Umdrehungen pro Sekunde an einem Sauerstoff-Kerosin-Gemisch. In diesem Fall balancierten die Detonationswellen die Vibrationswellen und die hitzeabschirmenden Beschichtungen hielten hohen Temperaturen stand.

Aber schmeicheln Sie sich nicht, denn dies ist nur ein Demonstrator-Motor, der nur sehr kurze Zeit funktioniert und über dessen Eigenschaften noch nichts gesagt wurde. Aber die Hauptsache ist, dass die Möglichkeit der Detonationsverbrennung bewiesen wurde und in Russland ein Spin-Motor in Originalgröße geschaffen wurde, der für immer in der Wissenschaftsgeschichte bleiben wird.

Brennkammern mit
Dauerdetonation

Idee Brennkammern mit Dauerdetonation vorgeschlagen 1959 vom Akademiemitglied der UdSSR Academy of Sciences B.V. Voitsekhovsky. Die Brennkammer mit kontinuierlicher Detonation (CDC) ist ein ringförmiger Kanal, der von den Wänden zweier koaxialer Zylinder gebildet wird. Wird am Boden des Ringkanals ein Mischkopf aufgesetzt und das andere Ende des Kanals mit einer Strahldüse ausgestattet, so erhält man ein durchströmtes Ringstrahltriebwerk. Die Detonationsverbrennung in einer solchen Kammer kann organisiert werden, indem das durch den Mischkopf zugeführte Brennstoffgemisch in einer kontinuierlich über dem Boden zirkulierenden Detonationswelle verbrannt wird. In diesem Fall verbrennt die Detonationswelle das Kraftstoffgemisch, das während einer Umdrehung der Welle entlang des Umfangs des Ringkanals in die Brennkammer eingetreten ist. Die Rotationsfrequenz einer Welle in einer Brennkammer mit einem Durchmesser von etwa 300 mm wird einen Wert in der Größenordnung von 105 U/min und höher haben. Die Vorteile solcher Brennkammern umfassen: (1) Einfachheit der Konstruktion; (2) Einzelzündung; (3) quasistationärer Abfluss von Detonationsprodukten; (4) hohe Taktrate (Kilohertz); (5) eine kurze Brennkammer; (6) geringe Emission von Schadstoffen (NO, CO usw.); (7) geräuscharm und vibrationsarm. Die Nachteile solcher Kammern umfassen: (1) die Notwendigkeit einer Kompressor- oder Turbopumpeneinheit; (2) eingeschränkte Verwaltung; (3) die Komplexität der Skalierung; (4) Schwierigkeiten beim Kühlen.

Große Investitionen in F&E und F&E zu diesem Thema in den Vereinigten Staaten begannen vor relativ kurzer Zeit: vor 3-5 Jahren (Air Force, Navy, NASA, Luft- und Raumfahrtunternehmen). Basierend auf offenen Veröffentlichungen sind in Japan, China, Frankreich, Polen und Korea derzeit Arbeiten zur Auslegung solcher Brennkammern mit Methoden der Computational Gas Dynamics sehr verbreitet. In der Russischen Föderation wird diese Richtung am aktivsten im NP "Center IDG" und am Institut für Geologie und Literatur SB RAS geforscht.

Die wichtigsten Fortschritte in diesem Bereich von Wissenschaft und Technik sind im Folgenden aufgeführt. Im Jahr 2012 veröffentlichten Spezialisten von Pratt & Whitney und Rocketdyne (USA) die Ergebnisse von Versuchen eines experimentellen Raketentriebwerks in Modulbauweise mit auswechselbaren Düsen zur Versorgung von Treibstoffkomponenten und mit auswechselbaren Düsen. Hunderte von Zündversuchen wurden mit verschiedenen Brennstoffpaaren durchgeführt: Wasserstoff - Sauerstoff, Methan - Sauerstoff, Ethan - Sauerstoff usw. Basierend auf den Tests wurden Karten stabiler Betriebsmodi des Motors mit einer, zwei oder mehr über den zirkulierenden Detonationswellen Boden der Kammer gebaut wurden. Es wurden verschiedene Methoden zur Zündung und Detonationserhaltung untersucht. Die bei Versuchen mit Wasserkühlung der Kammerwände maximal erreichte Motorlaufzeit betrug 20 s. Es wird berichtet, dass diese Zeit nur durch die Zufuhr von Brennstoffkomponenten, nicht aber durch den thermischen Zustand der Wände begrenzt war. Polnische Spezialisten arbeiten zusammen mit europäischen Partnern an der Schaffung einer Dauerdetonationsbrennkammer für ein Hubschraubertriebwerk. Es gelang ihnen, eine Brennkammer zu schaffen, die 2 s lang im Dauerdetonationsmodus stabil mit einem Gemisch aus Wasserstoff mit Luft und Kerosin mit Luft in Kombination mit einem sowjetischen GTD350-Motorkompressor arbeitet. 2011-2012. Das Institut für Hydrodynamik SB RAS hat experimentell den Prozess der kontinuierlichen Detonationsverbrennung eines heterogenen Gemisches aus mikrometergroßen Holzkohlepartikeln mit Luft in einer Scheibenbrennkammer mit einem Durchmesser von 500 mm registriert. Zuvor wurden am Institut für Geologie erfolgreich Versuche zur kurzzeitigen (bis 1–2 s) Aufzeichnung der kontinuierlichen Detonation von Luftgemischen aus Wasserstoff und Acetylen sowie von Sauerstoffgemischen mehrerer einzelner Kohlenwasserstoffe durchgeführt Andologie des sibirischen Zweigs der Russischen Akademie der Wissenschaften. 2010-2012. Am IDG Center wurden mit einzigartigen Rechentechnologien die Grundlagen für den Entwurf von Dauerdetonationsbrennkammern sowohl für Raketen- als auch für Luftstrahltriebwerke geschaffen und erstmals die Ergebnisse von Experimenten mit einer Berechnungsmethode reproduziert, wenn die Kammer mit getrennter Zufuhr von Brennstoffkomponenten (Wasserstoff und Luft) betrieben. Darüber hinaus hat das NP "Center IDG" im Jahr 2013 eine Ringbrennkammer mit kontinuierlicher Detonation mit einem Durchmesser von 400 mm, einem Spalt von 30 mm und einer Höhe von 300 mm entwickelt, hergestellt und getestet, um ein Forschungsprogramm durchzuführen, das darauf ausgerichtet ist beim experimentellen Nachweis der Energieeffizienz einer kontinuierlichen Detonationsverbrennung von Kraftstoff-Luft-Gemischen.

Das wichtigste Problem, mit dem Entwickler bei der Entwicklung von Dauerdetonationsbrennkammern konfrontiert sind, die mit Standardbrennstoff betrieben werden, ist das gleiche wie bei Pulsdetonationsbrennkammern, d. geringe Detonationsfähigkeit solcher Brennstoffe in Luft. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Reduzierung von Druckverlusten bei der Zufuhr von Kraftstoffkomponenten in die Brennkammer, um eine Erhöhung des Gesamtdrucks in der Brennkammer zu gewährleisten. Ein weiteres Problem ist die Kühlung der Kammer. Derzeit werden Wege zur Überwindung dieser Probleme untersucht.

Die meisten in- und ausländischen Experten glauben, dass beide diskutierten Schemata zur Organisation des Detonationszyklus sowohl für Raketen- als auch für Strahltriebwerke vielversprechend sind. Es gibt keine grundlegenden Beschränkungen für die praktische Umsetzung dieser Schemata. Die Hauptrisiken auf dem Weg zur Schaffung eines neuen Brennkammertyps sind mit der Lösung technischer Probleme verbunden.
Gestaltungsmöglichkeiten und Verfahren zur Gestaltung des Arbeitsablaufs in Impuls- und Dauerdetonationsbrennkammern sind durch zahlreiche in- und ausländische Patente (Hunderte Patente) geschützt. Der Hauptnachteil von Patenten ist die geräuschlose oder (aus verschiedenen Gründen) praktisch inakzeptable Lösung des Hauptproblems bei der Umsetzung des Detonationszyklus - das Problem der geringen Detonationsfähigkeit von Standardkraftstoffen (Kerosin, Benzin, Dieselkraftstoff, Erdgas) in der Luft . Die vorgeschlagenen praktisch inakzeptablen Lösungen für dieses Problem sind eine thermische oder chemische Vorbehandlung des Brennstoffs vor der Zufuhr in die Brennkammer, die Verwendung von aktiven Additiven, einschließlich Sauerstoff, oder die Verwendung von Spezialbrennstoffen mit hoher Detonationskraft. Bei Motoren, die aktive (selbstzündende) Kraftstoffkomponenten verwenden, tritt dieses Problem nicht auf, jedoch bleiben die Probleme ihres sicheren Betriebs dringend.

Reis. eins: Vergleich spezifischer Impulse von Strahltriebwerken: Turbojet, Staujet, PuVRD und IDD

Der Einsatz von Puls-Detonations-Brennkammern zielt hauptsächlich darauf ab, bestehende Brennkammern in Luftstrahlantriebssystemen wie Staustrahltriebwerk und PuVRD zu ersetzen. Tatsache ist, dass nach einer so wichtigen Triebwerkscharakteristik wie dem spezifischen Impuls die IDE, die den gesamten Fluggeschwindigkeitsbereich von 0 bis Machzahl M = 5 abdeckt, theoretisch einen vergleichbaren spezifischen Impuls hat (bei einer Flugmachzahl M von 2,0 bis 3,5) bei einem Staustrahltriebwerk und deutlich über dem spezifischen Impuls des Staustrahltriebwerks mit der Flugmachzahl M von 0 bis 2 und von 3,5 bis 5 (Abb. 1). Was das PUVRD betrifft, so ist sein spezifischer Impuls bei Unterschallfluggeschwindigkeit fast zweimal geringer als der des IDD. Die Daten zum spezifischen Impuls für den Staustrahl sind entlehnt, wo eindimensionale Berechnungen der Kennlinien durchgeführt wurden Ideal Ein Staustrahltriebwerk, das mit einem Kerosin-Luft-Gemisch mit einem Kraftstoffüberschuss von 0,7 betrieben wird. Die Daten zum spezifischen Impuls der luftbetriebenen Strahltriebwerke wurden Artikeln entlehnt, in denen mehrdimensionale Berechnungen der Schubcharakteristik der Strahltriebwerke unter Flugbedingungen bei Unter- und Überschallgeschwindigkeit in unterschiedlichen Höhen durchgeführt wurden. Beachten Sie, dass die Berechnungen im Gegensatz zu den Berechnungen unter Berücksichtigung der Verluste durch dissipative Prozesse (Turbulenz, Viskosität, Stoßwellen etc.) durchgeführt wurden.

Zum Vergleich Abb. 1 zeigt die Berechnungsergebnisse für Ideal Turbojet-Triebwerk (TRD). Es ist zu erkennen, dass das IDE dem idealen Turbojet-Triebwerk im spezifischen Impuls bei Flugmachzahlen bis 3,5 unterlegen ist, aber das Turbojet-Triebwerk in diesem Indikator bei M> 3,5 übertrifft. Somit sind bei M > 3,5 sowohl das Staustrahltriebwerk als auch das Turbostrahltriebwerk der Luftstrahl-PDE hinsichtlich des spezifischen Impulses unterlegen, was die PDM sehr vielversprechend macht. Im Hinblick auf niedrige Überschall- und Unterschallfluggeschwindigkeiten kann die IDD, die dem Strahltriebwerk im spezifischen Impuls nachgibt, aufgrund der außerordentlich einfachen Konstruktion und der geringen Kosten noch als vielversprechend angesehen werden, was für einmalige Anwendungen (Lieferfahrzeuge) äußerst wichtig ist , Ziele usw.).

Das Vorhandensein eines "Duty Cycle" im Schub, der von solchen Kammern erzeugt wird, macht sie für Kreuzfahrt-Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke (LRE) ungeeignet. Nichtsdestotrotz sind die patentierten Schemata der Pulsdetonations-Flüssigkeitstreibstoff-Raketentriebwerke in Mehrrohrbauweise mit geringem Schubarbeitszyklus. Darüber hinaus können solche Kraftwerke als Triebwerke zur Korrektur der Umlaufbahn und der Umlaufbewegungen von künstlichen Erdsatelliten verwendet werden und haben viele andere Anwendungen.

Der Einsatz von Dauerdetonationsbrennkammern konzentriert sich hauptsächlich auf den Ersatz bestehender Brennkammern in Flüssigtreibstoff- und Gasturbinentriebwerken.

Das Problem der Entwicklung von Rotationsdetonationsmotoren wird betrachtet. Die Haupttypen solcher Motoren werden vorgestellt: der Nichols-Rotationsdetonationsmotor, der Voitsekhovsky-Motor. Die Hauptrichtungen und Trends in der Entwicklung des Designs von Detonationsmotoren werden berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass moderne Konzepte eines Rotationsdetonationstriebwerks grundsätzlich nicht zu einer praktikablen Konstruktion führen können, die in ihren Eigenschaften bestehenden Luftstrahltriebwerken überlegen ist. Der Grund ist der Wunsch der Konstrukteure, die Wellenerzeugung, die Brennstoffverbrennung und den Brennstoff- und Oxidationsmittelausstoß in einem Mechanismus zu kombinieren. Durch die Selbstorganisation von Stoßwellenstrukturen erfolgt die Detonationsverbrennung in einem minimalen, nicht einem maximalen Volumen. Das heute tatsächlich erreichte Ergebnis ist eine Detonationsverbrennung in einem Volumen von nicht mehr als 15 % des Brennkammervolumens. Der Ausweg wird in einem anderen Ansatz gesehen - zuerst wird eine optimale Konfiguration von Stoßwellen geschaffen, und erst dann werden diesem System Brennstoffkomponenten zugeführt und eine optimale Detonationsverbrennung in einem großen Volumen organisiert.

Detonationsmotor

Rotationsdetonationsmotor

Voitsekhovsky-Motor

kreisförmige Detonation

Spindetonation

Pulsdetonationsmotor

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2. Uskov V.N., Bulat P.V. Zum Problem der Auslegung eines idealen Diffusors zur Kompression einer Überschallströmung // Grundlagenforschung. - 2012. - Nr. 6 (Teil 1). - S.178-184.

3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Geschichte der Untersuchung der unregelmäßigen Reflexion der Stoßwelle an der Symmetrieachse eines Überschallstrahls unter Bildung einer Mach-Scheibe // Grundlagenforschung. - 2012. - Nr. 9 (Teil 2). - S. 414–420.

4. Uskov V. N., Bulat P. V., Prodan N. V. Begründung der Anwendung des stationären Mach-Konfigurationsmodells auf die Berechnung der Mach-Scheibe in einem Überschalljet // Grundlagenforschung. - 2012. - Nr. 11 (Teil 1). - S. 168-175.

5. Schchelkin K. I. Instabilität der Verbrennung und Detonation von Gasen // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965 .-- T. 87, Nr. 2.– S. 273–302.

6. Nichols J. A., Wilkmson H. R., Morrison R. B. Intermittierende Detonation als vertrauensbildender Mechanismus // Jet-Antrieb. - 1957. - Nr. 21. - S. 534-541.

Rotationsdetonationsmotoren

Allen Arten von Rotationsdetonationstriebwerken (RDE) ist gemeinsam, dass das Kraftstoffversorgungssystem mit einem Kraftstoffverbrennungssystem in einer Detonationswelle kombiniert wird, dann aber alles wie bei einem herkömmlichen Strahltriebwerk funktioniert – ein Flammrohr und eine Düse. Diese Tatsache hat diese Aktivität im Bereich der Modernisierung von Gasturbinentriebwerken (GTE) initiiert. Es erscheint attraktiv, im Gasturbinentriebwerk nur den Mischkopf und das Gemischzündsystem zu ersetzen. Dazu muss die Kontinuität der Detonationsverbrennung sichergestellt werden, indem beispielsweise eine Detonationswelle in einem Kreis gestartet wird. Eines der ersten Schemas dieser Art wurde 1957 von Nichols vorgeschlagen, dann entwickelt und Mitte der 1960er Jahre eine Reihe von Experimenten mit einer rotierenden Detonationswelle durchgeführt (Abb. 1).

Durch Einstellen des Durchmessers der Kammer und der Dicke des Ringspalts ist es für jede Art von Kraftstoffgemisch möglich, eine solche Geometrie zu wählen, dass die Detonation stabil ist. In der Praxis sind die Verhältnisse der Spaltgröße und des Motordurchmessers nicht akzeptabel und die Wmuss durch Steuern der Kraftstoffzufuhr gesteuert werden, wie unten erörtert.

Wie bei gepulsten Detonationsmotoren kann die kreisförmige Detonationswelle Oxidationsmittel ausstoßen, wodurch die RDE bei Nullgeschwindigkeit verwendet werden kann. Dieser Umstand führte zu einer Vielzahl experimenteller und rechnerischer Untersuchungen der RDE mit Ringbrennkammer und spontanem Ausstoß eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, deren Auflistung hier keinen Sinn ergibt. Alle sind ungefähr nach dem gleichen Schema aufgebaut (Abb. 2) und erinnern an das Schema des Nichols-Motors (Abb. 1).

Reis. 1. Organisationsschema der kontinuierlichen kreisförmigen Detonation im Ringspalt: 1 - Detonationswelle; 2 - Schicht aus "frischem" Kraftstoffgemisch; 3 - Kontaktlücke; 4 - eine schräge Stoßwelle, die sich stromabwärts ausbreitet; D - Bewegungsrichtung der Detonationswelle

Reis. 2. Typisches RDE-Schema: V – einströmende Strömungsgeschwindigkeit; V4 ist die Durchflussmenge am Düsenausgang; a - frisches Brennelement, b - Detonationswellenfront; c - angebrachte schräge Stoßwelle; d - Verbrennungsprodukte; p (r) - Druckverteilung an der Kanalwand

Eine sinnvolle Alternative zum Nichols-Schema wäre der Einbau verschiedener brennstoffoxidierender Injektoren, die das Brennstoff-Luft-Gemisch nach einem bestimmten Gesetz mit einem gegebenen Druck in den Bereich unmittelbar vor der Detonationswelle einspritzen (Abb. 3). Durch Einstellen des Drucks und der Geschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsbereich hinter der Detonationswelle ist es möglich, die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung stromaufwärts zu beeinflussen. Diese Richtung ist vielversprechend, aber das Hauptproblem beim Design solcher RDEs besteht darin, dass das weit verbreitete vereinfachte Strömungsmodell in der Detonationsverbrennungsfront überhaupt nicht der Realität entspricht.

Reis. 3. RDE mit geregelter Brennstoffzufuhr zum Verbrennungsbereich. Voitsekhovsky Wankelmotor

Die größten Hoffnungen in der Welt sind mit Detonationsmotoren verbunden, die nach dem Voitsekhovsky-Rotationsmotorschema arbeiten. 1963 B. V. Voitsekhovsky entwickelte in Analogie zur Spindetonation ein Schema für die kontinuierliche Verbrennung von Gas hinter einer dreifachen Konfiguration von Stoßwellen, die in einem ringförmigen Kanal zirkulieren (Abb. 4).

Reis. 4. Schema der kontinuierlichen Gasverbrennung von Voitsekhovsky hinter einer dreifachen Konfiguration von Stoßwellen, die in einem ringförmigen Kanal zirkulieren: 1 - frische Mischung; 2 - doppelt komprimiertes Gemisch hinter der dreifachen Konfiguration von Stoßwellen, Detonationsgebiet

In diesem Fall unterscheidet sich der stationäre hydrodynamische Prozess mit Gasverbrennung hinter der Stoßwelle vom Detonationsschema von Chapman-Jouguet und Zeldovich-Neumann. Ein solcher Prozess ist ziemlich stabil, seine Dauer wird durch den Vorrat des Kraftstoffgemisches bestimmt und beträgt in bekannten Experimenten mehrere zehn Sekunden.

Das Voitsekhovsky-Detonationsmotor-Schema diente als Prototyp für zahlreiche Studien zu Rotations- und Spin-Detonationsmotoren, die in den letzten 5 Jahren begonnen wurden. Dieses Schema macht mehr als 85 % aller Studien aus. Alle haben einen organischen Nachteil - die Detonationszone nimmt einen zu kleinen Teil der gesamten Verbrennungszone ein, normalerweise nicht mehr als 15%. Dadurch sind die spezifischen Kennwerte der Motoren schlechter als bei konventionellen Motoren.

Zu den Gründen für die Nichtumsetzung des Voitsekhovsky-Schemas

Die meisten Arbeiten an Motoren mit kontinuierlicher Detonation sind mit der Entwicklung des Voitsekhovsky-Konzepts verbunden. Trotz über 40-jähriger Forschungsgeschichte blieben die Ergebnisse tatsächlich auf dem Niveau von 1964. Der Anteil der Detonationsverbrennung überschreitet nicht 15 % des Brennkammervolumens. Der Rest brennt langsam unter Bedingungen, die alles andere als optimal sind.

Einer der Gründe für diesen Sachverhalt ist das Fehlen einer praktikablen Berechnungsmethode. Da die Strömung dreidimensional ist und die Berechnung nur die Gesetze der Impulserhaltung der Stoßwelle in der Richtung senkrecht zur Modelldetonationsfront berücksichtigt, sind die Ergebnisse der Berechnung der Neigung der Stoßwellen zur Strömung der Verbrennungsprodukte um mehr als 30 % von den experimentell beobachteten abweichen. Die Konsequenz ist, dass trotz langjähriger Forschung an verschiedenen Kraftstoffversorgungssystemen und Experimenten zur Veränderung des Verhältnisses von Kraftstoffkomponenten nur Modelle erstellt wurden, in denen die Detonationsverbrennung stattfindet und für 10-15 s aufrechterhalten wird. Weder die Effizienzsteigerung noch die Vorteile gegenüber den bestehenden Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken und Gasturbinentriebwerken stehen außer Frage.

Die von den Projektautoren durchgeführte Analyse der bestehenden RDE-Systeme hat gezeigt, dass alle heute vorgeschlagenen RDE-Systeme grundsätzlich nicht funktionsfähig sind. Die Detonationsverbrennung findet statt und wird erfolgreich aufrechterhalten, jedoch nur in begrenztem Umfang. Im Rest des Bandes haben wir es mit einer gewöhnlichen langsamen Verbrennung zu tun, außerdem hinter einem nicht optimalen Stoßwellensystem, was zu erheblichen Totaldruckverlusten führt. Außerdem ist der Druck auch um ein Vielfaches niedriger als für ideale Verbrennungsbedingungen bei einem stöchiometrischen Verhältnis der Komponenten des Kraftstoffgemisches erforderlich. Dadurch ist der spezifische Treibstoffverbrauch pro Schubeinheit um 30-40% höher als bei herkömmlichen Triebwerken.

Aber das wichtigste Problem ist das eigentliche Prinzip der Organisation einer kontinuierlichen Detonation. Wie Studien der kontinuierlichen kreisförmigen Detonation in den 60er Jahren gezeigt haben, ist die Detonationsverbrennungsfront eine komplexe Stoßwellenstruktur, die aus mindestens zwei Dreifachkonfigurationen besteht (etwa Dreifachkonfigurationen von Stoßwellen. Eine solche Struktur mit einer angeschlossenen Detonationszone, Wie jedes thermodynamische Rückkopplungssystem neigt es dazu, allein gelassen eine Position einzunehmen, die dem minimalen Energieniveau entspricht. Dadurch werden die Tripelkonfigurationen und der Detonationsbrennbereich so aufeinander abgestimmt, dass sich die Detonationsfront mit dem Ringspalt entlang des Ringspalts bewegt minimal mögliches Volumen der Detonationsverbrennung Dies ist das genaue Gegenteil des Ziels, das die Motorenentwickler für die Detonationsverbrennung gesetzt haben.

Um einen effizienten RDE-Motor zu schaffen, ist es notwendig, das Problem zu lösen, eine optimale Dreifach-Stoßwellenkonfiguration zu schaffen und darin eine Detonationsverbrennungszone zu organisieren. Es ist notwendig, in einer Vielzahl technischer Geräte, beispielsweise in optimalen Diffusoren von Überschall-Lufteinlässen, optimale Stoßwellenstrukturen erzeugen zu können. Die Hauptaufgabe ist die maximal mögliche Erhöhung des Anteils der Detonationsverbrennung am Brennraumvolumen von den unzulässigen 15 % auf mindestens 85 %. Bestehende Motorkonstruktionen basierend auf den Entwürfen von Nichols und Wojciechowski können diese Aufgabe nicht erfüllen.

Uskov V.N., Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor der Abteilung für Hydroaeromechanik, Staatliche Universität St. Petersburg, Fakultät für Mathematik und Mechanik, St. Petersburg;

Emelyanov VN, Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor, Leiter der Abteilung für Plasmogasdynamik und Wärmetechnik, BSTU "VOENMEKH" benannt nach D. F. Ustinov, St. Petersburg.

Die Arbeit ist am 14.10.2013 eingegangen.

Bibliographische Referenz

Das Problem der Entwicklung von Impulsdetonationsmotoren wird betrachtet. Die wichtigsten Forschungszentren, die an Motoren der neuen Generation forschen, sind aufgeführt. Die Hauptrichtungen und Trends in der Entwicklung des Designs von Detonationsmotoren werden berücksichtigt. Die Haupttypen solcher Motoren werden vorgestellt: gepulster, gepulster Mehrrohrmotor, gepulst mit einem Hochfrequenz-Resonator. Der Unterschied in der Methode der Schuberzeugung im Vergleich zu einem klassischen Strahltriebwerk mit einer Lavaldüse wird gezeigt. Das Konzept einer Traktionswand und eines Traktionsmoduls wird beschrieben. Es zeigt sich, dass Impulszündungsmotoren in Richtung Erhöhung der Pulswiederholrate verbessert werden, und diese Richtung hat ihre Berechtigung im Bereich der leichten und billigen unbemannten Fluggeräte, sowie in der Entwicklung verschiedener Ejektorschubverstärker . Die Hauptschwierigkeiten fundamentaler Natur bei der Modellierung einer turbulenten Detonationsströmung unter Verwendung von Rechenpaketen basierend auf der Verwendung von Differentialturbulenzmodellen und der Mittelung der Navier-Stokes-Gleichungen über die Zeit werden gezeigt.

Detonationsmotor

Pulsdetonationsmotor

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Detonationsverbrennungsprojekte in den Vereinigten Staaten sind im IHPTET Advanced Engine Development Program enthalten. Die Kooperation umfasst nahezu alle im Bereich des Motorenbaus tätigen Forschungszentren. Allein die NASA stellt hierfür jährlich bis zu 130 Millionen Dollar bereit. Dies beweist die Relevanz der Forschung in diese Richtung.

Überblick über die Arbeiten im Bereich Detonationsmotoren

Die Marktstrategie der weltweit führenden Hersteller zielt nicht nur darauf ab, neue reaktive Detonationsmotoren zu entwickeln, sondern auch bestehende zu modernisieren, indem ihre traditionellen Brennkammern durch eine Detonationsbrennkammer ersetzt werden. Darüber hinaus können Detonationstriebwerke integraler Bestandteil kombinierter Anlagen unterschiedlicher Art werden, beispielsweise als Nachbrenner eines Turbojet-Triebwerks, als Hub-Ejektor-Triebwerke in VTOL-Flugzeugen (Beispiel in Abb. 1 ist ein Boeing-Transport-VTOL-Flugzeugprojekt) .

In den Vereinigten Staaten werden Detonationsmotoren von vielen Forschungszentren und Universitäten entwickelt: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield und Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.

Das Seattle Aerosciences Center (SAC), das 2001 von Pratt und Whitney von Adroit Systems übernommen wurde, nimmt eine führende Position in der Entwicklung von Detonationstriebwerken ein. Der Großteil der Arbeit des Zentrums wird von der Air Force und der NASA aus dem Budget des Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP) finanziert, das darauf abzielt, neue Technologien für verschiedene Arten von Düsentriebwerken zu entwickeln.

Reis. 1. Patent US 6,793,174 B2 von Boeing, 2004

Insgesamt haben die SAC-Spezialisten seit 1992 über 500 Labortests mit experimentellen Proben durchgeführt. Pulsating Detonation Engines (PDEs), die Luftsauerstoff verbrauchen, werden vom SAC für die US Navy in Betrieb genommen. Angesichts der Komplexität des Programms haben die Navy-Spezialisten fast alle Organisationen, die an Zündtriebwerken beteiligt sind, an der Umsetzung beteiligt. An den Arbeiten sind neben Pratt und Whitney auch das United Technologies Research Center (UTRC) und Boeing Phantom Works beteiligt.

Derzeit arbeiten in unserem Land folgende Universitäten und Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften (RAS) in theoretischer Hinsicht an diesem aktuellen Problem: Institut für Chemische Physik RAS (ICP), Institut für Maschinenbau RAS, Institut für Hochtemperaturen RAS (IVTAN), Novosibirsk Institute of Hydrodynamics, benannt nach VI Lavrentieva (IGiL), Institut für Theoretische und Angewandte Mechanik benannt nach Christianowitsch (ITMP), Physikalisch-Technisches Institut benannt nach Ioffe, Staatliche Universität Moskau (MSU), Staatliches Luftfahrtinstitut Moskau (MAI), Staatliche Universität Nowosibirsk, Staatliche Universität Tscheboksary, Staatliche Universität Saratow usw.

Arbeitsgebiete an Impulsdetonationsmotoren

Richtungsnummer 1 - Klassischer Impulszünder (PDE). Die Brennkammer eines typischen Strahltriebwerks besteht aus Injektoren zum Mischen von Kraftstoff mit einem Oxidationsmittel, einer Vorrichtung zum Zünden des Kraftstoffgemisches und einem Flammrohr selbst, in dem Redoxreaktionen (Verbrennung) stattfinden. Das Flammrohr endet mit einer Düse. In der Regel ist dies eine Lavaldüse mit einem konvergierenden Teil, einem minimal kritischen Abschnitt, in dem die Geschwindigkeit der Verbrennungsprodukte gleich der lokalen Schallgeschwindigkeit ist, einem sich ausdehnenden Teil, in dem der statische Druck der Verbrennungsprodukte beträgt so weit wie möglich auf den Umgebungsdruck reduziert. Es ist sehr grob möglich, den Triebwerksschub als Düsenhalsfläche multipliziert mit der Druckdifferenz in der Brennkammer und der Umgebung abzuschätzen. Je höher der Druck in der Brennkammer ist, desto höher ist daher der Schub.

Der Schub des Impuls-Detonationstriebwerks wird durch andere Faktoren bestimmt - die Übertragung des Impulses durch die Detonationswelle auf die Zugwand. In diesem Fall wird die Düse überhaupt nicht benötigt. Pulsdetonationsmotoren haben ihre eigene Nische - billige und wegwerfbare Flugzeuge. In dieser Nische entwickeln sie sich erfolgreich in Richtung Erhöhung der Pulswiederholrate.

Das klassische Erscheinungsbild des IDD ist eine zylindrische Brennkammer mit einer flachen oder speziell profilierten Wand, der sogenannten Zugwand (Abb. 2). Die Einfachheit des IDD-Geräts ist sein unbestreitbarer Vorteil. Wie die Analyse der verfügbaren Veröffentlichungen zeigt, zeichnen sich trotz der Vielfalt der vorgeschlagenen IDD-Schemata alle durch die Verwendung von Detonationsrohren beträchtlicher Länge als Resonanzvorrichtungen und die Verwendung von Ventilen aus, die eine periodische Zufuhr des Arbeitsfluids gewährleisten.

Es ist anzumerken, dass das IDD, das auf der Grundlage traditioneller Detonationsrohre erstellt wurde, trotz der hohen thermodynamischen Effizienz bei einer einzigen Pulsation inhärente Nachteile hat, die für klassische pulsierende Luftstrahltriebwerke charakteristisch sind, nämlich:

Niedrige Pulsationsfrequenz (bis zu 10 Hz), die einen relativ niedrigen durchschnittlichen Traktionswirkungsgrad bestimmt;

Hohe thermische und Schwingungsbelastung.

Reis. 2. Schematische Darstellung einer Pulsdetonationsmaschine (IDE)

Richtung Nr. 2 - Multipipe IDD. Der Haupttrend bei der Entwicklung von IDD ist der Übergang zu einem Multi-Pipe-Schema (Abb. 3). Bei solchen Motoren bleibt die Betriebsfrequenz eines einzelnen Rohres niedrig, aber aufgrund des Pulswechsels in verschiedenen Rohren hoffen die Entwickler, akzeptable spezifische Eigenschaften zu erhalten. Ein solches Schema scheint durchaus praktikabel zu sein, wenn wir das Problem der Schwingungen und der Schubasymmetrie sowie das Problem des Bodendrucks lösen, insbesondere mögliche niederfrequente Schwingungen im Bodenbereich zwischen den Rohren.

Reis. 3. Pulse-Detonation Engine (PDE) des traditionellen Schemas mit einem Paket von Detonationsrohren als Resonatoren

Richtung Nr. 3 - IDD mit einem Hochfrequenz-Resonator. Es gibt auch eine alternative Richtung - die kürzlich viel beworbene Schaltung mit Traktionsmodulen (Abb. 4), die einen speziell profilierten Hochfrequenz-Resonator haben. Arbeiten in dieser Richtung werden im nach benannten Wissenschaftlich-Technischen Zentrum durchgeführt A. Wiege und MAI. Die Schaltung zeichnet sich durch das Fehlen jeglicher mechanischer Ventile und intermittierender Zündvorrichtungen aus.

Das Traktionsmodul IDD des vorgeschlagenen Schemas besteht aus einem Reaktor und einem Resonator. Der Reaktor dient dazu, das Brennstoff-Luft-Gemisch für die Detonationsverbrennung vorzubereiten, wobei die Moleküle des brennbaren Gemischs in chemisch aktive Komponenten zerlegt werden. Ein schematisches Diagramm eines Betriebszyklus eines solchen Motors ist in Abb. 5.

Die Detonationswelle, die mit der Unterseite des Resonators wie mit einem Hindernis zusammenwirkt, überträgt auf sie einen Impuls aus den Überdruckkräften.

IDDs mit Hochfrequenz-Resonatoren haben das Recht, erfolgreich zu sein. Sie können sich insbesondere für die Modernisierung der Nachbrenner und die Verfeinerung einfacher Turbojet-Triebwerke bewerben, die wiederum für billige UAVs bestimmt sind. Ein Beispiel sind die Versuche von MAI und CIAM, das Turbojet-Triebwerk MD-120 auf diese Weise zu modernisieren, indem die Brennkammer durch einen Brenersetzt und Traktionsmodule mit Hochfrequenzresonatoren hinter der Turbine installiert werden. Bisher ist es nicht gelungen, eine praktikable Struktur zu schaffen, da Bei der Profilierung von Resonatoren verwenden die Autoren die lineare Theorie der Kompressionswellen, d.h. Berechnungen werden in der akustischen Näherung durchgeführt. Die Dynamik von Detonations- und Kompressionswellen wird durch einen ganz anderen mathematischen Apparat beschrieben. Die Verwendung von numerischen Standardpaketen zur Berechnung von Hochfrequenzresonatoren hat eine grundlegende Einschränkung. Alle modernen Turbulenzmodelle basieren auf der zeitlichen Mittelung der Navier-Stokes-Gleichungen (Grundgleichungen der Gasdynamik). Darüber hinaus wird die Annahme von Boussinesq eingeführt, dass der Spannungstensor der turbulenten Reibung proportional zum Geschwindigkeitsgradienten ist. Beide Annahmen sind bei turbulenten Strömungen mit Stoßwellen nicht erfüllt, wenn die charakteristischen Frequenzen mit der turbulenten Pulsationsfrequenz vergleichbar sind. Leider haben wir es mit genau einem solchen Fall zu tun, daher ist es hier notwendig, entweder ein übergeordnetes Modell zu bauen oder eine direkte numerische Modellierung basierend auf den vollständigen Navier-Stokes-Gleichungen ohne Verwendung von Turbulenzmodellen (ein Problem, das derzeit unmöglich ist) Bühne).

Reis. 4. Schema der IDD mit einem Hochfrequenzresonator

Reis. 5. Schema der IDD mit einem Hochfrequenzresonator: SZS - Überschalljet; SW - Stoßwelle; Ф ist der Fokus des Resonators; ДВ - Detonationswelle; ВР - Verdünnungswelle; OUV - reflektierte Stoßwelle

IDDs werden in Richtung einer Erhöhung der Pulswiederholrate verbessert. Diese Richtung hat ihre Berechtigung im Bereich der leichten und billigen unbemannten Fluggeräte sowie bei der Entwicklung verschiedener Ejektorschubverstärker.

Uskov V.N., Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor der Abteilung für Hydroaeromechanik, Staatliche Universität St. Petersburg, Fakultät für Mathematik und Mechanik, St. Petersburg;

Emelyanov VN, Doktor der Technischen Wissenschaften, Professor, Leiter der Abteilung für Plasmogasdynamik und Wärmetechnik, BSTU "VOENMEKH" benannt nach D. F. Ustinov, St. Petersburg.

Die Arbeit ist am 14.10.2013 eingegangen.

Bibliographische Referenz