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. Daher begannen die Spezialisten mit großem Eifer, diese Idee zu entwickeln: Bei einem herkömmlichen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, das eigentlich ein großer Brenner ist, kommt es nicht auf die Brennkammer und die Düse, sondern auf die Kraftstoff-Turbopumpeneinheit (TNA ), wodurch ein solcher Druck erzeugt wird, 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 leistungsfähiger 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 Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke, und die pulsierenden blieben am Rande des Fortschritts. Die klugen Köpfe der Wissenschaft haben versucht, die Detonationsverbrennung mit 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 ihre Pulsationsfrequenz erreicht 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 praktisch 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 Motors zu Hilfe, da es unmöglich ist, vom Verteidigungsministerium Finanzmittel zu erhalten - geben Sie ihnen nur ein garantiertes Ergebnis.
Trotzdem wurde während der Tests in Khimki bei Energomash ein stationärer Zustand kontinuierlicher Spindetonation aufgezeichnet - 8 Tausend 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 seit sehr kurzer 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 Geschichte der Wissenschaft bleiben wird.
Der militärisch-industrielle Kurier liefert großartige Neuigkeiten aus dem Bereich 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 Motorhyperschalls 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 Russlands über Detonationsraketentriebwerke.
Interview mit Pjotr Lyovochkin, Chefdesigner der NPO Energomash, benannt nach dem Akademiker V.P. Glushko.
Triebwerke für Hyperschallraketen der Zukunft entstehen
Die sogenannten Detonationsraketentriebwerke wurden mit sehr interessanten Ergebnissen erfolgreich getestet. Die Entwicklungsarbeit in diese Richtung wird 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 der NPO Energomash, benannt nach dem Akademiker V.P. Glushko, Pjotr Lyovochkin.
Petr Sergeevich, welche Möglichkeiten eröffnen neue Motoren?
Petr Lyovochkin: Wenn wir über die nahe Zukunft sprechen, arbeiten wir heute an Triebwerken für Raketen wie Angara A5V 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 deutlich, dass eine herkömmliche Erhöhung der Energiekennlinie 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 erhöht natürlich den Triebwerksschub. 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 von unserem Landsmann - dem späteren Akademiemitglied Yakov Borisovich Zeldovich im Jahr 1940 - 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 um 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 mit 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, sind wir 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 einen Flüzu erstellen. An dem Projekt arbeitete eine große Kooperation der führenden wissenschaftlichen Zentren Russlands unter der Schirmherrschaft der Advanced Research Foundation. Darunter ist das Institut für Hydrodynamik genannt. M. A. Lavrentieva, MAI, "Keldysh Center", nach dem Central Institute of Aviation Motors benannt 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.
Kann ein Detonationsmotor in Hyperschallraketen verwendet werden?
Pjotr Lyovochkin: Es ist sowohl möglich als auch notwendig. Schon allein deshalb, weil die Verbrennung von Kraftstoff darin Überschall ist. Und in den Triebwerken, mit denen sie jetzt versuchen, kontrollierte Hyperschallflugzeuge zu bauen, erfolgt die Verbrennung im Unterschall. Und das schafft viele Probleme. Denn wenn die Verbrennung im Motor Unterschall ist und der Motor beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von fünf Schritten fliegt (ein Hub entspricht der Schallgeschwindigkeit), muss der ankommende Luftstrom auf das Geräusch verlangsamt werden Modus. Dementsprechend wird die gesamte Energie dieser Bremsung in Wärme umgewandelt, was zu einer zusätzlichen Überhitzung der Struktur führt.
Und bei einem Detonationsmotor läuft der Verbrennungsprozess mit einer Geschwindigkeit ab, die mindestens zweieinhalb Mal höher ist als die des Schalls. Und dementsprechend können wir die Geschwindigkeit des Flugzeugs um diesen Betrag erhöhen. Das heißt, wir sprechen bereits nicht von fünf, sondern von acht Schwüngen. Dies ist die derzeit erreichbare Geschwindigkeit von Flugzeugen mit Hyperschallmotoren, die das Prinzip der Detonationsverbrennung nutzen werden.
Petr Lyovochkin: Das ist eine schwierige Frage. Wir haben gerade die Tür zum Bereich der Detonationsverbrennung geöffnet. Es gibt immer noch viel Unerforschtes außerhalb der Klammern unserer Forschung. Heute versuchen wir gemeinsam mit RSC Energia herauszufinden, wie das Triebwerk als Ganzes mit einer Detonationskammer in Zukunft auf die Oberstufen angewendet aussehen kann.
Mit welchen Motoren fliegt ein Mensch zu fernen Planeten?
Petr Lyovochkin: Meiner Meinung nach werden wir noch lange traditionelle Raketentriebwerke fliegen, um sie zu verbessern. Obwohl sicherlich andere Arten von Raketentriebwerken entwickelt werden, zum Beispiel elektrische Raketentriebwerke (sie sind viel effizienter als Flüssigraketentriebwerke - ihr spezifischer Impuls ist 10-mal höher). Leider erlauben uns die heutigen Triebwerke und Trägerraketen nicht, über die Realität massiver interplanetarer, geschweige denn intergalaktischer Flüge zu sprechen. Alles hier ist noch auf der Ebene der Fantasie: Photonenmotoren, Teleportation, Levitation, Gravitationswellen. Andererseits galten die Werke von Jules Verne noch vor etwas mehr als hundert Jahren als reine Fantasie. Vielleicht lässt ein revolutionärer Durchbruch in dem Bereich, in dem wir arbeiten, nicht lange auf sich warten. Einschließlich im Bereich der praktischen Herstellung von Raketen mit der Energie der Explosion.
Dossier "RG":
Die "Wissenschafts- und Produktionsvereinigung Energomash" wurde 1929 von Valentin Petrovich Glushko gegründet. Jetzt trägt es seinen Namen. Es entwickelt und produziert Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke für die I., teilweise II. Stufen von Trägerraketen. NPO hat mehr als 60 verschiedene Düsentriebwerke mit Flüssigtreibstoff entwickelt. Der erste Satellit wurde mit den Triebwerken von Energomash gestartet, der erste Mensch flog ins All und das erste selbstfahrende Fahrzeug Lunokhod-1 wurde gestartet. Heute starten mehr als neunzig Prozent der Trägerraketen in Russland mit Motoren, die bei NPO Energomash entwickelt und hergestellt werden.
Detonationsmotortests
FPI_RUSSLAND / Vimeo
Das Speziallabor „Detonations-Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke“ des Forschungs- und Produktionsverbundes „Energomash“ hat die weltweit ersten großformatigen Demonstratoren von Detonations-Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerkstechnologien getestet. Laut TASS werden die neuen Kraftwerke mit Sauerstoff-Kerosin-Brennstoffdampf betrieben.
Der neue Motor arbeitet im Gegensatz zu anderen Kraftwerken, die nach dem Prinzip der Verbrennung arbeiten, durch Detonation des Kraftstoffs. Detonation ist die Überschallverbrennung eines Stoffes, in diesem Fall eines Kraftstoffgemisches. In diesem Fall breitet sich eine Stoßwelle durch das Gemisch aus, gefolgt von einer chemischen Reaktion unter Freisetzung einer großen Wärmemenge.
Das Studium der Funktionsprinzipien und der Entwicklung von Detonationsmotoren wird in einigen Ländern der Welt seit mehr als 70 Jahren durchgeführt. Die ersten Arbeiten dieser Art begannen in Deutschland in den 1940er Jahren. Zwar gelang es den Forschern nicht, einen funktionierenden Prototyp des Detonationstriebwerks zu erstellen, aber pulsierende Luftstrahltriebwerke wurden entwickelt und in Serie produziert. Sie wurden auf V-1-Raketen platziert.
In pulsierenden Düsentriebwerken verbrannte Treibstoff mit Unterschallgeschwindigkeit. Diese Verbrennung wird Deflagration genannt. Der Motor wird als pulsierender Motor bezeichnet, da seiner Brennkammer in kleinen Portionen in regelmäßigen Abständen Kraftstoff und Oxidationsmittel zugeführt wurden.
Druckkennfeld im Brennraum eines Rotationsdetonationsmotors. A - Detonationswelle; B - Hinterkante der Stoßwelle; C - Mischzone von frischen und alten Verbrennungsprodukten; D - Füllbereich mit einem Kraftstoffgemisch; E - Bereich des nicht detonierten verbrannten Kraftstoffgemisches; F - Expansionszone mit detoniertem verbranntem Kraftstoffgemisch
Detonationsmotoren werden heute in zwei Haupttypen unterteilt: Impuls- und Rotationsmotoren. Letztere werden auch Spin genannt. Das Funktionsprinzip von Impulsmotoren ähnelt dem von Impulsstrahltriebwerken. Der Hauptunterschied liegt in der Detonationsverbrennung des Kraftstoffgemisches im Brennraum.
Rotationsdetonationsmotoren verwenden eine ringförmige Brennkammer, in der das Kraftstoffgemisch in Reihe durch radial angeordnete Ventile zugeführt wird. In solchen Kraftwerken schwächt sich die Detonation nicht ab - die Detonationswelle "läuft" um die Ringbrennkammer herum, das Kraftstoffgemisch dahinter hat Zeit, sich zu erneuern. Der Rotationsmotor wurde erstmals in den 1950er Jahren in der UdSSR untersucht.
Detonationsmotoren können in einem weiten Bereich von Fluggeschwindigkeiten betrieben werden - von null bis fünf Machzahlen (0-6,2 Tausend Kilometer pro Stunde). Es wird angenommen, dass solche Antriebssysteme mehr Leistung liefern können, während sie weniger Kraftstoff verbrauchen als herkömmliche Strahltriebwerke. Gleichzeitig ist die Konstruktion von Detonationsmotoren relativ einfach: Ihnen fehlt ein Kompressor und viele bewegliche Teile.
Alle bisher getesteten Detonationstriebwerke sind für Versuchsflugzeuge ausgelegt. Ein solches in Russland getestetes Kraftwerk ist das erste, das auf einer Rakete installiert wird. Welche Art von Detonationstriebwerk getestet wurde, ist nicht angegeben.
Ende Januar gab es Berichte über neue Fortschritte in der russischen Wissenschaft und Technologie. Aus offiziellen Quellen wurde bekannt, dass eines der inländischen Projekte eines vielversprechenden Detonationsstrahltriebwerks bereits die Testphase bestanden hat. Dies rückt den Zeitpunkt des vollständigen Abschlusses aller erforderlichen Arbeiten näher, nach deren Ergebnissen Weltraum- oder Militärraketen russischer Bauart neue Kraftwerke mit verbesserten Eigenschaften erhalten können. Darüber hinaus können die neuen Prinzipien des Triebwerksbetriebs nicht nur im Bereich der Flugkörper, sondern auch in anderen Bereichen Anwendung finden.
Ende Januar berichtete der stellvertretende Ministerpräsident Dmitri Rogosin der heimischen Presse über die jüngsten Erfolge der Forschungsorganisationen. Dabei ging er unter anderem auf den Entstehungsprozess von Strahltriebwerken mit neuen Funktionsprinzipien ein. Ein vielversprechender Motor mit Detonationsverbrennung wurde bereits getestet. Laut dem stellvertretenden Ministerpräsidenten ermöglicht die Anwendung neuer Betriebsprinzipien des Kraftwerks eine deutliche Leistungssteigerung. Im Vergleich zu Bauten traditioneller Architektur ergibt sich eine Schubsteigerung von ca. 30%.
Detonationsraketenmotordiagramm
Moderne Raketentriebwerke verschiedener Klassen und Typen, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, verwenden die sog. isobarer Zyklus oder Deflagrationsverbrennung. Ihre Brennkammern halten einen konstanten Druck aufrecht, bei dem der Kraftstoff langsam verbrennt. Ein auf Verpuffungsprinzipien basierender Motor benötigt keine besonders langlebigen Aggregate, ist jedoch in seiner maximalen Leistung begrenzt. Die Erhöhung der Grundeigenschaften ab einem bestimmten Niveau erweist sich als unzumutbar.
Eine Alternative zu einem Motor mit isobarem Zyklus im Rahmen der Leistungssteigerung ist ein System mit dem sog. Detonationsverbrennung. In diesem Fall erfolgt die Oxidationsreaktion des Kraftstoffs hinter einer Stoßwelle, die sich mit hoher Geschwindigkeit durch die Brennkammer bewegt. Dies stellt besondere Anforderungen an das Design des Motors, bietet aber gleichzeitig offensichtliche Vorteile. In Bezug auf die Effizienz der Kraftstoffverbrennung ist die Detonationsverbrennung um 25 % besser als die Deflagration. Sie unterscheidet sich auch von der Verbrennung mit konstantem Druck durch die erhöhte Leistung der Wärmefreisetzung pro Flächeneinheit der Reaktionsfront. Theoretisch ist es möglich, diesen Parameter um drei bis vier Größenordnungen zu erhöhen. Als Konsequenz, die Geschwindigkeit von reaktiven Gasen kann um das 20-25-fache erhöht werden.
Somit kann das Detonationstriebwerk mit seinem erhöhten Wirkungsgrad mehr Schub bei weniger Kraftstoffverbrauch entwickeln. Seine Vorteile gegenüber herkömmlichen Designs liegen auf der Hand, doch bis vor kurzem ließ der Fortschritt in diesem Bereich zu wünschen übrig. Die Prinzipien eines Detonationsstrahltriebwerks wurden bereits 1940 von dem sowjetischen Physiker Ya.B. Zeldovich, aber fertige Produkte dieser Art haben noch keine Ausbeutung erreicht. Die Hauptgründe für den Mangel an wirklichem Erfolg sind die Probleme bei der Schaffung einer ausreichend starken Struktur sowie die Schwierigkeit, die Stoßwelle mit vorhandenen Kraftstoffen zu starten und dann aufrechtzuerhalten.
Eines der neuesten inländischen Projekte im Bereich der Detonationsraketentriebwerke wurde 2014 gestartet und wird bei der nach ihm benannten NPO Energomash entwickelt Akademiker V. P. Glushko. Ziel des Projekts mit dem Code "Ifrit" war nach den vorliegenden Daten die Erforschung der Grundlagen einer neuen Technologie mit anschließender Schaffung eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks unter Verwendung von Kerosin und gasförmigem Sauerstoff. Der neue Motor, benannt nach den Feuerdämonen aus der arabischen Folklore, basierte auf dem Prinzip der Spin-Detonation-Verbrennung. Dem Leitgedanken des Projekts entsprechend muss sich die Stoßwelle also im Brennraum kontinuierlich im Kreis bewegen.
Chefentwickler des neuen Projekts war NPO Energomash bzw. ein auf dessen Basis geschaffenes Speziallabor. Darüber hinaus waren mehrere andere Forschungs- und Entwicklungsorganisationen an der Arbeit beteiligt. Das Programm wurde von der Advanced Research Foundation unterstützt. Durch gemeinsame Anstrengungen konnten alle Teilnehmer des Ifrit-Projekts ein optimales Aussehen für einen vielversprechenden Motor sowie eine Modellbrennkammer mit neuen Funktionsprinzipien schaffen.
Um die Perspektiven der gesamten Richtung und neue Ideen zu studieren, eine sogenannte. eine Modell-Detonationsbrennkammer, die den Anforderungen des Projekts entspricht. Ein so erfahrener Motor mit reduzierter Konfiguration sollte flüssiges Kerosin als Kraftstoff verwenden. Als Oxidationsmittel wurde Wasserstoffgas vorgeschlagen. Im August 2016 begannen die Tests der Prototypkammer. Wichtig, dass zum ersten Mal in der Geschichte wurde ein solches Projekt auf die Bühne von Prüfstandsversuchen gebracht... Zuvor wurden in- und ausländische Detonationsraketentriebwerke entwickelt, aber nicht getestet.
Bei den Tests der Modellstichprobe wurden sehr interessante Ergebnisse erzielt, die die Richtigkeit der verwendeten Ansätze belegen. Durch die Verwendung der richtigen Materialien und Technologien stellte sich heraus, dass der Druck in der Brennkammer auf 40 Atmosphären gebracht wurde. Der Schub des experimentellen Produkts erreichte 2 Tonnen.
Modellkammer auf einem Prüfstand
Einige Ergebnisse wurden im Rahmen des Ifrit-Projekts erzielt, aber der heimische Flüssigbrennstoff-Detonationsmotor ist noch weit von einer vollwertigen praktischen Anwendung entfernt. Vor der Einführung solcher Geräte in neue Technologieprojekte müssen Designer und Wissenschaftler eine Reihe der schwerwiegendsten Probleme lösen. Erst dann wird die Raketen- und Raumfahrtindustrie oder die Verteidigungsindustrie in der Lage sein, das Potenzial der neuen Technologie in der Praxis zu realisieren.
Mitte Januar veröffentlichte die Rossiyskaya Gazeta ein Interview mit dem Chefkonstrukteur der NPO Energomash, Pjotr Levochkin, über den aktuellen Stand und die Aussichten von Sprengmotoren. Der Vertreter des Bauträgerunternehmens erinnerte an die wichtigsten Vorgaben des Projekts und ging auch auf die erzielten Erfolge ein. Außerdem sprach er über die möglichen Anwendungsgebiete von „Ifrit“ und ähnlichen Strukturen.
Z.B, Detonationsmotoren können in Hyperschallflugzeugen verwendet werden... P. Lyovochkin erinnerte daran, dass die jetzt für solche Geräte vorgeschlagenen Motoren Unterschallverbrennung verwenden. Bei der Hyperschallgeschwindigkeit des Fluggeräts muss die in das Triebwerk eintretende Luft auf den Schallmodus abgebremst werden. Die Bremsenergie muss jedoch zu zusätzlichen thermischen Belastungen der Flugzeugzelle führen. Bei Detonationsmotoren erreicht die Kraftstoffverbrennungsrate mindestens M = 2,5. Dadurch kann die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs erhöht werden. Eine solche Maschine mit einem Detonationsmotor kann auf die achtfache Schallgeschwindigkeit beschleunigen.
Die wirklichen Aussichten von Raketentriebwerken vom Detonationstyp sind jedoch noch nicht sehr groß. Laut P. Lyovochkin haben wir "gerade die Tür zum Bereich der Detonationsverbrennung geöffnet". Wissenschaftler und Designer müssen viele Fragen untersuchen, und erst danach können Strukturen mit praktischem Potenzial geschaffen werden. Aus diesem Grund wird die Raumfahrtindustrie für lange Zeit auf traditionelle Flüssigtreibstoffe zurückgreifen müssen, was jedoch die Möglichkeit einer weiteren Verbesserung nicht negiert.
Interessant ist, dass das Detonationsprinzip der Verbrennung nicht nur im Bereich der Raketentriebwerke Anwendung findet. Es gibt bereits ein inländisches Projekt für ein Luftfahrtsystem mit einer nach dem Impulsprinzip arbeitenden Detonationsbrennkammer. Ein solcher Prototyp wurde auf den Prüfstand gestellt und kann in Zukunft eine neue Richtung einschlagen. Neue Triebwerke mit Klopfverbrennung können in den unterschiedlichsten Bereichen Anwendung finden und traditionelle Gasturbinen- oder Turbojet-Triebwerke teilweise ersetzen.
Am OKB im wird das Inlandsprojekt eines Detonationsflugzeugtriebwerks entwickelt. BIN. Wiege. Informationen zu diesem Projekt wurden erstmals beim letztjährigen internationalen militärisch-technischen Forum "Army-2017" präsentiert. Am Stand des Firmenentwicklers gab es Materialien zu verschiedenen Motoren, sowohl in Serie als auch in der Entwicklung. Unter letzteren befand sich eine vielversprechende Detonationsprobe.
Der Kern des neuen Vorschlags besteht darin, eine nicht standardmäßige Brennkammer zu verwenden, die zur gepulsten Detonationsverbrennung von Kraftstoff in einer Luftatmosphäre geeignet ist. In diesem Fall muss die Frequenz der "Explosionen" im Motor 15-20 kHz erreichen. Zukünftig ist es möglich, diesen Parameter weiter zu erhöhen, wodurch das Motorgeräusch über den vom menschlichen Ohr wahrgenommenen Bereich hinausgeht. Solche Motormerkmale können von einigem Interesse sein.
Die erste Einführung des experimentellen Produkts "Ifrit"
Die Hauptvorteile des neuen Kraftwerks sind jedoch mit einer verbesserten Leistung verbunden. Prüfstandstests von Prototypen haben gezeigt, dass sie herkömmliche Gasturbinentriebwerke in bestimmten Kennzahlen um etwa 30 % übertreffen. Zum Zeitpunkt der ersten öffentlichen Materialvorführung am Motor OKB im. BIN. Die Cradles konnten recht hohe Leistungsmerkmale erreichen. Ein erfahrener Motor eines neuen Typs konnte 10 Minuten ohne Unterbrechung arbeiten. Die Gesamtbetriebszeit dieses Produkts am Stand überstieg zu diesem Zeitpunkt 100 Stunden.
Vertreter der Entwicklungsgesellschaft gaben an, dass es bereits möglich ist, ein neues Detonationstriebwerk mit einem Schub von 2-2,5 Tonnen zu entwickeln, das für den Einbau in Leichtflugzeuge oder unbemannte Luftfahrzeuge geeignet ist. Bei der Konstruktion eines solchen Motors wird vorgeschlagen, die sog. Resonatorvorrichtungen, die für den korrekten Verlauf der Kraftstoffverbrennung verantwortlich sind. Ein wichtiger Vorteil des neuen Projekts ist die grundsätzliche Möglichkeit, solche Geräte überall in der Flugzeugzelle zu installieren.
Experten des OKB im. BIN. An Flugtriebwerken mit Impuls-Detonations-Verbrennung arbeiten die Cradles seit mehr als drei Jahrzehnten, aber das Projekt hat das Forschungsstadium bisher nicht verlassen und hat keine wirklichen Perspektiven. Der Hauptgrund ist der fehlende Auftrag und die notwendige Finanzierung. Wenn das Projekt die notwendige Unterstützung erhält, kann in absehbarer Zeit eine Muster-Engine erstellt werden, die für den Einsatz auf verschiedenen Geräten geeignet ist.
Bis heute ist es russischen Wissenschaftlern und Designern gelungen, mit neuen Funktionsprinzipien sehr bemerkenswerte Ergebnisse im Bereich der Strahltriebwerke zu zeigen. Es gibt gleich mehrere Projekte, die sich für den Einsatz im Raketen- und Hyperschallbereich eignen. Zudem können die neuen Triebwerke in der „klassischen“ Luftfahrt eingesetzt werden. Einige Projekte befinden sich noch im Anfangsstadium und sind noch nicht bereit für Inspektionen und andere Arbeiten, während in anderen Bereichen bereits die bemerkenswertesten Ergebnisse erzielt wurden.
Zum Thema Detonations-Verbrennungsstrahltriebwerke konnten russische Spezialisten ein Tischmodell einer Brennkammer mit den gewünschten Eigenschaften erstellen. Das experimentelle Produkt "Ifrit" hat bereits Tests bestanden, bei denen eine Vielzahl verschiedener Informationen gesammelt wurden. Mit Hilfe der gewonnenen Daten wird die Richtungsentwicklung fortgesetzt.
Eine neue Richtung zu meistern und Ideen in eine praktisch anwendbare Form zu übersetzen, wird viel Zeit in Anspruch nehmen, und aus diesem Grund werden in absehbarer Zukunft Weltraum- und Armeeraketen in absehbarer Zeit nur mit traditionellen Flüssigtreibstoff-Triebwerken ausgestattet. Dennoch haben die Arbeiten das rein theoretische Stadium bereits verlassen, und nun rückt jeder Teststart eines Versuchstriebwerks den Moment näher, vollwertige Raketen mit neuen Triebwerken zu bauen.
Basierend auf Materialien von Websites:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Während sich die gesamte fortschrittliche Menschheit aus den NATO-Staaten darauf vorbereitet, mit der Erprobung eines Detonationstriebwerks zu beginnen (Tests können 2019 (oder eher viel später) erfolgen), kündigte das rückständige Russland den Abschluss der Tests eines solchen Triebwerks an.
Die Ankündigung erfolgte ganz ruhig und ohne jemanden zu erschrecken. Aber im Westen bekamen sie wie erwartet Angst und ein hysterisches Heulen begann - wir werden für den Rest unseres Lebens zurückbleiben. In den USA, Deutschland, Frankreich und China wird an der Detonation Engine (DD) gearbeitet. Generell gibt es Grund zu der Annahme, dass die Lösung des Problems für den Irak und Nordkorea von Interesse ist – eine vielversprechende Entwicklung, die eigentlich eine neue Stufe der Raketentechnik bedeutet. Und allgemein im Motorenbau.
Die Idee eines Detonationsmotors wurde erstmals 1940 von dem sowjetischen Physiker Ya.B. Seldowitsch. Und die Schaffung eines solchen Motors versprach enorme Vorteile. Für ein Raketentriebwerk zum Beispiel:
- Die Leistung ist 10.000 Mal höher als die eines herkömmlichen Raketentriebwerks. In diesem Fall sprechen wir von der Leistung, die von einer Einheit des Motorvolumens empfangen wird;
- 10-mal weniger Kraftstoff pro Leistungseinheit;
- DD ist einfach deutlich (mehrmals) billiger als ein Standard-Raketentriebwerk.
Ein Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk ist ein so großer und sehr teurer Brenner. Und es ist teuer, weil eine große Anzahl mechanischer, hydraulischer, elektronischer und anderer Mechanismen erforderlich sind, um eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten. Sehr aufwendige Produktion. Es ist so schwierig, dass die Vereinigten Staaten seit vielen Jahren keinen eigenen Flüssigtreibstoffmotor entwickeln können und gezwungen sind, RD-180 aus Russland zu kaufen.
Russland wird in Kürze ein serienmäßiges, zuverlässiges und kostengünstiges leichtes Raketentriebwerk erhalten. Mit allen daraus folgenden Konsequenzen:
die Rakete kann ein Vielfaches an Nutzlast tragen - das Triebwerk selbst wiegt deutlich weniger, Treibstoff wird für die angegebene Flugreichweite 10 Mal weniger benötigt. Oder Sie können diese Reichweite einfach um das Zehnfache erhöhen;
die Kosten der Rakete werden um ein Vielfaches reduziert. Dies ist eine gute Antwort für diejenigen, die gerne ein Wettrüsten mit Russland organisieren.
Und dann ist da noch der Weltraum ... Es eröffnen sich einfach fantastische Perspektiven für seine Erforschung.
Aber die Amerikaner haben Recht und jetzt ist keine Zeit für den Weltraum - es werden bereits Sanktionspakete vorbereitet, damit der Sprengmotor in Russland nicht passiert. Sie werden ihr Bestes tun, um sich einzumischen - unsere Wissenschaftler haben einen sehr ernsthaften Anspruch auf Führung erhoben.
07.02.2018 Stichworte: 2311Diskussion: 3 Kommentare
* 10.000-mal mehr Leistung als ein herkömmlicher Raketenantrieb. In diesem Fall sprechen wir von der Leistung, die von einer Einheit des Motorvolumens empfangen wird;
10-mal weniger Kraftstoff pro Leistungseinheit;
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passt irgendwie nicht zu anderen Veröffentlichungen:
„Abhängig von der Konstruktion kann es den ursprünglichen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk in Bezug auf den Wirkungsgrad von 23-27% für eine typische Konstruktion mit expandierender Düse übertreffen, bis hin zu einer Steigerung von 36-37% beim luftgekühlten Raketentriebwerk ( Keilluftraketentriebwerke)
Sie sind in der Lage, den Druck des ausströmenden Gasstrahls in Abhängigkeit vom atmosphärischen Druck zu ändern und bis zu 8-12% Kraftstoff während des gesamten Startabschnitts der Struktur zu sparen (Die Haupteinsparungen treten in niedrigen Höhen auf, wo sie 25- 30%).“