Russischer Detonationsmotor. Detonationsmotor

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

1. Voitsekhovsky BV, Mitrofanov VV, Topchiyan ME, Die Struktur der Detonationsfront in Gasen. - Nowosibirsk: Verlag der sibirischen Abteilung der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1963.

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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 60er 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

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, bei der sich die Stoßwelle entlang der Kammerachse bewegt und die eine die andere ersetzt, sowie kontinuierliche (Spin-)Detonation, bei der 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.

Ein Detonationstriebwerk ist einfacher und billiger in der Herstellung, um eine Größenordnung leistungsstärker und sparsamer als ein herkömmliches Strahltriebwerk, im Vergleich dazu hat es einen höheren Wirkungsgrad.

Beschreibung:

Das Detonationstriebwerk (Impuls-, Pulsationstriebwerk) ersetzt das konventionelle Strahltriebwerk. Um das Wesen eines Detonationstriebwerks zu verstehen, ist es notwendig, ein konventionelles Strahltriebwerk zu zerlegen.

Ein herkömmliches Strahltriebwerk ist wie folgt aufgebaut.

In der Brennkammer erfolgt die Verbrennung von Brennstoff und Oxidationsmittel, das ist Sauerstoff aus der Luft. In diesem Fall ist der Druck im Brennraum konstant. Der Verbrennungsprozess erhöht die Temperatur stark, erzeugt eine konstante Flammenfront und einen konstanten Strahlschub, der aus der Düse strömt. Die Front einer konventionellen Flamme breitet sich in einem gasförmigen Medium mit einer Geschwindigkeit von 60-100 m/s aus. Dadurch kommt es zu Bewegung Flugzeug... Moderne Strahltriebwerke haben jedoch eine bestimmte Grenze von Effizienz, Leistung und anderen Eigenschaften erreicht, deren Steigerung praktisch unmöglich oder äußerst schwierig ist.

Bei einem Detonationsmotor (Impuls- oder Pulsationsmotor) erfolgt die Verbrennung durch Detonation. Detonation ist ein Verbrennungsprozess, der hundertmal schneller abläuft als die konventionelle Kraftstoffverbrennung. Während der Detonationsverbrennung wird eine Detonationsstoßwelle gebildet, die sich mit Überschallgeschwindigkeit fortsetzt. Sie beträgt etwa 2500 m/s. Durch die Detonationsverbrennung steigt der Druck schnell an, während das Volumen der Brennkammer unverändert bleibt. Verbrennungsprodukte werden mit enormer Geschwindigkeit durch die Düse ausgestoßen. Die Welligkeitsfrequenz der Detonationswelle erreicht mehrere Tausend pro Sekunde. Bei der Detonationswelle findet keine Flammenfrontstabilisierung statt, das Brennstoffgemisch wird bei jeder Pulsation erneuert und die Welle neu gestartet.

Der Druck im Detonationsmotor wird durch die Detonation selbst erzeugt, was die Zufuhr des Kraftstoffgemisches und des Oxidationsmittels unter hohem Druck ausschließt. Um bei einem herkömmlichen Strahltriebwerk einen Schubdruck von 200 atm zu erzeugen, ist es notwendig, ein Treibstoffgemisch unter einem Druck von 500 atm zuzuführen. In einem Detonationsmotor beträgt der Zufuhrdruck des Kraftstoffgemischs 10 atm.

Die Brennkammer des Detonationsmotors ist strukturell ringförmig mit entlang ihres Radius angeordneten Düsen zur Kraftstoffzufuhr. Die Detonationswelle läuft immer wieder um den Kreis, das Kraftstoffgemisch komprimiert und verbrennt und drückt die Verbrennungsprodukte durch die Düse.

Vorteile:

- der Detonationsmotor ist einfacher herzustellen. Es besteht keine Notwendigkeit, Turbopumpenaggregate zu verwenden,

– um eine Größenordnung leistungsstärker und sparsamer als ein herkömmliches Strahltriebwerk,

- hat einen höheren Wirkungsgrad,

– billiger herzustellen,

- es muss kein hoher Versorgungsdruck des Brennstoffgemisches und des Oxidationsmittels erzeugt werden, hoher Druck wird durch die Detonation selbst erzeugt,

– ein Detonationstriebwerk ist in Bezug auf die aus einer Volumeneinheit entnommene Leistung zehnmal stärker als ein herkömmliches Strahltriebwerk, was zu einer Verringerung des Designs eines Detonationstriebwerks führt,

- Die Detonationsverbrennung ist 100-mal schneller als die konventionelle Kraftstoffverbrennung.

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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 in dieser 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 Sauerstoffgemischen mehrerer einzelner Kohlenwasserstoffe durchgeführt Andologie des SB RAS. 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 konzentriert sich hauptsächlich auf den Ersatz bestehender Brennkammern in solchen Luftstrahlantriebssystemen wie Staustrahltriebwerk und PUVRD. 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 Turbojet-Triebwerk im spezifischen Impuls nachgibt, aufgrund der außerordentlichen Einfachheit der 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.

LLC "Analog" wurde 2010 für die Herstellung und den Betrieb des von mir erfundenen Designs von Feldspritzen organisiert, deren Idee 2007 durch das RF-Patent für das Gebrauchsmuster Nr. 67402 gesichert wurde.

Jetzt habe ich auch das Konzept eines Rotationsverbrennungsmotors entwickelt, bei dem es möglich ist, eine Detonations- (explosive) Verbrennung des ankommenden Kraftstoffs mit einer erhöhten Freisetzung (ca. 2 mal) der Druck- und Temperaturenergie der Abgase zu organisieren unter Beibehaltung der Motorleistung. Dementsprechend wird bei einer Steigerung von ungefähr 2 mal der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine, d.h. bis zu etwa 70 %. Die Umsetzung dieses Projekts erfordert einen hohen finanziellen Aufwand für Design, Materialauswahl und Herstellung eines Prototyps. Und in Bezug auf Eigenschaften und Anwendbarkeit ist dies ein Motor, vor allem für die Luftfahrt und auch für Autos, selbstfahrende Fahrzeuge usw. ist beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung der Technologie und der Umweltanforderungen erforderlich.

Seine Hauptvorteile sind Einfachheit des Designs, Wirtschaftlichkeit, Umweltfreundlichkeit, hohes Drehmoment, Kompaktheit, niedriger Geräuschpegel auch ohne Verwendung eines Schalldämpfers. Seine hohe Herstellbarkeit und spezielle Materialien bieten einen Kopierschutz.

Die Einfachheit der Konstruktion wird durch das Rotordesign gewährleistet, bei dem alle Motorteile eine einfache Drehbewegung ausführen.

Umweltfreundlichkeit und Effizienz werden durch 100% augenblickliche Verbrennung des Kraftstoffs in einer dauerhaften, hochtemperatur (ca. 2000°C), ungekühlten, separaten Brennkammer, für diese Zeit durch Ventile verschlossen, gewährleistet. Die Kühlung eines solchen Motors erfolgt von innen (Kühlung des Arbeitsfluids) mit allen notwendigen Wasseranteilen, die in den Arbeitsabschnitt gelangen, bevor die nächsten Anteile des Arbeitsfluids (Verbrennungsgase) aus der Brennkammer gezündet werden, wodurch ein zusätzlicher Druck von Wasserdampf und nützliche Arbeiten am Arbeitsschacht.

Ein hohes Drehmoment, auch bei niedrigen Drehzahlen, wird bereitgestellt (im Vergleich zu einer Kolbenbrennkraftmaschine), eine große und konstante Größe der Schulter des Aufpralls des Arbeitsfluids auf die Laufschaufel. Dieser Faktor wird es jedem Landverkehr ermöglichen, auf eine aufwendige und teure Übertragung zu verzichten oder diese zumindest deutlich zu vereinfachen.

Ein paar Worte zu Aufbau und Bedienung.

Die Brennkraftmaschine hat eine zylindrische Form mit zwei Rotorblattabschnitten, von denen einer zum Einlass und zur Vorverdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches dient und ein bekannter und funktionsfähiger Abschnitt eines herkömmlichen Rotationskompressors ist; die andere, die funktionierende, ist die modernisierte Rotationsdampfmaschine von Marcinevsky; und dazwischen eine statische Anordnung aus haltbarem, hitzebeständigem Material, in der eine separate, für die Dauer der Verbrennung verschließbare Brennkammer mit drei nicht rotierenden Ventilen, von denen 2 frei sind, vom Blütenblatttyp hergestellt ist, und einer gesteuert, um den Druck vor dem Einlass des nächsten Teils der Brennelemente zu entlasten.

Bei laufendem Motor dreht sich die Arbeitswelle mit Rotoren und Schaufeln. Im Einlassbereich saugt und verdichtet die Schaufel das Brennelement und wenn der Druck über den Druck der Brennkammer steigt (nachdem der Druck aus ihr abgelassen wurde), wird das Arbeitsgemisch in ein heißes (ca ) Kammer, die durch einen Funken gezündet wird und sofort explodiert. Gleichzeitig schließt das Einlassventil, das Auslassventil öffnet und bevor es öffnet, wird die erforderliche Wassermenge in den Arbeitsabschnitt eingespritzt. Es stellt sich heraus, dass superheiße Gase unter hohem Druck in den Arbeitsabschnitt geschossen werden, und ein Teil des Wassers wird zu Dampf und das Dampf-Gas-Gemisch dreht den Rotor des Motors und kühlt ihn gleichzeitig. Nach den vorliegenden Informationen gibt es bereits Material, das Temperaturen von bis zu 10.000 Grad C lange standhält, aus dem Sie eine Brennkammer herstellen müssen.

Im Mai 2018 wurde eine Erfindungsanmeldung eingereicht. Der Antrag wird nun in der Sache geprüft.

Dieser Investitionsantrag dient der Finanzierung von Forschung und Entwicklung, der Erstellung eines Prototyps, seiner Feinabstimmung und Abstimmung bis zum Erhalt eines funktionsfähigen Musters dieses Motors. Mit der Zeit kann dieser Prozess ein oder zwei Jahre dauern. Finanzierungsmöglichkeiten für die Weiterentwicklung von Motormodifikationen für verschiedene Geräte können und sollen gesondert für ihre spezifischen Muster entwickelt werden.

zusätzliche Information

Die Umsetzung dieses Projektes ist ein Praxistest der Erfindung. Erhalten eines funktionsfähigen Prototyps. Das gewonnene Material kann auf Basis von Verträgen mit dem Entwickler und Zahlung von Provisionen der gesamten Haustechnikindustrie zur Entwicklung von Fahrzeugmodellen mit effizientem Verbrennungsmotor angeboten werden.

Sie können Ihre eigene, vielversprechendste Richtung bei der Entwicklung von ICEs wählen, zum Beispiel Flugzeugtriebwerksbau für einen ALS und ein gefertigtes Triebwerk vorschlagen, sowie diesen ICE in Ihre eigene Entwicklung eines ALS einbauen, von dem ein Prototyp ist zusammengebaut wird.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Markt für Privatjets in der Welt gerade erst begonnen hat, sich zu entwickeln, in unserem Land jedoch noch in den Kinderschuhen steckt. Und inkl. nämlich das Fehlen eines geeigneten Verbrennungsmotors bremst seine Entwicklung. Und in unserem Land mit seinen endlosen Weiten werden solche Flugzeuge gefragt sein.

Marktanalysen

Die Umsetzung des Projekts bedeutet, einen grundlegend neuen und äußerst vielversprechenden Verbrennungsmotor zu erhalten.

Nun steht die Ökologie im Vordergrund, und als Alternative zum Kolben-Verbrennungsmotor wird ein Elektromotor vorgeschlagen, aber diese dafür notwendige Energie muss irgendwo erzeugt, dafür gespeichert werden. Der Löwenanteil des Stroms wird in thermischen Kraftwerken erzeugt, die alles andere als umweltfreundlich sind, was an ihren Standorten zu erheblichen Belastungen führen wird. Und die Lebensdauer von Energiespeichern überschreitet 2 Jahre nicht, wo soll man diesen schädlichen Müll lagern? Das Ergebnis des vorgeschlagenen Projekts ist ein effizienter und ungefährlicher und nicht weniger wichtig ein komfortabler und vertrauter Verbrennungsmotor. Sie müssen nur den Tank mit minderwertigem Kraftstoff befüllen.

Ergebnis des Projekts ist die Aussicht, alle Kolbenmotoren der Welt durch genau diesen zu ersetzen. Dies ist die Aussicht, die mächtige Energie der Explosion für friedliche Zwecke zu nutzen, und es wird erstmals eine konstruktive Lösung für diesen Vorgang im Verbrennungsmotor vorgeschlagen. Außerdem ist es relativ günstig.

Die Einzigartigkeit des Projekts

Dies ist eine Erfindung. Dies ist das erste Mal, dass ein Design die Verwendung von Detonation in einem Verbrennungsmotor ermöglicht.

Zu jeder Zeit bestand eine der Hauptaufgaben bei der Konstruktion eines Verbrennungsmotors darin, sich den Bedingungen der Detonationsverbrennung anzunähern, aber deren Auftreten zu verhindern.

Monetarisierungskanäle

Verkauf von Produktionslizenzen.