Russische Detonationsmaschine. Dauerdetonationsbrennkammern

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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Rotationsdetonationsmotoren

Allen Arten von Rotationsdetonationstriebwerken (RDE) ist gemeinsam, dass das Kraftstoffversorgungssystem mit dem 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 ist es erforderlich, die Kontinuität der Detonationsverbrennung sicherzustellen, 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 stellt sich das Verhältnis von Spaltgröße und Motordurchmesser als nicht akzeptabel heraus und es ist notwendig, die Wdurch Steuerung der Kraftstoffzufuhr zu regulieren, wie unten diskutiert wird.

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 könnte der Einbau verschiedener brennstoffoxidierender Injektoren sein, 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 einer 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 von 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 einer 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, in Ruhe gelassen, tendiert dazu, eine Position einzunehmen, die dem minimalen Energieniveau entspricht. Dadurch werden die Dreifachkonfigurationen und der Detonationsbrennbereich so aufeinander abgestimmt, dass sich die Detonationsfront mit dem Ringspalt entlang des Ringspalts bewegt minimal mögliches Volumen der Detonationsverbrennung Dies ist genau das Gegenteil des Ziels, das sich die Motorenkonstrukteure 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 auf Basis der Konstruktionen 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: gepulste, gepulste Mehrröhre, 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 im Bereich der leichten und billigen unbemannten Fluggeräte, sowie bei der Entwicklung verschiedener Ejektorschubverstärker, ihre Berechtigung . 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 Teil des IHPTET-Entwicklungsprogramms für fortschrittliche Motoren. Die Kooperation umfasst nahezu alle im Bereich des Motorenbaus tätigen Forschungszentren. Allein die NASA stellt dafür 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 auf die Entwicklung neuer Strahl-Detonationstriebwerke, sondern auch auf die Modernisierung bestehender, indem die darin enthaltenen traditionellen Brennkammern durch eine Detonations-Brennkammer ersetzt werden. Darüber hinaus können Detonationstriebwerke integraler Bestandteil kombinierter Anlagen verschiedener Art werden, beispielsweise als Nachbrenner eines Turbojet-Triebwerks, als Hub-Ejektor-Triebwerke in VTOL-Flugzeugen (ein 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 Prüfstandstests 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 mit Sprengmotoren befasst sind, in die Umsetzung einbezogen. 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 Institut für Hydrodynamik. 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 Laval-Düse 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 auf . reduziert wird Umgebungsdruck so weit wie möglich. 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 Impulsdetonationsmotors 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 Vibrationsbelastungen.

Reis. 2. Schematische Darstellung eines Pulsdetonationsmotors (IDE)

Richtung Nr. 2 - Mehrrohr 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 gering, aber aufgrund des Pulswechsels in verschiedenen Rohren erhoffen sich die Entwickler akzeptable spezifische Eigenschaften. 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 Hochfrequenzresonator haben. Arbeiten in diese 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 wie mit einem Hindernis mit der Unterseite des Resonators zusammenwirkt, überträgt auf sie einen Impuls aus den Überdruckkräften.

IDDs mit Hochfrequenz-Resonatoren haben das Recht, erfolgreich zu sein. Insbesondere können sie sich 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 war es nicht möglich, ein praktikables Design zu erstellen, 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 Detonationswellen 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 notwendig, entweder ein Modell auf höherem Niveau zu bauen oder eine direkte numerische Modellierung basierend auf den vollständigen Navier-Stokes-Gleichungen ohne Verwendung von Turbulenzmodellen (ein Problem, das bei der gegenwärtige Phase).

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

LLC "Analog" wurde im Jahr 2010 für die Herstellung und den Betrieb des von mir erfundenen Sprühgerätes für die Felder organisiert, dessen Idee im RF-Patent für das Gebrauchsmuster Nr. 67402 im Jahr 2007 verankert ist.

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 etwa dem 2-fachen 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., d.h. ist beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung der Technologie und der Umweltanforderungen notwendig.

Seine Hauptvorteile sind Einfachheit des Designs, Effizienz, 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, die für diese Zeit durch Ventile verschlossen ist, gewährleistet. Die Kühlung eines solchen Motors erfolgt von innen (Kühlung des Arbeitsfluids), wobei alle erforderlichen Wasseranteile 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 ein aufwendiges und teures Getriebe zu verzichten oder es zumindest deutlich zu vereinfachen.

Ein paar Worte zu seinem Design und seiner Arbeit.

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 praktikabler 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 Einlaufbereich saugt die Schaufel das Brennelement an und verdichtet es und wenn der Druck über den Druck der Brennkammer steigt (nachdem der Druck abgebaut 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 für ihre spezifischen Muster getrennt entwickelt werden.

Weitere Informationen

Die Umsetzung dieses Projektes ist ein Test der Erfindung in der Praxis. 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 für die Konstruktion eines Verbrennungsmotors wählen, zum Beispiel Flugmotorenbau für einen ALS und einen gefertigten Motor anbieten, sowie diesen Verbrennungsmotor in Ihre eigene Entwicklung eines ALS, eines Prototyps, einbauen davon wird zusammengebaut.

Es sei darauf hingewiesen, dass der Markt für Privatjets in der Welt gerade erst begonnen hat, sich zu entwickeln, aber in unserem Land steckt er noch in den Kinderschuhen. 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 ist der Erhalt eines grundlegend neuen und äußerst vielversprechenden Verbrennungsmotors.

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. Erstmals wird eine Konstruktion vorgeschlagen, die die Verwendung der Detonation in einem Verbrennungsmotor ermöglicht.

Zu allen Zeiten bestand eine der Hauptaufgaben bei der Konstruktion eines Verbrennungsmotors darin, sich den Bedingungen der Detonationsverbrennung anzunähern, aber ihr Auftreten nicht zuzulassen.

Monetarisierungskanäle

Verkauf von Produktionslizenzen.

Ökologie des Konsums Wissenschaft und Technik: Ende August 2016 verbreiteten Weltnachrichtenagenturen die Nachricht: An einem der Stände der NPO Energomash in Khimki bei Moskau wurde der weltweit erste Flüssigtreibstoffraketenantrieb (LRE) in Originalgröße mit Detonationsverbrennung von Kraftstoff wurde gestartet.

Ende August 2016 verbreiteten die Weltnachrichtenagenturen die Nachricht: An einem der Stände der NPO Energomash in Khimki bei Moskau wurde der weltweit erste Flüssigtreibstoffraketenantrieb (LRE) in Originalgröße mit Detonationsverbrennung von Treibstoff in Betrieb genommen Betrieb. Für diese Veranstaltung wird seit 70 Jahren Hauswirtschaft und Technik eingesetzt.

Die Idee eines Detonationsmotors wurde von dem sowjetischen Physiker Ya. B. Zel'dovich in einem Artikel "On the Energy Use of Detonation Combustion" vorgeschlagen, der bereits 1940 im "Journal of Technical Physics" veröffentlicht wurde. Seitdem wird weltweit an der praktischen Umsetzung vielversprechender Technologien geforscht und experimentiert. In diesem Wettlauf zog zuerst Deutschland, dann die Vereinigten Staaten, dann die UdSSR voran. Und jetzt hat sich Russland eine wichtige Priorität in der Weltgeschichte der Technik gesichert. In den letzten Jahren konnte sich unser Land selten mit so etwas rühmen.

Auf dem Kamm einer Welle

Was sind die Vorteile eines Detonationsmotors? Bei herkömmlichen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken, aber auch bei konventionellen Kolben- oder Turbojet-Flugzeugtriebwerken, wird die Energie genutzt, die bei der Treibstoffverbrennung freigesetzt wird. In der Brennkammer des Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks bildet sich eine stationäre Flammenfront, in der die Verbrennung bei konstantem Druck stattfindet. Dieser normale Verbrennungsprozess wird Deflagration genannt. Durch das Zusammenwirken von Brennstoff und Oxidationsmittel steigt die Temperatur des Gasgemisches stark an und eine feurige Säule von Verbrennungsprodukten platzt aus der Düse, die den Strahlschub bilden.

Detonation ist auch Verbrennung, aber sie geschieht 100-mal schneller als bei der herkömmlichen Kraftstoffverbrennung. Dieser Vorgang verläuft so schnell, dass eine Detonation oft mit einer Explosion verwechselt wird, zumal so viel Energie freigesetzt wird, dass beispielsweise ein Automotor, wenn dieses Phänomen in seinen Zylindern auftritt, tatsächlich kollabieren kann. Die Detonation ist jedoch keine Explosion, sondern eine so schnelle Verbrennungsart, dass die Reaktionsprodukte nicht einmal Zeit haben, sich auszudehnen, weshalb dieser Vorgang im Gegensatz zur Deflagration mit konstantem Volumen und stark ansteigendem Druck abläuft.

In der Praxis sieht das so aus: Statt einer stationären Flammenfront im Kraftstoffgemisch bildet sich im Brennraum eine Detonationswelle, die sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt. Bei dieser Kompressionswelle kommt es zur Detonation eines Gemisches aus Brennstoff und Oxidationsmittel, und dieser Prozess ist aus thermodynamischer Sicht viel effizienter als die konventionelle Brennstoffverbrennung. Der Wirkungsgrad der Detonationsverbrennung ist um 25–30% höher, d. h. bei gleicher Kraftstoffmenge wird mehr Schub erzielt und aufgrund der Kompaktheit der Verbrennungszone ist der Detonationsmotor theoretisch um eine Größenordnung höher als konventionelle Raketentriebwerke in Bezug auf die aus einer Volumeneinheit entnommene Leistung.

Dies allein genügte, um die Aufmerksamkeit der Fachwelt auf diese Idee zu lenken. Denn die nun eingetretene Stagnation in der Entwicklung der Weltkosmonautik, die seit einem halben Jahrhundert im erdnahen Orbit feststeckt, hängt vor allem mit der Krise des Raketenantriebs zusammen. Eine Krise gibt es übrigens auch in der Luftfahrt, die die Schwelle von drei Schallgeschwindigkeiten nicht überschreiten kann. Diese Krise kann mit der Situation bei Kolbenflugzeugen in den späten 1930er Jahren verglichen werden. Der Propeller und der Verbrennungsmotor haben ihr Potenzial ausgeschöpft und erst das Aufkommen der Strahltriebwerke ermöglichte es, ein qualitativ neues Niveau an Höhen, Geschwindigkeiten und Reichweiten zu erreichen.

Die Konstruktionen klassischer Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke wurden in den letzten Jahrzehnten perfektioniert und sind praktisch an ihre Grenzen gestoßen. Ihre spezifischen Eigenschaften können in Zukunft nur noch in sehr unwesentlichen Grenzen gesteigert werden – um wenige Prozent. Daher ist die Weltkosmonautik gezwungen, einen umfangreichen Entwicklungspfad einzuschlagen: Für bemannte Flüge zum Mond müssen riesige Trägerraketen gebaut werden, und dies ist zumindest für Russland sehr schwierig und wahnsinnig teuer. Ein Versuch, die Krise mit Atommotoren zu überwinden, ist auf Umweltprobleme gestoßen. Das Aufkommen von Detonationsraketentriebwerken ist vielleicht zu früh, um es mit dem Übergang von der Luftfahrt zum Düsenschub zu vergleichen, aber sie sind durchaus in der Lage, den Prozess der Weltraumforschung zu beschleunigen. Darüber hinaus hat diese Art von Strahltriebwerk einen weiteren sehr wichtigen Vorteil.
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Ein konventionelles Raketentriebwerk ist im Prinzip ein großer Brenner. Um seinen Schub und seine spezifischen Eigenschaften zu erhöhen, ist es notwendig, den Druck in der Brennkammer zu erhöhen. In diesem Fall muss der Kraftstoff, der durch die Düsen in die Kammer eingespritzt wird, mit einem höheren Druck zugeführt werden, als er während des Verbrennungsvorgangs realisiert wird, da sonst der Kraftstoffstrahl die Kammer einfach nicht durchdringen kann. Daher ist die komplexeste und teuerste Einheit in einem Flüssigtreibstoffmotor keine Kammer mit einer Düse, die in Sichtweite ist, sondern eine Kraftstoff-Turbopumpeneinheit (TNA), die im Inneren der Rakete zwischen den Feinheiten der Pipelines versteckt ist.

Zum Beispiel hat das stärkste Raketentriebwerk der Welt RD-170, das für die erste Stufe der sowjetischen superschweren Trägerrakete Energia von der gleichen NPO Energia entwickelt wurde, einen Brennkammerdruck von 250 Atmosphären. Das ist sehr viel. Aber der Druck am Auslass der Sauerstoffpumpe, die das Oxidationsmittel in die Brennkammer pumpt, erreicht 600 atm. Zum Antrieb dieser Pumpe kommt eine 189 MW Turbine zum Einsatz! Stellen Sie sich vor: Ein Turbinenrad mit 0,4 m Durchmesser entwickelt eine viermal größere Leistung als der Atomeisbrecher "Arktika" mit zwei Kernreaktoren! Gleichzeitig ist THA ein komplexes mechanisches Gerät, dessen Welle 230 Umdrehungen pro Sekunde macht, und es muss in einer Umgebung mit flüssigem Sauerstoff arbeiten, in der nicht einmal ein Funke, sondern ein Sandkorn in der Pipeline ist führt zu einer Explosion. Die Technologien zur Herstellung eines solchen TNA sind das Haupt-Know-how von Energomash, dessen Besitz es dem russischen Unternehmen heute ermöglicht, seine Motoren für den Einbau in die amerikanischen Trägerraketen Atlas V und Antares zu verkaufen. In den USA gibt es noch keine Alternative zu russischen Motoren.

Bei einem Detonationsmotor sind solche Schwierigkeiten nicht notwendig, da der Druck für eine effizientere Verbrennung durch die Detonation selbst bereitgestellt wird, die eine Kompressionswelle ist, die sich im Kraftstoffgemisch ausbreitet. Während der Detonation erhöht sich der Druck ohne TNA um den Faktor 18–20.

Um Bedingungen im Brennraum eines Detonationsmotors zu erhalten, die beispielsweise den Bedingungen im Brennraum des Flüssigtreibstoffmotors des American Shuttle (200 atm) entsprechen, genügt es, Kraftstoff unter einem Druck von ... 10 atm. Die dafür benötigte Einheit ist im Vergleich zur TNA eines klassischen Flüssigtreibstoffmotors wie eine Fahrradpumpe in der Nähe des Sayano-Shushenskaya SDPP.

Das heißt, der Detonationsmotor wird nicht nur leistungsstärker und sparsamer als ein herkömmlicher Flüssigtreibstoffmotor, sondern auch um eine Größenordnung einfacher und billiger. Warum wird Designern diese Einfachheit 70 Jahre lang nicht gegeben?
Das Hauptproblem der Ingenieure bestand darin, mit der Detonationswelle fertig zu werden. Es geht nicht nur darum, den Motor stärker zu machen, damit er erhöhten Belastungen standhält. Detonation ist nicht nur eine Druckwelle, sondern etwas Listigeres. Die Druckwelle breitet sich mit Schallgeschwindigkeit aus und die Detonationswelle mit Überschallgeschwindigkeit - bis zu 2500 m / s. Es bildet keine stabile Flammenfront, daher pulsiert der Betrieb eines solchen Motors: Nach jeder Detonation muss das Kraftstoffgemisch erneuert und dann eine neue Welle gestartet werden.

Versuche, ein pulsierendes Düsentriebwerk zu schaffen, wurden lange vor der Idee der Detonation unternommen. In den 1930er Jahren suchte man mit pulsierenden Strahltriebwerken eine Alternative zu Kolbentriebwerken. Die Einfachheit zog wieder an: Anders als bei einer Flugturbine für ein pulsierendes Luftstrahltriebwerk (PUVRD) war weder ein mit 40.000 U/min rotierender Kompressor erforderlich, um Luft in den unersättlichen Schoß der Brennkammer zu pumpen, noch mit einer Gastemperatur zu arbeiten von über 1000˚С Turbine. Beim PUVRD verursachte der Druck im Brennraum Pulsationen bei der Verbrennung des Kraftstoffs.

Die ersten Patente für ein pulsierendes Strahltriebwerk wurden 1865 unabhängig von Charles de Louvrier (Frankreich) und 1867 von Nikolai Afanasyevich Teleshov (Russland) erworben. Das erste praktikable Design des PUVRD wurde 1906 vom russischen Ingenieur V.V. patentiert. Karavodin, der ein Jahr später eine Modellinstallation baute. Aufgrund einer Reihe von Mängeln fand die Karavodin-Installation in der Praxis keine Anwendung. Die erste PUVRD, die auf einem echten Flugzeug eingesetzt wurde, war die deutsche Argus As 014, basierend auf einem Patent des Münchner Erfinders Paul Schmidt aus dem Jahr 1931. Argus wurde für die "Vergeltungswaffe" geschaffen - die V-1-Flügelbombe. Eine ähnliche Entwicklung wurde 1942 vom sowjetischen Konstrukteur Vladimir Chelomey für den ersten sowjetischen Marschflugkörper 10X entwickelt.

Natürlich explodierten diese Motoren noch nicht, da sie die Pulsationen der konventionellen Verbrennung nutzten. Die Frequenz dieser Pulsationen war niedrig, was während des Betriebs ein charakteristisches Maschinengewehrgeräusch erzeugte. Aufgrund des intermittierenden Betriebs waren die spezifischen Eigenschaften des PUVRD im Durchschnitt gering, und nachdem die Konstrukteure Ende der 1940er Jahre die Schwierigkeiten bei der Herstellung von Kompressoren, Pumpen und Turbinen bewältigten, wurden Turbojet-Triebwerke und Flüssigkeitstriebwerke zu Königen der Welt Himmel, und die PUVRD blieb am Rande des technologischen Fortschritts. ...

Es ist merkwürdig, dass die ersten PUVRDs von deutschen und sowjetischen Designern unabhängig voneinander erstellt wurden. Übrigens kam nicht nur Zeldovich 1940 auf die Idee eines Detonationsmotors. Gleichzeitig mit ihm äußerten Von Neumann (USA) und Werner Doering (Deutschland) die gleichen Gedanken, so dass in der internationalen Wissenschaft das Modell der Verwendung von Detonationsverbrennung ZND genannt wurde.

Die Idee, PUVRD mit Detonationsverbrennung zu kombinieren, war sehr verlockend. Die Front einer gewöhnlichen Flamme breitet sich jedoch mit einer Geschwindigkeit von 60–100 m / s aus und die Frequenz ihrer Pulsationen im PUVRD überschreitet 250 pro Sekunde nicht. Und die Detonationsfront bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1500-2500 m / s, daher sollte die Pulsationsfrequenz Tausende pro Sekunde betragen. Es war schwierig, eine solche Geschwindigkeit der Gemischerneuerung und Detonationsauslösung in die Praxis umzusetzen.

Nichtsdestotrotz wurden Versuche fortgesetzt, funktionsfähige pulsierende Detonationsmotoren zu schaffen. Die Arbeit der Spezialisten der US Air Force in dieser Richtung gipfelte in der Entwicklung eines Demonstrator-Triebwerks, das am 31. Januar 2008 erstmals mit einem experimentellen Long-EZ-Flugzeug in die Lüfte stieg. Im historischen Flug arbeitete der Motor ... 10 Sekunden in einer Höhe von 30 Metern. Dennoch blieb die Priorität in diesem Fall bei den Vereinigten Staaten, und das Flugzeug fand zu Recht einen Platz im National Museum der US Air Force.

Inzwischen ist längst ein anderes, viel vielversprechenderes Schema erfunden worden.

Wie ein Eichhörnchen im Rad

Die Idee, eine Detonationswelle zu schleifen und im Brennraum wie ein Eichhörnchen in einem Rad laufen zu lassen, wurde Anfang der 1960er Jahre von Wissenschaftlern geboren. Das Phänomen der Spin- (rotierenden) Detonation wurde 1960 vom sowjetischen Physiker von Novosibirsk B.V. Voitsekhovsky theoretisch vorhergesagt. Fast gleichzeitig mit ihm, 1961, äußerte der Amerikaner J. Nicholls von der University of Michigan dieselbe Idee.

Der Rotations- oder Spin-Detonationsmotor ist strukturell eine ringförmige Brennkammer, in die Kraftstoff mittels radial angeordneter Injektoren zugeführt wird. Die Detonationswelle im Inneren der Kammer bewegt sich nicht in axialer Richtung wie beim PUVRD, sondern in einem Kreis, komprimiert und verbrennt das Kraftstoffgemisch davor und drückt schließlich die Verbrennungsprodukte aus der Düse, genauso wie die Schraube eines Fleischwolfs drückt das Hackfleisch heraus. Anstelle der Pulsationsfrequenz erhalten wir die Rotationsfrequenz der Detonationswelle, die mehrere Tausend pro Sekunde erreichen kann, d bei stationärer Verbrennung, aber viel effizienter, da tatsächlich eine Detonation des Kraftstoffgemisches darin auftritt. ...

In der UdSSR wurde wie in den USA seit den frühen 1960er Jahren an einem Rotationsdetonationsmotor gearbeitet, aber auch hier erforderte seine Umsetzung trotz der scheinbaren Einfachheit der Idee die Lösung rätselhafter theoretischer Fragen. Wie organisiert man den Prozess, damit die Welle nicht dämpft? Es war notwendig, die komplexesten physikalischen und chemischen Prozesse zu verstehen, die in einer gasförmigen Umgebung ablaufen. Hier erfolgte die Berechnung nicht mehr auf molekularer, sondern auf atomarer Ebene, an der Schnittstelle von Chemie und Quantenphysik. Diese Prozesse sind komplexer als bei der Erzeugung eines Laserstrahls. Deshalb funktioniert der Laser schon lange, der Detonationsmotor jedoch nicht. Um diese Prozesse zu verstehen, war es notwendig, eine neue grundlegende Wissenschaft zu schaffen - die physikalisch-chemische Kinetik, die es vor 50 Jahren noch nicht gab. Und für die praktische Berechnung der Bedingungen, unter denen die Detonationswelle nicht abklingt, sondern autark wird, waren leistungsstarke Computer erforderlich, die erst in den letzten Jahren auf den Markt kamen. Dies war die Grundlage für die praktischen Erfolge bei der Zähmung der Detonation.

In den Vereinigten Staaten wird aktiv in diese Richtung gearbeitet. Diese Studien werden von Pratt & Whitney, General Electric, NASA durchgeführt. Beispielsweise entwickelt das Forschungslabor der US-Marine Spin-Detonation-Gasturbinen für die Navy. Die US Navy setzt 430 Gasturbineneinheiten auf 129 Schiffen ein, die jährlich 3 Milliarden US-Dollar an Treibstoff verbrauchen. Die Einführung sparsamerer Gasturbinentriebwerke (GTE) spart enorm viel Geld.

In Russland haben und arbeiten Dutzende von Forschungsinstituten und Konstruktionsbüros an Detonationsmotoren. Unter ihnen ist NPO Energomash, ein führendes Triebwerksbauunternehmen der russischen Raumfahrtindustrie, mit dessen vielen Unternehmen die VTB Bank kooperiert. Die Entwicklung eines Detonationsraketentriebwerks wurde über ein Jahr durchgeführt, aber damit die Spitze des Eisbergs dieser Arbeit in Form eines erfolgreichen Tests unter der Sonne funkelt, ist die organisatorische und finanzielle Beteiligung der berüchtigten Stiftung für Advanced Research (FPI) war erforderlich. Es war das FPI, das 2014 die notwendigen Mittel für die Schaffung eines spezialisierten Labors "Detonation LRE" bereitstellte. Denn trotz 70-jähriger Forschung ist diese Technologie in Russland immer noch "zu vielversprechend", um von Kunden wie dem Verteidigungsministerium finanziert zu werden, die in der Regel ein garantiertes Praxisergebnis benötigen. Und es ist noch sehr weit davon entfernt.

Der Widerspenstigen Zähmung

Ich möchte glauben, dass nach allem, was oben gesagt wurde, die gigantische Arbeit, die zwischen den Zeilen eines kurzen Berichts über die Tests erscheint, die im Juli-August 2016 bei Energomash in Chimki stattfanden, verständlich wird: Wellen mit einer Frequenz von etwa 20 kHz (die Rotationsfrequenz der Welle beträgt 8 Tausend Umdrehungen pro Sekunde) auf Brennstoffdampf "Sauerstoff - Kerosin". Es konnten mehrere Detonationswellen erhalten werden, die die Vibrations- und Stoßbelastungen gegenseitig ausgleichen. Speziell im Keldysh Center entwickelte Hitzeschutzbeschichtungen halfen, den hohen Temperaturbelastungen standzuhalten. Der Motor überstand mehrere Starts unter extremen Vibrationsbelastungen und ultrahohen Temperaturen ohne Kühlung der Wandschicht. Eine besondere Rolle bei diesem Erfolg spielte die Erstellung mathematischer Modelle und Einspritzdüsen, die es ermöglichten, eine Mischung mit der für das Auftreten einer Detonation erforderlichen Konsistenz zu erhalten.

Natürlich sollte man die Bedeutung des erzielten Erfolges nicht überbewerten. Es wurde nur ein Demonstrator-Motor erstellt, der relativ kurze Zeit funktionierte, und über seine tatsächlichen Eigenschaften wurde nichts berichtet. Laut NPO Energomash erhöht ein Detonationsraketentriebwerk den Schub um 10 %, wenn die gleiche Kraftstoffmenge wie bei einem herkömmlichen Triebwerk verbrannt wird, und der spezifische Schubimpuls sollte um 10-15 % steigen.

Das Hauptergebnis ist jedoch, dass die Möglichkeit, eine Detonationsverbrennung in einem Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk zu organisieren, praktisch bestätigt wurde. Bis zum Einsatz dieser Technologie in realen Flugzeugen ist es jedoch noch ein weiter Weg. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass unserem Land jetzt eine weitere Weltpriorität im Bereich der Hochtechnologien zugewiesen wird: Zum ersten Mal auf der Welt wurde in Russland ein Detonationsraketentriebwerk in Originalgröße gestartet, und diese Tatsache wird in der Geschichte von Wissenschaft und Technik. veröffentlicht

Ein Detonationstriebwerk wird oft als Alternative zu einem herkömmlichen Verbrennungsmotor oder Raketentriebwerk angesehen. Es ist mit vielen Mythen und Legenden überwuchert. Diese Legenden werden nur geboren und leben nur, weil die Leute, die sie verbreiten, den Physikkurs der Schule entweder vergessen oder sogar ganz übersprungen haben!

Erhöhung der Leistungsdichte oder Schubkraft

Der erste Wahn.

Von einer bis zu 100-fachen Erhöhung der Kraftstoffverbrennungsrate wird es möglich sein, die spezifische Leistung (pro Arbeitsvolumeneinheit) des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Bei Raketentriebwerken, die im Detonationsmodus betrieben werden, erhöht sich der Schub pro Masseneinheit um das 100-fache.

Hinweis: Wie immer ist nicht klar, von welcher Masse wir sprechen - der Masse des Arbeitsfluids oder der gesamten Rakete als Ganzes.

Es besteht kein Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit, mit der der Kraftstoff verbrennt, und der spezifischen Leistung.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen Verdichtungsverhältnis und Leistungsdichte. Bei Benzin-Verbrennungsmotoren beträgt das Verdichtungsverhältnis etwa 10. Bei Motoren, die den Detonationsmodus verwenden, kann es um das 2-fache verstümmelt werden, was genau das ist, was bei Dieselmotoren mit einem Verdichtungsverhältnis von etwa 20 realisiert wird. sie arbeiten im Detonationsmodus. Das heißt, das Verdichtungsverhältnis kann natürlich erhöht werden, aber nachdem die Detonation aufgetreten ist, braucht es niemand! Von 100 mal kann keine Rede sein !! Darüber hinaus beträgt das Arbeitsvolumen des Verbrennungsmotors beispielsweise 2 Liter, das Volumen des gesamten Motors beträgt 100 oder 200 Liter Die Volumeneinsparung beträgt 1% !!! Aber der zusätzliche "Verbrauch" (Wandstärke, neue Materialien usw.) wird nicht in Prozent gemessen, sondern in Vielfachen oder Zehnfachen !!

Als Referenz. Die geleistete Arbeit ist grob gesagt proportional zu V * P (der adiabatische Prozess hat Koeffizienten, ändert aber jetzt nichts am Wesen). Wenn das Volumen um das 100-fache reduziert wird, sollte sich der Anfangsdruck um das gleiche 100-fache erhöhen! (um die gleiche Arbeit zu machen).

Die Literkapazität kann erhöht werden, wenn die Kompression ganz aufgegeben oder auf gleichem Niveau belassen wird, jedoch Kohlenwasserstoffe (in größeren Mengen) und reiner Sauerstoff im Gewichtsverhältnis von etwa 1: 2,6-4, je nach Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe, oder flüssiger Sauerstoff in allgemein (wo es schon war :-)). Dann ist es möglich, sowohl die Literkapazität als auch die Effizienz zu erhöhen (aufgrund des Wachstums des "Ausdehnungsverhältnisses", das bis zu 6000 erreichen kann!). Auf dem Weg dorthin ist jedoch sowohl die Fähigkeit der Brennkammer, solchen Drücken und Temperaturen standzuhalten, als auch die Notwendigkeit, sich nicht von Luftsauerstoff, sondern von gespeichertem reinem oder sogar flüssigem Sauerstoff zu "speisen"!

Tatsächlich ist eine Art davon die Verwendung von Lachgas. Lachgas ist einfach eine Möglichkeit, mehr Sauerstoff in den Brennraum zu bringen.

Aber diese Methoden haben nichts mit Detonation zu tun!!

Es ist möglich, die Weiterentwicklung solcher exotischer Methoden zur Erhöhung der Literleistung vorzuschlagen - Fluor anstelle von Sauerstoff zu verwenden. Es ist ein stärkeres Oxidationsmittel, d.h. Reaktionen damit gehen mit einer großen Freisetzung von Energie einher.

Erhöhung der Geschwindigkeit des Jetstreams

Verzinnen die zweite.
Bei Raketentriebwerken, die Detonationsbetriebsarten verwenden, werden die Druck- und Temperaturparameter in der Brennkammer aufgrund der Tatsache, dass der Verbrennungsmodus bei Geschwindigkeiten über der Schallgeschwindigkeit in einer bestimmten Umgebung (die von Temperatur und Druck abhängt) auftritt, die Geschwindigkeit der austretenden reaktiven Strahlen um ein Vielfaches erhöhen. Dadurch werden alle Parameter eines solchen Motors proportional verbessert, einschließlich der Gewichts- und Verbrauchsreduzierung und damit der erforderlichen Kraftstoffversorgung.

Wie oben erwähnt, kann das Kompressionsverhältnis nicht mehr als zweimal erhöht werden. Aber auch hier hängt die Strömungsgeschwindigkeit von Gasen von der zugeführten Energie und deren Temperatur ab! (Gesetz der Energieerhaltung). Bei gleicher Energiemenge (gleicher Kraftstoffmenge) kann die Geschwindigkeit nur durch Absenken der Temperatur erhöht werden. Dies wird jedoch bereits durch die Gesetze der Thermodynamik verhindert.

Detonationsraketentriebwerke sind die Zukunft des interplanetaren Reisens

Das dritte Missverständnis.

Nur auf Detonationstechnologien basierende Raketentriebwerke ermöglichen es, die für interplanetare Flüge erforderlichen Geschwindigkeitsparameter auf Basis der chemischen Oxidationsreaktion zu erhalten.

Nun, das ist eine Täuschung, zumindest logisch konsequent. Es folgt aus den ersten beiden.

Keine Technologie ist in der Lage, etwas aus der Oxidationsreaktion herauszupressen! Zumindest für bekannte Stoffe. Die Fließgeschwindigkeit wird durch die Energiebilanz der Reaktion bestimmt. Ein Teil dieser Energie kann nach den Gesetzen der Thermodynamik in Arbeit (kinetische Energie) umgewandelt werden. Jene. selbst wenn die gesamte Energie in die Kinetik geht, dann ist dies die Grenze nach dem Energieerhaltungssatz und es können keine Detonationen, Kompressionsgrade usw. überwunden werden.

Ein sehr wichtiger Parameter neben der Energiebilanz ist die „Energie pro Nukleon“. Wenn Sie kleine Berechnungen anstellen, können Sie feststellen, dass die Oxidationsreaktion des Kohlenstoffatoms (C) 1,5-mal mehr Energie liefert als die Oxidationsreaktion des Wasserstoffmoleküls (H2). Aufgrund der Tatsache, dass das Oxidationsprodukt von Kohlenstoff (CO2) 2,5-mal schwerer ist als das Produkt der Oxidation von Wasserstoff (H2O), beträgt die Ausflussrate von Gasen aus Wasserstoffmotoren 13%. Es muss zwar auch die Wärmekapazität der Verbrennungsprodukte berücksichtigt werden, dies ergibt jedoch eine sehr kleine Korrektur.