Rotationsdetonationsmotoren - eine wirtschaftliche Perspektive. Detonationsmotoren: Erfolge und Perspektiven

Tatsächlich wird anstelle einer konstanten Frontalflamme in der Verbrennungszone eine Detonationswelle gebildet, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet. Bei einer solchen Kompressionswelle detonieren Brennstoff und Oxidationsmittel, dieser Prozess nimmt aus thermodynamischer Sicht zu Motoreffizienz um eine Größenordnung aufgrund der Kompaktheit der Verbrennungszone.

Interessanterweise hat der sowjetische Physiker Ya.B. Zeldovich schlug die Idee eines Detonationsmotors in dem Artikel "On Energieverbrauch Detonationsverbrennung". Seitdem haben viele Wissenschaftler aus verschiedene Länder, dann die USA, dann Deutschland, dann haben unsere Landsleute die Nase vorn.

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

Warum ist es so gut neuer Motor? Ein Strahltriebwerk nutzt die Energie, die bei der Verbrennung des Gemisches bei konstantem Druck und konstanter Flammenfront freigesetzt wird. Gasgemisch von Brennstoff und Oxidationsmittel während der Verbrennung, steigt die Temperatur stark an und die aus der Düse austretende Flammensäule erzeugt einen Strahlschub.

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

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

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

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

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

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

Wie funktioniert ein Detonationsraketentriebwerk?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Bei einem herkömmlichen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, das eigentlich ein Großbrenner ist, kommt es nicht auf die Brennkammer und die Düse, sondern auf die Treibstoff-Turbopumpeneinheit (TNA) an, die einen solchen Druck erzeugt, dass der Treibstoff in die Kammer. Im russischen RD-170-Raketentriebwerk für Energia-Trägerraketen beispielsweise beträgt der Druck in der Brennkammer 250 atm und die Pumpe, die das Oxidationsmittel in die Verbrennungszone fördert, muss einen Druck von 600 atm erzeugen.

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

In diesem Fall ist ein auf Detonation basierender Motor nicht nur um eine Größenordnung einfacher und billiger, sondern auch viel leistungsstärker und sparsamer als ein konventioneller Raketentriebwerk.

Auf dem Weg zur Umsetzung des Detonationsmotorenprojekts stellte sich das Problem der Bewältigung der Detonationswelle. Dieses Phänomen ist nicht nur eine Druckwelle, die Schallgeschwindigkeit hat, und eine Detonationswelle, die sich mit einer Geschwindigkeit von 2500 m / s ausbreitet, es gibt keine Stabilisierung der Flammenfront, die Mischung wird bei jeder Pulsation erneuert und die Welle wird neu gestartet.

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

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

Wie funktioniert ein Detonationsraketentriebwerk?

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

In der UdSSR und den USA und später in Russland wird daran gearbeitet, einen Rotationsdetonationsmotor mit einer kontinuierlichen Welle zu entwickeln, um die darin ablaufenden Prozesse zu verstehen, und dafür wurde eine ganze Wissenschaft geschaffen - physikalisch-chemische Kinetik. Um die Bedingungen einer ungedämpften Welle zu berechnen, waren leistungsstarke Computer erforderlich, die erst vor kurzem entwickelt wurden.
In Russland arbeiten viele Forschungsinstitute und Konstruktionsbüros an dem Projekt eines solchen Spinntriebwerks, darunter das Triebwerksunternehmen der Raumfahrtindustrie NPO Energomash. Der Advanced Research Fund kam bei der Entwicklung eines solchen Triebwerks zu Hilfe, da keine Finanzierung durch das Verteidigungsministerium zu bekommen ist - sie brauchen nur ein garantiertes Ergebnis.

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

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

Video: "Energomash" testete weltweit als erster ein Detonations-Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk

Detonationsmotoren heißen normale Operation die eine klopfende Verbrennung von Kraftstoff verwenden. Der Motor selbst kann (theoretisch) alles sein - ein Verbrennungsmotor, ein Strahltriebwerk oder sogar eine Dampfmaschine. In der Theorie. Bis jetzt wurden jedoch alle bekannten kommerziell akzeptablen Motoren mit solchen Kraftstoffverbrennungsmodi, die im allgemeinen als "Explosion" bezeichnet werden, aufgrund ihrer ... äh ... kommerziellen Unzulässigkeit .. nicht verwendet.

Eine Quelle:

Was bringt der Einsatz der Detonationsverbrennung in Motoren? Stark vereinfachend und verallgemeinernd, etwa wie folgt:

Vorteile

(1) Der Ersatz der konventionellen Verbrennung durch Detonation erhöht aufgrund der Besonderheiten der Gasdynamik der Stoßfront den theoretisch maximal erreichbaren Verbrennungswirkungsgrad des Gemisches, wodurch es möglich ist, den Wirkungsgrad des Motors zu steigern und den Verbrauch um etwa 5-20%. Dies gilt für alle Arten von Triebwerken, sowohl für Verbrennungsmotoren als auch für Strahltriebwerke.

2. Die Verbrennungsgeschwindigkeit der Portion Kraftstoffgemisch erhöht sich um das 10-100-fache, was bedeutet, dass es theoretisch möglich ist, dass ein Verbrennungsmotor den Liter Hubraum (oder spezifischer Schub pro Kilogramm Masse bei Düsentriebwerken) etwa gleich oft. Auch dieser Faktor ist für alle Motortypen relevant.

3. Der Faktor ist nur für Strahltriebwerke aller Art relevant: Da die Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer mit Überschallgeschwindigkeit ablaufen und die Temperaturen und Drücke in der Brennkammer deutlich ansteigen, besteht eine hervorragende theoretische Möglichkeit, den Durchfluss zu vervielfachen Bewertung. Jet-Stream aus der Düse. Dies führt wiederum zu einer proportionalen Erhöhung des Schubs, des spezifischen Impulses, der Effizienz und / oder einer Verringerung des Triebwerkgewichts und des erforderlichen Kraftstoffs.

Alle drei dieser Faktoren sind sehr wichtig, aber sie sind nicht revolutionär, sondern sozusagen evolutionär. Der vierte und fünfte Faktor sind revolutionär und gelten nur für Düsentriebwerke:

4. Nur der Einsatz von Detonationstechnologien ermöglicht die Herstellung eines Staustrahltriebwerks (und damit auf einem atmosphärischen Oxidationsmittel!) Universal-Strahltriebwerk mit akzeptabler Masse, Größe und Schubkraft für die praktische und großtechnische Entwicklung des Bereichs der Sub -, Super- und Hyperschallgeschwindigkeiten von 0-20Max.

5. Nur Detonationstechnologien ermöglichen das Herausdrücken von chemischen Raketentriebwerken (auf einem Paar Brennstoff-Oxidationsmittel) Geschwindigkeitsparameter für ihre weit verbreitete Verwendung bei interplanetaren Reisen erforderlich.

Punkte 4 und 5. offenbaren uns theoretisch a) billige Straße in den nahen Weltraum und b) der Weg zu bemannten Starts zu nahegelegenen Planeten, ohne dass monströse superschwere Trägerraketen mit einem Gewicht von über 3500 Tonnen gebaut werden müssen.

Die Nachteile von Detonationsmotoren ergeben sich aus ihren Vorteilen:

Eine Quelle:

1. Die Verbrennungsrate ist so hoch, dass diese Motoren meistens nur zyklisch betrieben werden können: Einlass-Verbrennung-Auslass. Das mindert das Dreifache der maximal erreichbaren Literleistung und/oder Schubkraft, was die Idee manchmal bedeutungslos macht.

2. Temperaturen, Drücke und deren Anstiegsgeschwindigkeit im Brennraum von Detonationsmotoren sind so beschaffen, dass sie den direkten Einsatz der meisten uns bekannten Materialien ausschließen. Sie sind alle zu schwach, um einen einfachen, billigen und effizienten Motor zu bauen. Entweder ist eine ganze Familie grundlegend neuer Materialien gefragt oder der Einsatz noch unausgearbeiteter Gestaltungstricks. Wir haben keine Materialien, und die Kompliziertheit des Designs beraubt oft die ganze Idee des Sinns.

Es gibt jedoch einen Bereich, in dem Detonationsmotoren unverzichtbar sind. Es handelt sich um einen wirtschaftlich sinnvollen atmosphärischen Hyperschall mit einem Geschwindigkeitsbereich von 2-20 Max. Daher geht der Kampf in drei Richtungen:

1. Aufbau eines Motorkreises mit Dauerdetonation im Brennraum. Dies erfordert Supercomputer und nicht triviale theoretische Ansätze, um ihre Hämodynamik zu berechnen. In diesem Bereich haben die verdammten Steppjacken wie immer die Nase vorn und zum ersten Mal auf der Welt theoretisch gezeigt, dass eine ununterbrochene Delegation grundsätzlich möglich ist. Erfindung, Entdeckung, Patent - alles Geschäft. Und sie begannen, aus rostigen Rohren und Kerosin eine praktische Konstruktion herzustellen.

2. Schöpfung konstruktive Lösungen die Nutzung ermöglichen klassische Materialien... Der Fluch der Steppjacken mit betrunkenen Bären war auch der erste, der einen Labor-Mehrkammermotor entwickelt hat, der so lange wie nötig gelaufen ist. Der Schub ist der gleiche wie der des Su27-Motors, und das Gewicht ist so groß, dass ein (einer!) Großvater ihn in den Händen hält. Aber da der Wodka verbrannt war, pulsierte der Motor immer noch. Auf der anderen Seite arbeitet der Bastard so sauber, dass er sogar in der Küche angemacht werden kann (wo die Steppjacken eigentlich in den Abständen zwischen Wodka und Balalaika abschneiden)

3. Herstellung von Supermaterialien für zukünftige Motoren. Dieser Bereich ist der engste und geheimste. Ich habe keine Informationen über Durchbrüche darin.

Betrachten Sie auf der Grundlage des Obigen die Aussichten für eine Detonation, Kolben-Verbrennungsmotor... Wie Sie wissen, kommt es bei einer Detonation in einem Verbrennungsmotor zu einer Druckerhöhung in einem Brennraum mit klassischen Abmessungen schnellere Geschwindigkeit Klang. Bei gleicher Konstruktion gibt es keine Möglichkeit, einen mechanischen Kolben und selbst mit erheblichen zugehörigen Massen dazu zu zwingen, sich in einem Zylinder mit annähernd gleichen Geschwindigkeiten zu bewegen. Auch der Zahnriemen der klassischen Anordnung kann bei solchen Geschwindigkeiten nicht arbeiten. Ein direkter Umbau eines klassischen Verbrennungsmotors auf einen Detonationsmotor ist daher aus praktischer Sicht bedeutungslos. Der Motor muss neu konstruiert werden. Aber sobald wir damit anfangen, stellt sich heraus, dass der Kolben in dieser Ausführung einfach ist zusätzliches Detail... Daher ist der Kolben-Detonations-Verbrennungsmotor IMHO ein Anachronismus.

Detonationsraketentriebwerke wurden in Russland erfolgreich getestet. Pjotr ​​Lyovochkin, Chefdesigner der nach dem Akademiker V.P. Glushko benannten NPO Energomash, sprach in einem Interview mit RG darüber, ob es möglich ist, auf ihrer Basis Hyperschallwaffen zu entwickeln. 19. Januar 2018, 10:48

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 der NPO Energomash, benannt nach dem Akademiker V.P. Glushko, 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 A5V und Sojus-5 sowie andere, die sich in der Vorentwicklungsphase befinden und der Öffentlichkeit unbekannt sind. Im Allgemeinen sind unsere Triebwerke dafür ausgelegt, eine Rakete von der Oberfläche eines Himmelskörpers zu heben. Und es kann alles sein - terrestrisch, lunar, Mars. Wenn also die Mond- oder Marsprogramme umgesetzt werden, werden wir auf jeden Fall daran teilnehmen.

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

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

Sie können Motoren in verschiedene Richtungen verbessern. Dies ist der Einsatz energieintensiverer Kraftstoffkomponenten, die Einführung neuer Kreislauflösungen, eine Druckerhöhung im Brennraum. Eine andere Richtung ist der Einsatz neuer, auch additiver Technologien, um die Arbeitsintensität und damit die Kosten zu reduzieren Raketenantrieb... 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. Ausgedrückt Fachsprache, können sie durch Effizienzsteigerung intramotorischer Prozesse verbessert werden. Es gibt Zyklen der thermodynamischen Umwandlung chemischer Energie in die Energie eines ausströmenden Strahls, die viel effizienter sind als die klassische Verbrennung. 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 zeigten, 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 implementiert 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 Triebwerksbauer bedeutet dies, dass man mit einem viel kleineren Detonationstriebwerk und einer geringen Treibstoffmasse den gleichen Schub wie in riesigen modernen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken erzielen kann.

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

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

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

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

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

Kann ein Detonationsmotor in Hyperschallraketen verwendet werden?

Pjotr ​​Lyovochkin: Es ist sowohl möglich als auch notwendig. Schon allein deshalb, weil die Verbrennung von Kraftstoff darin Überschall ist. Und in den Triebwerken, mit denen sie jetzt versuchen, kontrollierte Hyperschallflugzeuge zu bauen, erfolgt die Verbrennung im Unterschall. Und das schafft viele Probleme. Denn wenn die Verbrennung im Motor Unterschall ist und der Motor beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von fünf Schritten (einer gleich Geschwindigkeit Ton), ist es notwendig, den ankommenden Luftstrom in den Tonmodus zu verlangsamen. Dementsprechend wird die gesamte Energie dieses Bremsvorgangs in Wärme umgewandelt, was zu einer zusätzlichen Überhitzung der Struktur führt.

Und bei einem Detonationsmotor läuft der Verbrennungsprozess mit einer Geschwindigkeit ab, die mindestens zweieinhalbmal höher ist als die des Schalls. Und dementsprechend können wir die Geschwindigkeit des Flugzeugs um diesen Betrag erhöhen. Das heißt, wir sprechen bereits nicht von fünf, sondern von acht Schwüngen. Dies ist die derzeit erreichbare Geschwindigkeit von Flugzeugen mit Hyperschallmotoren, die das Prinzip der Detonationsverbrennung nutzen werden.

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

Detonationsmotor

Pulsdetonationsmotor

1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Geschichte experimenteller Untersuchungen des Bodendrucks // Grundlagenforschung... - 2011. - Nr. 12 (3). - S. 670–674.

2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Bodendruckschwankungen // Grundlagenforschung. - 2012. - Nr. 3. - S. 204–207.

3. Bulat PV, Zasukhin ON, Prodan NV. Merkmale der Anwendung von Turbulenzmodellen bei der Berechnung von Strömungen in den Überschallkanälen vielversprechender Luftstrahltriebwerke // Triebwerk. - 2012. - Nr. 1. - S. 20–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. Zur Klassifikation von Strömungsregimen in einem Kanal mit plötzlicher Ausdehnung // Thermophysik und Aeromechanik. - 2012. - Nr. 2. - S. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. Über niederfrequente Durchflussschwankungen des Bodendrucks // Grundlagenforschung. - 2013. - Nr. 4 (3). - S. 545-549.

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7. Tarasov A. I., Shchipakov V. A. Perspektiven für den Einsatz pulsierender Detonationstechnologien in Turbojet-Triebwerk... OJSC NPO Saturn STC im. A. Lyulki, Moskau, Russland. Moskauer Luftfahrtinstitut (STU). - Moskau, Russland. ISSN 1727-7337. Luft- und Raumfahrttechnik, 2011. - Nr. 9 (86).

Detonationsfeuerungsprojekte in den USA im Entwicklungsprogramm enthalten vielversprechende Motoren IHPTET. Die Zusammenarbeit umfasst fast alle Forschungszentren im Bereich Motorenbau tätig. Allein die NASA stellt hierfür jährlich bis zu 130 Millionen Dollar bereit. Dies beweist die Relevanz der Forschung in diese Richtung.

Überblick über die Arbeiten im Bereich Detonationsmotoren

Die Marktstrategie der weltweit führenden Hersteller zielt nicht nur darauf ab, neue reaktive Detonationsmotoren zu entwickeln, sondern auch bestehende zu modernisieren, indem ihre traditionellen Brennkammern durch eine Detonationsbrennkammer ersetzt werden. Außerdem können Detonationsmotoren werden konstituierendes Element kombinierte Pflanzen verschiedene Typen, zum Beispiel verwendet als Nachbrenner eines Turbostrahltriebwerks, als Hub-Ejektor-Triebwerke in VTOL-Flugzeugen (Beispiel in Abb. 1 - ein Projekt eines Transport-VTOL-Flugzeugs von Boeing).

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

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

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

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

Derzeit in unserem Land darüber dringendes Problem Theoretisch sind folgende Universitäten und Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften (RAS) tätig: Institut für Chemische Physik RAS (ICP), Institut für Maschinenbau RAS, Institut hohe Temperaturen 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). Typische Brennkammer Düsentriebwerk besteht aus Düsen zum Mischen von Brennstoff mit einem Oxidationsmittel, einer Vorrichtung zum Zünden des Brennstoffgemisches und einem Flammrohr selbst, in dem Redoxreaktionen (Verbrennung) stattfinden. Das Flammrohr endet mit einer Düse. In der Regel ist dies eine Lavaldüse mit einem konvergierenden Teil, dem minimalen kritischen Abschnitt, in dem die Geschwindigkeit der Verbrennungsprodukte gleich der lokalen Schallgeschwindigkeit ist, dem sich ausdehnenden Teil, in dem der statische Druck der Verbrennungsprodukte abnimmt zu einem Druck von Umgebung, so viel 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 Impuls-Detonationstriebwerks wird durch andere Faktoren bestimmt - die Übertragung des Impulses durch die Detonationswelle auf die Zugwand. In diesem Fall wird die Düse überhaupt nicht benötigt. Pulsdetonationsmotoren haben ihre eigene Nische - billige und wegwerfbare Flugzeuge. In dieser Nische entwickeln sie sich erfolgreich in Richtung Erhöhung der Pulswiederholrate.

Das klassische Erscheinungsbild des IDD ist eine zylindrische Brennkammer mit einer flachen oder speziell profilierten Wand, der sogenannten Zugwand (Abb. 2). Die Einfachheit des IDD-Geräts ist sein unbestreitbarer Vorteil. Wie die Analyse der vorliegenden 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 Basis traditioneller Detonationsrohre erstellt wurde, trotz der hohen thermodynamischen Effizienz in einer einzigen Pulsation inhärente Nachteile hat, die für klassische pulsierende Luftstrahltriebwerke typisch sind, nämlich:

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

Hohe thermische und Schwingungsbelastung.

Reis. 2. Schematische Darstellung Pulsdetonationsmotor (IDD)

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

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

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

Das Traktionsmodul IDD des vorgeschlagenen Schemas besteht aus einem Reaktor und einem Resonator. Der Reaktor dient zur Vorbereitung Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Detonationsverbrennung durch zersetzende Moleküle brennbares Gemisch in chemisch aktive Komponenten. Ein schematisches Diagramm eines Betriebszyklus eines solchen Motors ist in Abb. 5.

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

IDDs mit Hochfrequenz-Resonatoren haben das Recht, erfolgreich zu sein. Sie können sich insbesondere für die Modernisierung der Nachbrenner und die Verfeinerung einfacher Turbojet-Triebwerke bewerben, die wiederum für billige UAVs bestimmt sind. Ein Beispiel sind die Versuche von MAI und CIAM, das Turbojet-Triebwerk MD-120 auf diese Weise zu modernisieren, indem die Brennkammer durch einen Brenersetzt und Traktionsmodule mit Hochfrequenzresonatoren hinter der Turbine installiert werden. Bisher ist es nicht gelungen, eine praktikable Struktur zu schaffen, da Bei der Profilierung von Resonatoren verwenden die Autoren die lineare Theorie der Kompressionswellen, d.h. Berechnungen werden in der akustischen Näherung durchgeführt. Die Dynamik von Detonations- und Kompressionswellen wird durch einen ganz anderen mathematischen Apparat beschrieben. Die Verwendung von numerischen Standardpaketen zur Berechnung von Hochfrequenzresonatoren hat eine grundlegende Einschränkung. Alles moderne Modelle Turbulenz basiert auf der Mittelung der Navier-Stokes-Gleichungen (grundlegende Gleichungen der Gasdynamik) über die Zeit. 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 so einem Fall zu tun, daher ist es hier entweder notwendig, ein Modell mehr zu bauen hohes Level, oder direkte numerische Modellierung basierend auf den vollständigen Navier-Stokes-Gleichungen ohne Verwendung von Turbulenzmodellen (ein Problem, das derzeit nicht zu bewältigen ist).

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