Silnik detonacyjny maszyny energetycznej. Silnik detonacyjny - przyszłość rosyjskiej budowy silników

Publikacja „Kurier Wojskowo-Przemysłowy” donosi świetne wiadomości z dziedziny przełomowych technologii rakietowych. W Rosji testowano silnik rakiety detonacyjnej – poinformował w piątek na swoim profilu na Facebooku wicepremier Dmitrij Rogozin.

– Tak zwane silniki rakietowe detonacyjne opracowane w ramach programu Advanced Research Foundation zostały pomyślnie przetestowane – cytuje wicepremiera Interfax-AVN.

Uważa się, że detonacyjny silnik rakietowy jest jednym ze sposobów realizacji koncepcji tzw. hiperdźwięku motorycznego, czyli stworzenia samolotu hipersonicznego zdolnego do osiągania prędkości 4–6 Macha (Mach to prędkość dźwięku) dzięki własnemu silnikowi.

Portal russia-reborn.ru zawiera wywiad z jednym z czołowych inżynierów wyspecjalizowanych w silnikach w Rosji na temat silników rakietowych detonacyjnych.

Wywiad z Petrem Lewoczkinem, głównym projektantem NPO Energomash im. Akademik W.P. Głuszko.

Powstają silniki do pocisków naddźwiękowych przyszłości
Przeprowadzono pomyślne testy tzw. silników rakietowych detonacyjnych, które dały bardzo ciekawe wyniki. Prace rozwojowe w tym kierunku będą kontynuowane.

Detonacja to eksplozja. Czy da się nim zarządzać? Czy na bazie takich silników można stworzyć broń hipersoniczną? Jakie silniki rakietowe zabiorą niezamieszkałe i załogowe pojazdy w bliską przestrzeń kosmiczną? To nasza rozmowa z Zastępcą Dyrektora Generalnego - Głównym Projektantem NPO Energomash im. Akademik W.P. Głuszko” Petra Lewoczkina.

Petr Sergeevich, jakie możliwości otwierają nowe silniki?

Petr Levochkin: Jeśli mówimy o perspektywie krótkoterminowej, to dzisiaj pracujemy nad silnikami do takich rakiet jak Angara A5V i Sojuz-5, a także innych, które są na etapie przedprojektowym i są nieznane opinii publicznej. Ogólnie rzecz biorąc, nasze silniki są przeznaczone do podnoszenia rakiety z powierzchni ciała niebieskiego. I może być dowolny - naziemny, księżycowy, marsjański. Jeśli więc wdrożone zostaną programy księżycowe lub marsjańskie, na pewno będziemy w nich brać udział.

Jaka jest sprawność nowoczesnych silników rakietowych i czy są sposoby na ich ulepszenie?

Petr Levochkin: Jeśli mówimy o parametrach energetycznych i termodynamicznych silników, to możemy powiedzieć, że nasze, podobnie jak najlepsze dziś zagraniczne silniki rakietowe, osiągnęły pewną doskonałość. Na przykład kompletność spalania paliwa sięga 98,5%. Oznacza to, że prawie cała energia chemiczna paliwa w silniku jest przekształcana w energię cieplną strumienia gazu wychodzącego z dyszy.

Silniki można ulepszać na wiele sposobów. Obejmuje to stosowanie bardziej energochłonnych komponentów paliwowych, wprowadzenie nowych projektów obwodów oraz wzrost ciśnienia w komorze spalania. Innym kierunkiem jest zastosowanie nowych, w tym addytywnych technologii, w celu zmniejszenia pracochłonności, a co za tym idzie, obniżenia kosztów silnika rakietowego. Wszystko to prowadzi do obniżenia kosztów ładunku wyjściowego.

Jednak po bliższym przyjrzeniu się staje się jasne, że podnoszenie charakterystyki energetycznej silników w tradycyjny sposób jest nieefektywne.

Użycie kontrolowanej eksplozji paliwa może zwiększyć prędkość rakiety ośmiokrotnie większą od prędkości dźwięku
Czemu?

Petr Levochkin: Zwiększenie ciśnienia i zużycia paliwa w komorze spalania w naturalny sposób zwiększy ciąg silnika. Będzie to jednak wymagało zwiększenia grubości ścianek komory i pomp. W efekcie zwiększa się złożoność konstrukcji i jej masa, a zysk energetyczny okazuje się nie tak duży. Gra nie będzie kosztować świecy.

Czy to znaczy, że silniki rakietowe wyczerpały zasoby swojego rozwoju?

Petr Lewoczkin: Nie bardzo. W języku technicznym można je poprawić poprzez zwiększenie wydajności procesów wewnątrzruchowych. Istnieją cykle termodynamicznej konwersji energii chemicznej na energię wypływającego strumienia, które są znacznie wydajniejsze niż klasyczne spalanie paliwa rakietowego. To jest cykl spalania detonacyjnego i bliski mu cykl Humphreya.

Sam efekt detonacji paliwa odkrył nasz rodak - późniejszy akademik Jakow Borysowicz Zeldowicz w 1940 roku. Realizacja tego efektu w praktyce zapowiadała bardzo duże perspektywy w naukach o rakietach. Nic dziwnego, że Niemcy w tych samych latach aktywnie badali proces detonacji spalania. Ale nie posunęli się dalej niż nie do końca udane eksperymenty.

Obliczenia teoretyczne wykazały, że spalanie detonacyjne jest o 25 proc. wydajniejsze niż cykl izobaryczny, co odpowiada spalaniu paliwa pod stałym ciśnieniem, które jest realizowane w komorach nowoczesnych silników na paliwo ciekłe.

A jakie są zalety spalania detonacyjnego w porównaniu z klasycznym?

Petr Levochkin: Klasyczny proces spalania jest poddźwiękowy. Detonacja - naddźwiękowa. Szybkość reakcji w małej objętości prowadzi do ogromnego wydzielania ciepła – jest kilka tysięcy razy większa niż przy spalaniu poddźwiękowym, realizowanym w klasycznych silnikach rakietowych o tej samej masie palącego się paliwa. A dla nas inżynierów silnikowych oznacza to, że przy znacznie mniejszym silniku detonacyjnym i przy niewielkiej masie paliwa można uzyskać taki sam ciąg, jak w nowoczesnych ogromnych silnikach rakietowych na ciecz.

Nie jest tajemnicą, że silniki z detonacyjnym spalaniem paliwa powstają również za granicą. Jakie są nasze stanowiska? Poddajemy się, idziemy na ich poziomie czy jesteśmy w czołówce?

Petr Levochkin: Nie jesteśmy gorsi, to na pewno. Ale nie mogę też powiedzieć, że jesteśmy w czołówce. Temat jest dość zamknięty. Jedną z głównych tajemnic technologicznych jest zapewnienie, aby paliwo i utleniacz silnika rakietowego nie paliły się, ale eksplodowały, nie niszcząc komory spalania. Oznacza to w rzeczywistości umożliwienie kontrolowania i zarządzania prawdziwą eksplozją. Dla porównania: detonacja to spalanie paliwa przed naddźwiękową falą uderzeniową. Wyróżnia się detonację pulsacyjną, gdy fala uderzeniowa porusza się wzdłuż osi komory i jedna zastępuje drugą, oraz detonację ciągłą (spinową), gdy fale uderzeniowe w komorze poruszają się po okręgu.

O ile nam wiadomo, eksperymentalne badania spalania detonacyjnego przeprowadzono przy udziale pańskich specjalistów. Jakie wyniki uzyskano?

Petr Levochkin: Wykonano prace nad stworzeniem komory modelowej dla silnika rakietowego z detonacją cieczy. Nad projektem pod patronatem Fundacji na rzecz Studiów Zaawansowanych pracowała szeroka współpraca czołowych ośrodków naukowych Rosji. Wśród nich Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Lavrentiev, MAI, „Keldysh Center”, Centralny Instytut Silników Lotniczych im. A.I. LICZBA PI. Baranow, Wydział Mechaniki i Matematyki, Moskiewski Uniwersytet Państwowy. Zaproponowaliśmy użycie nafty jako paliwa i gazowego tlenu jako środka utleniającego. W toku badań teoretycznych i eksperymentalnych potwierdzono możliwość zbudowania detonacyjnego silnika rakietowego w oparciu o takie komponenty. Na podstawie uzyskanych danych opracowaliśmy, wyprodukowaliśmy i pomyślnie przetestowaliśmy modelową komorę detonacyjną o ciągu 2 ton i ciśnieniu w komorze spalania około 40 atm.

To zadanie zostało rozwiązane po raz pierwszy nie tylko w Rosji, ale i na świecie. Więc oczywiście były problemy. Po pierwsze są one związane z zapewnieniem stabilnej detonacji tlenu za pomocą nafty, a po drugie z zapewnieniem niezawodnego chłodzenia ściany ogniowej komory bez chłodzenia kurtynowego i szeregiem innych problemów, których istota jest jasna tylko dla specjalistów.

W rzeczywistości zamiast stałego płomienia czołowego w strefie spalania powstaje fala detonacyjna pędząca z prędkością ponaddźwiękową. W takiej fali sprężania dochodzi do detonacji paliwa i utleniacza, proces ten z punktu widzenia termodynamiki zwiększa sprawność silnika o rząd wielkości, ze względu na zwartość strefy spalania.

Co ciekawe, w 1940 roku sowiecki fizyk Ya.B. Zel'dovich zaproponował ideę silnika detonacyjnego w artykule „O wykorzystaniu energii podczas spalania detonacyjnego”. Od tego czasu wielu naukowców z różnych krajów pracuje nad obiecującym pomysłem, albo Stany Zjednoczone, potem Niemcy, albo nasi rodacy.

Latem, w sierpniu 2016 roku, rosyjskim naukowcom udało się stworzyć pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik odrzutowy na paliwo ciekłe, działający na zasadzie detonacyjnego spalania paliwa. Nasz kraj w końcu ustanowił światowy priorytet w rozwoju najnowszych technologii przez wiele lat po pierestrojce.

Dlaczego nowy silnik jest tak dobry? Silnik odrzutowy wykorzystuje energię uwalnianą przez spalanie mieszanki pod stałym ciśnieniem i stałym frontem płomienia. Podczas spalania mieszanka paliwa i utleniacza gwałtownie podnosi temperaturę, a kolumna płomienia wydostająca się z dyszy tworzy ciąg strumienia.

Podczas spalania detonacyjnego produkty reakcji nie mają czasu na zapadnięcie się, ponieważ proces ten jest 100 razy szybszy niż deflagracja, a ciśnienie gwałtownie wzrasta, a objętość pozostaje niezmieniona. Wyzwolenie tak dużej ilości energii może faktycznie zniszczyć silnik samochodu, dlatego taki proces często kojarzy się z wybuchem.

W rzeczywistości zamiast stałego płomienia czołowego w strefie spalania powstaje fala detonacyjna pędząca z prędkością ponaddźwiękową. W takiej fali sprężania następuje detonacja paliwa i utleniacza, proces ten z punktu widzenia termodynamiki zwiększa sprawność silnika o rząd wielkości, ze względu na zwartość strefy spalania. Dlatego eksperci tak gorliwie przystąpili do rozwijania tego pomysłu.W konwencjonalnym silniku rakietowym, który jest w zasadzie dużym palnikiem, nie chodzi o komorę spalania i dyszę, ale o turbopompę paliwa (TNA), która wytwarza takie ciśnienie, że paliwo wnika do komory. Na przykład w rosyjskim silniku rakietowym RD-170 do rakiet nośnych Energia ciśnienie w komorze spalania wynosi 250 atm, a pompa dostarczająca utleniacz do strefy spalania musi wytworzyć ciśnienie 600 atm.

W silniku detonacyjnym ciśnienie jest wytwarzane przez samą detonację, która reprezentuje wędrującą falę sprężania w mieszance paliwowej, w której ciśnienie bez TNA jest już 20 razy większe, a turbopompy są zbędne. Aby było jasne, American Shuttle ma ciśnienie w komorze spalania 200 atm, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atm do dostarczenia mieszanki - to jest jak pompa rowerowa i elektrownia wodna Sayano-Shushenskaya.

W tym przypadku silnik detonacyjny jest nie tylko prostszy i tańszy o rząd wielkości, ale znacznie mocniejszy i oszczędniejszy niż konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe.Po drodze pojawił się problem współsterowania falą detonacyjną do realizacji projektu silnika detonacyjnego. Zjawisko to to nie tylko fala uderzeniowa, która ma prędkość dźwięku, ale fala detonacyjna rozchodząca się z prędkością 2500 m/s, nie ma w niej stabilizacji frontu płomienia, dla każdej pulsacji mieszanka jest aktualizowana i fala zaczyna się od nowa.

Wcześniej inżynierowie rosyjscy i francuscy opracowali i zbudowali pulsujące silniki odrzutowe, ale nie na zasadzie detonacji, ale na podstawie zwykłej pulsacji spalania. Charakterystyki takich PUVRD były niskie, a kiedy konstruktorzy silników opracowali pompy, turbiny i sprężarki, nadeszła era silników odrzutowych i LRE, a pulsujące pozostały na uboczu postępu. Sprytne głowy nauki próbowały połączyć spalanie detonacyjne z PUVRD, ale częstotliwość pulsacji konwencjonalnego frontu spalania nie przekracza 250 na sekundę, a front detonacji ma prędkość do 2500 m/s i częstotliwość pulsacji osiąga kilka tysięcy na sekundę. Zrealizowanie takiego tempa odnawiania mieszanki i jednoczesne zainicjowanie detonacji wydawało się niemożliwe.

W USA można było zbudować taki silnik pulsacyjny z detonacją i przetestować go w powietrzu, jednak działał on tylko 10 sekund, ale priorytet pozostał dla amerykańskich konstruktorów. Ale już w latach 60. ubiegłego wieku radziecki naukowiec B.V. Voitsekhovsky i prawie w tym samym czasie Amerykanin z Uniwersytetu Michigan J. Nichols wpadli na pomysł zapętlenia fali detonacyjnej w komorze spalania.

Jak działa silnik rakiety detonacyjnej

Taki silnik obrotowy składał się z pierścieniowej komory spalania z dyszami umieszczonymi wzdłuż jej promienia w celu dostarczania paliwa. Fala detonacyjna biegnie jak wiewiórka w kole po obwodzie, mieszanka paliwowa zostaje skompresowana i wypalona, ​​przepychając produkty spalania przez dyszę. W silniku spinowym uzyskujemy częstotliwość rotacji fali rzędu kilku tysięcy na sekundę, jej działanie jest podobne do procesu pracy w silniku rakietowym, tylko bardziej wydajnie, ze względu na detonację mieszanki paliwowej.

W ZSRR i USA, a później w Rosji trwają prace nad stworzeniem obrotowego silnika detonacyjnego z falą ciągłą, aby zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz, dla których powstała cała nauka o kinetyce fizycznej i chemicznej. Aby obliczyć warunki nietłumionej fali, potrzebne były potężne komputery, które powstały dopiero niedawno.

W Rosji nad projektem takiego silnika obrotowego pracuje wiele instytutów badawczych i biur projektowych, w tym firma produkująca silniki przemysłu kosmicznego NPO Energomash. Fundacja Advanced Research Foundation przyszła z pomocą w opracowaniu takiego silnika, bo nie da się uzyskać dofinansowania z Ministerstwa Obrony – wystarczy gwarantowany wynik.

Mimo to podczas testów w Chimkach w Energomash zarejestrowano stały stan ciągłej detonacji spinowej – 8 tys. obrotów na sekundę na mieszaninie tlenowo-naftowej. Jednocześnie fale detonacyjne równoważyły ​​fale wibracyjne, a powłoki termoizolacyjne wytrzymywały wysokie temperatury.

Ale nie pochlebiaj sobie, ponieważ jest to tylko silnik demonstracyjny, który działał przez bardzo krótki czas i nic jeszcze nie zostało powiedziane o jego właściwościach. Ale najważniejsze jest to, że udowodniono możliwość powstania spalania detonacyjnego i stworzono w Rosji pełnowymiarowy silnik spinowy, który na zawsze pozostanie w historii nauki.

komory spalania z
ciągła detonacja

Pomysł komory spalania z ciągłą detonacją zaproponowany w 1959 r. przez akademika Akademii Nauk ZSRR B.V. Wojciechowski. Komora spalania z ciągłą detonacją (CDCC) to pierścieniowy kanał utworzony przez ściany dwóch współosiowych cylindrów. Jeżeli na dnie kanału pierścieniowego zostanie umieszczona głowica mieszająca, a drugi koniec kanału wyposażony jest w dyszę strumieniową, to uzyskamy przepływowy pierścieniowy silnik odrzutowy. Spalanie detonacyjne w takiej komorze może być zorganizowane poprzez spalanie mieszanki paliwowej dostarczanej przez głowicę mieszającą w fali detonacyjnej krążącej w sposób ciągły nad dnem. W takim przypadku mieszanka paliwowa spali się w fali detonacyjnej, która ponownie weszła do komory spalania podczas jednego obrotu fali po obwodzie kanału pierścieniowego. Częstotliwość rotacji fali w komorze spalania o średnicy około 300 mm będzie miała wartość rzędu 105 obr/min i więcej. Zaletami takich komór spalania są: (1) prostota konstrukcji; (2) pojedynczy zapłon; (3) quasi-stacjonarny wypływ produktów detonacji; (4) wysoka częstotliwość cykli (kiloherc); (5) krótka komora spalania; (6) niska emisja substancji szkodliwych (NO, CO itp.); (7) niski poziom hałasu i wibracji. Wady takich komór obejmują: (1) konieczność zastosowania sprężarki lub turbopompy; (2) ograniczona kontrola; (3) złożoność skalowania; (4) trudności z chłodzeniem.

Duże inwestycje w B+R i B+R na ten temat w Stanach Zjednoczonych rozpoczęły się stosunkowo niedawno: 3-5 lat temu (Siły Powietrzne, Marynarka Wojenna, NASA, korporacje lotnicze). Sądząc po otwartych publikacjach, w Japonii, Chinach, Francji, Polsce i Korei prace nad projektowaniem takich komór spalania z wykorzystaniem metod obliczeniowej dynamiki gazów są obecnie bardzo szeroko stosowane. W Federacji Rosyjskiej badania w tym kierunku są najaktywniej prowadzone w NP „Centrum IDG” oraz w Instytucie Geologii i Literatury Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk.

Poniżej wymieniono najważniejsze osiągnięcia w tej dziedzinie nauki i techniki. W 2012 roku specjaliści z Pratt & Whitney i Rocketdyne (USA) opublikowali wyniki badań eksperymentalnego modułowego silnika rakietowego z wymiennymi dyszami do zasilania komponentów paliwowych iz wymiennymi dyszami. Przeprowadzono setki prób ogniowych z użyciem różnych par paliw: wodór – tlen, metan – tlen, etan – tlen itp. Na podstawie przeprowadzonych testów opracowano mapy stabilnych trybów pracy silnika z jedną, dwiema lub więcej falami detonacyjnymi krążącymi nad zbudowano dno komory. Zbadano różne metody zapłonu i podtrzymywania detonacji. Maksymalny czas pracy silnika uzyskany w doświadczeniach z chłodzeniem wodnym ścian komory wyniósł 20 s. Podaje się, że czas ten był ograniczony jedynie dostawą składników paliwa, a nie stanem cieplnym ścian. Polscy specjaliści wraz z europejskimi partnerami pracują nad stworzeniem komory spalania ciągłej detonacji do silnika śmigłowca. Udało im się stworzyć komorę spalania, która stabilnie pracuje w trybie ciągłej detonacji przez 2 s na mieszance wodoru z powietrzem i nafty z powietrzem w konfiguracji z sowiecką sprężarką silnika GTD350. W latach 2011-2012 W Instytucie Hydrodynamiki Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk zarejestrowano doświadczalnie proces ciągłego spalania detonacyjnego niejednorodnej mieszaniny mikronowych cząstek węgla drzewnego z powietrzem w tarczowej komorze spalania o średnicy 500 mm. Wcześniej IGIL SB RAS z powodzeniem przeprowadził eksperymenty z krótkotrwałą (do 1-2 s) rejestracją ciągłej detonacji powietrznych mieszanin wodoru i acetylenu oraz mieszanin tlenowych szeregu poszczególnych węglowodorów. W latach 2010-2012 Korzystając z unikalnych technologii obliczeniowych, Centrum IDG stworzyło podstawy do projektowania komór spalania ciągłego detonacyjnego zarówno dla silników rakietowych, jak i na powietrze napowietrzające, a także po raz pierwszy obliczyło wyniki eksperymentów, gdy komora była eksploatowana z oddzielnym zasilaniem składników paliwowych (wodór). i powietrze). Ponadto w 2013 roku zaprojektowano, wyprodukowano i przetestowano w NP Centrum IDG, w celu przeprowadzenia badań, zaprojektowano pierścieniową komorę spalania ciągłego detonacji o średnicy 400 mm, szerokości szczeliny 30 mm i wysokości 300 mm. program mający na celu doświadczalne udowodnienie efektywności energetycznej ciągłego spalania detonacyjnego mieszanin paliwowo-powietrznych.

Najważniejszy problem, z jakim borykają się projektanci przy tworzeniu komór spalania z detonacją ciągłą, pracujących na standardowym paliwie, jest taki sam, jak w przypadku komór z detonacją pulsacyjną, tj. niska zdolność detonacyjna takich propelentów w powietrzu. Innym ważnym problemem jest zmniejszenie strat ciśnienia podczas podawania składników paliwa do komory spalania w celu zwiększenia całkowitego ciśnienia w komorze. Kolejną kwestią jest chłodzenie aparatu. Obecnie badane są sposoby przezwyciężenia tych problemów.

Większość ekspertów krajowych i zagranicznych uważa, że ​​oba omawiane schematy organizacji cyklu detonacji są obiecujące zarówno dla silników rakietowych, jak i odrzutowych. Nie ma fundamentalnych ograniczeń w praktycznym wdrażaniu tych programów. Główne zagrożenia na drodze tworzenia nowego typu komór spalania wiążą się z rozwiązywaniem problemów inżynierskich.
Możliwości konstrukcyjne i sposoby organizacji pracy w komorach spalania impulsowo-detonacyjnego i detonacyjnego ciągłego są chronione licznymi patentami krajowymi i zagranicznymi (setki patentów). Główną wadą patentów jest milczenie lub praktycznie niedopuszczalne (z różnych powodów) rozwiązanie głównego problemu realizacji cyklu detonacyjnego - problemu niskiej zdolności detonacyjnej paliw standardowych (nafta, benzyna, olej napędowy, gaz ziemny) w powietrzu. Proponowane praktycznie niedopuszczalne rozwiązania tego problemu to zastosowanie wstępnego termicznego lub chemicznego przygotowania paliwa przed wejściem do komory spalania, stosowanie aktywnych dodatków, w tym tlenu, czy też stosowanie specjalnych paliw o wysokiej zdolności detonacyjnej. W przypadku silników wykorzystujących aktywne (samozapalne) komponenty paliwowe problem ten nie istnieje, ale problemy ich bezpiecznej eksploatacji pozostają aktualne.

Ryż. jeden: Porównanie impulsów właściwych silników odrzutowych: turboodrzutowych, strumieniowych, puwrjet i IDD

Zastosowanie komór spalania detonacyjnego pulsacyjnego koncentruje się głównie na wymianie istniejących komór spalania w takich elektrowniach powietrznych, jak strumienie strumieniowe i strumieniowe. Faktem jest, że zgodnie z tak ważną cechą silnika, jaką jest impuls właściwy, IDD, obejmujący cały zakres prędkości lotu od 0 do liczby Macha M=5, teoretycznie ma porównywalny impuls właściwy (w locie Mach liczba M od 2,0 do 3,5) z silnikiem strumieniowym i znacznie przekraczająca impuls właściwy tego silnika w locie liczba Macha M od 0 do 2 i od 3,5 do 5 (rys. 1). Jeśli chodzi o PUVRD, jego impuls właściwy przy prędkościach lotu poddźwiękowego jest prawie 2 razy mniejszy niż w przypadku IDD. Dane o impulsie właściwym dla silnika strumieniowego pochodzą z , gdzie przeprowadzono jednowymiarowe obliczenia charakterystyk ideał Silniki Ramjet pracujące na mieszance naftowo-powietrznej o współczynniku nadmiaru paliwa 0,7. Dane o impulsie właściwym śmigieł napowietrzających zapożyczono z artykułów, w których przeprowadzono wielowymiarowe obliczenia charakterystyk ciągu śmigieł w warunkach lotu przy prędkościach poddźwiękowych i naddźwiękowych na różnych wysokościach. Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do obliczeń, obliczenia zostały przeprowadzone z uwzględnieniem strat spowodowanych procesami rozpraszania (turbulencja, lepkość, fale uderzeniowe itp.).

Dla porównania na ryc. 1 przedstawia wyniki obliczeń dla ideał silnik turboodrzutowy (TRD). Można zauważyć, że PDE jest gorszy od idealnego TJE pod względem liczby Macha podczas lotu do 3,5, ale przewyższa TJE w tym wskaźniku przy M > 3,5. Tak więc przy M > 3,5 zarówno silniki odrzutowe, jak i turboodrzutowe są gorsze od śmigieł z powietrzem pod względem impulsu właściwego, co czyni je bardzo obiecującymi. Jeśli chodzi o niskie naddźwiękowe i poddźwiękowe prędkości lotu, PDE, który jest gorszy od TRD pod względem impulsu właściwego, nadal można uznać za obiecujący ze względu na niezwykłą prostotę konstrukcji i niski koszt, co jest niezwykle ważne w przypadku jednorazowych zastosowań (dostawa pojazdy, cele itp.).

Obecność „współczynnika wyłączenia” w ciągu wytworzonym przez takie komory sprawia, że ​​nie nadają się one do silników rakietowych z podtrzymywaniem na paliwo ciekłe (LRE). Mimo to, opatentowano schematy silników rakietowych impulsowo-detonacyjnych o konstrukcji wielorurowej o niskim cyklu pracy ciągu. Ponadto takie elektrownie mogą być wykorzystywane jako silniki do korekcji orbity i ruchów orbitalnych sztucznych satelitów Ziemi i mają wiele innych zastosowań.

Zastosowanie komór spalania o ciągłej detonacji koncentruje się głównie na zastąpieniu istniejących komór spalania w LRE i GTE.

Rozważono problem rozwoju silników detonacyjnych. Przedstawiono główne typy takich silników: silnik detonacyjny Nicholsa, silnik Wojciechowski. Rozważono główne kierunki i trendy w rozwoju konstrukcji silników detonacyjnych. Wykazano, że współczesne koncepcje silnika z detonacją obrotową nie mogą w zasadzie prowadzić do stworzenia wykonalnego projektu, który swoimi właściwościami przewyższałby istniejące silniki odrzutowe. Powodem jest chęć projektantów połączenia generowania fal, spalania paliwa oraz wyrzutu paliwa i utleniacza w jeden mechanizm. W wyniku samoorganizacji struktur fali uderzeniowej spalanie detonacyjne odbywa się w minimalnej, a nie maksymalnej objętości. Efektem faktycznie osiągniętym dzisiaj jest spalanie detonacyjne w objętości nieprzekraczającej 15% objętości komory spalania. Wyjście widać w innym podejściu - najpierw tworzy się optymalna konfiguracja fal uderzeniowych, a dopiero potem do tego układu podawane są składniki paliwowe i organizowane jest optymalne spalanie detonacyjne w dużej objętości.

silnik detonacyjny

obrotowy silnik detonacyjny

Silnik Wojciechowskiego

detonacja kołowa

detonacja wirowa

impulsowy silnik detonacyjny

1. B. V. Voitsekhovsky, V. V. Mitrofanov i M. E. Topchiyan, Struktura frontu detonacji w gazach. - Nowosybirsk: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1963.

2. Uskov V.N., Bulat P.V. O problemie zaprojektowania idealnego dyfuzora do kompresji przepływu naddźwiękowego // Badania podstawowe. - 2012r. - nr 6 (część 1). - S. 178-184.

3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Historia badań nieregularnego odbicia fali uderzeniowej od osi symetrii dżetu naddźwiękowego z formowaniem się dysku Macha // Badania Podstawowe. - 2012 r. - nr 9 (część 2). - S. 414-420.

4. Uskov VN, Bulat P.V., Prodan N.V. Uzasadnienie zastosowania stacjonarnego modelu konfiguracyjnego Macha do obliczeń dysku Macha w dżecie naddźwiękowym // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 11 (część 1). – S. 168–175.

5. Shchelkin K.I. Niestabilność spalania i detonacji gazów // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965. - T. 87, nr. 2.– S. 273–302.

6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Przerywana detonacja jako mechanizm budujący zaufanie // Napęd odrzutowy. - 1957. - nr 21. - P. 534-541.

Obrotowe silniki detonacyjne

Wszystkie typy silników z detonacją rotacyjną (RDE) łączy to, że układ zasilania paliwem łączy się z układem spalania paliwa w fali detonacyjnej, ale wtedy wszystko działa jak w konwencjonalnym silniku odrzutowym – rura płomieniowa i dysza. To właśnie ten fakt zapoczątkował taką działalność w zakresie modernizacji silników turbogazowych (GTE). Atrakcyjna wydaje się wymiana tylko głowicy mieszającej i układu zapłonu mieszanki w silniku turbogazowym. W tym celu konieczne jest zapewnienie ciągłości spalania detonacyjnego, np. poprzez uruchomienie fali detonacyjnej w okręgu. Nichols był jednym z pierwszych, który zaproponował taki schemat w 1957 r., a następnie rozwinął go i przeprowadził serię eksperymentów z wirującą falą detonacyjną w połowie lat 60. (ryc. 1).

Dopasowując średnicę komory i grubość szczeliny pierścieniowej, dla każdego rodzaju mieszanki paliwowej, można dobrać taką geometrię, aby detonacja była stabilna. W praktyce zależność między szczeliną a średnicą silnika okazuje się nie do zaakceptowania i konieczne jest sterowanie prędkością propagacji fal poprzez sterowanie dopływem paliwa, co omówiono poniżej.

Podobnie jak w przypadku silników z detonacją impulsową, okrągła fala detonacyjna może wyrzucać utleniacz, umożliwiając stosowanie RDE przy prędkościach zerowych. Fakt ten doprowadził do lawiny eksperymentalnych i obliczeniowych badań RDE z pierścieniową komorą spalania i spontanicznym wyrzutem mieszanki paliwowo-powietrznej, które nie mają tutaj żadnego sensu. Wszystkie zbudowane są w przybliżeniu według tego samego schematu (ryc. 2), przypominającego schemat silnika Nicholsa (ryc. 1).

Ryż. 1. Schemat organizacji ciągłej detonacji kołowej w szczelinie pierścieniowej: 1 - fala detonacyjna; 2 - warstwa „świeżej” mieszanki paliwowej; 3 - przerwa w kontakcie; 4 - ukośna fala uderzeniowa rozchodząca się z prądem; D jest kierunkiem fali detonacyjnej

Ryż. 2. Typowy schemat RDE: V to prędkość swobodnego przepływu; V4 - natężenie przepływu na wylocie dyszy; a - świeże zespoły paliwowe, b - czoło fali detonacyjnej; c - dołączona ukośna fala uderzeniowa; d - produkty spalania; p(r) - rozkład ciśnienia na ścianie kanału

Rozsądną alternatywą dla schematu Nicholsa mogłoby być zainstalowanie wielu wtryskiwaczy utleniających paliwo, które wstrzykiwałyby mieszankę paliwowo-powietrzną w obszar bezpośrednio przed falą detonacyjną zgodnie z pewnym prawem przy danym ciśnieniu (rys. 3). Regulując ciśnienie i szybkość dostarczania paliwa do obszaru spalania za falą detonacyjną, można wpływać na szybkość jego propagacji w górę. Ten kierunek jest obiecujący, ale głównym problemem w projektowaniu takich RDE jest to, że szeroko stosowany uproszczony model przepływu w froncie spalania detonacyjnego w ogóle nie odpowiada rzeczywistości.

Ryż. 3. RDE z kontrolowanym dopływem paliwa do strefy spalania. Silnik rotacyjny Wojciechowski

Główne nadzieje na świecie wiążą się z silnikami detonacyjnymi pracującymi według schematu silnika rotacyjnego Wojciechowskiego. W 1963 B.V. Voitsekhovsky, analogicznie do detonacji spinowej, opracował schemat ciągłego spalania gazu za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w kanale pierścieniowym (ryc. 4).

Ryż. Rys. 4. Schemat ciągłego spalania gazu Wojciechowskiego za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w kanale pierścieniowym: 1 - mieszanka świeża; 2 - podwójnie skompresowana mieszanka za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych, obszar detonacji

W tym przypadku stacjonarny proces hydrodynamiczny ze spalaniem gazu za falą uderzeniową różni się od schematu detonacji Chapmana-Jougueta i Zeldowicza-Neumanna. Taki proces jest dość stabilny, jego czas trwania zależy od zapasu mieszanki paliwowej i, w dobrze znanych eksperymentach, wynosi kilkadziesiąt sekund.

Schemat silnika detonacyjnego Wojciechowskiego służył jako prototyp dla licznych badań silników detonacyjnych rotacyjnych i spinowych zainicjowanych w ciągu ostatnich 5 lat. Ten schemat stanowi ponad 85% wszystkich badań. Wszystkie mają jedną organiczną wadę – strefa detonacji zajmuje zbyt mało całkowitej strefy spalania, zwykle nie więcej niż 15%. W rezultacie specyficzne osiągi silników są gorsze niż silników o tradycyjnej konstrukcji.

O przyczynach niepowodzeń we wdrażaniu schematu Wojciechowskiego

Większość prac nad silnikami z detonacją ciągłą wiąże się z rozwojem koncepcji Wojciechowskiego. Pomimo ponad 40-letniej historii badań, wyniki faktycznie utrzymały się na poziomie 1964. Udział spalania detonacyjnego nie przekracza 15% objętości komory spalania. Reszta to powolne spalanie w warunkach dalekich od optymalnych.

Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest brak praktycznej metodologii obliczeń. Ponieważ przepływ jest trójwymiarowy, a obliczenia uwzględniają tylko zasady zachowania pędu na fali uderzeniowej w kierunku prostopadłym do frontu detonacji modelu, wyniki obliczenia nachylenia fal uderzeniowych do przepływu produktów spalania różnią się od obserwowanych eksperymentalnie o ponad 30%. Konsekwencją jest to, że pomimo wieloletnich badań nad różnymi układami zasilania paliwem i eksperymentów nad zmianą proporcji składników paliwa, udało się jedynie stworzyć modele, w których spalanie detonacyjne zachodzi i trwa 10–15 s. Nie ma mowy o zwiększeniu wydajności ani o przewagach nad istniejącymi silnikami na paliwo ciekłe i turbinami gazowymi.

Analiza dostępnych schematów RDE przeprowadzona przez autorów projektu wykazała, że ​​wszystkie oferowane obecnie schematy RDE zasadniczo nie działają. Spalanie detonacyjne zachodzi i jest z powodzeniem utrzymywane, ale tylko w ograniczonym zakresie. W pozostałej części objętości mamy do czynienia ze zwykłym powolnym spalaniem, ponadto za nieoptymalnym układem fal uderzeniowych, co prowadzi do znacznych strat w ciśnieniu całkowitym. Ponadto ciśnienie jest również kilkakrotnie niższe niż jest to konieczne dla idealnych warunków spalania przy stechiometrycznym stosunku składników mieszanki paliwowej. W rezultacie jednostkowe zużycie paliwa na jednostkę ciągu jest o 30-40% wyższe niż w przypadku silników konwencjonalnych.

Ale głównym problemem jest sama zasada organizowania ciągłej detonacji. Jak wykazały badania ciągłej detonacji kołowej, przeprowadzone jeszcze w latach 60-tych, front spalania detonacyjnego jest złożoną strukturą fali uderzeniowej, składającą się z co najmniej dwóch potrójnych konfiguracji (o potrójnych konfiguracjach fal uderzeniowych. Taka struktura z dołączoną strefą detonacji, jak każdy termodynamiczny system sprzężenia zwrotnego, pozostawiony sam sobie, ma tendencję do przyjmowania pozycji odpowiadającej minimalnemu poziomowi energii. W rezultacie konfiguracje potrójne i obszar spalania detonacyjnego dostosowują się do siebie tak, że front detonacji porusza się przez szczelinę pierścieniową z minimalnym możliwej do tego ilości spalania detonacyjnego, co jest wprost przeciwne do celu, jaki konstruktorzy silników postawili przed spalaniem detonacyjnym.

Aby stworzyć wydajny silnik RDE, konieczne jest rozwiązanie problemu stworzenia optymalnej potrójnej konfiguracji fal uderzeniowych i zorganizowania w nim strefy spalania detonacyjnego. Optymalne struktury fali uderzeniowej muszą być możliwe do wytworzenia w różnych urządzeniach technicznych, na przykład w optymalnych dyfuzorach naddźwiękowych wlotów powietrza. Głównym zadaniem jest maksymalne możliwe zwiększenie udziału spalania detonacyjnego w objętości komory spalania z dzisiejszych niedopuszczalnych 15% do co najmniej 85%. Istniejące konstrukcje silników oparte na schematach Nicholsa i Wojciechowskiego nie są w stanie zapewnić tego zadania.

Uskov V.N., doktor nauk technicznych, profesor Katedry Hydroaeromechaniki Petersburskiego Uniwersytetu Państwowego, Wydział Matematyki i Mechaniki w Petersburgu;

Emelyanov V.N., doktor nauk technicznych, profesor, kierownik Katedry Dynamiki Gazów Plazmowych i Inżynierii Cieplnej, BSTU „VOENMEH” im. A.I. D.F. Ustinow, Petersburg.

Praca została odebrana przez redakcję 14 października 2013 roku.

Link bibliograficzny

Rozpatrzono problem rozwoju silników impulsowych z detonacją. Wymieniono główne ośrodki badawcze prowadzące badania nad silnikami nowej generacji. Rozważono główne kierunki i trendy w rozwoju konstrukcji silników detonacyjnych. Przedstawiono główne typy takich silników: impulsowe, impulsowe wielorurowe, impulsowe z rezonatorem wysokiej częstotliwości. Różnica w sposobie tworzenia ciągu jest pokazana w porównaniu z klasycznym silnikiem odrzutowym wyposażonym w dyszę Lavala. Opisano koncepcję ściany trakcyjnej i modułu trakcyjnego. Wykazano, że silniki z detonacją pulsacyjną są doskonalone w kierunku zwiększenia częstości impulsów, a kierunek ten ma swoje prawo do życia w dziedzinie lekkich i tanich bezzałogowych statków powietrznych, a także w rozwoju różnych ejektorowych wzmacniaczy ciągu . Przedstawiono główne trudności o charakterze fundamentalnym w modelowaniu detonacyjnego przepływu turbulentnego za pomocą pakietów obliczeniowych opartych na wykorzystaniu modeli różniczkowych turbulencji i uśredniania czasowego równań Naviera-Stokesa.

silnik detonacyjny

impulsowy silnik detonacyjny

1. Bulat P.V., Zasukhin ON, Prodan N.V. Historia badań eksperymentalnych ciśnienia dennego // Badania podstawowe. - 2011r. - nr 12 (3). - S. 670-674.

2. Bulat P.V., Zasukhin ON, Prodan N.V. Wahania ciśnienia na dnie // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 3. - S. 204-207.

3. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Specyfika zastosowania modeli turbulencji w obliczeniach przepływów w ścieżkach naddźwiękowych zaawansowanych silników odrzutowych // Silnik. - 2012 r. - nr 1. - s. 20–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin ON, Uskov V.N. O klasyfikacji reżimów przepływu w kanale z nagłym rozszerzeniem // Termofizyka i Aeromechanika. - 2012 r. - nr 2. - S. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. Na oscylacjach przepływu o niskiej częstotliwości ciśnienia dennego // Badania podstawowe. - 2013 r. - nr 4 (3). – S. 545-549.

6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Badania i analiza „zimnych” przedmuchów modułu trakcyjnego silnika detonacyjnego pulsującego o wysokiej częstotliwości // Biuletyn MAI. - T.14. - nr 4 - M.: Wydawnictwo MAI-Print, 2007. - S. 36–42.

7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspektywy zastosowania technologii impulsowej detonacji w silnikach turboodrzutowych. OAO NPO Saturn NTC im. A. Lyulki, Moskwa, Rosja. Moskiewski Instytut Lotniczy (GTU). - Moskwa, Rosja. ISSN 1727-7337. Inżynieria i technologia lotnicza, 2011. - nr 9 (86).

Projekty detonacji w USA są objęte programem rozwoju zaawansowanych silników IHPTET. Współpraca obejmuje prawie wszystkie ośrodki badawcze zajmujące się budową silników. Sama NASA przeznacza na te cele do 130 milionów dolarów rocznie. Świadczy to o trafności badań w tym kierunku.

Przegląd prac w zakresie silników detonacyjnych

Strategia rynkowa czołowych światowych producentów ma na celu nie tylko rozwój nowych odrzutowych silników detonacyjnych, ale również modernizację istniejących poprzez zastąpienie tradycyjnej komory spalania detonacyjną. Ponadto silniki detonacyjne mogą stać się integralnym elementem instalacji kombinowanych różnych typów, np. mogą być stosowane jako dopalacz silnika turbowentylatorowego, jako silniki eżektorowe unoszące w samolotach VTOL (przykład na rys. 1 to Boeing VTOL). projekt transportowy).

W USA wiele ośrodków badawczych i uniwersytetów opracowuje silniki detonacyjne: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield i Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas w Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.

Wiodącą pozycję w rozwoju silników detonacyjnych zajmuje wyspecjalizowane centrum Seattle Aerosciences Center (SAC), wykupione w 2001 roku przez Pratt and Whitney od Adroit Systems. Większość prac centrum jest finansowana przez Siły Powietrzne i NASA z budżetu międzyagencyjnego programu Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), którego celem jest tworzenie nowych technologii dla silników odrzutowych różnych typów.

Ryż. 1. Patent US 6 793 174 B2 Boeinga, 2004 r.

Łącznie od 1992 roku specjaliści SAC przeprowadzili ponad 500 testów stanowiskowych próbek doświadczalnych. Prace nad silnikami z detonacją pulsacyjną (PDE) zużywającymi tlen atmosferyczny prowadzi SAC Center na zlecenie Marynarki Wojennej USA. Biorąc pod uwagę złożoność programu, specjaliści Marynarki Wojennej zaangażowali w jego realizację prawie wszystkie organizacje zajmujące się silnikami detonacyjnymi. Oprócz Pratta i Whitneya w pracach biorą udział United Technologies Research Center (UTRC) i Boeing Phantom Works.

Obecnie w naszym kraju nad tym aktualnym problemem teoretycznie pracują następujące uniwersytety i instytuty Rosyjskiej Akademii Nauk (RAS): Instytut Fizyki Chemicznej Rosyjskiej Akademii Nauk (ICP), Instytut Inżynierii Mechanicznej im. Rosyjska Akademia Nauk, Instytut Wysokich Temperatur Rosyjskiej Akademii Nauk (IVTAN), Nowosybirski Instytut Hydrodynamiki. Ławrentiew (ISIL), Instytut Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Christianovich (ITMP), Fizyko-Techniczny Instytut. Ioffe, Moskiewski Uniwersytet Państwowy (MGU), Moskiewski Państwowy Instytut Lotniczy (MAI), Nowosybirski Uniwersytet Państwowy, Czeboksary State University, Saratov State University itp.

Kierunki pracy silników impulsowo-detonacyjnych

Kierunek nr 1 - Klasyczny silnik detonacyjny impulsowy (PDE). Komora spalania typowego silnika odrzutowego składa się z dysz do mieszania paliwa z utleniaczem, urządzenia do rozpalania mieszanki paliwowej oraz samej płomienicy, w której zachodzą reakcje redoks (spalanie). Rura płomieniowa zakończona jest dyszą. Z reguły jest to dysza Lavala mająca część zbieżną, minimalną sekcję krytyczną, w której prędkość produktów spalania jest równa lokalnej prędkości dźwięku, część rozszerzającą się, w której ciśnienie statyczne produktów spalania jest zredukowane do ciśnienie w środowisku tak dalece, jak to możliwe. Bardzo zgrubne jest oszacowanie ciągu silnika jako powierzchni krytycznej sekcji dyszy pomnożonej przez różnicę ciśnień w komorze spalania i otoczeniu. Dlatego ciąg jest wyższy, im wyższe ciśnienie w komorze spalania.

Ciąg silnika z detonacją impulsową jest determinowany przez inne czynniki - przeniesienie impulsu przez falę detonacyjną na ścianę ciągu. Dysza w tym przypadku w ogóle nie jest potrzebna. Silniki z detonacją impulsową mają swoją niszę - tanie i jednorazowe samoloty. W tej niszy z powodzeniem rozwijają się w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów.

Klasyczny wygląd IDD to cylindryczna komora spalania, która posiada płaską lub specjalnie wyprofilowaną ścianę, zwaną „ścianką ciągnącą” (rys. 2). Prostota urządzenia IDD to jego niezaprzeczalna zaleta. Jak wynika z analizy dostępnych publikacji, pomimo różnorodności proponowanych schematów PDE, wszystkie charakteryzują się zastosowaniem rurek detonacyjnych o znacznej długości jako urządzeń rezonansowych oraz zastosowaniem zaworów zapewniających okresowe doprowadzenie płynu roboczego.

Należy zauważyć, że PDE, tworzony na bazie tradycyjnych lamp detonacyjnych, pomimo wysokiej sprawności termodynamicznej w pojedynczej pulsacji, posiada wady charakterystyczne dla klasycznych pulsujących silników odrzutowych, a mianowicie:

Niska częstotliwość (do 10 Hz) pulsacji, która decyduje o stosunkowo niskim poziomie średniej sprawności trakcyjnej;

Wysokie obciążenia termiczne i wibracyjne.

Ryż. 2. Schemat ideowy silnika impulsowo-detonacyjnego (PDE)

Kierunek nr 2 - Multipipe IDD. Głównym trendem w rozwoju IDD jest przejście na schemat wielorurowy (ryc. 3). W takich silnikach częstotliwość pracy pojedynczej rury pozostaje niska, ale ze względu na naprzemienne impulsy w różnych rurach twórcy mają nadzieję na uzyskanie akceptowalnych specyficznych cech. Taki schemat wydaje się całkiem wykonalny, jeśli rozwiązany zostanie problem drgań i asymetrii naporu, a także problem ciśnienia dennego, w szczególności ewentualnych drgań o niskiej częstotliwości w dolnym obszarze między rurami.

Ryż. 3. Impulsowy silnik detonacyjny (PDE) tradycyjnego schematu z pakietem rur detonacyjnych jako rezonatorów

Kierunek nr 3 - IDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości. Istnieje również kierunek alternatywny - szeroko reklamowany ostatnio schemat z modułami trakcyjnymi (rys. 4) ze specjalnie wyprofilowanym rezonatorem wysokiej częstotliwości. Prace w tym kierunku prowadzone są w NTC im. A. Lyulka i MAI. Schemat wyróżnia się brakiem mechanicznych zaworów i przerywanych urządzeń zapłonowych.

Moduł trakcyjny IDD proponowanego schematu składa się z reaktora i rezonatora. Reaktor służy do przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej do spalania detonacyjnego, rozkładającego cząsteczki mieszanki palnej na składniki aktywne chemicznie. Schemat ideowy jednego cyklu pracy takiego silnika jest wyraźnie pokazany na ryc. pięć.

Oddziałując z dolną powierzchnią rezonatora jak z przeszkodą, fala detonacyjna w procesie zderzenia przekazuje na nią impuls od sił nadciśnienia.

IDD z rezonatorami wysokiej częstotliwości mają prawo do sukcesu. W szczególności mogą twierdzić, że modernizują dopalacze i udoskonalają proste silniki turboodrzutowe, ponownie zaprojektowane do tanich UAV. Przykładem są próby MAI i CIAM modernizacji w ten sposób silnika turboodrzutowego MD-120 poprzez zastąpienie komory spalania reaktorem aktywacji mieszanki paliwowej oraz zainstalowanie za turbiną modułów trakcyjnych z rezonatorami wysokiej częstotliwości. Do tej pory nie było możliwe stworzenie działającego projektu, ponieważ. przy profilowaniu rezonatorów autorzy posługują się liniową teorią fal ściskających, tj. obliczenia wykonywane są w przybliżeniu akustycznym. Zupełnie inny aparat matematyczny opisuje dynamikę fal detonacyjnych i fal kompresji. Stosowanie standardowych pakietów numerycznych do obliczania rezonatorów wysokiej częstotliwości ma podstawowe ograniczenie. Wszystkie współczesne modele turbulencji oparte są na uśrednianiu w czasie równań Naviera-Stokesa (podstawowych równań dynamiki gazu). Ponadto wprowadzono założenie Boussinesqa, że ​​tensor naprężeń tarcia turbulentnego jest proporcjonalny do gradientu prędkości. Oba założenia nie są spełnione w przepływach turbulentnych z falami uderzeniowymi, jeżeli częstotliwości charakterystyczne są porównywalne z częstotliwością pulsacji turbulentnej. Niestety mamy do czynienia z takim przypadkiem, więc tutaj konieczne jest albo zbudowanie modelu wyższego poziomu, albo bezpośrednia symulacja numeryczna oparta na pełnych równaniach Naviera-Stokesa bez wykorzystania modeli turbulencji (zadanie nie do zniesienia na obecny etap).

Ryż. 4. Schemat PDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości

Ryż. Rys. 5. Schemat PDE z rezonatorem wysokiej częstotliwości: SZS - strumień naddźwiękowy; SW - fala uderzeniowa; Ф - skupienie rezonatora; DW - fala detonacyjna; VR - fala rozrzedzenia; SHW - odbita fala uderzeniowa

IDD są ulepszane w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów. Ten kierunek ma swoje prawo do życia w dziedzinie lekkich i tanich bezzałogowych statków powietrznych, a także w rozwoju różnych wzmacniaczy ciągu ejektorowego.

Uskov V.N., doktor nauk technicznych, profesor Katedry Hydroaeromechaniki Petersburskiego Uniwersytetu Państwowego, Wydział Matematyki i Mechaniki w Petersburgu;

Emelyanov V.N., doktor nauk technicznych, profesor, kierownik Katedry Dynamiki Gazów Plazmowych i Inżynierii Cieplnej, BSTU „VOENMEH” im. A.I. D.F. Ustinow, Petersburg.

Praca została odebrana przez redakcję 14 października 2013 roku.

Link bibliograficzny