Pod koniec stycznia pojawiły się doniesienia o nowych postępach w rosyjskiej nauce i technologii. Z oficjalnych źródeł wyszło na jaw, że jeden z krajowych projektów obiecującego silnika odrzutowego typu detonacyjnego przeszedł już etap testów. To przybliża moment całkowitego zakończenia wszystkich wymaganych prac, zgodnie z którymi pociski kosmiczne lub wojskowe rosyjskiej konstrukcji będą w stanie uzyskać nowe elektrownie o podwyższonych parametrach. Co więcej, nowe zasady działania silników mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w dziedzinie rakiet, ale także w innych dziedzinach.
Pod koniec stycznia wicepremier Dmitrij Rogozin poinformował prasę krajową o ostatnich sukcesach organizacji badawczych. Poruszył między innymi proces tworzenia silników odrzutowych z wykorzystaniem nowych zasad działania. Obiecujący silnik ze spalaniem detonacyjnym został już przetestowany. Zdaniem wicepremiera zastosowanie nowych zasad działania elektrowni pozwala na znaczne zwiększenie wydajności. W porównaniu z konstrukcjami tradycyjnej architektury następuje wzrost ciągu o około 30%.
Schemat silnika rakiety detonacyjnej
Nowoczesne silniki rakietowe różnych klas i typów, eksploatowane w różnych dziedzinach, wykorzystują tzw. cykl izobaryczny lub spalanie deflagracyjne. Ich komory spalania utrzymują stałe ciśnienie, przy którym paliwo spala się powoli. Silnik oparty na zasadach deflagracji nie potrzebuje szczególnie wytrzymałych jednostek, jednak ma ograniczoną maksymalną wydajność. Podnoszenie podstawowych cech, zaczynając od pewnego poziomu, okazuje się bezzasadnie trudne.
Alternatywą dla silnika z cyklem izobarycznym w kontekście poprawy osiągów jest system z tzw. spalanie detonacyjne. W tym przypadku reakcja utleniania paliwa zachodzi za falą uderzeniową poruszającą się z dużą prędkością przez komorę spalania. Nakłada to specjalne wymagania na konstrukcję silnika, ale jednocześnie oferuje oczywiste zalety. Pod względem efektywności spalania paliwa spalanie detonacyjne jest o 25% lepsze niż spalanie deflagracyjne. Od spalania przy stałym ciśnieniu różni się także zwiększoną mocą wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni frontu reakcji. Teoretycznie możliwe jest zwiększenie tego parametru o trzy do czterech rzędów wielkości. W konsekwencji, prędkość gazów reaktywnych można zwiększyć 20-25 razy.
W ten sposób silnik detonacyjny, o zwiększonej wydajności, jest w stanie rozwinąć większy ciąg przy mniejszym zużyciu paliwa. Jego przewaga nad tradycyjnymi wzorami jest oczywista, ale do niedawna postęp w tej dziedzinie pozostawiał wiele do życzenia. Zasady detonacyjnego silnika odrzutowego zostały sformułowane w 1940 roku przez radzieckiego fizyka Ya.B. Zeldovich, ale gotowe produkty tego rodzaju nie zostały jeszcze wykorzystane. Głównymi przyczynami braku realnych sukcesów są problemy ze stworzeniem dostatecznie mocnej konstrukcji, a także trudność wystrzelenia, a następnie utrzymania fali uderzeniowej przy wykorzystaniu istniejących paliw.
Jeden z najnowszych krajowych projektów w dziedzinie silników rakietowych detonacyjnych został uruchomiony w 2014 roku i jest rozwijany w NPO Energomash im. Akademik V.P. Głuszko. Według dostępnych danych celem projektu o kodzie „Ifrit” było zbadanie podstawowych zasad nowej technologii, a następnie stworzenie silnika rakietowego na paliwo ciekłe, wykorzystującego naftę i tlen gazowy. Nowy silnik, nazwany na cześć demonów ognia z arabskiego folkloru, opierał się na zasadzie spalania detonacji spinowej. Zatem zgodnie z główną ideą projektu fala uderzeniowa musi nieustannie poruszać się po okręgu wewnątrz komory spalania.
Głównym deweloperem nowego projektu był NPO Energomash, a właściwie stworzone na jego podstawie specjalne laboratorium. Ponadto w prace zaangażowanych było kilka innych organizacji badawczych i projektowych. Program otrzymał wsparcie Fundacji Advanced Research Foundation. Dzięki wspólnym wysiłkom wszystkim uczestnikom projektu Ifrit udało się stworzyć optymalny wygląd obiecującego silnika, a także stworzyć modelową komorę spalania o nowych zasadach działania.
Aby zbadać perspektywy całego kierunku i nowe pomysły, tzw. modelowa komora spalania detonacyjnego spełniająca wymagania projektu. Tak doświadczony silnik o zmniejszonej konfiguracji miał wykorzystywać jako paliwo płynną naftę. Jako środek utleniający zaproponowano gazowy wodór. W sierpniu 2016 rozpoczęły się testy prototypowej kamery. Ważne, że po raz pierwszy w historii projekt tego typu został doprowadzony do etapu testów stanowiskowych... Wcześniej opracowano krajowe i zagraniczne silniki rakietowe detonacyjne, ale nie były one testowane.
Podczas badań próbki modelowej uzyskano bardzo ciekawe wyniki, świadczące o poprawności zastosowanych podejść. Tak więc, dzięki zastosowaniu odpowiednich materiałów i technologii, udało się doprowadzić ciśnienie wewnątrz komory spalania do 40 atmosfer. Ciąg eksperymentalnego produktu osiągnął 2 tony.
Komora modelowa na stole probierczym
Pewne wyniki uzyskano w ramach projektu Ifrit, ale krajowy silnik detonacyjny na paliwo płynne jest nadal daleki od pełnego praktycznego zastosowania. Przed wprowadzeniem takiego sprzętu do nowych projektów technologicznych, projektanci i naukowcy muszą rozwiązać szereg najpoważniejszych problemów. Dopiero wtedy przemysł rakietowy i kosmiczny czy przemysł obronny będą mogły zacząć w praktyce wykorzystywać potencjał nowej technologii.
W połowie stycznia Rossiyskaya Gazeta opublikowała wywiad z głównym projektantem NPO Energomash Petrem Lewoczkinem na temat aktualnego stanu rzeczy i perspektyw silników detonacyjnych. Przedstawiciel firmy deweloperskiej przypomniał główne założenia projektu, a także poruszył temat osiągniętych sukcesów. Ponadto mówił o możliwych obszarach zastosowania „Ifrita” i podobnych struktur.
Na przykład, silniki detonacyjne mogą być stosowane w samolotach naddźwiękowych... P. Lyovochkin przypomniał, że silniki proponowane obecnie do stosowania w takim sprzęcie wykorzystują spalanie poddźwiękowe. Przy naddźwiękowej prędkości aparatu lotu powietrze wchodzące do silnika musi zostać spowolnione do trybu dźwięku. Jednak energia hamowania musi prowadzić do dodatkowych obciążeń termicznych płatowca. W silnikach detonacyjnych szybkość spalania paliwa osiąga co najmniej M = 2,5. Umożliwia to zwiększenie prędkości lotu samolotu. Taka maszyna z silnikiem typu detonacyjnego będzie w stanie rozpędzić się do prędkości ośmiokrotnej prędkości dźwięku.
Jednak realne perspektywy silników rakietowych typu detonacyjnego nie są jeszcze zbyt wielkie. Według P. Lyovochkina „właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego”. Naukowcy i projektanci będą musieli zbadać wiele zagadnień, a dopiero potem będzie można tworzyć konstrukcje o praktycznym potencjale. Z tego powodu przemysł kosmiczny przez długi czas będzie musiał korzystać z tradycyjnych silników na paliwo ciekłe, co jednak nie neguje możliwości ich dalszego doskonalenia.
Ciekawostką jest to, że detonacyjna zasada spalania jest stosowana nie tylko w silnikach rakietowych. Istnieje już krajowy projekt systemu lotniczego z komorą spalania typu detonacyjnego działającego na zasadzie impulsu. Prototyp tego typu został przetestowany i w przyszłości może dać początek nowemu kierunkowi. Nowe silniki ze spalaniem stukowym mogą znaleźć zastosowanie w wielu różnych obszarach i częściowo zastąpić silniki turbinowe lub turboodrzutowe o tradycyjnych konstrukcjach.
W OKB im. JESTEM. Kolebka. Informacje o tym projekcie zostały po raz pierwszy przedstawione na zeszłorocznym międzynarodowym forum wojskowo-technicznym „Army-2017”. Na stoisku firmy-dewelopera znajdowały się materiały dotyczące różnych silników, zarówno seryjnych, jak i będących w fazie rozwoju. Wśród tych ostatnich była obiecująca próbka detonacji.
Istotą nowej propozycji jest zastosowanie niestandardowej komory spalania zdolnej do pulsacyjnego spalania detonacyjnego paliwa w atmosferze powietrza. W takim przypadku częstotliwość „wybuchów” wewnątrz silnika musi osiągnąć 15-20 kHz. W przyszłości istnieje możliwość dalszego zwiększania tego parametru, w wyniku czego hałas silnika wykroczy poza zakres odbierany przez ludzkie ucho. Takie cechy silnika mogą być interesujące.
Pierwsze uruchomienie eksperymentalnego produktu „Ifrit”
Jednak główne zalety nowej elektrowni związane są z poprawą wydajności. Testy laboratoryjne prototypów wykazały, że przewyższają one tradycyjne silniki z turbiną gazową o około 30% w określonych wskaźnikach. Do czasu pierwszej publicznej demonstracji materiałów na silniku OKB im. JESTEM. Kołyski były w stanie uzyskać dość wysokie parametry wydajności. Doświadczony silnik nowego typu był w stanie pracować przez 10 minut bez przerwy. Całkowity czas pracy tego produktu na stoisku w tym czasie przekroczył 100 godzin.
Przedstawiciele dewelopera wskazali, że już teraz możliwe jest stworzenie nowego silnika detonacyjnego o ciągu 2-2,5 tony, nadającego się do montażu na lekkich samolotach lub bezzałogowych statkach powietrznych. W konstrukcji takiego silnika proponuje się zastosowanie tzw. urządzenia rezonatorowe odpowiedzialne za prawidłowy przebieg spalania paliwa. Ważną zaletą nowego projektu jest fundamentalna możliwość zainstalowania takich urządzeń w dowolnym miejscu płatowca.
Eksperci OKB im. JESTEM. Kolebki pracują nad silnikami lotniczymi z impulsowym spalaniem detonacyjnym od ponad trzech dekad, ale jak dotąd projekt nie wyszedł z fazy badawczej i nie ma realnych perspektyw. Głównym powodem jest brak zamówienia i niezbędne fundusze. Jeśli projekt otrzyma niezbędne wsparcie, to w przewidywalnej przyszłości można stworzyć przykładowy silnik, odpowiedni do zastosowania na różnych urządzeniach.
Do tej pory rosyjskim naukowcom i projektantom udało się wykazać bardzo niezwykłe wyniki w dziedzinie silników odrzutowych wykorzystujących nowe zasady działania. Istnieje kilka projektów na raz, które nadają się do wykorzystania w przestrzeni rakietowej i obszarach naddźwiękowych. Ponadto nowe silniki mogą znaleźć zastosowanie w „tradycyjnym” lotnictwie. Niektóre projekty są wciąż na wczesnym etapie i nie są jeszcze gotowe do inspekcji i innych prac, podczas gdy w innych obszarach osiągnięto już najbardziej niezwykłe wyniki.
Badając temat detonacyjnych silników odrzutowych, rosyjscy specjaliści byli w stanie stworzyć model ławki komory spalania o pożądanych właściwościach. Eksperymentalny produkt „Ifrit” przeszedł już testy, podczas których zebrano dużą ilość różnych informacji. Z pomocą uzyskanych danych rozwój kierunku będzie kontynuowany.
Opanowanie nowego kierunku i przełożenie pomysłów na praktyczną formę zajmie dużo czasu, dlatego w dającej się przewidzieć przyszłości rakiety kosmiczne i wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości będą wyposażone wyłącznie w tradycyjne silniki na paliwo ciekłe. Niemniej prace wyszły już z etapu czysto teoretycznego i teraz każde próbne uruchomienie eksperymentalnego silnika przybliża moment budowy pełnoprawnych pocisków z nowymi elektrowniami.
Na podstawie materiałów z witryn:
http://silnik.spacja/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Federacja Rosyjska jako pierwsza na świecie pomyślnie przetestowała detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe. Nowa elektrownia powstała w NPO Energomash. To sukces rosyjskiego przemysłu rakietowego i kosmicznego, powiedział korespondentowi Federalna Agencja Prasowa obserwator naukowy Aleksander Galkin.
Jak informowaliśmy na oficjalnej stronie internetowej Foundation for Advanced Study, ciąg w nowym silniku powstaje w wyniku kontrolowanej eksplozji podczas interakcji pary paliwowej tlen-nafta.
„Znaczenie sukcesu tych testów dla zaawansowanego rozwoju budowy silników krajowych jest trudne do przecenienia [...] Silniki rakietowe tego typu to przyszłość” – powiedział zastępca dyrektora generalnego i główny projektant NPO Energomash Władimir Czwanow.
Należy zauważyć, że inżynierowie przedsiębiorstwa od dwóch lat jeżdżą na udany test nowej elektrowni. Prace badawcze przeprowadzili naukowcy z Nowosybirskiego Instytutu Hydrodynamiki. M.A.Lavrent'ev z Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk i Moskiewskiego Instytutu Lotnictwa.
„Myślę, że to nowe słowo w branży rakietowej i mam nadzieję, że przyda się rosyjskiej kosmonautyce. Energomash jest obecnie jedyną konstrukcją, która rozwija silniki rakietowe i z powodzeniem je sprzedaje. Niedawno wyprodukowali dla Amerykanów silnik RD-181, który pod względem całkowitej mocy jest słabszy od sprawdzonego RD-180. Ale faktem jest, że w budowie silników pojawił się nowy trend - spadek masy wyposażenia pokładowego statków kosmicznych prowadzi do tego, że silniki stają się mniej wydajne. Wynika to ze zmniejszenia usuniętej wagi. Trzeba więc życzyć powodzenia naukowcom i inżynierom Energomash, który działa i coś mu się udaje. Mamy też kreatywne głowy ”Alexander Galkin jest pewien.
Należy zauważyć, że sama zasada tworzenia strumienia strumieniowego poprzez kontrolowane eksplozje może rodzić pytanie o bezpieczeństwo przyszłych lotów. Jednak nie martw się, ponieważ fala uderzeniowa jest skręcona w komorze spalania silnika.
„Jestem pewien, że zostanie wynaleziony system tłumienia drgań dla nowych silników, ponieważ w zasadzie tradycyjne pojazdy nośne, które zostały opracowane Siergiej Pawłowicz Korolew oraz Walentyna Pietrowicz Głuszkoń, nadał także kadłubowi statku silne wibracje. Ale jakoś wygrali, znaleźli sposób na zgaszenie kolosalnego wstrząsu. Tutaj wszystko będzie takie samo ”- podsumowuje ekspert.
Obecnie pracownicy NPO Energomash prowadzą dalsze badania nad stabilizacją ciągu i zmniejszeniem obciążenia konstrukcji nośnej elektrowni. Jak zauważono w przedsiębiorstwie, działanie pary paliwowej tlen-nafta i sama zasada tworzenia siły nośnej zapewnia mniejsze zużycie paliwa przy większej mocy. W przyszłości rozpoczną się testy pełnowymiarowego modelu, który być może posłuży do wystrzelenia ładunków lub nawet astronautów na orbitę planety.
W rzeczywistości zamiast stałego płomienia czołowego w strefie spalania powstaje fala detonacyjna poruszająca się 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.
Co ciekawe, w 1940 roku sowiecki fizyk Ya.B. Zeldovich zaproponował ideę silnika detonacyjnego w artykule „O wykorzystaniu energii podczas spalania detonacyjnego”. Od tego czasu wielu naukowców z różnych krajów pracowało nad obiecującym pomysłem, teraz Stany Zjednoczone, teraz Niemcy, teraz nasi rodacy wyszli do przodu.
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 podczas spalania mieszanki przy stałym ciśnieniu i stałym czole płomienia. Podczas spalania mieszanina gazowa paliwa i utleniacza gwałtownie podnosi temperaturę, a kolumna płomienia uchodzącego z dyszy tworzy ciąg strumienia.
Podczas spalania detonacyjnego produkty reakcji nie mają czasu na rozkład, ponieważ proces ten jest 100 razy szybszy niż deflagacja i ciśnienie gwałtownie wzrasta, ale objętość pozostaje niezmieniona. Wyzwolenie tak dużej ilości energii może faktycznie zniszczyć silnik samochodu, dlatego proces ten często kojarzy się z wybuchem.
W rzeczywistości zamiast stałego płomienia czołowego w strefie spalania powstaje fala detonacyjna poruszająca się z prędkością ponaddźwiękową. W takiej fali sprężania detonuje się paliwo i utleniacz, proces ten, z punktu widzenia termodynamiki, zwiększa sprawność silnika o rząd wielkości, ze względu na zwartość strefy spalania. Dlatego specjaliści tak gorliwie zaczęli rozwijać ten pomysł.
W konwencjonalnym silniku rakietowym na paliwo ciekłe, który w rzeczywistości jest dużym palnikiem, nie chodzi o komorę spalania i dyszę, ale o turbopompę paliwa (TNA), która wytwarza takie ciśnienie, że paliwo przenika do wnętrza izba. 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 jest przemieszczającą się falą sprężania w mieszance paliwowej, w której ciśnienie bez TPA jest już 20 razy wyższe, a turbosprężarki są zbędne. Aby było jasne, amerykański „Shuttle” ma ciśnienie w komorze spalania 200 atm, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atm do dostarczenia mieszanki - to jak pompa rowerowa i HPP Sayano-Shushenskaya.
W tym przypadku silnik oparty na detonacji jest nie tylko prostszy i tańszy o rząd wielkości, ale znacznie mocniejszy i bardziej ekonomiczny niż konwencjonalny silnik rakietowy.
Na drodze do realizacji projektu silnika detonacyjnego powstał problem radzenia sobie z falą detonacyjną. Zjawisko to nie jest tylko falą uderzeniową, która ma prędkość dźwięku, a falą detonacyjną rozchodzącą się z prędkością 2500 m/s, nie ma w niej stabilizacji frontu płomienia, mieszanka jest odnawiana przy każdej pulsacji i fala jest ponownie uruchamiana.
Wcześniej inżynierowie rosyjscy i francuscy opracowali i zbudowali pulsujące silniki odrzutowe, ale nie na zasadzie detonacji, ale w oparciu o pulsację konwencjonalnego spalania. Charakterystyki takich PUVRD były niskie, a kiedy konstruktorzy silników opracowali pompy, turbiny i sprężarki, nadeszła era silników odrzutowych i silników rakietowych na paliwo ciekłe, a pulsujące pozostały na uboczu postępu. Jasne umysły 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. Wydawało się niemożliwe wprowadzenie w życie takiego tempa odnawiania mieszanki i jednoczesne zainicjowanie detonacji.
W USA można było zbudować taki silnik pulsacyjny z detonacją i przetestować go w powietrzu, jednak działał on tylko 10 sekund, ale priorytetem pozostali amerykańscy konstruktorzy. Ale już w latach 60. ubiegłego wieku radziecki naukowiec B.V. Voitsekhovsky i praktycznie 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 umieszczonymi wzdłuż jej promienia dyszami doprowadzającymi paliwo. Fala detonacyjna biegnie jak wiewiórka w kole po obwodzie, mieszanka paliwowa ściska się i wypala, przepychając produkty spalania przez dyszę. W silniku spinowym uzyskujemy częstotliwość rotacji fali rzędu kilku tysięcy na sekundę, jej praca jest podobna do pracy w silniku na paliwo ciekłe, tylko bardziej wydajna dzięki detonacji mieszanki paliwowej.
W ZSRR i USA, a później w Rosji trwają prace nad stworzeniem obrotowego silnika detonacyjnego z ciągłą falą, aby zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz, a do tego powstała cała nauka - kinetyka fizykochemiczna. 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. Z pomocą w opracowaniu takiego silnika przyszedł Fundusz Badań Zaawansowanych, bo nie można uzyskać dofinansowania z Ministerstwa Obrony - wystarczy gwarantowany wynik.
Mimo to podczas testów w Chimkach w Energomash zarejestrowano ustalony stan ciągłej detonacji spinowej - 8 tys. obrotów na sekundę na mieszaninie tlenowo-naftowej. W tym przypadku 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.
Wideo: „Energomash” jako pierwszy na świecie przetestował detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe
Co tak naprawdę kryje się za doniesieniami o pierwszym na świecie detonacyjnym silniku rakietowym testowanym w Rosji?
Pod koniec sierpnia 2016 roku światowe agencje informacyjne rozesłały wiadomość: na jednym ze stoisk NPO Energomash w Chimkach pod Moskwą uruchomiono pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik rakietowy na paliwo ciekłe (LRE) wykorzystujący detonacyjne spalanie paliwa - . Na to wydarzenie krajowa nauka i technologia trwa od 70 lat. Pomysł silnika detonacyjnego został zaproponowany przez radzieckiego fizyka Ja B. Zeldowicza w artykule „O wykorzystaniu energii w procesie spalania detonacyjnego” opublikowanym w „Journal of Technical Physics” w 1940 roku. Od tego czasu na całym świecie trwają badania i eksperymenty nad praktycznym wdrażaniem obiecujących technologii. W tym wyścigu umysłów najpierw Niemcy, potem Stany Zjednoczone, a potem ZSRR wysunęły się do przodu. A teraz Rosja zapewniła sobie ważny priorytet w światowej historii technologii. W ostatnich latach nasz kraj rzadko mógł się czymś takim pochwalić.
Na grzbiecie fali
Testowanie detonacyjnego silnika rakietowego na paliwo ciekłe
Jakie są zalety silnika detonacyjnego? W tradycyjnych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe, podobnie jak w konwencjonalnych samolotowych silnikach tłokowych lub turboodrzutowych, wykorzystywana jest energia uwalniana podczas spalania paliwa. W komorze spalania silnika rakietowego na paliwo ciekłe powstaje nieruchomy front płomienia, w którym spalanie zachodzi pod stałym ciśnieniem. Ten normalny proces spalania nazywa się deflagracją. W wyniku interakcji paliwa i utleniacza temperatura mieszaniny gazów gwałtownie wzrasta i z dyszy wyrywa się ognista kolumna produktów spalania, które tworzą ciąg strumienia.
Detonacja to także spalanie, ale dzieje się to 100 razy szybciej niż przy spalaniu konwencjonalnym paliwem. Proces ten jest tak szybki, że często detonację myli się z wybuchem, zwłaszcza że uwalniana jest tak duża ilość energii, że np. silnik samochodowy, gdy to zjawisko występuje w jego cylindrach, może w rzeczywistości się zawalić. Jednak detonacja nie jest eksplozją, ale rodzajem spalania tak szybkiego, że produkty reakcji nie mają nawet czasu na rozprężenie, dlatego proces ten, w przeciwieństwie do deflagracji, przebiega ze stałą objętością i gwałtownie rosnącym ciśnieniem.
W praktyce wygląda to tak: zamiast stacjonarnego frontu płomienia w mieszance paliwowej, wewnątrz komory spalania powstaje fala detonacyjna, która porusza się z prędkością ponaddźwiękową. W tej fali sprężania następuje detonacja mieszanki paliwa i utleniacza, a proces ten jest znacznie bardziej wydajny z termodynamicznego punktu widzenia niż spalanie konwencjonalnego paliwa. Sprawność spalania detonacyjnego jest o 25-30% wyższa, to znaczy przy spalaniu tej samej ilości paliwa uzyskuje się większy ciąg, a ze względu na zwartość strefy spalania silnik detonacyjny jest teoretycznie o rząd wielkości wyższy niż konwencjonalne silniki rakietowe pod względem mocy pobieranej z jednostki objętości.
Już samo to wystarczyło, aby zwrócić na ten pomysł jak największą uwagę specjalistów. Przecież stagnacja, jaka pojawiła się w rozwoju światowej kosmonautyki, która od pół wieku tkwi na orbicie okołoziemskiej, jest związana przede wszystkim z kryzysem w napędach rakietowych. Nawiasem mówiąc, w kryzysie znajduje się również lotnictwo, które nie jest w stanie przekroczyć progu trzech prędkości dźwięku. Kryzys ten można porównać do sytuacji w samolotach tłokowych pod koniec lat 30. XX wieku. Śmigło i silnik spalinowy wyczerpały swój potencjał i dopiero pojawienie się silników odrzutowych umożliwiło osiągnięcie jakościowo nowego poziomu wysokości, prędkości i zasięgu lotu.
Silnik rakiety detonacyjnej
Konstrukcje klasycznych silników rakietowych na paliwo ciekłe zostały w ciągu ostatnich dziesięcioleci dopracowane do perfekcji i praktycznie osiągnęły granicę swoich możliwości. Ich specyficzne właściwości można w przyszłości zwiększyć tylko w bardzo nieznacznych granicach – o kilka procent. Dlatego światowa kosmonautyka jest zmuszona podążać szeroką ścieżką rozwoju: w przypadku załogowych lotów na Księżyc konieczne jest zbudowanie gigantycznych rakiet nośnych, a to jest bardzo trudne i szalenie drogie, przynajmniej dla Rosji. Próba przezwyciężenia kryzysu za pomocą silników jądrowych natknęła się na problemy środowiskowe. Pojawienie się detonacyjnych silników rakietowych na paliwo ciekłe jest być może zbyt wcześnie, aby porównać je z przejściem lotnictwa do ciągu odrzutowego, ale są one w stanie przyspieszyć proces eksploracji kosmosu. Ponadto ten typ silnika odrzutowego ma jeszcze jedną bardzo ważną zaletę.
GRES w miniaturze
Konwencjonalny silnik rakietowy jest w zasadzie dużym palnikiem. Aby zwiększyć jego ciąg i specyficzne właściwości, konieczne jest podniesienie ciśnienia w komorze spalania. W takim przypadku paliwo, które jest wtryskiwane do komory przez dysze, musi być dostarczane pod wyższym ciśnieniem niż podczas procesu spalania, w przeciwnym razie strumień paliwa po prostu nie może przeniknąć do komory. Dlatego najbardziej złożoną i najdroższą jednostką w silniku na paliwo ciekłe nie jest komora z dyszą, która jest widoczna, ale jednostka turbopompy paliwa (TNA), ukryta we wnętrzu rakiety wśród zawiłości rurociągów.
Na przykład najpotężniejszy na świecie silnik rakietowy RD-170, stworzony dla pierwszego etapu radzieckiej superciężkiej rakiety nośnej Energia przez tę samą NPO Energia, ma ciśnienie w komorze spalania 250 atmosfer. To dużo. Ale ciśnienie na wylocie pompy tlenu pompującej utleniacz do komory spalania osiąga 600 atm. Do napędzania tej pompy używana jest turbina o mocy 189 MW! Wyobraź sobie to: koło turbiny o średnicy 0,4 m rozwija moc czterokrotnie większą niż atomowy lodołamacz „Arktika” z dwoma reaktorami jądrowymi! Jednocześnie THA jest złożonym urządzeniem mechanicznym, którego wałek wykonuje 230 obrotów na sekundę i musi pracować w środowisku ciekłego tlenu, gdzie w rurociągu nie ma nawet najmniejszej iskry, ale ziarnko piasku. prowadzi do eksplozji. Technologie tworzenia takiego TNA są głównym know-how Energomash, którego posiadanie pozwala dziś rosyjskiej firmie sprzedawać swoje silniki do montażu na amerykańskich pojazdach nośnych Atlas V i Antares. W Stanach Zjednoczonych nie ma jeszcze alternatywy dla rosyjskich silników.
W przypadku silnika detonacyjnego takie trudności nie są konieczne, ponieważ ciśnienie dla bardziej wydajnego spalania zapewnia sama detonacja, która jest falą sprężania przemieszczającą się w mieszance paliwowej. Podczas detonacji ciśnienie wzrasta 18–20 razy bez TNA.
Aby uzyskać warunki w komorze spalania silnika detonacyjnego, które są równoważne np. z warunkami w komorze spalania silnika na paliwo płynne American Shuttle (200 atm), wystarczy dostarczyć paliwo pod ciśnieniem ... 10 atm. Potrzebna do tego jednostka, w porównaniu z TNA klasycznego silnika rakietowego na paliwo płynne, jest jak pompa rowerowa w pobliżu Sayano-Sushenskaya GRES.
Oznacza to, że silnik detonacyjny będzie nie tylko mocniejszy i bardziej ekonomiczny niż konwencjonalny silnik na paliwo ciekłe, ale także o rząd wielkości prostszy i tańszy. Dlaczego więc tej prostoty nie dano projektantom od 70 lat?
Puls postępu
Głównym problemem inżynierów było poradzenie sobie z falą detonacyjną. Chodzi nie tylko o to, aby silnik był mocniejszy, aby mógł wytrzymać zwiększone obciążenia. Detonacja to nie tylko fala uderzeniowa, ale coś bardziej przebiegłego. Fala uderzeniowa rozchodzi się z prędkością dźwięku, a fala detonacyjna z prędkością ponaddźwiękową do 2500 m/s. Nie tworzy stabilnego frontu płomienia, więc praca takiego silnika pulsuje: po każdej detonacji konieczne jest odnowienie mieszanki paliwowej, a następnie rozpoczęcie w niej nowej fali.
Próby stworzenia pulsującego silnika odrzutowego podjęto na długo przed pomysłem detonacji. To właśnie w zastosowaniu pulsujących silników odrzutowych próbowano znaleźć alternatywę dla silników tłokowych w latach 30. XX wieku. Znowu przyciągnęła prostota: w przeciwieństwie do turbiny lotniczej do pulsującego silnika odrzutowego (PUVRD), ani kompresor obracający się z prędkością 40 000 obr./min nie był potrzebny do pompowania powietrza do nienasyconej macicy komory spalania, ani pracy w temperaturze gazu ponad 1000˚С turbiny. W PUVRD ciśnienie w komorze spalania powodowało pulsacje podczas spalania paliwa.
Pierwsze patenty na pulsujący silnik odrzutowy uzyskał niezależnie w 1865 r. Charles de Louvrier (Francja) oraz w 1867 r. Nikołaj Afanasjewicz Teleszow (Rosja). Pierwszy wykonalny projekt PUVRD został opatentowany w 1906 roku przez rosyjskiego inżyniera V.V. Karavodin, który rok później zbudował modelową instalację. Ze względu na szereg niedociągnięć instalacja Karavodin nie znalazła zastosowania w praktyce. Pierwszym PUVRD, który działał na prawdziwym samolocie, był niemiecki Argus As 014, oparty na patencie monachijskiego wynalazcy Paula Schmidta z 1931 roku. Argus został stworzony z myślą o „broni odwetu” – skrzydlatej bombie V-1. Podobny projekt został stworzony w 1942 roku przez radzieckiego projektanta Władimira Chelomeya dla pierwszego radzieckiego pocisku manewrującego 10X.
Oczywiście silniki te jeszcze nie detonowały, ponieważ wykorzystywały pulsacje konwencjonalnego spalania. Częstotliwość tych pulsacji była niska, co generowało charakterystyczny dźwięk karabinu maszynowego podczas pracy. Ze względu na przerywaną pracę, specyfika PUVRD była średnio niska, a po tym, jak konstruktorzy pod koniec lat 40. poradzili sobie z trudnościami w tworzeniu sprężarek, pomp i turbin, silniki turboodrzutowe i silniki na paliwo ciekłe stały się królami niebo, a PUVRD pozostał na peryferiach postępu technologicznego....
Ciekawe, że pierwsze PUVRD zostały stworzone przez niemieckich i radzieckich projektantów niezależnie od siebie. Nawiasem mówiąc, nie tylko Zeldovich wpadł na pomysł silnika detonacyjnego w 1940 roku. Równolegle z nim te same myśli wyrazili Von Neumann (USA) i Werner Doering (Niemcy), dlatego w nauce międzynarodowej model wykorzystania spalania detonacyjnego nazwano ZND.
Pomysł połączenia PUVRD ze spalaniem detonacyjnym był bardzo kuszący. Ale przód zwykłego płomienia rozprzestrzenia się z prędkością 60-100 m / s, a częstotliwość jego pulsacji w PUVRD nie przekracza 250 na sekundę. A front detonacji porusza się z prędkością 1500-2500 m/s, zatem częstotliwość pulsacji powinna wynosić tysiące na sekundę. W praktyce trudno było zrealizować takie tempo odnowy mieszaniny i inicjacji detonacji.
Niemniej jednak kontynuowano próby stworzenia sprawnych silników pulsacyjnych detonacyjnych. Praca specjalistów Sił Powietrznych USA w tym kierunku została zwieńczona stworzeniem silnika demonstracyjnego, który po raz pierwszy wzbił się w powietrze 31 stycznia 2008 r. na eksperymentalnym samolocie Long-EZ. W historycznym locie silnik pracował… 10 sekund na wysokości 30 metrów. Niemniej jednak priorytetem w tym przypadku pozostały Stany Zjednoczone, a samolot słusznie zajął miejsce w Muzeum Narodowym Sił Powietrznych USA.
Tymczasem od dawna wynaleziono inny, znacznie bardziej obiecujący schemat silnika detonacyjnego.
Jak wiewiórka na kole
Pomysł, aby zapętlić falę detonacyjną i sprawić, by poruszała się ona w komorze spalania jak wiewiórka w kole, zrodziła się wśród naukowców na początku lat 60. XX wieku. Zjawisko detonacji spinowej (rotacyjnej) teoretycznie przewidział sowiecki fizyk z Nowosybirska B.V. Voitsekhovsky w 1960 roku. Niemal równocześnie z nim, w 1961 roku, ten sam pomysł wyraził Amerykanin J. Nicholls z University of Michigan.
Obrotowy lub spinowy silnik detonacyjny jest strukturalnie pierścieniową komorą spalania, do której paliwo dostarczane jest za pomocą promieniowo rozmieszczonych wtryskiwaczy. Fala detonacyjna wewnątrz komory nie porusza się w kierunku osiowym, jak w PUVRD, ale po okręgu, ściskając i spalając znajdującą się przed nią mieszankę paliwową i ostatecznie wypychając produkty spalania z dyszy w taki sam sposób jak śruba maszynki do mięsa wypycha mięso mielone. Zamiast częstotliwości pulsacji otrzymujemy częstotliwość rotacji fali detonacyjnej, która może sięgać kilku tysięcy na sekundę, czyli w praktyce silnik nie pracuje jako silnik pulsacyjny, ale jak konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe ze spalaniem stacjonarnym, ale o wiele wydajniej, gdyż detonacja w nim mieszanki paliwowej faktycznie zachodzi....
W ZSRR, podobnie jak w USA, prace nad obrotowym silnikiem detonacyjnym trwają od początku lat 60., ale znowu, mimo pozornej prostoty pomysłu, jego realizacja wymagała rozwiązania zagadkowych pytań teoretycznych. Jak zorganizować proces, aby fala nie zawilgociła? Konieczne było zrozumienie najbardziej złożonych procesów fizykochemicznych zachodzących w środowisku gazowym. Tutaj obliczenia nie były już prowadzone na poziomie molekularnym, ale na poziomie atomowym, na styku chemii i fizyki kwantowej. Procesy te są bardziej złożone niż te, które zachodzą podczas generowania wiązki laserowej. Dlatego laser działa od dawna, a silnik detonacyjny nie. Aby zrozumieć te procesy, konieczne było stworzenie nowej podstawowej nauki - kinetyki fizykochemicznej, która nie istniała 50 lat temu. A do praktycznego obliczenia warunków, w których fala detonacyjna nie zaniknie, ale stanie się samowystarczalna, potrzebne były potężne komputery, które pojawiły się dopiero w ostatnich latach. To był fundament, który należało położyć pod fundament praktycznych sukcesów w oswajaniu detonacji.
Aktywna praca w tym kierunku jest prowadzona w Stanach Zjednoczonych. Badania te są prowadzone przez Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Na przykład laboratorium badawcze Marynarki Wojennej USA opracowuje turbiny gazowe z detonacją spinową dla Marynarki Wojennej. Marynarka Wojenna USA wykorzystuje 430 turbin gazowych na 129 statkach i zużywa rocznie 3 miliardy dolarów na paliwo. Wprowadzenie bardziej ekonomicznych silników z turbiną gazową detonacyjną (GTE) pozwoli zaoszczędzić ogromne pieniądze.
W Rosji nad silnikami detonacyjnymi pracowały i nadal pracują dziesiątki instytutów badawczych i biur projektowych. Wśród nich jest NPO Energomash, wiodąca firma produkująca silniki w rosyjskim przemyśle kosmicznym, z wieloma przedsiębiorstwami, z którymi współpracuje VTB Bank. Prace nad silnikiem rakiety detonacyjnej prowadzono przez ponad rok, ale aby wierzchołek góry lodowej tej pracy błyszczał pod słońcem w postaci udanego testu, organizacyjny i finansowy udział osławionej Fundacji dla zaawansowanych badań (FPI). To FPI przeznaczyło niezbędne środki na utworzenie w 2014 roku specjalistycznego laboratorium „Detonacja LRE”. W końcu, pomimo 70 lat badań, ta technologia nadal pozostaje „zbyt obiecująca” w Rosji, aby mogła być finansowana przez klientów takich jak Ministerstwo Obrony, którzy z reguły potrzebują gwarantowanego praktycznego wyniku. I wciąż jest od tego bardzo daleko.
Poskromienie złośnicy
Chciałbym wierzyć, że po tym wszystkim, co zostało powiedziane powyżej, tytaniczna praca, która pojawia się między wierszami krótkiego sprawozdania z testów, które odbyły się w Energomash w Chimkach w lipcu-sierpniu 2016 r., staje się zrozumiała: fale o częstotliwości około 20 kHz (częstotliwość rotacji fali wynosi 8 tysięcy obrotów na sekundę) na parze paliwowej „tlen - nafta”. Udało się uzyskać kilka fal detonacyjnych, które równoważą wzajemnie obciążenia wibracyjne i uderzeniowe. Powłoki termoizolacyjne opracowane specjalnie w Keldysh Center pomogły radzić sobie z obciążeniami o wysokiej temperaturze. Silnik wytrzymał kilka rozruchów przy ekstremalnych obciążeniach wibracyjnych i bardzo wysokich temperaturach przy braku chłodzenia warstwy ścianki. Szczególną rolę w tym sukcesie odegrało stworzenie modeli matematycznych i wtryskiwaczy paliwa, które umożliwiły uzyskanie mieszanki o konsystencji niezbędnej do pojawienia się detonacji.”
Oczywiście nie należy przesadzać z wagą osiągniętego sukcesu. Stworzono jedynie silnik demonstracyjny, który działał przez stosunkowo krótki czas i nic nie zostało zgłoszone o jego prawdziwych właściwościach. Według NPO Energomash, detonacyjny silnik rakietowy zwiększy ciąg o 10% podczas spalania takiej samej ilości paliwa, jak w konwencjonalnym silniku, a jednostkowy impuls ciągu powinien wzrosnąć o 10-15%.
Stworzenie pierwszego na świecie pełnowymiarowego silnika rakietowego detonacyjnego zapewniło Rosji ważny priorytet w światowej historii nauki i techniki.
Ale głównym wynikiem jest to, że możliwość zorganizowania spalania detonacyjnego w silniku rakietowym na paliwo ciekłe została praktycznie potwierdzona. Jednak przed zastosowaniem tej technologii w prawdziwym samolocie jest jeszcze długa droga. Innym ważnym aspektem jest to, że naszemu krajowi przypisano teraz kolejny światowy priorytet w dziedzinie wysokich technologii: po raz pierwszy na świecie w Rosji uruchomiono pełnowymiarowy silnik rakietowy detonacyjny i fakt ten pozostanie w historii nauka i technologia.
Do praktycznej realizacji idei silnika rakietowego detonacyjnego zajęło 70 lat ciężkiej pracy naukowców i projektantów.
Zdjęcie: Fundacja Studiów Zaawansowanych
Ogólna ocena materiału: 5
PODOBNE MATERIAŁY (WEDŁUG ETYKIET):
Grafen jest przezroczysty, magnetyczny i filtruje wodę
Ojcem wideo jest Alexander Ponyatov i AMPEXBiuro Projektów Eksperymentalnych Lyulka opracowało, wyprodukowało i przetestowało prototyp silnika detonacyjnego z pulsacyjnym rezonatorem z dwustopniowym spalaniem mieszanki nafta-powietrze. Według ITAR-TASS średni zmierzony ciąg silnika wynosił około stu kilogramów, a czas ciągłej pracy przekraczał dziesięć minut. Do końca tego roku OKB zamierza wyprodukować i przetestować pełnowymiarowy silnik z detonacją pulsacyjną.
Według głównego konstruktora Biura Projektowego Lyulka, Aleksandra Tarasowa, podczas testów symulowano tryby pracy typowe dla silników turboodrzutowych i strumieniowych. Zmierzone wartości ciągu jednostkowego i jednostkowego zużycia paliwa okazały się o 30-50 proc. lepsze niż w przypadku konwencjonalnych silników odrzutowych. W trakcie eksperymentów wielokrotnie włączano i wyłączano nowy silnik, a także kontrolę trakcji.
Na podstawie przeprowadzonych badań, uzyskanych podczas badań danych, a także analizy projektu obwodów, Biuro Projektowe Lyulka zamierza zaproponować opracowanie całej rodziny silników lotniczych z pulsującą detonacją. W szczególności można stworzyć silniki o krótkiej żywotności do bezzałogowych statków powietrznych i pocisków oraz silniki lotnicze z przelotowym trybem lotu naddźwiękowego.
W przyszłości, w oparciu o nowe technologie, mogą powstać silniki do systemów rakietowych i kosmicznych oraz połączone elektrownie samolotów zdolne do wykonywania lotów w atmosferze i poza nią.
Według biura konstrukcyjnego nowe silniki zwiększą stosunek ciągu do masy samolotu o 1,5-2 razy. Ponadto przy użyciu takich elektrowni zasięg lotu lub masa uzbrojenia lotniczego może wzrosnąć o 30-50 procent. Jednocześnie udział nowych silników będzie 1,5-2 razy mniejszy niż w przypadku konwencjonalnych silników odrzutowych.
O tym, że w Rosji trwają prace nad stworzeniem pulsującego silnika detonacyjnego, poinformowano w marcu 2011 roku. O tym powiedział wtedy Ilya Fedorov, dyrektor zarządzający stowarzyszenia badawczo-produkcyjnego Saturn, w skład którego wchodzi Biuro Projektowe Lyulka. Jaki rodzaj silnika detonacyjnego był omawiany, Fiodorow nie sprecyzował.
Obecnie istnieją trzy rodzaje silników pulsacyjnych - zaworowe, bezzaworowe i detonacyjne. Zasada działania tych elektrowni polega na okresowym dopływie paliwa i utleniacza do komory spalania, gdzie następuje zapłon mieszanki paliwowej, a produkty spalania wypływają z dyszy z wytworzeniem ciągu strumieniowego. Różnica w stosunku do konwencjonalnych silników odrzutowych polega na spalaniu detonacyjnym mieszanki paliwowej, w którym front spalania rozchodzi się szybciej niż prędkość dźwięku.
Pulsujący silnik odrzutowy został wynaleziony pod koniec XIX wieku przez szwedzkiego inżyniera Martina Wiberga. Pulsujący silnik jest uważany za prosty i tani w produkcji, jednak ze względu na charakter spalania paliwa jest zawodny. Po raz pierwszy nowy typ silnika został użyty seryjnie podczas II wojny światowej w niemieckich pociskach manewrujących V-1. Były napędzane silnikiem Argus As-014 firmy Argus-Werken.
Obecnie kilka dużych firm obronnych na świecie zajmuje się badaniami nad stworzeniem wysokowydajnych pulsujących silników odrzutowych. W szczególności prace są prowadzone przez francuską firmę SNECMA oraz amerykańskie General Electric i Pratt & Whitney. W 2012 roku Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej USA ogłosiło zamiar opracowania silnika z detonacją spinową, który zastąpiłby konwencjonalne systemy napędowe z turbiną gazową na statkach.
Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (NRL) zamierza opracować Rotating Detonation Engine (RDE), który mógłby ostatecznie zastąpić konwencjonalne systemy napędowe z turbiną gazową na statkach. Według NRL nowe silniki pozwolą wojsku na zmniejszenie zużycia paliwa przy jednoczesnym zwiększeniu efektywności energetycznej układu napędowego.
Marynarka Wojenna USA używa obecnie 430 silników z turbiną gazową (GTE) na 129 statkach. Rocznie zużywają 2 miliardy dolarów w paliwie. NRL szacuje, że dzięki RDE wojsko będzie w stanie zaoszczędzić rocznie na paliwie nawet 400 mln dolarów. RDE będą w stanie generować o dziesięć procent więcej energii niż konwencjonalne GTE. Prototyp RDE już powstał, ale nie wiadomo jeszcze, kiedy takie silniki zaczną wchodzić do floty.
RDE opiera się na osiągnięciach NRL uzyskanych podczas tworzenia silnika detonacji impulsowej (PDE). Działanie takich elektrowni opiera się na stabilnym spalaniu detonacyjnym mieszanki paliwowej.
Silniki spinowo-detonacyjne różnią się od pulsujących tym, że spalanie detonacyjne zawartej w nich mieszanki paliwowej zachodzi w sposób ciągły – front spalania porusza się w pierścieniowej komorze spalania, w której mieszanka paliwowa jest stale aktualizowana.