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 r., rosyjskim naukowcom udało się stworzyć po raz pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik odrzutowy na paliwo ciekłe, działający na zasadzie spalania detonacyjnego 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 następuje detonacja paliwa i utleniacza, 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 jest zasadniczo dużym palnikiem, nie chodzi o komorę spalania i dyszę, ale o turbopompę paliwa (TNA), która tworzy takie ciśnienie, że paliwo wnika do komory. Na przykład w rosyjskich pojazdach nośnych RD-170 LPRE for 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 wędrującą falą sprężania w mieszance paliwowej, w której ciśnienie bez TPA jest już 20 razy wyższe, a turbosprężarki 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 jak pompka rowerowa i HPP 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. radzenia sobie z falą detonacyjną powstał. 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 każdym pulsowaniu 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. Bystre 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. W praktyce wydawało się to niemożliwe do zrealizowania takiego tempa odnowy mieszanki i jednoczesnego zainicjowania detonacji.
W USA można było zbudować taki pulsacyjny silnik detonacyjny i przetestować go w powietrzu, jednak działał on tylko 10 sekund, ale priorytet pozostał przy amerykańskich konstruktorach. 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 umieszczonymi wzdłuż 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 falą ciągłą, aby zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz, dla których powstała cała nauka o kinetyce fizykochemicznej. 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 Zaawansowanych Badań, bo nie można uzyskać dofinansowania z Ministerstwa Obrony - wystarczy gwarantowany wynik.
Niemniej jednak 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 powiedziano o jego cechach. Ale najważniejsze jest to, że udowodniono możliwość powstania spalania detonacyjnego i stworzono w Rosji pełnowymiarowy silnik spinowy, który na zawsze pozostanie w historii nauki.
Kurier Wojskowo-Przemysłowy ma świetne wieści w dziedzinie przełomowej technologii rakietowej. W Rosji testowano silnik rakiety detonacyjnej – poinformował w piątek na swoim profilu na Facebooku wicepremier Dmitrij Rogozin.
„Tzw. silniki rakietowe detonacyjne, opracowane w ramach programu Advanced Research Fund, zostały pomyślnie przetestowane” – mówi wicepremier Interfax-AVN.
Uważa się, że detonacyjny silnik rakietowy jest jednym ze sposobów realizacji koncepcji tzw. hiperdźwięku silnika, czyli stworzenia samolotu hipersonicznego zdolnego do osiągnięcia prędkości Mach 4-6 (Mach to prędkość dźwięku ) dzięki własnemu silnikowi.
Portal russia-reborn.ru udziela wywiadu z jednym z wiodących specjalistów od silników specjalistycznych w Rosji na temat silników rakietowych do detonacji.
Wywiad z Piotrem Lyovochkinem, głównym projektantem NPO Energomash nazwanym na cześć akademika V.P. Glushko.
Powstają silniki do pocisków naddźwiękowych przyszłości
Przeprowadzono pomyślne testy tzw. silników rakietowych detonacyjnych z bardzo interesującymi wynikami. Prace rozwojowe w tym kierunku będą kontynuowane.
Detonacja to eksplozja. Czy możesz sprawić, by było to możliwe do opanowania? Czy na bazie takich silników można stworzyć broń hipersoniczną? Jakie silniki rakietowe wystrzelą bezzałogowe i załogowe pojazdy w bliską przestrzeń kosmiczną? To nasza rozmowa z zastępcą dyrektora generalnego - głównym projektantem NPO Energomash imieniem akademika V.P. Glushko, Piotra Lyovochkina.
Petr Sergeevich, jakie możliwości otwierają nowe silniki?
Piotr Ljowoczkin: Mówiąc o niedalekiej przyszłości, dziś pracujemy nad silnikami do takich pocisków 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 to być wszystko - naziemne, księżycowe, marsjańskie. 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?
Piotr Lyovochkin: Jeśli mówimy o parametrach energetycznych i termodynamicznych silników, to możemy powiedzieć, że zarówno nasze, jak i najlepsze dziś zagraniczne chemiczne silniki rakietowe osiągnęły pewien poziom doskonałości. Na przykład sprawność spalania paliwa sięga 98,5%. Oznacza to, że prawie cała energia chemiczna paliwa w silniku jest przekształcana w energię cieplną strumienia gazu wypływającego z dyszy.
Możesz ulepszać silniki w różnych kierunkach. To zastosowanie bardziej energochłonnych komponentów paliwowych, wprowadzenie nowych rozwiązań obiegowych, 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 zwiększanie charakterystyki energetycznej silników w tradycyjny sposób jest nieefektywne.
Użycie kontrolowanej eksplozji paliwa może dać rakiety ośmiokrotnie większą prędkość dźwięku
Czemu?
Petr Lyovochkin: Wzrost 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 złożoność konstrukcji i jej masa wzrasta, zysk energetyczny okazuje się nie tak duży. Gra nie będzie warta świeczki.
Oznacza to, że silniki rakietowe wyczerpały swój zasób rozwojowy?
Piotr Ljowoczkin: Nie do końca. Pod względem 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. Wdrożenie tego efektu w praktyce obiecywało bardzo duże perspektywy w rakietach. Nic dziwnego, że Niemcy w tych samych latach aktywnie badali proces detonacji spalania. Ale nie wyszli poza niezbyt 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 rakietowych na ciecz.
A jakie są zalety spalania detonacyjnego w porównaniu z klasycznym spalaniem?
Petr Lyovochkin: 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, konstruktorów silników, oznacza to, że przy znacznie mniejszym silniku detonacyjnym i niskiej masie paliwa można uzyskać taki sam ciąg, jak w ogromnych nowoczesnych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe.
Nie jest tajemnicą, że silniki z detonacyjnym spalaniem paliwa powstają również za granicą. Jakie są nasze stanowiska? Czy jesteśmy gorsi, czy jesteśmy na ich poziomie, czy też prowadzimy?
Piotr Lyovochkin: Nie zgadzamy się - to na pewno. Ale nie mogę też powiedzieć, że jesteśmy w czołówce. Temat jest wystarczająco zamknięty. Jedną z głównych tajemnic technologicznych jest zapewnienie, aby paliwo i utleniacz silnika rakietowego nie paliły się, ale eksplodowały, nie niszcząc komory spalania. To znaczy w rzeczywistości, aby prawdziwa eksplozja była kontrolowana i kontrolowana. Dla porównania: detonacja to spalanie paliwa przed naddźwiękową falą uderzeniową. Rozróżnić detonację impulsową, 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 wiadomo, eksperymentalne badania spalania detonacyjnego przeprowadzono przy udziale pańskich specjalistów. Jakie wyniki uzyskano?
Piotr Lyovochkin: Prowadzono 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 jest Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Lavrentieva, MAI, „Keldysh Center”, Centralny Instytut Silników Lotniczych im LICZBA PI. Baranova, Wydział Mechaniki i Matematyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. 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 także na świecie. Dlatego oczywiście były problemy. Po pierwsze wiąże się 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.
Czy w pociskach naddźwiękowych można zastosować silnik detonacyjny?
Piotr Ljowoczkin: Jest to możliwe i konieczne. Choćby dlatego, że spalanie w nim paliwa jest naddźwiękowe. A w tych silnikach, na których teraz próbują stworzyć kontrolowany samolot naddźwiękowy, spalanie jest poddźwiękowe. A to stwarza wiele problemów. W końcu, jeśli spalanie w silniku jest poddźwiękowe, a silnik leci, powiedzmy, z prędkością pięciu kroków (jeden skok jest równy prędkości dźwięku), konieczne jest spowolnienie nadchodzącego przepływu powietrza do dźwięku tryb. W związku z tym cała energia tego hamowania jest zamieniana na ciepło, co prowadzi do dodatkowego przegrzania konstrukcji.
A w silniku detonacyjnym proces spalania zachodzi z prędkością co najmniej dwa i pół raza większą niż dźwiękowa. I odpowiednio możemy zwiększyć prędkość samolotu o tę kwotę. Oznacza to, że mówimy już nie o pięciu, ale o ośmiu huśtawkach. Taka jest obecnie osiągalna prędkość samolotów z silnikami naddźwiękowymi, które będą wykorzystywały zasadę spalania detonacyjnego.
Petr Lyovochkin: To trudne pytanie. Właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego. Poza nawiasami naszych badań wciąż pozostaje wiele niezbadanych. Dziś wspólnie z RSC Energia staramy się ustalić, jak silnik jako całość z komorą detonacyjną może wyglądać w przyszłości w odniesieniu do wyższych stopni.
Na jakich silnikach dana osoba będzie latać na odległe planety?
Petr Lyovochkin: Moim zdaniem przez długi czas będziemy latać tradycyjnymi silnikami rakietowymi, aby je ulepszyć. Chociaż z pewnością rozwijają się inne typy silników rakietowych, na przykład elektryczne silniki rakietowe (są znacznie wydajniejsze od silników rakietowych na ciecz - ich impuls właściwy jest 10 razy wyższy). Niestety, dzisiejsze silniki i rakiety nośne nie pozwalają nam mówić o rzeczywistości ogromnych lotów międzyplanetarnych, nie mówiąc już o lotach międzygalaktycznych. Wszystko tutaj jest wciąż na poziomie fantazji: silniki fotonowe, teleportacja, lewitacja, fale grawitacyjne. Choć z drugiej strony jeszcze niewiele ponad sto lat temu prace Juliusza Verne'a postrzegano jako czystą fantazję. Być może niedługo nastąpi rewolucyjny przełom w dziedzinie, w której pracujemy. W tym w zakresie praktycznego tworzenia rakiet z wykorzystaniem energii wybuchu.
Dokumentacja „RG”:
„Stowarzyszenie Naukowo-Produkcyjne Energomash” zostało założone przez Walentina Pietrowicza Głuszko w 1929 roku. Teraz nosi jego imię. Opracowuje i produkuje silniki rakietowe na paliwo ciekłe do I, w niektórych przypadkach II stopnia rakiet nośnych. NPO opracowało ponad 60 różnych silników odrzutowych na paliwo ciekłe. Pierwszy satelita został wystrzelony na silnikach Energomash, pierwszy człowiek poleciał w kosmos i wystrzelono pierwszy samobieżny pojazd Lunokhod-1. Obecnie ponad dziewięćdziesiąt procent pojazdów nośnych w Rosji startuje z silnikami opracowanymi i wyprodukowanymi przez NPO Energomash.
Testy silników detonacyjnych
FPI_RUSSIA / Vimeo
Specjalistyczne laboratorium "Detonacyjne silniki rakietowe na paliwo ciekłe" stowarzyszenia badawczo-produkcyjnego "Energomash" przetestowało pierwsze na świecie pełnowymiarowe demonstratory technologii detonacyjnych silników rakietowych na paliwo ciekłe. Według TASS, nowe elektrownie działają na parze tlenowo-naftowej.
Nowy silnik, w przeciwieństwie do innych elektrowni działających na zasadzie spalania wewnętrznego, działa dzięki detonacji paliwa. Detonacja to naddźwiękowe spalanie substancji, w tym przypadku mieszanki paliwowej. W takim przypadku przez mieszaninę rozchodzi się fala uderzeniowa, po której następuje reakcja chemiczna z uwolnieniem dużej ilości ciepła.
Badanie zasad działania i rozwoju silników detonacyjnych jest prowadzone w niektórych krajach świata od ponad 70 lat. Pierwsze takie prace rozpoczęły się w Niemczech w latach 40. XX wieku. To prawda, że wtedy naukowcom nie udało się stworzyć działającego prototypu silnika detonacyjnego, ale pulsujące silniki odrzutowe zostały opracowane i wyprodukowane masowo. Zostały umieszczone na rakietach V-1.
W pulsujących silnikach odrzutowych paliwo spalało się z prędkością poddźwiękową. To spalanie nazywa się deflagracją. Silnik nazywany jest silnikiem pulsacyjnym, ponieważ paliwo i utleniacz były dostarczane do jego komory spalania małymi porcjami w regularnych odstępach czasu.
Mapa ciśnień w komorze spalania silnika z detonacją obrotową. A - fala detonacyjna; B - krawędź spływu fali uderzeniowej; C - strefa mieszania świeżych i starych produktów spalania; D - obszar napełniania mieszanką paliwową; E - obszar niewydetonowanej spalonej mieszanki paliwowej; F - strefa rozprężania z detonowaną spaloną mieszanką paliwową
Obecnie silniki detonacyjne dzielą się na dwa główne typy: impulsowe i obrotowe. Te ostatnie nazywane są również spinem. Zasada działania silników impulsowych jest podobna do pulsujących silników odrzutowych. Główna różnica polega na spalaniu detonacyjnym mieszanki paliwowej w komorze spalania.
Obrotowe silniki detonacyjne wykorzystują pierścieniową komorę spalania, w której mieszanka paliwowa jest dostarczana szeregowo przez zawory umieszczone promieniowo. W takich elektrowniach detonacja nie tłumi - fala detonacyjna "obiega" pierścieniową komorę spalania, mieszanina paliwowa za nią ma czas na odnowienie się. Silnik obrotowy został po raz pierwszy zbadany w ZSRR w latach 50. XX wieku.
Silniki detonacyjne mogą pracować w szerokim zakresie prędkości lotu - od zera do pięciu liczb Macha (0-6,2 tys. km/h). Uważa się, że takie układy napędowe mogą dostarczać więcej mocy przy mniejszym zużyciu paliwa niż konwencjonalne silniki odrzutowe. Jednocześnie konstrukcja silników detonacyjnych jest stosunkowo prosta: brakuje im sprężarki i wielu ruchomych części.
Wszystkie przetestowane do tej pory silniki detonacyjne zostały zaprojektowane z myślą o samolotach eksperymentalnych. Taka elektrownia, przetestowana w Rosji, jest pierwszą instalowaną na rakiecie. Jaki typ silnika detonacyjnego był testowany nie jest określony.
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, ze zwiększoną wydajnością, 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 gazowy tlen. 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 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 Piotrem Lowoczkinem 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 wlatujące 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 będzie musiał przez długi czas 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 jednocześnie odpowiednich do zastosowania w przestrzeni rakietowej i hipersonicznej. Ponadto nowe silniki mogą znaleźć zastosowanie również 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 laboratoryjny komory spalania o pożądanych właściwościach. Eksperymentalny produkt „Ifrit” przeszedł już testy, podczas których zebrano dużą ilość różnych informacji. Przy pomocy 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/
Podczas gdy cała postępowa ludzkość z krajów NATO przygotowuje się do rozpoczęcia testów silnika detonacyjnego (testy mogą odbyć się w 2019 roku (a raczej znacznie później)), zacofana Rosja ogłosiła zakończenie testów takiego silnika.
Ogłoszenie zostało ogłoszone dość spokojnie i nikogo nie strasząc. Ale na Zachodzie, zgodnie z przewidywaniami, przestraszyli się i zaczęło się histeryczne wycie - pozostaniemy w tyle do końca życia. Prace nad silnikiem detonacyjnym (DD) trwają w Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Francji i Chinach. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją powody, by sądzić, że Irak i Korea Północna są zainteresowane rozwiązaniem problemu - bardzo obiecującym rozwojem, który w rzeczywistości oznacza nowy etap w rakietach. I ogólnie w budowie silników.
Pomysł silnika detonacyjnego został po raz pierwszy ogłoszony w 1940 roku przez radzieckiego fizyka Ya.B. Zeldowicz. A stworzenie takiego silnika obiecywało ogromne korzyści. Dla silnika rakietowego, na przykład:
- Moc jest 10 000 razy większa niż w konwencjonalnym silniku rakietowym. W tym przypadku mówimy o mocy otrzymanej z jednostki objętości silnika;
- 10 razy mniej paliwa na jednostkę mocy;
- DD jest po prostu znacznie (kilka razy) tańszy od standardowego silnika rakietowego.
Silnik rakietowy na paliwo ciekłe jest tak dużym i bardzo drogim palnikiem. A jest to kosztowne, ponieważ do utrzymania stabilnego spalania potrzebna jest duża liczba mechanizmów mechanicznych, hydraulicznych, elektronicznych i innych. Bardzo złożona produkcja. Tak skomplikowane, że Stany Zjednoczone przez wiele lat nie były w stanie stworzyć własnego silnika na paliwo płynne i są zmuszone do zakupu RD-180 od Rosji.
Rosja już wkrótce otrzyma seryjny, niezawodny i niedrogi lekki silnik rakietowy. Ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami:
rakieta może udźwignąć wielokrotnie większą ładowność - sam silnik waży znacznie mniej, paliwo zużywa się 10 razy mniej na deklarowany zasięg lotu. Możesz też po prostu zwiększyć ten zasięg 10 razy;
koszt rakiety zmniejsza się kilkakrotnie. To dobra odpowiedź dla tych, którzy lubią organizować wyścig zbrojeń z Rosją.
A potem jest głęboka przestrzeń... Po prostu otwierają się fantastyczne perspektywy jej eksploracji.
Amerykanie mają jednak rację i teraz nie ma czasu na przestrzeń kosmiczną - już przygotowywane są pakiety sankcyjne, aby silnik detonacyjny nie powstał w Rosji. Zrobią co w ich mocy, aby się wtrącić - nasi naukowcy wysunęli bardzo poważne roszczenia o przywództwo.
07 lut 2018 Tagi: 2311Dyskusja: 3 komentarze
* Moc jest 10 000 razy większa niż w konwencjonalnym silniku rakietowym. W tym przypadku mówimy o mocy otrzymanej z jednostki objętości silnika;
10 razy mniej paliwa na jednostkę mocy;
—————
jakoś nie pasuje do innych publikacji:
„W zależności od konstrukcji może przewyższyć oryginalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe pod względem wydajności od 23-27% dla typowej konstrukcji z rozszerzającą się dyszą, do 36-37% wzrostu strumienia powietrza do powietrza silnik (silniki rakietowe klinowo-powietrzne)
Są w stanie zmienić ciśnienie wypływającego strumienia gazu w zależności od ciśnienia atmosferycznego i zaoszczędzić do 8-12% paliwa na całym odcinku wodowania konstrukcji (główne oszczędności występują na niskich wysokościach, gdzie osiąga 25- 30%). ”