Eksploracja kosmosu nieświadomie kojarzy się ze statkami kosmicznymi. Sercem każdej rakiety nośnej jest jej silnik. Musi rozwinąć pierwszą prędkość kosmiczną – około 7,9 km/s, aby wynieść astronautów na orbitę, a drugą prędkość kosmiczną, aby pokonać pole grawitacyjne planety.
Nie jest to łatwe do osiągnięcia, ale naukowcy nieustannie poszukują nowych sposobów rozwiązania tego problemu. Projektanci z Rosji poszli jeszcze dalej i zdołali opracować silnik rakietowy detonacyjny, którego testy zakończyły się sukcesem. To osiągnięcie można nazwać prawdziwym przełomem w dziedzinie inżynierii kosmicznej.
Nowe szanse
Dlaczego wiąże się duże nadzieje z silnikami detonacyjnymi? Według obliczeń naukowców ich moc będzie 10 tys. razy większa niż moc istniejących silników rakietowych. Jednocześnie będą zużywać znacznie mniej paliwa, a ich produkcję wyróżniać będzie niski koszt i opłacalność. Jaki jest tego powód?
Chodzi o reakcję utleniania paliwa. Jeśli nowoczesne rakiety wykorzystują proces deflagracji - powolne (poddźwiękowe) spalanie paliwa przy stałym ciśnieniu, to silnik rakiety detonacyjnej działa z powodu wybuchu, detonacji mieszanki palnej. Spala się z prędkością ponaddźwiękową z uwolnieniem ogromnej ilości energii cieplnej jednocześnie z propagacją fali uderzeniowej.
Opracowanie i testowanie rosyjskiej wersji silnika detonacyjnego zostało przeprowadzone przez specjalistyczne laboratorium „Detonation LRE” w ramach kompleksu produkcyjnego „Energomash”.
Wyższość nowych silników
Czołowi światowi naukowcy badają i rozwijają silniki detonacyjne od 70 lat. Głównym powodem uniemożliwiającym powstanie tego typu silnika jest niekontrolowane samozapłon paliwa. Ponadto na agendzie znalazły się zadania efektywnego mieszania paliwa i utleniacza, a także integracji dyszy i wlotu powietrza.
Po rozwiązaniu tych problemów możliwe będzie stworzenie silnika rakietowego detonacyjnego, który w swoich parametrach technicznych przekroczy czas. Jednocześnie naukowcy nazywają te zalety:
- Możliwość rozwijania prędkości w zakresach poddźwiękowych i naddźwiękowych.
- Eliminacja wielu ruchomych części z projektu.
- Niższa waga i koszt elektrowni.
- Wysoka sprawność termodynamiczna.
Seryjnie tego typu silnik nie był produkowany. Został po raz pierwszy przetestowany na nisko latających samolotach w 2008 roku. Silnik detonacyjny do rakiet nośnych został po raz pierwszy przetestowany przez rosyjskich naukowców. Dlatego to wydarzenie ma tak duże znaczenie.
Zasada działania: impulsowa i ciągła
Obecnie naukowcy opracowują instalacje z pulsacyjnym i ciągłym procesem pracy. Zasada działania detonacyjnego silnika rakietowego z pulsacyjnym schematem działania opiera się na cyklicznym napełnianiu komory spalania mieszanką palną, jego sekwencyjnym zapłonie i uwalnianiu produktów spalania do środowiska.
Odpowiednio, w ciągłej pracy, paliwo jest podawane do komory spalania w sposób ciągły, paliwo spala się w postaci jednej lub więcej fal detonacyjnych, które w sposób ciągły krążą w strumieniu. Zaletami takich silników są:
- Pojedynczy zapłon paliwa.
- Stosunkowo prosta konstrukcja.
- Małe wymiary i waga instalacji.
- Bardziej efektywne wykorzystanie mieszanki palnej.
- Niski poziom hałasu, wibracji i emisji.
W przyszłości, wykorzystując te zalety, detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe o pracy ciągłej wyprze wszystkie istniejące instalacje ze względu na swoje właściwości masowo-wymiarowe i kosztowe.
Testy silników detonacyjnych
Pierwsze próby krajowej jednostki detonacyjnej przeprowadzono w ramach projektu Ministerstwa Edukacji i Nauki. Jako prototyp zaprezentowano mały silnik z komorą spalania o średnicy 100 mm i pierścieniowym kanałem o szerokości 5 mm. Badania przeprowadzono na specjalnym stanowisku, wskaźniki rejestrowano podczas pracy na różnego rodzaju mieszaninach palnych - wodór-tlen, gaz ziemny-tlen, propan-butan-tlen.
Badania detonacyjnego silnika rakietowego na paliwie tlenowo-wodorowym wykazały, że cykl termodynamiczny tych instalacji jest o 7% sprawniejszy niż w innych instalacjach. Dodatkowo potwierdzono doświadczalnie, że wraz ze wzrostem ilości dostarczanego paliwa rośnie również ciąg, liczba fal detonacyjnych i prędkość obrotowa.
Analogi w innych krajach
W rozwój silników detonacyjnych zaangażowani są naukowcy z wiodących krajów świata. Największy sukces w tym kierunku odnieśli projektanci ze Stanów Zjednoczonych. W swoich modelach zaimplementowali ciągły sposób pracy, czyli rotacyjny. Wojsko USA planuje wykorzystać te instalacje do wyposażenia okrętów nawodnych. Ze względu na mniejszą wagę i niewielkie rozmiary przy dużej mocy wyjściowej pomogą zwiększyć wydajność łodzi bojowych.
Do jego pracy wykorzystuje się stechiometryczną mieszaninę wodoru i tlenu w amerykańskim detonacyjnym silniku rakietowym. Zalety takiego źródła energii są przede wszystkim ekonomiczne - spala się tylko tyle tlenu, ile jest potrzebne do utlenienia wodoru. Teraz rząd USA wydaje kilka miliardów dolarów na dostarczanie okrętom wojennym paliwa węglowego. Paliwo stechiometryczne pozwoli kilkukrotnie obniżyć koszty.
Dalsze kierunki rozwoju i perspektywy
Nowe dane uzyskane w wyniku testów silników detonacyjnych determinowały zastosowanie całkowicie nowych metod budowy schematu działania na paliwie ciekłym. Ale do funkcjonowania takie silniki muszą mieć wysoką odporność na ciepło ze względu na dużą ilość uwalnianej energii cieplnej. W tej chwili opracowywana jest specjalna powłoka, która zapewni działanie komory spalania pod wpływem wysokiej temperatury.
Szczególne miejsce w dalszych badaniach zajmuje tworzenie głowic mieszających, za pomocą których będzie można uzyskać kropelki materiału palnego o określonej wielkości, stężeniu i składzie. Aby rozwiązać te problemy, zostanie stworzony nowy detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe, który stanie się podstawą nowej klasy rakiet nośnych.
Biuro 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 testowania 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 odrzutowych systemów napędowych.
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 zastosowano 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 prowadzą francuska firma 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 potencjalnie 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 kiedy takie silniki zaczną wchodzić do floty, wciąż nie wiadomo.
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.
Silnik detonacyjny jest często postrzegany jako alternatywa dla standardowego silnika spalinowego lub rakietowego. Jest porośnięty wieloma mitami i legendami. Te legendy rodzą się i żyją tylko dlatego, że ludzie, którzy je rozpowszechniają, zapomnieli o szkolnym kursie fizyki, a nawet pominęli go całkowicie!
Zwiększenie gęstości mocy lub ciągu
Pierwsze złudzenie.
Od 100-krotnego wzrostu szybkości spalania paliwa będzie można zwiększyć moc jednostkową (na jednostkę objętości roboczej) silnika spalinowego. W przypadku silników rakietowych działających w trybie detonacji ciąg na jednostkę masy wzrośnie 100-krotnie.
Uwaga: Jak zawsze nie jest jasne, o jakiej masie mówimy - masa płynu roboczego czy cała rakieta jako całość.
Nie ma związku między prędkością spalania paliwa a mocą właściwą.
Istnieje związek między stopniem kompresji a gęstością mocy. W przypadku benzynowych silników spalinowych stopień sprężania wynosi około 10. W silnikach wykorzystujących tryb detonacji można go zwiększyć około 2 razy, co jest dokładnie tym, co osiąga się w silnikach wysokoprężnych, które mają stopień sprężania około 20. W rzeczywistości, działają w trybie detonacji. To znaczy oczywiście stopień sprężania można zwiększyć, ale po detonacji nikt tego nie potrzebuje! Nie może być mowy o 100 razy!! Co więcej, objętość robocza silnika spalinowego to powiedzmy 2 litry, objętość całego silnika to 100 lub 200 l. Oszczędność objętości wyniesie 1% !!! Ale dodatkowe „zużycie” (grubość ścian, nowe materiały itp.) Będzie mierzone nie w procentach, ale w czasach lub dziesiątkach razy !!
Na przykład. Wykonana praca jest z grubsza proporcjonalna do V * P (proces adiabatyczny ma współczynniki, ale nie zmienia teraz istoty). Jeśli objętość zostanie zmniejszona 100 razy, ciśnienie początkowe powinno wzrosnąć 100 razy! (do wykonania tej samej pracy).
Pojemność w litrach można zwiększyć, jeśli całkowicie zrezygnujemy ze sprężania lub pozostawimy na tym samym poziomie, ale węglowodory (w większych ilościach) i czysty tlen w stosunku wagowym około 1:2,6-4, w zależności od składu węglowodorów, lub ciekły tlen w ogólnie (gdzie już było :-)). Wtedy możliwe jest zwiększenie zarówno pojemności litrów, jak i wydajności (ze względu na wzrost „współczynnika rozprężania”, który może osiągnąć nawet 6000!). Ale po drodze jest zarówno zdolność komory spalania do wytrzymania takich ciśnień i temperatur, jak i potrzeba „zasilania” nie tlenem atmosferycznym, ale przechowywanym czystym lub nawet ciekłym tlenem!
Właściwie, pewnego rodzaju jest to użycie podtlenku azotu. Podtlenek azotu to po prostu sposób na wprowadzenie zwiększonej ilości tlenu do komory spalania.
Ale te metody nie mają nic wspólnego z detonacją !!
Można zaproponować dalszy rozwój tak egzotycznych metod zwiększania mocy litra - zastosowanie fluoru zamiast tlenu. Jest silniejszym środkiem utleniającym, tj. Reakcje z nim przebiegają z doskonałym uwolnieniem energii.
Zwiększenie prędkości strumienia strumieniowego
Cynowanie drugiego.
W silnikach rakietowych wykorzystujących detonacyjne tryby pracy, w wyniku tego, że tryb spalania zachodzi przy prędkościach wyższych niż prędkość dźwięku w danym środowisku (która zależy od temperatury i ciśnienia), parametry ciśnienia i temperatury w komorze spalania kilkakrotnie zwiększyć prędkość wychodzących reaktywnych dżetów. Poprawia to proporcjonalnie wszystkie parametry takiego silnika, w tym zmniejszenie jego masy i zużycia, a co za tym idzie wymaganego zasilania paliwem.
Jak wspomniano powyżej, stopień kompresji nie może być zwiększony więcej niż 2 razy. Ale znowu, szybkość przepływu gazów zależy od dostarczanej energii i ich temperatury! (Prawo zachowania energii). Przy tej samej ilości energii (tej samej ilości paliwa) prędkość można zwiększyć tylko poprzez obniżenie ich temperatury. Ale to już jest utrudnione przez prawa termodynamiki.
Silniki rakietowe detonacyjne to przyszłość podróży międzyplanetarnych
Trzecie nieporozumienie.
Tylko silniki rakietowe oparte na technologiach detonacyjnych umożliwiają uzyskanie parametrów prędkości wymaganych do lotów międzyplanetarnych w oparciu o reakcję utleniania chemicznego.
Cóż, to złudzenie przynajmniej logicznie spójne. Wynika to z dwóch pierwszych.
Żadna technologia nie jest w stanie wycisnąć niczego z reakcji utleniania! Przynajmniej dla znanych substancji. Szybkość przepływu zależy od bilansu energetycznego reakcji. Część tej energii, zgodnie z prawami termodynamiki, można zamienić na pracę (energię kinetyczną). Te. nawet jeśli cała energia przejdzie w energię kinetyczną, to jest to granica oparta na prawie zachowania energii i nie można przekroczyć żadnych detonacji, stopni kompresji itp.
Oprócz bilansu energetycznego bardzo ważnym parametrem jest „energia na nukleon”. Jeśli wykonasz małe obliczenia, możesz otrzymać, że reakcja utleniania atomu węgla (C) daje 1,5 razy więcej energii niż reakcja utleniania cząsteczki wodoru (H2). Jednak ze względu na fakt, że produkt utleniania węgla (CO2) jest 2,5 razy cięższy niż produkt utleniania wodoru (H2O), szybkość wypływu gazów z silników wodorowych wynosi 13%. To prawda, że należy również wziąć pod uwagę pojemność cieplną produktów spalania, ale daje to bardzo małą poprawkę.
Pulsujący silnik detonacyjny był testowany w Rosji
Biuro 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 testowania danych, a także analizy projektu obwodu, 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, można będzie tworzyć silniki do systemów rakietowo-kosmicznych i połączonych elektrowni samolotów zdolnych do latania 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 odrzutowych systemów napędowych.
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 prowadzą francuska firma 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.
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.
Ekologia konsumpcji Nauka i technologia: pod koniec sierpnia 2016 r. światowe agencje informacyjne rozpowszechniły wiadomość: na jednym ze stoisk NPO Energomash w Chimkach pod Moskwą, pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik rakietowy na paliwo ciekłe (LRE) wykorzystujący rozpoczęto detonacyjne spalanie paliwa.
Pod koniec sierpnia 2016 roku światowe agencje informacyjne rozesłały wiadomość: na jednym ze stoisk NPO Energomash w Chimkach pod Moskwą wprowadzono pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik rakietowy na paliwo ciekłe (LRE) wykorzystujący detonacyjne spalanie paliwa. operacja. 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
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 przebiega tak szybko, że często detonację mylona jest z wybuchem, zwłaszcza że uwalniana jest tak duża ilość energii, że np. silnik samochodowy, gdy to zjawisko zachodzi 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 obecnie 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.
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. Być może pojawienie się silników rakietowych detonacyjnych jest zbyt wczesne, aby porównać je z przejściem lotnictwa do ciągu odrzutowego, ale są one w stanie przyspieszyć proces eksploracji kosmosu. Co więcej, 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 zespół turbopompy paliwa (TNA), ukryty we wnętrznościach 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 równoważne np. z warunkami w komorze spalania silnika na paliwo płynne American Shuttle (200 atm), wystarczy dostarczyć paliwo pod ciśnieniem ... 10 atm. Wymagana do tego jednostka, w porównaniu z TNA klasycznego silnika na paliwo płynne, jest jak pompa rowerowa w pobliżu Sayano-Sushenskaya SDPP.
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?
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 jest pulsująca: po każdej detonacji należy uzupełnić mieszankę paliwową, a następnie rozpocząć w niej nową falę.
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. Znów 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 operacyjny 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 specyficzne cechy PUVRD były średnio niskie, a po tym, jak projektanci pod koniec lat 40. poradzili sobie z trudnościami w tworzeniu sprężarek, pomp i turbin, królami stały się silniki turboodrzutowe i silniki rakietowe na paliwo ciekłe. nieba, 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.
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 Nowosybirsk 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 umieszczonych 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 fizycznych i chemicznych 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 fundamenty 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 ultrawysokich 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 wagi osiągniętego sukcesu nie należy przesadzać. 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%.
Ale głównym wynikiem jest to, że praktycznie potwierdzona została możliwość zorganizowania spalania detonacyjnego w silniku rakietowym na paliwo ciekłe. 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. opublikowany