Kurier Wojskowo-Przemysłowy ma świetne wieści w dziedzinie przełomowej technologii rakietowej. Detonacja silnik rakietowy testowany w Rosji - 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 cytowany 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 czołowych 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?
Petr Lyovochkin: Mówiąc o najbliższej przyszłości, dzisiaj pracujemy nad silnikami do takich pocisków jak Angara A5B 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 nasze, a także najlepsze zagraniczne chemiczne silniki rakietowe osiągnęły dziś 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 w efekcie obniżenia kosztów silnika rakietowego. Wszystko to prowadzi do obniżenia kosztów wyświetlanego ładunek.
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: Niezupełnie. Wyrażone język techniczny, 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 zapowiadało 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, jakie 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 mniejszych wymiarach silnik detonacyjny a przy 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. Duża współpraca wiodących ośrodki naukowe Rosja. Wśród nich jest Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Lavrent'ev, 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. Jest to 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 Walentyna 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 w NPO Energomash.
United Engine Corporation (UEC) zamierza wkrótce rozpocząć tworzenie nowych silników lotniczych i rakietowych, które będą wykorzystywały technologie detonacyjne.
Stworzono już demonstratory technologii poddźwiękowych i naddźwiękowych silników detonacyjnych. Na testach wypadły o 30-50% lepiej określony ciąg i zużycie paliwa w porównaniu z konwencjonalnymi elektrowniami, podała RIA Novosti, powołując się na dane korporacji.
Eksperymentalne biuro projektowe im. V.I. Kolebka. Biuro zaproponowało opracowanie rodziny takich elektrowni, które mogłyby być stosowane w bezzałogowych statkach powietrznych, pociskach manewrujących, samolotach lotniczych i rakietach.
Silniki detonacyjne są różne:
- palenie mieszanka paliwowa towarzyszy mu przejście wzdłuż niej fali uderzeniowej, która powstaje w wyniku naddźwiękowej propagacji frontu spalania wzdłuż mieszanki paliwowej;
- szeroki zakres prędkości - od poddźwiękowych do naddźwiękowych, co może pomóc w tworzeniu pocisków naddźwiękowych, których projektowanie było aktywnie prowadzone w Rosji w ostatnich latach.
W 2013 roku Biuro Projektów Eksperymentalnych. Cradle przetestował prototypową zredukowaną próbkę silnika detonacyjnego z pulsacyjnym rezonatorem z dwustopniowym spalaniem mieszanki nafta-powietrze. Podczas testów średni zmierzony ciąg elektrowni wynosił około stu kilogramów, a czas trwania praca ciągła- ponad dziesięć minut. W trakcie eksperymentów wielokrotnie włączano i wyłączano nowy silnik, a także kontrolę trakcji.
Według biura konstrukcyjnego silniki detonacyjne zwiększą stosunek ciągu do masy samolotu o 1,5-2 razy. Prace nad stworzeniem pulsujących silników detonacyjnych prowadzone są w Rosji od 2011 roku.
Oprócz Rosji, kilka firm na świecie jednocześnie rozwija silniki detonacyjne: francuska firma SNECMA i amerykańska Ogólne elektryczne i Pratt & Whitney.
PODSTAWY SILNIKA KOPOWEGO
Jeżeli jednostkowe zużycie paliwa nie wzrosło wraz ze wzrostem prędkości lotu, należy zastosować nowoczesne rozwiązania Aby poprawić aerodynamikę zewnętrzną, poprzez zwiększenie wysokości lotu, przy prędkościach naddźwiękowych możliwe byłoby uzyskanie takiej samej charakterystyki zasięgu, jak w poddźwiękowym samolocie głównym. Ale aerodynamika wewnętrzna samolotów naddźwiękowych ma nieuniknioną wadę – przy prędkościach naddźwiękowych jednostkowe zużycie paliwa tradycyjnej elektrowni monotonicznie wzrasta wraz ze wzrostem prędkości na każdej wysokości lotu. Wyjściem jest zastosowanie silników opartych na zasadach innych niż tradycyjny braytonowski cykl spalania paliwa przy stałym ciśnieniu. Do tych ostatnich należą pulsujące silniki odrzutowe i detonacyjne. W artykule omówiono zalety stosowania spalania detonacyjnego w silnikach turboodrzutowych i rakietowych.
Jednym z najlepszych termodynamicznie jest silnik detonacyjny. Ze względu na fakt, że spala on paliwo w falach uderzeniowych około 100 razy szybciej niż przy konwencjonalnym powolnym spalaniu (deflagracji), ten typ silnika teoretycznie ma rekordową moc na jednostkę objętości w porównaniu do wszystkich innych typów silników cieplnych.
Kwestię wykorzystania spalania detonacyjnego w energetyce i silnikach odrzutowych po raz pierwszy postawił Ya.B. Zeldovich w 1940 roku. Według jego szacunków silniki strumieniowe wykorzystujące detonacyjne spalanie paliwa powinny mieć najwyższą możliwą wydajność termodynamiczną.
KIERUNKI PRACY NA SILNIKACH IMPULSOWYCH
Kierunek numer 1 - Klasyczny silnik detonacji impulsowej
Typowa komora spalania silnik odrzutowy składa się z dysz do mieszania paliwa z utleniaczem, urządzenia do rozpalania mieszanki paliwowej oraz właściwej płomienicy, w której zachodzą reakcje redoks (spalanie). Płomień zakończony jest dyszą. Z reguły jest to dysza Lavala ze zbieżną częścią, minimalną sekcją krytyczną, w której prędkość produktów spalania jest równa lokalnej prędkości dźwięku, częścią rozszerzającą się, w której zmniejsza się ciśnienie statyczne produktów spalania pod presją środowisko, tak dużo jak to możliwe. Bardzo z grubsza można oszacować ciąg silnika jako obszar gardzieli dyszy pomnożony przez różnicę ciśnień w komorze spalania i otoczeniu. Dlatego im wyższe ciśnienie w komorze spalania, tym wyższy ciąg.
O ciągu impulsowego silnika detonacyjnego decydują inne czynniki – przeniesienie impulsu przez falę detonacyjną na ścianę trakcyjną. W takim przypadku dysza w ogóle nie jest potrzebna. Silniki z detonacją impulsową mają swoją niszę - tanie i jednorazowe samoloty. W tej niszy z powodzeniem rozwijają się w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów.
Tradycyjne silniki detonacyjne impulsowe są długimi rurami z falami uderzeniowymi rozchodzącymi się na niskich częstotliwościach. System kompresji i fali podciśnieniowej automatycznie reguluje dopływ paliwa i utleniacza. Ze względu na niską powtarzalność fal uderzeniowych (jednostki Hz) czas spalania paliwa jest krótki w porównaniu z charakterystycznym czasem cyklu. W rezultacie pomimo wysokiej sprawności właściwego spalania detonacyjnego (20-25% wyższej niż w silnikach z obiegiem Brightona) ogólna sprawność takich konstrukcji jest niska.
Głównym zadaniem w tym obszarze jest: obecny etap- rozwój silników o dużej częstotliwości powtarzania fal uderzeniowych w komorze spalania lub stworzenie silnika z ciągłą detonacją (CDE).
Klasyczny wygląd IDD to cylindryczna komora spalania, która ma płaską lub specjalnie wyprofilowaną ścianę, zwaną „ścianką ciągnącą”. Prostota urządzenia IDD jest jego niepodważalną zaletą. Pomimo różnorodności proponowanych schematów IDD, wszystkie charakteryzują się zastosowaniem rur detonacyjnych o znacznej długości jako urządzeń rezonansowych oraz zastosowaniem zaworów zapewniających okresowe dostarczanie płynu roboczego.
Należy zauważyć, że IDD, stworzone na bazie tradycyjnych lamp detonacyjnych, pomimo wysokiej sprawności termodynamicznej w pojedynczej pulsacji, ma nieodłączne wady charakterystyczne dla klasycznych pulsujących silników odrzutowych, a mianowicie:
- niska częstotliwość (do 10 Hz) pulsacji, która decyduje o stosunkowo niskim poziomie średniej sprawności trakcyjnej;
- wysokie obciążenia termiczne i wibracyjne.
Kierunek nr 2 - IDD wielorurowe
Głównym trendem w rozwoju IDD jest przejście na schemat wielorurowy. W takich silnikach częstotliwość pracy pojedynczej rury pozostaje niska, ale ze względu na naprzemienne impulsy w różnych rurach twórcy mają nadzieję na uzyskanie akceptowalnych specyficznych cech. Taki schemat wydaje się całkiem wykonalny, jeśli rozwiążemy problem drgań i asymetrii ciągu, a także problem ciśnienia dennego, w szczególności ewentualnych drgań o niskiej częstotliwości w dolnym obszarze między rurami.
Kierunek nr 3 - IDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości
Moduł trakcyjny IDD proponowanego schematu składa się z reaktora i rezonatora. Reaktor służy do przygotowania mieszanka paliwowo-powietrzna do spalania detonacyjnego przez rozkład cząsteczek mieszanina palna w składniki aktywne chemicznie.
Oddziałując z dolną powierzchnią rezonatora jak z przeszkodą, fala detonacyjna w procesie zderzenia przekazuje na nią impuls od sił nadciśnienia.
IDD z rezonatorami o wysokiej częstotliwości mają prawo odnosić sukcesy. W szczególności mogą ubiegać się o modernizację dopalaczy i udoskonalenie prostych silników turboodrzutowych, ponownie przeznaczonych do tanich UAV. Na przykład podejmowane przez MAI i CIAM próby modernizacji silnika turboodrzutowego MD-120 w ten sposób poprzez zastąpienie komory spalania reaktorem do aktywacji mieszanki paliwowej oraz zainstalowanie za turbiną modułów trakcyjnych z rezonatorami wysokiej częstotliwości. Do tej pory nie było możliwe stworzenie działającego projektu, ponieważ Przy profilowaniu rezonatorów autorzy posługują się liniową teorią fal ściskających, tj. obliczenia wykonywane są w przybliżeniu akustycznym. Dynamikę fal detonacyjnych i fal kompresji opisuje zupełnie inny aparat matematyczny.
Stosowanie standardowych pakietów numerycznych do obliczania rezonatorów wysokiej częstotliwości ma podstawowe ograniczenie. Wszystkie współczesne modele turbulencji opierają się na uśrednianiu w czasie równań Naviera-Stokesa (podstawowych równań dynamiki gazu). Ponadto wprowadzono założenie Boussinesqa, że tensor naprężeń tarcia turbulentnego jest proporcjonalny do gradientu prędkości. Oba założenia nie są spełnione w przepływach turbulentnych z falami uderzeniowymi, jeśli charakterystyczne częstotliwości są porównywalne z częstotliwością turbulentnej pulsacji. Niestety mamy do czynienia właśnie z takim przypadkiem, więc tutaj trzeba albo zbudować model więcej wysoki poziom lub bezpośrednie modelowanie numeryczne oparte na pełnych równaniach Naviera - Stokesa bez użycia modeli turbulencji (na obecnym etapie nieopłacalne zadanie).
Z powyższych schematów widać, że badane obecnie schematy IDE są silnikami jednomodowymi o bardzo ograniczonym zakresie sterowania, więc ich bezpośrednie zastosowanie jako jedynej elektrowni w samolocie jest niepraktyczne. Silnik rakietowy to inna sprawa.
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, w wyniku których rakiety kosmiczne lub wojskowe Rosyjski rozwój będą mogli zdobyć nowe elektrownie z zwiększyć wydajność... Co więcej, nowe zasady działania silników mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w dziedzinie rakiet, ale także w innych dziedzinach.
V ostatnie dni W styczniu 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 pracy elektrowni pozwala na znaczny wzrost wydajności. W porównaniu z konstrukcjami tradycyjnej architektury następuje wzrost ciągu o około 30%.
Schemat silnika rakiety detonacyjnej
Nowoczesne silniki rakietowe różne klasy i typy, 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, przy czym wysoka prędkość przemieszczanie się przez komorę spalania. To prezentuje specjalne wymagania do konstrukcji silnika, ale jednocześnie zapewnia 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 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. Model komora detonacyjna spalanie zgodne z wymaganiami 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, używając odpowiednie materiały i technologie okazały się podnosić ciśnienie w komorze spalania do 40 atmosfer. Ciąg eksperymentalnego produktu osiągnął 2 tony.
Komora modelowa na stole probierczym
W ramach projektu „Ifrit” uzyskano pewne wyniki, ale krajowy silnik detonacyjny włączony płynne paliwo jest wciąż daleka od pełnego praktycznego zastosowania. Przed wprowadzeniem takiego sprzętu do nowych projektów technologicznych, projektanci i naukowcy muszą podjąć decyzję cała linia najpoważniejsze zadania. Dopiero wtedy przemysł rakietowy i kosmiczny czy przemysł obronny będą mogły zacząć w praktyce wykorzystywać potencjał nowej technologii.
W połowie stycznia” Rosyjska gazeta„Opublikował wywiad z głównym projektantem NPO Energomash Piotrem Lewoczkinem, którego tematem był obecny stan rzeczy i perspektywy 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 będzie musiał przez długi czas korzystać z tradycyjnych silników na paliwo ciekłe, co jednak nie neguje możliwości ich dalszego doskonalenia.
Ciekawostką jest to, że zasada detonacji spalanie jest wykorzystywane 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 tradycyjne silniki turbinowe lub turboodrzutowe.
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 są one o około 30% lepsze od tradycyjnych silniki z turbiną gazową za pomocą określonych wskaźników. 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. Ważna zaleta nowy projekt to podstawowa możliwość zainstalowania takich urządzeń w dowolnym miejscu płatowca.
Eksperci OKB im. JESTEM. Kołyski pracują nad Silniki lotnicze z pulsacyjnym spalaniem detonacyjnym przez ponad trzy dekady, ale na razie projekt nie wychodzi z fazy badawczej i nie ma realnych perspektyw. główny powód- brak porządku i niezbędnego finansowania. 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, 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 ławki 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 pociski kosmiczne i wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości będą wyposażone jedynie w tradycyjne silniki płynne... Mimo to 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/
Rozpatrzono problem rozwoju silników impulsowych z detonacją. Wymieniono główne ośrodki badawcze prowadzące badania nad silnikami nowej generacji. Rozważono główne kierunki i trendy w rozwoju konstrukcji silników detonacyjnych. Przedstawiono główne typy takich silników: pulsacyjne, pulsacyjne wielorurowe, pulsacyjne z rezonatorem wysokiej częstotliwości. Pokazano różnicę w sposobie tworzenia ciągu w porównaniu z klasycznym silnikiem odrzutowym wyposażonym w dyszę Lavala. Opisano koncepcję ściany trakcyjnej i modułu trakcyjnego. Wykazano, że silniki z detonacją impulsową są udoskonalane w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów, a kierunek ten ma swoje prawo do życia w dziedzinie lekkich i tanich bezzałogowych statków powietrznych, a także w rozwoju różnych ejektorowych wzmacniaczy ciągu . Przedstawiono główne trudności o charakterze fundamentalnym w modelowaniu detonacyjnego przepływu turbulentnego za pomocą pakietów obliczeniowych opartych na wykorzystaniu modeli różniczkowych turbulencji i uśrednianiu równań Naviera-Stokesa w czasie.
silnik detonacyjny
pulsacyjny silnik detonacyjny
1. Bulat P.V., Zasukhin ON, Prodan N.V. Historia badań eksperymentalnych ciśnienia dennego // Podstawowe badania... - 2011r. - nr 12 (3). - S. 670-674.
2. Bulat P.V., Zasukhin ON, Prodan N.V. Wahania ciśnienia na dnie // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 3. - str. 204–207.
3. Bulat PV, Zasukhin ON, Prodan NV Cechy zastosowania modeli turbulencji w obliczeniach przepływów w kanałach naddźwiękowych obiecujących silników odrzutowych // Silnik. - 2012 r. - nr 1. - s. 20–23.
4. Bulat P.V., Zasukhin ON, Uskov V.N. O klasyfikacji reżimów przepływu w kanale z nagłym rozszerzeniem // Termofizyka i aeromechanika. - 2012 r. - nr 2. - str. 209–222.
5. Bulat P.V., Prodan N.V. O wahaniach natężenia przepływu przy niskich częstotliwościach ciśnienia dennego // Badania podstawowe. - 2013 r. - nr 4 (3). - S. 545-549.
6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Badania i analiza „zimnych” przedmuchów modułu trakcyjnego silnika detonacyjnego pulsującego wysokiej częstotliwości // Vestnik MAI. - T.14. - nr 4 - M .: Wydawnictwo MAI-Print, 2007. - S. 36–42.
7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspektywy zastosowania technologii detonacji pulsacyjnej w silnik turboodrzutowy... OJSC NPO Saturn STC im. A. Lyulki, Moskwa, Rosja. Moskiewski Instytut Lotniczy (STU). - Moskwa, Rosja. ISSN 1727-7337. Inżynieria i technologia lotnicza, 2011. - nr 9 (86).
Projekty spalania detonacyjnego w Stanach Zjednoczonych są objęte programem rozwoju zaawansowanych silników IHPTET. Współpraca obejmuje prawie wszystkie ośrodki badawcze praca w dziedzinie budowy silników. Sama NASA przeznacza na te cele do 130 milionów dolarów rocznie. Świadczy to o trafności badań w tym kierunku.
Przegląd prac w zakresie silników detonacyjnych
Strategia rynkowa czołowych światowych producentów ma na celu nie tylko rozwój nowych odrzutowych silników detonacyjnych, ale także modernizację istniejących poprzez zastąpienie w nich tradycyjnych komór spalania komorami detonacyjnymi. Ponadto silniki detonacyjne mogą stać się element składowy połączone zakłady różne rodzaje np. stosowany jako dopalacz silnika turboodrzutowego, jako silniki eżektorowe unoszące w samolotach VTOL (przykład na rys. 1 to projekt samolotu transportowego VTOL firmy Boeing).
W Stanach Zjednoczonych silniki detonacyjne są opracowywane przez wiele ośrodków badawczych i uniwersytetów: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield i Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas w Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.
Seattle Aerosciences Center (SAC), przejęte w 2001 roku przez Pratta i Whitneya od Adroit Systems, zajmuje wiodącą pozycję w rozwoju silników detonacyjnych. Większość prac centrum jest finansowana przez Siły Powietrzne i NASA z budżetu programu Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), którego celem jest tworzenie nowych technologii dla różnych typów silników odrzutowych.
Ryż. 1. Patent US 6 793 174 B2 Boeinga, 2004 r
Łącznie od 1992 roku specjaliści SAC przeprowadzili ponad 500 badań stanowiskowych próbek doświadczalnych. Pulsujące silniki detonacyjne (PDE), które zużywają tlen atmosferyczny, są uruchamiane przez SAC dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Biorąc pod uwagę złożoność programu, specjaliści Marynarki Wojennej zaangażowali w jego realizację prawie wszystkie organizacje zajmujące się silnikami detonacyjnymi. z wyjątkiem przez Pratt oraz Whitney, United Technologies Research Center (UTRC) i Boeing Phantom Works.
Obecnie w naszym kraju ponad to pilny problem Teoretycznie działają następujące uczelnie i instytuty Rosyjskiej Akademii Nauk (RAS): Instytut Fizyki Chemicznej RAS (ICP), Instytut Inżynierii Mechanicznej RAS, Instytut wysokie temperatury RAS (IVTAN), Nowosybirski Instytut Hydrodynamiki. Lavrentieva (IGiL), Instytut Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej im Christianovich (ITMP), Fizyko-Techniczny Instytut im Ioffe, Moskiewski Uniwersytet Państwowy (MSU), Moskiewski Państwowy Instytut Lotniczy (MAI), Nowosybirski Uniwersytet Państwowy, Czeboksary State University, Saratov State University itp.
Obszary pracy nad silnikami z detonacją impulsową
Kierunek numer 1 - Klasyczny silnik detonacji impulsowej (PDE). Komora spalania typowego silnika odrzutowego składa się z wtryskiwaczy do mieszania paliwa z utleniaczem, urządzenia do zapalania mieszanki paliwowej oraz samej płomienicy, w której zachodzą reakcje redoks (spalanie). Płomień zakończony jest dyszą. Z reguły jest to dysza Lavala ze zbieżną częścią, minimalną sekcją krytyczną, w której prędkość produktów spalania jest równa lokalnej prędkości dźwięku, rozszerzającą się częścią, w której ciśnienie statyczne produktów spalania jest redukowane do ciśnienie otoczenia tak bardzo, jak to możliwe. Bardzo z grubsza można oszacować ciąg silnika jako powierzchnię gardzieli dyszy pomnożoną przez różnicę ciśnień w komorze spalania i otoczeniu. Dlatego im wyższe ciśnienie w komorze spalania, tym wyższy ciąg.
O ciągu impulsowego silnika detonacyjnego decydują inne czynniki – przeniesienie impulsu przez falę detonacyjną na ścianę trakcyjną. W takim przypadku dysza w ogóle nie jest potrzebna. Silniki z detonacją impulsową mają swoją niszę - tanie i jednorazowe samoloty. W tej niszy z powodzeniem rozwijają się w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów.
Klasyczny wygląd IDD to cylindryczna komora spalania, która ma płaską lub specjalnie wyprofilowaną ścianę, zwaną „ścianką ciągnącą” (rys. 2). Prostota urządzenia IDD jest jego niepodważalną zaletą. Jak wynika z analizy dostępnych publikacji, pomimo różnorodności proponowanych schematów IDD, wszystkie charakteryzują się zastosowaniem rurek detonacyjnych o znacznej długości jako urządzeń rezonansowych oraz zastosowaniem zaworów zapewniających okresowe zasilanie płynem roboczym.
Należy zauważyć, że IDD, stworzone na bazie tradycyjnych lamp detonacyjnych, pomimo wysokiej sprawności termodynamicznej w pojedynczej pulsacji, ma nieodłączne wady charakterystyczne dla klasycznych pulsujących silników odrzutowych, a mianowicie:
Niska częstotliwość (do 10 Hz) pulsacji, która decyduje o stosunkowo niskim poziomie średniej sprawności trakcyjnej;
Wysokie obciążenia termiczne i wibracyjne.
Ryż. 2. Schemat ideowy silnika impulsowo-detonacyjnego (IDE)
Kierunek nr 2 - IDD wielorurowe. Głównym trendem w rozwoju IDD jest przejście na schemat wielorurowy (ryc. 3). W takich silnikach częstotliwość pracy pojedynczej rury pozostaje niska, ale ze względu na naprzemienne impulsy w różnych rurach twórcy mają nadzieję na uzyskanie akceptowalnych specyficznych cech. Schemat ten wydaje się całkiem wykonalny, jeśli rozwiążemy problem drgań i asymetrii ciągu, a także problem ciśnienia dennego, w szczególności możliwych drgań o niskiej częstotliwości w dolnym obszarze między rurami.
Ryż. 3. Silnik impulsowo-detonacyjny (PDE) tradycyjnego schematu z pakietem rur detonacyjnych jako rezonatorów
Kierunek nr 3 - IDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości. Istnieje również alternatywny kierunek - ostatnio szeroko reklamowany schemat z modułami trakcyjnymi (rys. 4), które mają specjalnie wyprofilowany rezonator wysokiej częstotliwości. Prace w tym kierunku prowadzone są w Centrum Naukowo-Technicznym im A. Kołyska i MAI. Schemat wyróżnia się brakiem jakichkolwiek zawory mechaniczne i przerywane urządzenia zapłonowe.
Moduł trakcyjny IDD proponowanego schematu składa się z reaktora i rezonatora. Reaktor służy do przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej do spalania detonacyjnego, rozkładającego cząsteczki mieszanki palnej na składniki aktywne chemicznie. Schemat ideowy jednego cyklu pracy takiego silnika jest wyraźnie pokazany na ryc. 5.
Oddziałując z dolną powierzchnią rezonatora jak z przeszkodą, fala detonacyjna w procesie zderzenia przekazuje na nią impuls od sił nadciśnienia.
IDD z rezonatorami o wysokiej częstotliwości mają prawo odnosić sukcesy. W szczególności mogą ubiegać się o modernizację dopalaczy i udoskonalenie prostych silników turboodrzutowych, ponownie przeznaczonych do tanich UAV. Przykładem są próby MAI i CIAM modernizacji w ten sposób silnika turboodrzutowego MD-120 poprzez zastąpienie komory spalania reaktorem aktywacji mieszanki paliwowej oraz zainstalowanie za turbiną modułów trakcyjnych z rezonatorami wysokiej częstotliwości. Do tej pory nie było możliwe stworzenie działającego projektu, ponieważ Przy profilowaniu rezonatorów autorzy posługują się liniową teorią fal ściskających, tj. obliczenia wykonywane są w przybliżeniu akustycznym. Dynamikę fal detonacyjnych i fal kompresji opisuje zupełnie inny aparat matematyczny. Stosowanie standardowych pakietów numerycznych do obliczania rezonatorów wysokiej częstotliwości ma podstawowe ograniczenie. Wszystkie współczesne modele turbulencji opierają się na uśrednianiu w czasie równań Naviera-Stokesa (podstawowych równań dynamiki gazu). Ponadto wprowadzono założenie Boussinesqa, że tensor naprężeń tarcia turbulentnego jest proporcjonalny do gradientu prędkości. Oba założenia nie są spełnione w przepływach turbulentnych z falami uderzeniowymi, jeśli charakterystyczne częstotliwości są porównywalne z częstotliwością turbulentnej pulsacji. Niestety mamy do czynienia z takim właśnie przypadkiem, dlatego konieczne jest albo zbudowanie modelu wyższego poziomu, albo bezpośrednie modelowanie numeryczne w oparciu o pełne równania Naviera-Stokesa bez wykorzystania modeli turbulencji (problem niemożliwy na obecny etap).
Ryż. 4. Schemat IDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości
Ryż. 5. Schemat IDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości: SZS - strumień naddźwiękowy; SW - fala uderzeniowa; Ф jest ogniskiem rezonatora; ДВ - fala detonacyjna; ВР - fala rozrzedzenia; OUV - odbita fala uderzeniowa
IDD są ulepszane w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów. Ten kierunek ma swoje prawo do życia w dziedzinie lekkich i tanich bezzałogowych statków powietrznych, a także w rozwoju różnych wyrzutowych wzmacniaczy ciągu.
Recenzenci:Uskov V.N., doktor nauk technicznych, profesor Katedry Hydroaeromechaniki Petersburskiego Uniwersytetu Państwowego, Wydział Matematyki i Mechaniki w Petersburgu;
Emelyanov VN, doktor nauk technicznych, profesor, kierownik Katedry Plazmogazdynamiki i Inżynierii Cieplnej, BSTU „VOENMEKH” im. D.F. Ustinow, Petersburg.
Praca została odebrana 14.10.2013.
Odniesienie bibliograficzne
Bulat P.V., Prodan N.V. PRZEGLĄD PROJEKTÓW SILNIKÓW PUKOWYCH. SILNIKI IMPULSOWE // Badania podstawowe. - 2013 r. - nr 10-8. - S. 1667-1671;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (data dostępu: 14.03.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez „Akademię Nauk Przyrodniczych”
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 cytowany 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 czołowych specjalistów od silników specjalistycznych w Rosji na temat silników rakietowych do detonacji.
Wywiad z Piotrem Lyovochkinem, głównym projektantem NPO Energomash im. Akademik V.P. Głuszko ”.
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 im. Akademik W.P. Głuszko ”Pyotr Lyovochkin.
Petr Sergeevich, jakie możliwości otwierają nowe silniki?
Piotr Ljowoczkin: Jeśli mówimy o najbliższej przyszłości, to 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 być dowolny - naziemny, księżycowy, marsjański. Jeśli więc wdrożone zostaną programy księżycowe lub marsjańskie, na pewno będziemy w nich brać udział.
Jaka jest sprawność nowoczesnych silników rakietowych i czy są sposoby na ich ulepszenie?
Piotr Lyovochkin: Jeśli mówimy o parametrach energetycznych i termodynamicznych silników, to możemy powiedzieć, że nasze, a także najlepsze zagraniczne chemiczne silniki rakietowe osiągnęły dziś 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 w efekcie 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: Niezupełnie. 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 zapowiadało 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, jakie 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.