Testy silników detonacyjnych
Fundacja Zaawansowanych Badań
Stowarzyszenie Badawczo-Produkcyjne Energomash przetestowało komorę modelową silnika rakietowego na paliwo ciekłe, którego ciąg wynosił dwie tony. O tym w wywiadzie ” Rosyjska gazeta"Powiedział główny projektant" Energomash "Piotr Lyovochkin. Według niego ten model działał na gazie naftowym i tlenowym.
Detonacja to spalanie substancji, w której propaguje się front spalania większa prędkość dźwięk. W tym przypadku przez substancję rozchodzi się fala uderzeniowa, po której następuje Reakcja chemiczna z uwolnieniem dużej ilości ciepła. W nowoczesnych silnikach rakietowych spalanie paliwa odbywa się z prędkością poddźwiękową; proces ten nazywa się deflagracją.
Silniki detonacyjne dziś dzielą się na dwa główne typy: pulsacyjne i obrotowe. Te ostatnie są również nazywane spinem. V silniki impulsowe krótkie wybuchy następują, gdy spalane są małe porcje mieszanki paliwowo-powietrznej. W spalaniu obrotowym mieszanina pali się stale bez zatrzymywania.
W takich elektrowniach stosuje się pierścieniową komorę spalania, w której mieszankę paliwową podaje się szeregowo przez zawory umieszczone promieniowo. W takich elektrowniach detonacja nie zanika – 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. kilometrów na godzinę). Uważa się, że takie elektrownie może wydać Wielka moc zużywając mniej paliwa niż konwencjonalne silniki odrzutowe. Jednocześnie konstrukcja silników detonacyjnych jest stosunkowo prosta: brakuje im sprężarki i wielu ruchomych części.
Nowy rosyjski silnik detonacyjny na paliwo ciekłe jest opracowywany wspólnie przez kilka instytutów, m.in. Moskiewski Instytut Lotniczy, Instytut Hydrodynamiki im. Ławrentiewa, Centrum Keldysza, Centralny Instytut Silniki lotnicze im. Baranowa i Wydziału Mechaniki i Matematyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Rozwój jest nadzorowany przez Advanced Research Foundation.
Według Lyovochkina podczas testów ciśnienie w komorze spalania silnika detonacyjnego wynosiło 40 atmosfer. Jednocześnie jednostka działała niezawodnie bez skomplikowanych systemów chłodzenia. Jednym z zadań badań było potwierdzenie możliwości spalania detonacyjnego mieszanki paliwowo-tlenowo-naftowej. Wcześniej informowano, że częstotliwość detonacji w nowym rosyjskim silniku wynosi 20 kiloherców.
Pierwsze testy silnika rakietowego na paliwo ciekłe z detonacją latem 2016 roku. Nie wiadomo, czy silnik był od tego czasu ponownie testowany.
Pod koniec grudnia 2016 Firma amerykańska Kontrakt Aerojet Rocketdyne US National Energy Technology Laboratory na opracowanie nowej elektrowni z turbiną gazową opartej na obrotowym silniku detonacyjnym. Praca, która zaowocuje prototypem nowa instalacja, którego zakończenie zaplanowano na połowę 2019 roku.
Za pomocą ocena wstępna, turbina gazowa nowego typu będzie miała co najmniej pięć procent najlepsza wydajność niż konwencjonalne tego typu instalacje. Jednocześnie same instalacje mogą być bardziej kompaktowe.
Wasilij Syczew
Silniki detonacyjne zastąpią rdzeń turbin gazowych / Zdjęcie: finobzor.ru
W rzeczywistości zamiast stałego płomienia czołowego w strefie spalania powstaje fala detonacyjna poruszająca się z prędkością ponaddźwiękową. W takiej fali sprężania detonuje się paliwo i utleniacz, proces ten, z punktu widzenia termodynamiki, narasta 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 „On zużycie energii spalanie detonacyjne”. Od tego czasu wielu naukowców z różne kraje, potem Stany Zjednoczone, potem Niemcy, potem nasi rodacy wyszli na prowadzenie.
Latem, w sierpniu 2016 r., rosyjskim naukowcom udało się stworzyć po raz pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik odrzutowy na paliwo ciekłe, działający na zasadzie detonacyjnego spalania paliwa. Nasz kraj w końcu ustanowił światowy priorytet w rozwoju najnowszych technologii przez wiele lat po pierestrojce.
Dlaczego jest tak dobrze? nowy silnik? Silnik odrzutowy wykorzystuje energię uwalnianą podczas spalania mieszanki przy stałym ciśnieniu i stałym czole płomienia. Mieszanka gazowa paliwa i utleniacza podczas spalania gwałtownie podnosi temperaturę, a kolumna płomienia uchodzącego z dyszy tworzy odrzutowiec.
Silnik detonacyjny / Zdjęcie: sdelanounas.ru
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 w rzeczywistości jest dużym palnikiem, nie chodzi o komorę spalania i dyszę, ale o turbopompę paliwa (TNA ), które wytwarza takie ciśnienie, że paliwo wnika do komory. Na przykład w rosyjskim silniku rakietowym RD-170 do rakiet nośnych Energia ciśnienie w komorze spalania wynosi 250 atm, a pompa dostarczająca utleniacz do strefy spalania musi wytworzyć ciśnienie 600 atm.
W silniku detonacyjnym ciśnienie jest wytwarzane przez samą detonację, która jest przemieszczającą się falą sprężania w mieszance paliwowej, w której ciśnienie bez TPA jest już 20 razy wyższe, a turbosprężarki są zbędne. Aby było jasne, amerykański „Shuttle” ma ciśnienie w komorze spalania 200 atm, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atm do dostarczenia mieszanki - to jak pompa rowerowa i HPP Sayano-Shushenskaya.
W tym przypadku silnik detonacyjny jest nie tylko prostszy i tańszy o rząd wielkości, ale jest znacznie mocniejszy i oszczędniejszy niż konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe. radzenia sobie z falą detonacyjną. Zjawisko to nie jest tylko falą uderzeniową, która ma prędkość dźwięku, a falą detonacyjną rozchodzącą się z prędkością 2500 m/s, nie ma w niej stabilizacji frontu płomienia, mieszanka jest odnawiana przy każdym pulsowaniu i fala jest ponownie uruchamiana.
Wcześniej rosyjscy i francuscy inżynierowie 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, nadszedł wiek silniki odrzutowe i silnik rakietowy, 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 w takim tempie odnawiania mieszanki i jednoczesnego zainicjowania detonacji.
W USA można było zbudować taki silnik pulsacyjny z detonacją i przetestować go w powietrzu, jednak działał on tylko 10 sekund, ale priorytetem pozostali amerykańscy konstruktorzy. Ale już w latach 60. ubiegłego wieku radziecki naukowiec B.V. Voitsekhovsky i praktycznie w tym samym czasie Amerykanin z Uniwersytetu Michigan J. Nichols wpadli na pomysł zapętlenia fali detonacyjnej w komorze spalania.
Obraz: sdelanounas.ru
Jak działa silnik rakiety detonacyjnej?
Taki silnik rotacyjny składał się z pierścieniowej komory spalania z dyszami umieszczonymi wzdłuż jej promienia w celu dostarczania paliwa. Fala detonacyjna biegnie jak wiewiórka w kole po obwodzie, mieszanka paliwowa 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 rakietowym na paliwo ciekłe, tylko bardziej wydajnie 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. Z pomocą w opracowaniu takiego silnika przyszedł Fundusz Badań Zaawansowanych, bo nie da się uzyskać dofinansowania z Ministerstwa Obrony - tylko dać im gwarantowany efekt.
Mimo to podczas testów w Chimkach w Energomash zarejestrowano stały stan ciągłej detonacji spinowej - 8 tys. obrotów na sekundę na mieszaninie tlenowo-naftowej. W tym przypadku fale detonacyjne równoważyły fale wibracyjne, a powłoki termoochronne wytrzymywały wysokie temperatury.
Ale nie pochlebiaj sobie, ponieważ jest to tylko silnik demonstracyjny, który działał przez bardzo krótki czas i nic jeszcze nie zostało powiedziane o jego właściwościach. Ale najważniejsze jest to, że udowodniono możliwość powstania spalania detonacyjnego i stworzono w Rosji pełnowymiarowy silnik spinowy, który na zawsze pozostanie w historii nauki.
MOSKWA, edycja „Made by us”
12
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 detonacyjnego spalania paliwa. Nasz kraj w końcu ustanowił światowy priorytet w rozwoju najnowszych technologii przez wiele lat po pierestrojce.
Dlaczego nowy silnik jest tak dobry? Silnik odrzutowy wykorzystuje energię uwalnianą podczas spalania mieszanki przy stałym ciśnieniu i stałym czole płomienia. Podczas spalania mieszanka 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 w rzeczywistości jest dużym palnikiem, nie chodzi o komorę spalania i dyszę, ale o turbopompę paliwa (TNA ), które wytwarza takie ciśnienie, że paliwo wnika do komory. Na przykład w rosyjskim silniku rakietowym RD-170 do rakiet nośnych Energia ciśnienie w komorze spalania wynosi 250 atm, a pompa dostarczająca utleniacz do strefy spalania musi wytworzyć ciśnienie 600 atm.
W silniku detonacyjnym ciśnienie jest wytwarzane przez samą detonację, która jest przemieszczającą się falą sprężania w mieszance paliwowej, w której ciśnienie bez TPA jest już 20 razy wyższe, a turbosprężarki są zbędne. Aby było jasne, amerykański „Shuttle” ma ciśnienie w komorze spalania 200 atm, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atm do dostarczenia mieszanki - to jak pompa rowerowa i HPP Sayano-Shushenskaya.
W tym przypadku silnik detonacyjny jest nie tylko prostszy i tańszy o rząd wielkości, ale jest znacznie mocniejszy i oszczędniejszy niż konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe. radzenia sobie z falą detonacyjną. Zjawisko to nie jest tylko falą uderzeniową, która ma prędkość dźwięku, a falą detonacyjną rozchodzącą się z prędkością 2500 m/s, nie ma w niej stabilizacji frontu płomienia, mieszanka jest odnawiana przy każdym pulsowaniu i fala jest ponownie uruchamiana.
Wcześniej rosyjscy i francuscy inżynierowie 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 w takim tempie odnawiania mieszanki i jednoczesnego zainicjowania detonacji.
W USA można było zbudować taki silnik pulsacyjny z detonacją i przetestować go w powietrzu, jednak działał on tylko 10 sekund, ale priorytetem pozostali amerykańscy konstruktorzy. Ale już w latach 60. ubiegłego wieku radziecki naukowiec B.V. Voitsekhovsky i praktycznie w tym samym czasie Amerykanin z Uniwersytetu Michigan J. Nichols wpadli na pomysł zapętlenia fali detonacyjnej w komorze spalania.
Jak działa silnik rakiety detonacyjnej?
Taki silnik obrotowy składał się z pierścieniowej komory spalania z dyszami umieszczonymi wzdłuż jej promienia w celu dostarczania paliwa. 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 rakietowym na paliwo ciekłe, tylko bardziej wydajnie 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 Badań Zaawansowanych, bo nie da się uzyskać dofinansowania z Ministerstwa Obrony - tylko dać im gwarantowany efekt.
Mimo to podczas testów w Chimkach w Energomash zarejestrowano stały stan ciągłej detonacji spinowej - 8 tys. obrotów na sekundę na mieszaninie tlenowo-naftowej. W tym przypadku fale detonacyjne równoważyły fale wibracyjne, a powłoki termoochronne wytrzymywały wysokie temperatury.
Ale nie pochlebiaj sobie, ponieważ jest to tylko silnik demonstracyjny, który działał przez bardzo krótki czas i nic jeszcze nie zostało powiedziane o jego właściwościach. Ale najważniejsze jest to, że udowodniono możliwość powstania spalania detonacyjnego i stworzono w Rosji pełnowymiarowy silnik spinowy, który na zawsze pozostanie w historii nauki.
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 detonacyjnego spalania paliwa. Nasz kraj w końcu ustanowił światowy priorytet w rozwoju najnowszych technologii przez wiele lat po pierestrojce.
Dlaczego nowy silnik jest tak dobry? Silnik odrzutowy wykorzystuje energię uwalnianą podczas spalania mieszanki przy stałym ciśnieniu i stałym czole płomienia. Podczas spalania mieszanka 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 w rzeczywistości dużym palnikiem, nie chodzi o komorę spalania i dyszę, ale o turbopompę paliwa (TNA), która wytwarza takie ciśnienie, że paliwo przenika do wnętrza izba. Na przykład w rosyjskim silniku rakietowym RD-170 do rakiet nośnych Energia ciśnienie w komorze spalania wynosi 250 atm, a pompa dostarczająca utleniacz do strefy spalania musi wytworzyć ciśnienie 600 atm.
W silniku detonacyjnym ciśnienie jest wytwarzane przez samą detonację, która jest przemieszczającą się falą sprężania w mieszance paliwowej, w której ciśnienie bez TPA jest już 20 razy wyższe, a turbosprężarki są zbędne. Aby było jasne, amerykański „Shuttle” ma ciśnienie w komorze spalania 200 atm, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atm do dostarczenia mieszanki - to jak pompa rowerowa i HPP Sayano-Shushenskaya.
W tym przypadku silnik oparty na detonacji jest nie tylko prostszy i tańszy o rząd wielkości, ale znacznie mocniejszy i oszczędniejszy niż konwencjonalny silnik rakietowy.
Na drodze do realizacji projektu silnika detonacyjnego powstał problem radzenia sobie z falą detonacyjną. Zjawisko to nie jest tylko falą uderzeniową, która ma prędkość dźwięku, a falą detonacyjną rozchodzącą się z prędkością 2500 m/s, nie ma w niej stabilizacji frontu płomienia, mieszanka jest odnawiana przy każdym pulsowaniu i fala jest ponownie uruchamiana.
Wcześniej rosyjscy i francuscy inżynierowie 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 w takim tempie odnawiania mieszanki i jednoczesnego zainicjowania detonacji.
W USA można było zbudować taki silnik pulsacyjny z detonacją i przetestować go w powietrzu, jednak działał on tylko 10 sekund, ale priorytetem pozostali amerykańscy konstruktorzy. Ale już w latach 60. ubiegłego wieku radziecki naukowiec B.V. Voitsekhovsky i praktycznie w tym samym czasie Amerykanin z Uniwersytetu Michigan J. Nichols wpadli na pomysł zapętlenia fali detonacyjnej w komorze spalania.
Jak działa silnik rakiety detonacyjnej?
Taki silnik obrotowy składał się z pierścieniowej komory spalania z dyszami umieszczonymi wzdłuż jej promienia w celu dostarczania paliwa. 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 rakietowym na paliwo ciekłe, tylko bardziej wydajnie dzięki detonacji mieszanki paliwowej.
W ZSRR i USA, a później w Rosji trwają prace nad stworzeniem obrotowego silnika detonacyjnego z ciągłą falą, aby zrozumieć procesy zachodzące wewnątrz, a do tego powstała cała nauka - kinetyka fizykochemiczna. Aby obliczyć warunki nietłumionej fali, potrzebne były potężne komputery, które powstały dopiero niedawno.
W Rosji nad projektem takiego silnika obrotowego pracuje wiele instytutów badawczych i biur projektowych, w tym firma produkująca silniki przemysłu kosmicznego NPO Energomash. Z pomocą w opracowaniu takiego silnika przyszedł Fundusz Badań Zaawansowanych, bo nie da się uzyskać dofinansowania z Ministerstwa Obrony - tylko dać im gwarantowany efekt.
Mimo to podczas testów w Chimkach w Energomash zarejestrowano stały stan ciągłej detonacji spinowej - 8 tys. obrotów na sekundę na mieszaninie tlenowo-naftowej. W tym przypadku fale detonacyjne równoważyły fale wibracyjne, a powłoki termoochronne wytrzymywały wysokie temperatury.
Ale nie pochlebiaj sobie, ponieważ jest to tylko silnik demonstracyjny, który działał przez bardzo krótki czas i nic jeszcze nie zostało powiedziane o jego właściwościach. Ale najważniejsze jest to, że udowodniono możliwość powstania spalania detonacyjnego i stworzono w Rosji pełnowymiarowy silnik spinowy, który na zawsze pozostanie w historii nauki.
Wideo: „Energomash” jako pierwszy na świecie przetestował detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe
Co tak naprawdę kryje się za doniesieniami o pierwszym na świecie detonacyjnym silniku rakietowym testowanym w Rosji?
Pod koniec sierpnia 2016 r. światowe agencje informacyjne rozesłały wiadomość: na jednym ze stoisk NPO Energomash w Chimkach pod Moskwą, pierwszy na świecie pełnowymiarowy płyn silnik rakietowy(LRE) z wykorzystaniem detonacyjnego spalania paliwa. Na to wydarzenie krajowa nauka i technologia trwa od 70 lat. Pomysł silnika detonacyjnego został zaproponowany przez radzieckiego fizyka Ja B. Zeldowicza w artykule „O wykorzystaniu energii w procesie spalania detonacyjnego” opublikowanym w „Journal of Technical Physics” w 1940 roku. Od tego czasu na całym świecie trwają eksperymenty badawcze i praktyczne wdrożeniowe. obiecująca technologia... 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. V ostatnie lata Nasz kraj nieczęsto się czymś takim chwali.
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 tym przypadku w komorze spalania silnika rakietowego na paliwo ciekłe tworzy się nieruchomy front płomienia, w którym spalanie odbywa się pod stałym ciśnieniem. Ten normalny proces spalania nazywa się deflagracją. W wyniku interakcji paliwa i utleniacza temperatura mieszanka gazowa ognisty słup produktów spalania gwałtownie unosi się i ucieka z dyszy, która tworzy ciąg strumienia.
Detonacja to także spalanie, ale dzieje się to 100 razy szybciej niż przy spalaniu konwencjonalnym paliwem. Proces ten jest tak szybki, że często detonację myli się z wybuchem, zwłaszcza że uwalniana jest tak duża ilość energii, że np. silnik samochodowy kiedy to zjawisko występuje w jego cylindrach, może rzeczywiście zapaść się. Jednak detonacja nie jest wybuchem, 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 czoła 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. Swoją drogą jest też kryzys w lotnictwie, 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 wewnętrzne spalanie wyczerpały swój potencjał, a dopiero pojawienie się silników odrzutowych umożliwiło osiągnięcie wysokiej jakości nowy poziom wysokości, prędkości i zasięg lotów.
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 znikomych granicach – o kilka procent. Dlatego światowa kosmonautyka jest zmuszona podążać szeroką ścieżką rozwoju: w przypadku lotów załogowych na Księżyc konieczna jest budowa gigantycznych rakiet nośnych, a to jest bardzo trudne i szalenie drogie, przynajmniej dla Rosji. Natknęliśmy się na próbę wyjścia z kryzysu przy pomocy silników jądrowych problemy ekologiczne... Być może pojawienie się silników rakietowych detonacyjnych jest zbyt wcześnie, 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 skomplikowaną i najdroższą jednostką w silniku na paliwo ciekłe nie jest komora z dyszą, która jest widoczna na widoku, ale jednostka turbopompy paliwa (TNA), ukryta we wnętrzu rakiety wśród zawiłości rurociągów.
Na przykład najmocniejszy 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! Proszę sobie wyobrazić: koło turbiny o średnicy 0,4 m rozwija moc czterokrotnie większą niż nuklearny lodołamacz „Arktika” z dwoma reaktor nuklearny! Jednocześnie TNA to kompleks urządzenie mechaniczne, którego wał wykonuje 230 obrotów na sekundę i musi pracować w środowisku ciekłego tlenu, gdzie nawet najmniejsza iskra, ale ziarnko piasku w rurociągu prowadzi do wybuchu. Technologie tworzenia takiego TNA są głównym know-how Energomash, którego posiadanie pozwala Rosyjska firma i dziś sprzedają swoje silniki do użytku w amerykańskich pojazdach startowych Atlas V i Antares. Alternatywy Silniki rosyjskie jeszcze nie w USA.
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. warunkom w komorze spalania silnika na paliwo ciekłe American Shuttle (200 atm), wystarczy podać 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 będzie o rząd wielkości prostszy i tańszy. Dlaczego więc tej prostoty nie dano projektantom od 70 lat?
Puls postępu
Głównym problemem inżynierów było poradzenie sobie z falą detonacyjną. Nie chodzi tylko o wzmocnienie silnika, 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, dlatego praca takiego silnika jest pulsacyjna: po każdym detonacji konieczna jest aktualizacja mieszanka paliwowa a następnie uruchomić w nim nową falę.
Próby stworzenia pulsującego silnika odrzutowego podjęto na długo przed pomysłem detonacji. To właśnie w zastosowaniu pulsujących silników odrzutowych próbowano znaleźć alternatywę silniki tłokowe w latach 30. XX wieku. Znowu przyciągnęła prostota: w przeciwieństwie do turbiny lotniczej do pulsującego silnika odrzutowego (PUVRD), ani kompresor obracający się z prędkością 40 000 obr./min nie był potrzebny do pompowania powietrza do nienasyconej macicy komory spalania, ani pracy w temperaturze gazu ponad 1000˚С turbiny. W PUVRD ciśnienie w komorze spalania powodowało pulsacje podczas spalania paliwa.
Pierwsze patenty na pulsujący silnik odrzutowy uzyskał niezależnie w 1865 r. Charles de Louvrier (Francja) iw 1867 r. Nikołaj Afanasjewicz Teleszow (Rosja). Pierwszy wykonalny projekt PUVRD został opatentowany w 1906 roku przez rosyjskiego inżyniera V.V. Karavodin, który rok później zbudował wzorcową 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. Specyficzne cechy PuVRD ze względu na tryb przerywany prace były średnio niskie i po tym, jak konstruktorzy do końca lat 40-tych poradzili sobie z zawiłościami tworzenia sprężarek, pomp i turbin, silniki turboodrzutowe a silniki rakietowe na paliwo ciekłe stały się królami nieba, a PUVRD pozostał na peryferiach postępu technologicznego.
Ciekawe, że pierwsze PUVRD zostały stworzone przez niemieckich i sowieckich 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 mieszanki 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. Jednak priorytet w ta sprawa pozostał w Stanach Zjednoczonych, a samolot słusznie zajął miejsce w Muzeum Narodowym Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych.
Tymczasem od dawna wynaleziono inny, znacznie bardziej obiecujący schemat silnika detonacyjnego.
Jak wiewiórka na kole
Pomysł, aby zapętlić falę detonacyjną i sprawić, by poruszała się ona w komorze spalania jak wiewiórka w kole, zrodziła się wśród naukowców na początku lat 60. XX wieku. Zjawisko detonacji spinowej (rotacyjnej) teoretycznie przewidział sowiecki fizyk z Nowosybirska B.V. Voitsekhovsky w 1960 roku. Niemal równocześnie z nim, w 1961 roku, ten sam pomysł wyraził Amerykanin J. Nicholls z University of Michigan.
Obrotowy lub spinowy silnik detonacyjny jest strukturalnie pierścieniową komorą spalania, do której paliwo dostarczane jest za pomocą promieniowo rozmieszczonych wtryskiwaczy. Fala detonacyjna wewnątrz komory nie porusza się w kierunku osiowym, jak w PUVRD, ale po okręgu, ściskając i spalając znajdującą się przed nią mieszankę paliwową i ostatecznie wypychając produkty spalania z dyszy w taki sam sposób jak śruba maszynki do mięsa wypycha mięso mielone. Zamiast częstotliwości pulsacji otrzymujemy częstotliwość rotacji fali detonacyjnej, która może sięgać kilku tysięcy na sekundę, czyli w praktyce silnik nie pracuje jako silnik pulsacyjny, ale jak konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe ze spalaniem stacjonarnym, ale o wiele wydajniej, gdyż detonacja w nim mieszanki paliwowej faktycznie zachodzi....
W ZSRR, podobnie jak w USA, prace nad obrotowym silnikiem detonacyjnym trwają od początku lat 60., ale znowu, mimo pozornej prostoty pomysłu, jego realizacja wymagała rozwiązania zagadkowych pytań teoretycznych. Jak zorganizować proces, aby fala nie zawilgociła? Konieczne było zrozumienie najbardziej złożonych procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w środowisko gazowe... 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 fundamentalnej nauki - kinetyki fizykochemicznej, która nie istniała 50 lat temu. A do praktycznego obliczenia warunków, w których fala detonacyjna nie zaniknie, ale stanie się samowystarczalna, potrzebne były potężne komputery, które pojawiły się dopiero w ostatnich latach. To był fundament, który należało położyć pod fundament praktycznych sukcesów w oswajaniu detonacji.
Aktywna praca w tym kierunku jest prowadzona w Stanach Zjednoczonych. Badania te są prowadzone przez Pratt & Whitney, Ogólne elektryczne, NASA. Na przykład laboratorium badawcze Marynarki Wojennej USA opracowuje turbiny gazowe z detonacją spinową dla Marynarki Wojennej. US Navy używa 430 turbozespoły gazowe na 129 statkach zużywają rocznie 3 miliardy dolarów paliwa. Wprowadzenie bardziej ekonomicznej detonacji silniki z turbiną gazową(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 czubek góry lodowej tej pracy błyszczał pod słońcem w postaci udanego testu, organizacyjny i finansowy udział osławionej Fundacji dla zaawansowanych badań (FPI). Wyróżniono FPI niezbędne fundusze za 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 badań, 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 wtryskiwacze paliwa, co umożliwiło uzyskanie mieszaniny o konsystencji niezbędnej do wystąpienia detonacji ”.
Oczywiście nie należy przesadzać z wagą osiągniętego sukcesu. Powstał jedynie silnik demonstracyjny, który działał stosunkowo krótko, ao jego prawdziwe cechy nic nie jest zgłaszane. Według NPO Energomash, detonacyjny silnik rakietowy zwiększy ciąg o 10% przy spalaniu takiej samej ilości paliwa, jak w silnik konwencjonalny, a impuls właściwy ciągu powinien wzrosnąć o 10–15%.
Ale główny wynik polega na tym, 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. Inne ważny aspekt jest to kolejny światowy priorytet w tej dziedzinie wysoka technologia odtąd jest przypisany do naszego kraju: po raz pierwszy na świecie w Rosji wystrzelono pełnowymiarowy silnik rakietowy detonacyjny i fakt ten pozostanie w historii nauki i techniki.