Rosyjski silnik detonacyjny. Silnik detonacyjny

Rozpatrzono problem rozwoju obrotowych silników detonacyjnych. Przedstawiono główne typy takich silników: obrotowy silnik detonacyjny Nicholsa, silnik Voitsekhovsky. Rozważono główne kierunki i trendy w rozwoju konstrukcji silników detonacyjnych. Wykazano, że współczesne koncepcje silnika z detonacją obrotową nie mogą w zasadzie prowadzić do stworzenia funkcjonalnej konstrukcji, lepszej w swoich właściwościach od istniejących silników odrzutowych. Powodem jest chęć projektantów połączenia generowania fal, spalania paliwa oraz wyrzutu paliwa i utleniacza w jeden mechanizm. W wyniku samoorganizacji struktur fali uderzeniowej spalanie detonacyjne zachodzi w minimalnej, a nie maksymalnej objętości. Efektem faktycznie osiągniętym dzisiaj jest spalanie detonacyjne w objętości nieprzekraczającej 15% objętości komory spalania. Wyjście widać w innym podejściu - najpierw tworzy się optymalna konfiguracja fal uderzeniowych, a dopiero potem do tego układu dostarczane są składniki paliwowe i organizowane jest optymalne spalanie detonacyjne w dużej objętości.

silnik detonacyjny

obrotowy silnik detonacyjny

Silnik Voitsekhovsky

detonacja kołowa

detonacja wirowa

pulsacyjny silnik detonacyjny

1. Voitsekhovsky BV, Mitrofanov VV, Topchiyan ME, Struktura frontu detonacji w gazach. - Nowosybirsk: Wydawnictwo Syberyjskiego Oddziału Akademii Nauk ZSRR, 1963.

2. Uskov V.N., Bulat P.V. O problemie zaprojektowania idealnego dyfuzora do kompresji przepływu naddźwiękowego // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 6 (część 1). - S. 178-184.

3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Historia badań nieregularnego odbicia fali uderzeniowej od osi symetrii dżetu naddźwiękowego z formowaniem się dysku Macha // Badania Podstawowe. - 2012 r. - nr 9 (część 2). - S. 414–420.

4. Uskov VN, Bulat P.V., Prodan N.V. Uzasadnienie zastosowania stacjonarnego modelu konfiguracyjnego Macha do obliczeń dysku Macha w dżecie naddźwiękowym // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 11 (część 1). - S. 168-175.

5. Shchelkin K.I. Niestabilność spalania i detonacji gazów // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965 .-- T. 87, nr. 2.– str. 273–302.

6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Przerywana detonacja jako mechanizm budujący zaufanie // Napęd odrzutowy. - 1957. - nr 21. - P. 534-541.

Obrotowe silniki detonacyjne

Wszystkie typy silników z detonacją rotacyjną (RDE) łączy fakt, że układ zasilania paliwem łączy się z układem spalania paliwa na fali detonacyjnej, ale wtedy wszystko działa jak w konwencjonalnym silniku odrzutowym – rura płomieniowa i dysza. To właśnie ten fakt zapoczątkował taką działalność w zakresie modernizacji silników turbogazowych (GTE). Atrakcyjna wydaje się wymiana tylko głowicy mieszającej i układu zapłonu mieszanki w silniku turbogazowym. W tym celu konieczne jest zapewnienie ciągłości spalania detonacyjnego, np. poprzez uruchomienie fali detonacyjnej w okręgu. Jeden z pierwszych takich schematów zaproponował Nichols w 1957 r., a następnie rozwinął go i w połowie lat 60. przeprowadził serię eksperymentów z wirującą falą detonacyjną (ryc. 1).

Regulując średnicę komory i grubość szczeliny pierścieniowej, dla każdego rodzaju mieszanki paliwowej, można dobrać taką geometrię, aby detonacja była stabilna. W praktyce stosunki wielkości szczeliny i średnicy silnika są niedopuszczalne, a prędkość propagacji fali musi być kontrolowana poprzez sterowanie dopływem paliwa, jak omówiono poniżej.

Podobnie jak w przypadku silników z detonacją impulsową, okrągła fala detonacyjna jest w stanie wyrzucać utleniacz, umożliwiając stosowanie RDE przy prędkościach zerowych. Fakt ten doprowadził do lawiny badań eksperymentalnych i obliczeniowych RDE z pierścieniową komorą spalania i spontanicznym wyrzutem mieszanki paliwowo-powietrznej, której wymienianie tutaj nie ma sensu. Wszystkie zbudowane są w przybliżeniu według tego samego schematu (ryc. 2), przypominającego schemat silnika Nicholsa (ryc. 1).

Ryż. 1. Schemat organizacji ciągłej detonacji kołowej w szczelinie pierścieniowej: 1 - fala detonacyjna; 2 - warstwa „świeżej” mieszanki paliwowej; 3 - przerwa w kontakcie; 4 - ukośna fala uderzeniowa rozchodząca się z prądem; D - kierunek ruchu fali detonacyjnej

Ryż. 2. Typowy schemat RDE: V - prędkość przepływu przychodzącego; V4 to natężenie przepływu na wylocie dyszy; a - zespół świeżego paliwa, b - czoło fali detonacyjnej; c - dołączona ukośna fala uderzeniowa; d - produkty spalania; p (r) - rozkład ciśnienia na ścianie kanału

Rozsądną alternatywą dla schematu Nicholsa może być instalacja różnych wtryskiwaczy utleniających paliwo, które wstrzykują mieszankę paliwowo-powietrzną w obszar bezpośrednio przed falą detonacyjną zgodnie z pewnym prawem przy danym ciśnieniu (rys. 3). Regulując ciśnienie i szybkość dostarczania paliwa do obszaru spalania za falą detonacyjną, można wpływać na szybkość jego propagacji w górę. Ten kierunek jest obiecujący, ale głównym problemem w projektowaniu takich RDE jest to, że szeroko stosowany uproszczony model przepływu w froncie spalania detonacyjnego w ogóle nie odpowiada rzeczywistości.

Ryż. 3. RDE z regulowanym dopływem paliwa do strefy spalania. Silnik obrotowy Voitsekhovsky

Główne nadzieje na świecie wiążą się z silnikami detonacyjnymi działającymi według schematu silnika rotacyjnego Voitsekhovsky. W 1963 B.V. Voitsekhovsky, analogicznie do detonacji spinowej, opracował schemat ciągłego spalania gazu za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w kanale pierścieniowym (ryc. 4).

Ryż. 4. Schemat ciągłego spalania gazu Wojciechowskiego za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w kanale pierścieniowym: 1 - świeża mieszanka; 2 - podwójnie skompresowana mieszanina za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych, obszar detonacji

W tym przypadku stacjonarny proces hydrodynamiczny ze spalaniem gazu za falą uderzeniową różni się od schematu detonacji Chapmana-Jougueta i Zeldovicha-Neumanna. Taki proces jest dość stabilny, czas jego trwania determinowany jest zapasem mieszanki paliwowej i w znanych eksperymentach wynosi kilkadziesiąt sekund.

Schemat silnika detonacyjnego Voitsekhovsky'ego służył jako prototyp dla licznych badań silników detonacyjnych rotacyjnych i spinowych zainicjowanych w ciągu ostatnich 5 lat. Ten schemat stanowi ponad 85% wszystkich badań. Wszystkie mają jedną organiczną wadę – strefa detonacji zajmuje zbyt małą część całkowitej strefy spalania, zwykle nie więcej niż 15%. W rezultacie określone wskaźniki silników są gorsze niż w przypadku silników konwencjonalnych.

O przyczynach niewdrożenia schematu Voitsekhovsky'ego

Większość prac nad silnikami z ciągłą detonacją wiąże się z rozwojem koncepcji Voitsekhovsky. Pomimo ponad 40-letniej historii badań, wyniki faktycznie utrzymały się na poziomie 1964. Udział spalania detonacyjnego nie przekracza 15% objętości komory spalania. Reszta to powolne spalanie w warunkach dalekich od optymalnych.

Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest brak praktycznej metody obliczeniowej. Ponieważ przepływ jest trójwymiarowy, a obliczenia uwzględniają tylko zasady zachowania pędu na fali uderzeniowej w kierunku prostopadłym do frontu detonacji modelu, wyniki obliczenia nachylenia fal uderzeniowych do przepływu produktów spalania różnią się od obserwowanych eksperymentalnie o ponad 30%. Konsekwencją jest to, że pomimo wieloletnich badań nad różnymi układami zasilania paliwem oraz eksperymentów nad zmianą proporcji składników paliwa, udało się jedynie stworzyć modele, w których spalanie detonacyjne zachodzi i utrzymuje się przez 10-15 s. Ani wzrost sprawności, ani przewaga nad istniejącymi silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe i turbinami gazowymi nie są wykluczone.

Analiza istniejących schematów RDE przeprowadzona przez autorów projektu wykazała, że ​​wszystkie proponowane obecnie schematy RDE są z zasady nieoperacyjne. Spalanie detonacyjne zachodzi i jest z powodzeniem utrzymywane, ale tylko w ograniczonym zakresie. W pozostałej części objętości mamy do czynienia ze zwykłym powolnym spalaniem, poza tym za nieoptymalnym układem fal uderzeniowych, co prowadzi do znacznych strat ciśnienia całkowitego. Ponadto ciśnienie jest również kilkakrotnie niższe niż jest to konieczne dla idealnych warunków spalania przy stechiometrycznym stosunku składników mieszanki paliwowej. W rezultacie jednostkowe zużycie paliwa na jednostkę ciągu jest o 30-40% wyższe niż w przypadku silników konwencjonalnych.

Najważniejszym problemem jest jednak sama zasada organizowania detonacji ciągłej. Jak pokazują badania ciągłej detonacji kołowej prowadzone jeszcze w latach 60-tych, front spalania detonacyjnego jest złożoną strukturą fali uderzeniowej, składającą się z co najmniej dwóch potrójnych konfiguracji (o potrójnych konfiguracjach fal uderzeniowych. Taka struktura z dołączoną strefą detonacji, jak każdy termodynamiczny system sprzężenia zwrotnego, pozostawiony sam sobie, ma tendencję do zajmowania pozycji odpowiadającej minimalnemu poziomowi energii. W rezultacie konfiguracje potrójne i obszar spalania detonacyjnego są do siebie dopasowane tak, że front detonacji porusza się wzdłuż szczeliny pierścieniowej z minimalna możliwa objętość spalania detonacyjnego Jest to dokładne przeciwieństwo celu, jaki konstruktorzy silników postawili przed spalaniem detonacyjnym.

Aby stworzyć wydajny silnik RDE, konieczne jest rozwiązanie problemu stworzenia optymalnej konfiguracji potrójnej fali uderzeniowej i zorganizowania w niej strefy spalania detonacyjnego. Niezbędna jest możliwość tworzenia optymalnych struktur fali uderzeniowej w różnych urządzeniach technicznych, na przykład w optymalnych dyfuzorach naddźwiękowych wlotów powietrza. Głównym zadaniem jest maksymalne możliwe zwiększenie udziału spalania detonacyjnego w objętości komory spalania od niedopuszczalnego prądu 15% do co najmniej 85%. Istniejące konstrukcje silników oparte na projektach Nicholsa i Wojciechowskiego nie mogą zapewnić tego zadania.

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

Kurier Wojskowo-Przemysłowy ma świetne wieści w dziedzinie przełomowej technologii rakietowej. W Rosji testowano silnik rakiety detonacyjnej – poinformował w piątek na swoim profilu na Facebooku wicepremier Dmitrij Rogozin.

„Tzw. silniki rakietowe detonacyjne, opracowane w ramach programu Advanced Research Fund, zostały pomyślnie przetestowane” – mówi wicepremier Interfax-AVN.

Uważa się, że detonacyjny silnik rakietowy jest jednym ze sposobów realizacji koncepcji tzw. hiperdźwięku motorycznego, czyli stworzenia samolotu hipersonicznego zdolnego do osiągania prędkości Mach 4-6 (Mach to prędkość dźwięku) dzięki własnemu silnikowi.

Portal russia-reborn.ru zawiera wywiad z jednym z wiodących specjalistów od silników specjalistycznych w Rosji na temat silników rakietowych do detonacji.

Wywiad z Piotrem Lyovochkinem, głównym projektantem NPO Energomash im. Akademik W.P. Głuszko ”.

Powstają silniki do pocisków naddźwiękowych przyszłości
Tak zwane silniki rakietowe detonacyjne zostały pomyślnie przetestowane 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 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 Ljowoczkin: Jeśli mówimy o parametrach energetycznych i termodynamicznych silników, to możemy powiedzieć, że zarówno nasze, jak i najlepsze dziś zagraniczne silniki rakietowe do chemikaliów osiągnęły pewien poziom doskonałości. Na przykład sprawność spalania paliwa sięga 98,5%. Oznacza to, że prawie cała energia chemiczna paliwa w silniku jest przekształcana w energię cieplną strumienia gazu wypływającego z dyszy.

Możesz ulepszać silniki w różnych kierunkach. To zastosowanie bardziej energochłonnych komponentów paliwowych, wprowadzenie nowych rozwiązań obiegowych, wzrost ciśnienia w komorze spalania. Innym kierunkiem jest wykorzystanie 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 podnoszenie 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 zwiększa się złożoność konstrukcji i jej masa, a zysk energetyczny okazuje się nie tak duży. Gra nie będzie warta świeczki.

Czy to znaczy, że silniki rakietowe wyczerpały swój zasób rozwojowy?

Piotr Ljowoczkin: Nie do końca. Pod względem technicznym można je poprawić poprzez zwiększenie wydajności procesów wewnątrzruchowych. Istnieją cykle termodynamicznej konwersji energii chemicznej na energię wypływającego strumienia, które są znacznie wydajniejsze niż klasyczne spalanie paliwa rakietowego. To jest cykl spalania detonacyjnego i bliski mu cykl Humphreya.

Sam efekt detonacji paliwa odkrył nasz rodak - późniejszy akademik Jakow Borysowicz Zeldowicz w 1940 roku. Wdrożenie tego efektu w praktyce obiecywało bardzo duże perspektywy w rakietach. Nic dziwnego, że Niemcy w tych samych latach aktywnie badali proces detonacji spalania. Ale nie wyszli poza niezbyt udane eksperymenty.

Obliczenia teoretyczne wykazały, że spalanie detonacyjne jest o 25 proc. wydajniejsze niż cykl izobaryczny, co odpowiada spalaniu paliwa pod stałym ciśnieniem, 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, specjalistów od silników, oznacza to, że przy znacznie mniejszych rozmiarach silnika detonacyjnego i małej 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 Advanced Research Foundation pracowała szeroka współpraca wiodących ośrodków naukowych Rosji. Wśród nich jest Instytut Hydrodynamiki im. 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 i na świecie. Dlatego oczywiście pojawiły się 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.

Silnik detonacyjny jest prostszy i tańszy w produkcji, o rząd wielkości mocniejszy i bardziej ekonomiczny niż konwencjonalny silnik odrzutowy, w porównaniu z nim ma wyższą wydajność.

Opis:

Silnik detonacyjny (impulsowy, pulsacyjny) zastępuje konwencjonalny silnik odrzutowy. Aby zrozumieć istotę silnika detonacyjnego, konieczny jest demontaż konwencjonalnego silnika odrzutowego.

Konwencjonalny silnik odrzutowy ma następującą budowę.

W komorze spalania następuje spalanie paliwa i utleniacza, którym jest tlen z powietrza. W tym przypadku ciśnienie w komorze spalania jest stałe. Proces spalania gwałtownie podnosi temperaturę, tworzy stały front płomienia i stały ciąg strumienia wypływającego z dyszy. Czoło konwencjonalnego płomienia rozprzestrzenia się w medium gazowym z prędkością 60-100 m/s. Z tego powodu pojawia się ruch samolot... Jednak współczesne silniki odrzutowe osiągnęły pewną granicę wydajności, mocy i innych cech, których zwiększenie jest praktycznie niemożliwe lub niezwykle trudne.

W silniku detonacyjnym (impulsowym lub pulsacyjnym) spalanie następuje przez detonację. Detonacja to proces spalania, który zachodzi setki razy szybciej niż spalanie konwencjonalnego paliwa. Podczas spalania detonacyjnego powstaje detonacyjna fala uderzeniowa, poruszająca się z prędkością ponaddźwiękową. To około 2500 m/s. Ciśnienie wzrasta gwałtownie w wyniku spalania detonacyjnego, podczas gdy objętość komory spalania pozostaje niezmieniona. Produkty spalania są wyrzucane przez dyszę z ogromną prędkością. Częstotliwość tętnień fali detonacyjnej sięga kilku tysięcy na sekundę. W fali detonacyjnej nie ma stabilizacji czoła płomienia, mieszanka paliwowa jest odnawiana dla każdej pulsacji i fala jest ponownie uruchamiana.

Ciśnienie w silniku detonacyjnym jest wytwarzane przez samą detonację, co wyklucza dostarczanie mieszanki paliwowej i utleniacza pod wysokim ciśnieniem. W konwencjonalnym silniku odrzutowym, aby wytworzyć ciśnienie ciągu 200 atm., konieczne jest dostarczenie mieszanki paliwowej pod ciśnieniem 500 atm. W silniku detonacyjnym ciśnienie zasilania mieszanki paliwowej wynosi 10 atm.

Komora spalania silnika detonacyjnego jest strukturalnie pierścieniowa z dyszami umieszczonymi wzdłuż jej promienia w celu dostarczania paliwa. Fala detonacyjna okrąża okrąg w kółko, mieszanka paliwowa ściska się i wypala, przepychając produkty spalania przez dyszę.

Zalety:

- silnik detonacyjny jest łatwiejszy w produkcji. Nie ma potrzeby stosowania agregatów pompowych turbo,

– o rząd wielkości mocniejszy i bardziej ekonomiczny niż konwencjonalny silnik odrzutowy,

- ma wyższą wydajność,

– tańsze w produkcji,

- nie ma potrzeby tworzenia wysokiego ciśnienia zasilania mieszanki paliwowej i utleniacza, wysokie ciśnienie powstaje na skutek samej detonacji,

– silnik detonacyjny jest 10 razy mocniejszy niż konwencjonalny silnik odrzutowy pod względem mocy pobieranej z jednostki objętości, co prowadzi do zmniejszenia konstrukcji silnika detonacyjnego,

- spalanie detonacyjne jest 100 razy szybsze niż spalanie konwencjonalne.

Uwaga: © Zdjęcie https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Komory spalania z
ciągła detonacja

Pomysł komory spalania z detonacją ciągłą zaproponowany w 1959 r. przez akademika Akademii Nauk ZSRR B.V. Wojciechowski. Komora spalania ciągłej detonacji (CDC) to pierścieniowy kanał utworzony przez ściany dwóch współosiowych cylindrów. Jeżeli na dnie kanału pierścieniowego umieszczona jest głowica mieszająca, a drugi koniec kanału wyposażony jest w dyszę strumieniową, to uzyskuje się przepływowy pierścieniowy silnik odrzutowy. Spalanie detonacyjne w takiej komorze może być zorganizowane poprzez spalanie mieszanki paliwowej dostarczanej przez głowicę mieszającą w fali detonacyjnej krążącej w sposób ciągły nad dnem. W takim przypadku fala detonacyjna spali mieszankę paliwową, która dostała się do komory spalania podczas jednego obrotu fali po obwodzie kanału pierścieniowego. Częstotliwość obrotu fali w komorze spalania o średnicy około 300 mm będzie miała wartość rzędu 105 obr/min i więcej. Zaletami takich komór spalania są: (1) prostota konstrukcji; (2) pojedynczy zapłon; (3) quasi-stacjonarny wypływ produktów detonacji; (4) wysoka częstotliwość cykli (kiloherc); (5) krótka komora spalania; (6) niski poziom emisji substancji szkodliwych (NO, CO itp.); (7) niski poziom hałasu i wibracji. Wady takich komór obejmują: (1) konieczność zastosowania sprężarki lub turbopompy; (2) ograniczone zarządzanie; (3) złożoność skalowania; (4) trudność chłodzenia.

Duże inwestycje w B+R i B+R na ten temat w Stanach Zjednoczonych rozpoczęły się stosunkowo niedawno: 3-5 lat temu (Siły Powietrzne, Marynarka Wojenna, NASA, korporacje lotnicze). W oparciu o otwarte publikacje w Japonii, Chinach, Francji, Polsce i Korei prace nad projektowaniem takich komór spalania z wykorzystaniem metod obliczeniowej dynamiki gazów są obecnie bardzo rozpowszechnione. W Federacji Rosyjskiej badania w tym kierunku są najaktywniej prowadzone w NP „Centrum IDG” oraz w Instytucie Geologii i Literatury SB RAS.

Poniżej wymieniono najważniejsze postępy w tej dziedzinie nauki i technologii. W 2012 roku specjaliści z Pratt & Whitney i Rocketdyne (USA) opublikowali wyniki badań eksperymentalnego silnika rakietowego o konstrukcji modułowej z wymiennymi dyszami do zasilania komponentów paliwowych oraz z wymiennymi dyszami. Przeprowadzono setki prób wypalania przy użyciu różnych par paliw: wodór - tlen, metan - tlen, etan - tlen itp. Na podstawie przeprowadzonych testów opracowano mapy stabilnych trybów pracy silnika z jedną, dwiema lub więcej falami detonacyjnymi krążącymi po wykonano dno komory. Zbadano różne metody podtrzymywania zapłonu i detonacji. Maksymalny czas pracy silnika uzyskany w doświadczeniach z chłodzeniem wodnym ścian komory wyniósł 20 s. Podaje się, że czas ten był ograniczony jedynie dostawą składników paliwa, a nie stanem cieplnym ścian. Polscy specjaliści wraz z europejskimi partnerami pracują nad stworzeniem komory spalania ciągłej detonacji do silnika śmigłowca. Udało im się stworzyć komorę spalania, która stabilnie pracuje w trybie ciągłej detonacji przez 2 s na mieszance wodoru z powietrzem i nafty z powietrzem w połączeniu z sowiecką sprężarką silnika GTD350. W latach 2011-2012. Instytut Hydrodynamiki SB RAS zarejestrował eksperymentalnie proces ciągłego detonacyjnego spalania niejednorodnej mieszaniny mikronowych cząstek węgla drzewnego z powietrzem w tarczowej komorze spalania o średnicy 500 mm. Wcześniej w Instytucie Geologii z powodzeniem prowadzono eksperymenty z krótkotrwałą (do 1–2 s) rejestracją ciągłej detonacji powietrznych mieszanin wodoru i acetylenu oraz mieszanin tlenowych szeregu poszczególnych węglowodorów. andologia SB RAS. W latach 2010-2012. W Centrum IDG, z wykorzystaniem unikalnych technologii obliczeniowych, stworzono podstawy do projektowania komór spalania ciągłego detonacyjnego zarówno dla silników rakietowych, jak i odrzutowych, a po raz pierwszy wyniki eksperymentów zostały odtworzone metodą obliczeniową, gdy komora była eksploatowane z oddzielnym zasilaniem składników paliwowych (wodór i powietrze). Ponadto w 2013 roku NP „Center IDG” zaprojektowała, wyprodukowała i przetestowała pierścieniową komorę spalania ciągłej detonacji o średnicy 400 mm, szczelinie 30 mm i wysokości 300 mm, przeznaczoną do realizacji programu badawczego na doświadczalnym udowodnieniu efektywności energetycznej ciągłego spalania detonacyjnego mieszanin paliwowo-powietrznych.

Najważniejszy problem, z jakim borykają się projektanci przy tworzeniu komór spalania z ciągłą detonacją, pracujących na standardowym paliwie, jest taki sam jak w przypadku komór spalania z detonacją impulsową, tj. niska zdolność detonacyjna takich paliw w powietrzu. Kolejną ważną kwestią jest zmniejszenie strat ciśnienia podczas podawania składników paliwa do komory spalania w celu zapewnienia wzrostu całkowitego ciśnienia w komorze. Kolejnym problemem jest chłodzenie komory. Obecnie badane są sposoby przezwyciężenia tych problemów.

Większość ekspertów krajowych i zagranicznych uważa, że ​​oba omawiane schematy organizacji cyklu detonacji są obiecujące zarówno dla silników rakietowych, jak i odrzutowych. Nie ma podstawowych ograniczeń w praktycznym wdrażaniu tych programów. Główne zagrożenia na drodze tworzenia nowego typu komór spalania wiążą się z rozwiązywaniem problemów inżynierskich.
Możliwości konstrukcyjne i sposoby organizacji procesu pracy w komorach impulsowo-detonacyjnych i detonacyjnych ciągłych są chronione licznymi patentami krajowymi i zagranicznymi (setki patentów). Główną wadą patentów jest milczenie lub praktycznie niedopuszczalne (z różnych powodów) rozwiązanie głównego problemu realizacji cyklu detonacyjnego - problemu niskiej zdolności detonacyjnej paliw standardowych (nafty, benzyny, oleju napędowego, gazu ziemnego) w powietrzu . Proponowane praktycznie nieakceptowalne rozwiązania tego problemu polegają na zastosowaniu wstępnego termicznego lub chemicznego przygotowania paliwa przed wprowadzeniem go do komory spalania, zastosowaniu aktywnych dodatków, w tym tlenu, czy też zastosowaniu specjalnych paliw o wysokiej zdolności detonacyjnej. W przypadku silników wykorzystujących aktywne (samozapalne) komponenty paliwowe problem ten nie występuje, jednak pilne pozostają problemy ich bezpiecznej eksploatacji.

Ryż. 1: Porównanie impulsów właściwych silników odrzutowych: turboodrzutowych, strumieniowych, PuVRD i IDD

Zastosowanie komór spalania impulsowo-detonacyjnego koncentruje się głównie na zastąpieniu istniejących komór spalania w takich układach napędowych strumieniowo-powietrznych, jak strumienie strumieniowe i PUVRD. Faktem jest, że zgodnie z tak ważną cechą silnika, jaką jest impuls właściwy, IDE, obejmujący cały zakres prędkości lotu od 0 do liczby Macha M = 5, teoretycznie ma porównywalny impuls właściwy (w locie liczba Macha M od 2,0 do 3,5) z silnikiem strumieniowym i znacznie przekraczającym impuls właściwy silnika strumieniowego przy liczbie Mach lotu M od 0 do 2 i od 3,5 do 5 (rys. 1). Jeśli chodzi o PUVRD, jego impuls właściwy przy prędkościach lotu poddźwiękowego jest prawie 2 razy mniejszy niż w przypadku IDD. Zapożyczono dane o impulsie właściwym dla silnika strumieniowego, z którego przeprowadzono jednowymiarowe obliczenia charakterystyk ideał Silnik strumieniowy pracujący na mieszance naftowo-powietrznej z nadmiarem paliwa 0,7. Dane o impulsie właściwym silników odrzutowych z napędem powietrznym zapożyczono z artykułów, w których przeprowadzono wielowymiarowe obliczenia charakterystyk ciągu silników odrzutowych w warunkach lotu przy prędkościach poddźwiękowych i naddźwiękowych na różnych wysokościach. Należy zauważyć, że w przeciwieństwie do obliczeń, obliczenia zostały przeprowadzone z uwzględnieniem strat spowodowanych procesami rozpraszania (turbulencja, lepkość, fale uderzeniowe itp.).

Dla porównania ryc. 1 pokazuje wyniki obliczeń dla ideał silnik turboodrzutowy (TRD). Widać, że IDE jest gorszy od idealnego silnika turboodrzutowego w impulsie właściwym przy locie liczby Macha do 3,5, ale przewyższa silnik turboodrzutowy w tym wskaźniku przy M>3,5. Tak więc przy M > 3,5 zarówno silnik strumieniowy, jak i turboodrzutowy są gorsze od powietrznego PDE pod względem impulsu właściwego, co czyni PDM bardzo obiecującym. Ze względu na niskie naddźwiękowe i poddźwiękowe prędkości lotu, IDD, poddając się silnikowi turboodrzutowemu w impulsie właściwym, nadal można uznać za obiecujące ze względu na niezwykłą prostotę konstrukcji i niski koszt, co jest niezwykle ważne w przypadku zastosowań jednorazowych (pojazdy dostawcze). , cele itp.).

Obecność „cyklu pracy” ciągu wytworzonego przez takie komory sprawia, że ​​nie nadają się one do rejsowych silników rakietowych na paliwo ciekłe (LRE). Niemniej jednak opatentowano schematy silników rakietowych na paliwo ciekłe i detonację pulsacyjną o konstrukcji wielorurowej o niskim cyklu pracy ciągu. Ponadto takie elektrownie mogą być wykorzystywane jako silniki do korekcji orbity i ruchów orbitalnych sztucznych satelitów Ziemi i mają wiele innych zastosowań.

Zastosowanie komór spalania o ciągłej detonacji koncentruje się głównie na wymianie istniejących komór spalania w silnikach na paliwo ciekłe i turbinach gazowych.

Sp. z oo „Analog” została zorganizowana w 2010 roku w celu wykonania i eksploatacji projektu opryskiwaczy do pól, które wymyśliłem, których pomysł został w 2007 roku zabezpieczony patentem RF na wzór użytkowy nr 67402.

Teraz opracowałem również koncepcję obrotowego silnika spalinowego wewnętrznego spalania, w którym można zorganizować detonacyjne (wybuchowe) spalanie dopływającego paliwa ze zwiększonym uwalnianiem (około 2 razy) energii ciśnienia i temperatury spalin przy zachowaniu wydajności silnika. W związku z tym, przy około 2-krotnym wzroście sprawności silnika cieplnego, tj. do około 70%. Realizacja tego projektu wymaga dużych nakładów finansowych na jego zaprojektowanie, dobór materiałów i produkcję prototypu. A pod względem właściwości i zastosowań jest to silnik przede wszystkim lotniczy, a także całkiem odpowiedni do samochodów, pojazdów samobieżnych itp. jest konieczne na obecnym etapie rozwoju technologii i wymagań środowiskowych.

Jego głównymi zaletami będą prostota konstrukcji, oszczędność, przyjazność dla środowiska, wysoki moment obrotowy, zwartość, niski poziom hałasu nawet bez użycia tłumika. Jego wysoka zdolność produkcyjna i specjalne materiały zapewnią ochronę przed kopiowaniem.

Prostotę konstrukcji zapewnia konstrukcja wirnika, w której wszystkie części silnika wykonują prosty ruch obrotowy.

Przyjazność dla środowiska i wydajność zapewnia 100% chwilowe spalanie paliwa w trwałej, wysokotemperaturowej (ok. 2000°C), niechłodzonej, oddzielnej komorze spalania, zamkniętej na ten czas zaworami. Chłodzenie takiego silnika odbywa się od wewnątrz (chłodzenie płynu roboczego) ewentualnymi porcjami wody dostającymi się do sekcji roboczej przed odpaleniem kolejnych porcji płynu roboczego (spalin) z komory spalania, uzyskując tym samym dodatkowe ciśnienie rzędu para wodna i użyteczna praca na wale roboczym.

Zapewniony jest wysoki moment obrotowy, nawet przy niskich prędkościach (w porównaniu z silnikiem spalinowym tłokowym), duży i stały rozmiar ramienia uderzenia płynu roboczego w łopatkę wirnika. Czynnik ten sprawi, że każdy transport lądowy obejdzie się bez skomplikowanej i kosztownej transmisji lub przynajmniej ją znacznie uprości.

Kilka słów o jego budowie i działaniu.

Silnik spalinowy ma kształt cylindryczny z dwiema sekcjami łopatkowo-wirnikowymi, z których jedna służy do wlotu i wstępnego sprężania mieszanki paliwowo-powietrznej i jest znaną i wykonalną sekcją konwencjonalnej sprężarki rotacyjnej; druga, działająca, to zmodernizowana obrotowa maszyna parowa Marcinewskiego; a pomiędzy nimi znajduje się układ statyczny z trwałego, żaroodpornego materiału, w którym oddzielna, zamykana na czas spalania komora spalania z trzema nieobrotowymi zaworami, z których 2 są swobodne, typu płatkowego, oraz jeden sterowany w celu zmniejszenia ciśnienia przed wlotem następnej porcji zespołów paliwowych.

Podczas pracy silnika obraca się wał roboczy z wirnikami i łopatkami. W sekcji wlotowej łopatka zasysa i ściska zespół paliwowy, a gdy ciśnienie wzrośnie powyżej ciśnienia w komorze spalania (po uwolnieniu z niej ciśnienia) mieszanina robocza zostaje doprowadzona do gorącej (ok. 2000°C ) komora, zapala się iskrą i natychmiast eksploduje. Jednocześnie zawór wlotowy zamyka się, zawór wylotowy otwiera się, a przed jego otwarciem do sekcji roboczej wtryskiwana jest wymagana ilość wody. Okazuje się, że do sekcji roboczej pod wysokim ciśnieniem wystrzeliwane są bardzo gorące gazy, a część wody zamienia się w parę, a mieszanina parowo-gazowa obraca wirnik silnika, jednocześnie go schładzając. Według dostępnych informacji istnieje już materiał, który przez długi czas wytrzymuje temperatury do 10 000 stopni C, z którego trzeba zrobić komorę spalania.

W maju 2018 r. złożono wniosek o dokonanie wynalazku. Wniosek jest obecnie rozpatrywany pod względem merytorycznym.

Wniosek o inwestycję składany jest w celu zapewnienia finansowania prac badawczo-rozwojowych, stworzenia prototypu, jego dopracowania i tuningu aż do uzyskania działającej próbki tego silnika. Z czasem proces ten może potrwać rok lub dwa. Możliwości finansowania dalszego rozwoju modyfikacji silnika dla różnych urządzeń mogą i powinny być opracowywane osobno dla jego konkretnych próbek.

Dodatkowe informacje

Realizacja tego projektu jest sprawdzianem wynalazku w praktyce. Uzyskanie działającego prototypu. Pozyskany materiał można zaoferować całemu krajowemu przemysłowi maszynowemu do opracowania modeli pojazdów ze sprawnym silnikiem spalinowym na podstawie umów z deweloperem i opłacania prowizji.

Możesz wybrać swój własny, najbardziej obiecujący kierunek w projektowaniu ICE, na przykład budowa silnika lotniczego dla ALS i zaproponować wyprodukowany silnik, a także zainstalować ten ICE na własnym opracowaniu ALS, którego prototyp jest składane.

Należy zauważyć, że rynek prywatnych odrzutowców na świecie dopiero zaczyna się rozwijać, ale w naszym kraju jest w powijakach. I m.in. mianowicie brak odpowiedniego silnika spalinowego hamuje jego rozwój. A w naszym kraju, z jego niekończącymi się przestrzeniami, takie samoloty będą poszukiwane.

Analiza rynku

Realizacja projektu oznacza uzyskanie całkowicie nowego i niezwykle obiecującego silnika spalinowego.

Teraz nacisk kładzie się na ekologię, a jako alternatywę dla tłokowego silnika spalinowego proponuje się silnik elektryczny, ale ta potrzebna mu energia musi być gdzieś wytworzona, dla niego zgromadzona. Lwia część energii elektrycznej wytwarzana jest w elektrociepłowniach, które nie są przyjazne dla środowiska, co spowoduje znaczne zanieczyszczenie na ich terenie. A żywotność magazynów energii nie przekracza 2 lat, gdzie przechowywać te szkodliwe śmieci? Rezultatem proponowanego projektu jest wydajny i nieszkodliwy, a nie mniej ważny, wygodny i znajomy silnik spalinowy. Wystarczy napełnić bak paliwem niskiej jakości.

Efektem projektu jest perspektywa zastąpienia wszystkich silników tłokowych na świecie właśnie tym. Jest to perspektywa wykorzystania potężnej energii wybuchu do celów pokojowych i po raz pierwszy proponuje się konstruktywne rozwiązanie tego procesu w silniku spalinowym. Co więcej, jest stosunkowo niedrogi.

Wyjątkowość projektu

To jest wynalazek. Po raz pierwszy projekt pozwala na zastosowanie detonacji w silniku spalinowym.

Przez cały czas jednym z głównych zadań przy projektowaniu silnika spalinowego było zbliżanie się do warunków spalania detonacyjnego, ale zapobieganie jego wystąpieniu.

Kanały zarabiania

Sprzedaż licencji produkcyjnych.