Rosyjski silnik detonacyjny. Komory spalania z ciągłą detonacją

Rozważono 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 praktycznej 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 powstaje 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 utworzeniem dysku Macha // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 9 (część 2). - S. 414–420.

4. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Uzasadnienie zastosowania modelu stacjonarnej konfiguracji Macha do obliczeń dysku Macha w strumieniu 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 w formie 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 stosunek wielkości szczeliny do średnicy silnika okazuje się nie do zaakceptowania i konieczne jest regulowanie prędkości propagacji fali poprzez sterowanie dopływem paliwa, co omówiono poniżej.

Podobnie jak w przypadku silników z detonacją impulsową, okrągła fala detonacyjna może 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 są zbudowane 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 - szczelina kontaktowa; 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 mogłaby być instalacja wielu wtryskiwaczy utleniających paliwo, które wstrzykiwałyby mieszankę paliwowo-powietrzną w obszar bezpośrednio przed falą detonacyjną zgodnie z pewnym prawem przy zadanym 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 Voitsekhovsky'ego 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 specyficzne osiągi silników są gorsze niż w przypadku silników konwencjonalnych.

O przyczynach niepowodzeń we wdrażaniu 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 i 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 programów RDE przeprowadzona przez autorów projektu wykazała, że ​​wszystkie proponowane obecnie programy 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 wykazały prowadzone w latach 60. badania nad ciągłą detonacją kołową, front spalania detonacyjnego jest złożoną strukturą fali uderzeniowej, składającą się z co najmniej dwóch potrójnych konfiguracji (o potrójnych konfiguracjach fali uderzeniowej. 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 minimalnym możliwą objętość spalania detonacyjnego.Jest to dokładnie odwrotność celu, który projektanci 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

Rozważono 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 detonacyjne impulsowe są udoskonalane w kierunku zwiększania częstości 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 // Badania podstawowe. - 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 wykorzystania 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 fluktuacjach przepływu o niskiej częstotliwości 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 silnikach turboodrzutowych. 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 zajmujące się budową 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 integralnym elementem instalacji kombinowanych różnych typów, np. jako dopalacz silnika turboodrzutowego, jako silniki eżektorowe unoszące w samolotach VTOL (przykład na rys. 1 to projekt samolotu transportowego Boeing VTOL).

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

Łącznie od 1992 roku specjaliści SAC przeprowadzili ponad 500 badań stanowiskowych próbek doświadczalnych. Pulsujące silniki detonacyjne (PDE) zużywające tlen atmosferyczny są wykonywane przez SAC dla Marynarki Wojennej USA. Biorąc pod uwagę złożoność programu, specjaliści Marynarki Wojennej zaangażowali w jego realizację prawie wszystkie organizacje zajmujące się silnikami detonacyjnymi. Oprócz Pratta i Whitneya w prace zaangażowane są United Technologies Research Center (UTRC) i Boeing Phantom Works.

Obecnie w naszym kraju nad tym aktualnym problemem w ujęciu teoretycznym pracują następujące uniwersytety i instytuty Rosyjskiej Akademii Nauk (RAS): Instytut Fizyki Chemicznej RAS (ICP), Instytut Inżynierii Mechanicznej RAS, Instytut Wysokich Temperatur RAS (IVTAN), Nowosybirski Instytut Hydrodynamiki. Lavrentieva (IGiL), Instytut Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. 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 możliwe jest oszacowanie ciągu silnika jako powierzchnia gardzieli dyszy pomnożona 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 ewentualnych 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 kierunek alternatywny - ostatnio szeroko reklamowany obwód z modułami trakcyjnymi (rys. 4), które posiadają specjalnie wyprofilowany rezonator wysokiej częstotliwości. Prace w tym kierunku prowadzone są w Centrum Naukowo-Technicznym im A. Kołyska i MAI. Obwód wyróżnia się brakiem mechanicznych zaworów i przerywanych urządzeń zapłonowych.

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 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 oparte są 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 w chwili obecnej scena).

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.

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

Sp. z oo „Analog” została zorganizowana w 2010 roku w celu produkcji i eksploatacji projektu opryskiwaczy na pola, które wymyśliłem, których idea została zapisana w patencie RF na wzór użytkowy nr 67402 w 2007 roku.

Teraz opracowałem również koncepcję obrotowego silnika spalinowego, 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., tj. jest konieczne na obecnym etapie rozwoju technologii i wymagań środowiskowych.

Jego głównymi zaletami będą prostota konstrukcji, wydajność, przyjazność dla środowiska, wysoki moment obrotowy, zwartość, niski poziom hałasu nawet bez użycia tłumika. Jego wysoka produktywność 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% natychmiastowe spalanie paliwa w trwałej, wysokotemperaturowej (ok. 2000°C), niechłodzonej, oddzielnej komorze spalania, zamkniętej tym razem 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, dzięki czemu uzyskuje się dodatkowe ciśnienie rzędu para wodna i użyteczna praca na wale roboczym.

Zapewniony jest wysoki moment obrotowy, nawet przy niskich prędkościach (w porównaniu z tłokowym silnikiem spalinowym), 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 zwolnieniu z niej ciśnienia) mieszanina robocza zostaje wprowadzona do gorącej (około 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 supergorące gazy są wystrzeliwane do sekcji roboczej pod wysokim ciśnieniem, a część wody zamienia się w parę, a mieszanina parowo-gazowa obraca wirnik silnika, jednocześnie go chłodząc. 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 ten składa się na finansowanie prac badawczo-rozwojowych, stworzenie prototypu, jego dopracowanie i dostrojenie 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 może być oferowany całemu krajowemu przemysłowi inżynieryjnemu do opracowania modeli pojazdów ze sprawnym silnikiem spalinowym na podstawie umów z deweloperem i opłacania prowizji.

Możesz wybrać własny, najbardziej obiecujący kierunek projektowania silnika spalinowego, na przykład budowę silnika lotniczego dla ALS i zaoferować wyprodukowany silnik, a także zainstalować ten silnik spalinowy na własnym opracowaniu ALS, prototypu z czego jest w trakcie montażu.

Należy zauważyć, że rynek prywatnych odrzutowców na świecie dopiero zaczął 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.

Analityka rynku

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

Teraz nacisk kładziony jest na ekologię, a jako alternatywę dla tłokowego silnika spalinowego proponuje się silnik elektryczny, ale ta potrzebna mu energia musi być gdzieś wygenerowana, 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? Efektem proponowanego projektu jest wydajny i nieszkodliwy, a co nie mniej ważne, 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 proponuje się projekt pozwalający na zastosowanie detonacji w silniku spalinowym.

Przez cały czas jednym z głównych zadań przy projektowaniu silnika spalinowego było zbliżenie się do warunków spalania detonacyjnego, ale niedopuszczenie do jego wystąpienia.

Kanały zarabiania

Sprzedaż licencji produkcyjnych.

Ekologia konsumpcji Nauka i technologia: pod koniec sierpnia 2016 r. światowe agencje informacyjne rozpowszechniły wiadomość: na jednym ze stoisk NPO Energomash w Chimkach pod Moskwą pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik rakietowy na paliwo ciekłe (LRE) rozpoczęto detonacyjne spalanie paliwa.

Pod koniec sierpnia 2016 roku światowe agencje informacyjne rozeszły się z wiadomością: na jednym ze stoisk NPO Energomash w Chimkach pod Moskwą wprowadzono pierwszy na świecie pełnowymiarowy silnik rakietowy na paliwo ciekłe (LRE) wykorzystujący detonacyjne spalanie paliwa. operacja. Na to wydarzenie krajowa nauka i technologia trwa od 70 lat.

Pomysł silnika detonacyjnego został zaproponowany przez radzieckiego fizyka Ja B. Zeldowicza w artykule „O wykorzystaniu energii w procesie spalania detonacyjnego” opublikowanym w „Journal of Technical Physics” w 1940 roku. Od tego czasu na całym świecie trwają badania i eksperymenty nad praktycznym wdrażaniem obiecujących technologii. W tym wyścigu umysłów najpierw Niemcy, potem Stany Zjednoczone, a potem ZSRR wysunęły się do przodu. A teraz Rosja zapewniła sobie ważny priorytet w światowej historii technologii. W ostatnich latach nasz kraj rzadko mógł się czymś takim pochwalić.

Na grzbiecie fali

Jakie są zalety silnika detonacyjnego? W tradycyjnych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe, podobnie jak w konwencjonalnych samolotowych silnikach tłokowych lub turboodrzutowych, wykorzystywana jest energia uwalniana podczas spalania paliwa. W komorze spalania silnika rakietowego na paliwo ciekłe powstaje nieruchomy front płomienia, w którym spalanie zachodzi pod stałym ciśnieniem. Ten normalny proces spalania nazywa się deflagracją. W wyniku interakcji paliwa i utleniacza temperatura mieszaniny gazów gwałtownie wzrasta i z dyszy wyrywa się ognista kolumna produktów spalania, które tworzą ciąg strumienia.

Detonacja to także spalanie, ale dzieje się to 100 razy szybciej niż przy spalaniu konwencjonalnym paliwem. Proces ten przebiega tak szybko, że często detonację mylona jest z wybuchem, zwłaszcza że uwalniana jest tak duża ilość energii, że np. silnik samochodowy, gdy to zjawisko zachodzi w jego cylindrach, może w rzeczywistości się zawalić. Jednak detonacja nie jest eksplozją, ale rodzajem spalania tak szybkiego, że produkty reakcji nie mają nawet czasu na rozprężenie, dlatego proces ten, w przeciwieństwie do deflagracji, przebiega ze stałą objętością i gwałtownie rosnącym ciśnieniem.

W praktyce wygląda to tak: zamiast stacjonarnego frontu płomienia w mieszance paliwowej, wewnątrz komory spalania powstaje fala detonacyjna, która porusza się z prędkością ponaddźwiękową. W tej fali sprężania następuje detonacja mieszanki paliwa i utleniacza, a proces ten jest znacznie bardziej wydajny z termodynamicznego punktu widzenia niż spalanie konwencjonalnego paliwa. Sprawność spalania detonacyjnego jest o 25-30% wyższa, to znaczy przy spalaniu tej samej ilości paliwa uzyskuje się większy ciąg, a ze względu na zwartość strefy spalania silnik detonacyjny jest teoretycznie o rząd wielkości wyższy niż konwencjonalne silniki rakietowe pod względem mocy pobieranej z jednostki objętości.

Już samo to wystarczyło, aby zwrócić na ten pomysł jak największą uwagę specjalistów. Przecież stagnacja, jaka pojawiła się obecnie w rozwoju światowej kosmonautyki, która od pół wieku tkwi na orbicie okołoziemskiej, jest związana przede wszystkim z kryzysem w napędach rakietowych. Nawiasem mówiąc, w kryzysie znajduje się również lotnictwo, które nie jest w stanie przekroczyć progu trzech prędkości dźwięku. Kryzys ten można porównać do sytuacji w samolotach tłokowych pod koniec lat 30. XX wieku. Śmigło i silnik spalinowy wyczerpały swój potencjał i dopiero pojawienie się silników odrzutowych umożliwiło osiągnięcie jakościowo nowego poziomu wysokości, prędkości i zasięgu lotu.

Konstrukcje klasycznych silników rakietowych na paliwo ciekłe zostały w ciągu ostatnich dziesięcioleci dopracowane do perfekcji i praktycznie osiągnęły granicę swoich możliwości. Ich specyficzne właściwości można w przyszłości zwiększyć tylko w bardzo nieznacznych granicach – o kilka procent. Dlatego światowa kosmonautyka jest zmuszona podążać szeroką ścieżką rozwoju: w przypadku załogowych lotów na Księżyc konieczne jest zbudowanie gigantycznych rakiet nośnych, a to jest bardzo trudne i szalenie drogie, przynajmniej dla Rosji. Próba przezwyciężenia kryzysu za pomocą silników jądrowych natknęła się na problemy środowiskowe. Być może pojawienie się silników rakietowych detonacyjnych jest zbyt wczesne, aby porównać je z przejściem lotnictwa do ciągu odrzutowego, ale są one w stanie przyspieszyć proces eksploracji kosmosu. Co więcej, ten typ silnika odrzutowego ma jeszcze jedną bardzo ważną zaletę.
GRES w miniaturze

Konwencjonalny silnik rakietowy jest w zasadzie dużym palnikiem. Aby zwiększyć jego ciąg i specyficzne właściwości, konieczne jest podniesienie ciśnienia w komorze spalania. W takim przypadku paliwo, które jest wtryskiwane do komory przez dysze, musi być dostarczane pod wyższym ciśnieniem niż podczas procesu spalania, w przeciwnym razie strumień paliwa po prostu nie może przeniknąć do komory. Dlatego najbardziej skomplikowaną i najdroższą jednostką w silniku na paliwo ciekłe nie jest komora z dyszą, która jest na widoku, ale jednostka turbopompy paliwa (TNA), ukryta we wnętrzu rakiety wśród zawiłości rurociągów.

Na przykład najpotężniejszy na świecie silnik rakietowy RD-170, stworzony dla pierwszego etapu radzieckiej superciężkiej rakiety nośnej Energia przez tę samą NPO Energia, ma ciśnienie w komorze spalania 250 atmosfer. To dużo. Ale ciśnienie na wylocie pompy tlenu pompującej utleniacz do komory spalania osiąga 600 atm. Do napędzania tej pompy używana jest turbina o mocy 189 MW! Wyobraź sobie to: koło turbiny o średnicy 0,4 m rozwija moc czterokrotnie większą niż atomowy lodołamacz „Arktika” z dwoma reaktorami jądrowymi! Jednocześnie THA jest złożonym urządzeniem mechanicznym, którego wałek wykonuje 230 obrotów na sekundę i musi pracować w środowisku ciekłego tlenu, gdzie w rurociągu nie ma nawet najmniejszej iskry, ale ziarnka piasku. prowadzi do eksplozji. Technologie tworzenia takiego TNA są głównym know-how Energomash, którego posiadanie pozwala dziś rosyjskiej firmie sprzedawać swoje silniki do montażu na amerykańskich pojazdach nośnych Atlas V i Antares. W Stanach Zjednoczonych nie ma jeszcze alternatywy dla rosyjskich silników.

W przypadku silnika detonacyjnego takie trudności nie są konieczne, ponieważ ciśnienie dla bardziej wydajnego spalania zapewnia sama detonacja, która jest falą sprężania przemieszczającą się w mieszance paliwowej. Podczas detonacji ciśnienie wzrasta 18–20 razy bez TNA.

Aby uzyskać warunki w komorze spalania silnika detonacyjnego równoważne np. z warunkami w komorze spalania silnika na paliwo ciekłe American Shuttle (200 atm) wystarczy podać paliwo pod ciśnieniem z ... 10 atm. Potrzebna do tego jednostka, w porównaniu z TNA klasycznego silnika rakietowego na paliwo płynne, jest jak pompa rowerowa w pobliżu Sayano-Sushenskaya GRES.

Oznacza to, że silnik detonacyjny będzie nie tylko mocniejszy i bardziej ekonomiczny niż konwencjonalny silnik na paliwo ciekłe, ale także o rząd wielkości prostszy i tańszy. Dlaczego więc tej prostoty nie dano projektantom od 70 lat?
Głównym problemem inżynierów było poradzenie sobie z falą detonacyjną. Chodzi nie tylko o to, aby silnik był mocniejszy, aby mógł wytrzymać zwiększone obciążenia. Detonacja to nie tylko fala uderzeniowa, ale coś bardziej przebiegłego. Fala uderzeniowa rozchodzi się z prędkością dźwięku, a fala detonacyjna z prędkością ponaddźwiękową - do 2500 m/s. Nie tworzy stabilnego frontu płomienia, więc praca takiego silnika pulsuje: po każdej detonacji konieczne jest odnowienie mieszanki paliwowej, a następnie rozpoczęcie w niej nowej fali.

Próby stworzenia pulsującego silnika odrzutowego podjęto na długo przed pomysłem detonacji. To właśnie w zastosowaniu pulsujących silników odrzutowych próbowano znaleźć alternatywę dla silników tłokowych w latach 30. XX wieku. 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 modelową instalację. Ze względu na szereg niedociągnięć instalacja Karavodin nie znalazła zastosowania w praktyce. Pierwszym PUVRD, który działał na prawdziwym samolocie, był niemiecki Argus As 014, oparty na patencie monachijskiego wynalazcy Paula Schmidta z 1931 roku. Argus został stworzony z myślą o „broni odwetu” – skrzydlatej bombie V-1. Podobny projekt został stworzony w 1942 roku przez radzieckiego projektanta Władimira Chelomeya dla pierwszego radzieckiego pocisku manewrującego 10X.

Oczywiście silniki te jeszcze nie detonowały, ponieważ wykorzystywały pulsacje konwencjonalnego spalania. Częstotliwość tych pulsacji była niska, co generowało charakterystyczny dźwięk karabinu maszynowego podczas pracy. Ze względu na przerywaną pracę, specyfika PUVRD była średnio niska, a po tym, jak konstruktorzy pod koniec lat 40. poradzili sobie z trudnościami w tworzeniu sprężarek, pomp i turbin, silniki turboodrzutowe i silniki na paliwo ciekłe stały się królami niebo, a PUVRD pozostał na peryferiach postępu technologicznego....

Ciekawe, że pierwsze PUVRD zostały stworzone przez niemieckich i radzieckich projektantów niezależnie od siebie. Nawiasem mówiąc, nie tylko Zeldovich wpadł na pomysł silnika detonacyjnego w 1940 roku. Równolegle z nim te same myśli wyrazili Von Neumann (USA) i Werner Doering (Niemcy), dlatego w nauce międzynarodowej model wykorzystania spalania detonacyjnego nazwano ZND.

Pomysł połączenia PUVRD ze spalaniem detonacyjnym był bardzo kuszący. Ale przód zwykłego płomienia rozchodzi 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, więc częstotliwość pulsacji powinna wynosić tysiące na sekundę. W praktyce trudno było zrealizować takie tempo odnowy mieszaniny i inicjacji detonacji.

Niemniej jednak kontynuowano próby stworzenia sprawnych silników pulsacyjnych detonacyjnych. Praca specjalistów Sił Powietrznych USA w tym kierunku została zwieńczona stworzeniem silnika demonstracyjnego, który po raz pierwszy wzbił się w powietrze 31 stycznia 2008 r. na eksperymentalnym samolocie Long-EZ. W historycznym locie silnik pracował… 10 sekund na wysokości 30 metrów. Niemniej jednak priorytetem w tym przypadku pozostały Stany Zjednoczone, a samolot słusznie zajął miejsce w Muzeum Narodowym Sił Powietrznych USA.

Tymczasem od dawna wynaleziono inny, znacznie bardziej obiecujący schemat.

Jak wiewiórka na kole

Pomysł, aby zapętlić falę detonacyjną i sprawić, by poruszała się ona w komorze spalania jak wiewiórka w kole, zrodziła się wśród naukowców na początku lat 60. XX wieku. Zjawisko detonacji spinowej (rotacyjnej) teoretycznie przewidział sowiecki fizyk z 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 umieszczonych wtryskiwaczy. Fala detonacyjna wewnątrz komory nie porusza się w kierunku osiowym, jak w PUVRD, ale po okręgu, ściskając i spalając znajdującą się przed nią mieszankę paliwową i ostatecznie wypychając produkty spalania z dyszy w taki sam sposób jak śruba maszynki do mięsa wypycha mięso mielone. Zamiast częstotliwości pulsacji otrzymujemy częstotliwość rotacji fali detonacyjnej, która może sięgać kilku tysięcy na sekundę, czyli w praktyce silnik nie pracuje jako silnik pulsacyjny, ale jak konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe ze spalaniem stacjonarnym, ale o wiele wydajniej, gdyż detonacja w nim mieszanki paliwowej faktycznie zachodzi....

W ZSRR, podobnie jak w USA, prace nad obrotowym silnikiem detonacyjnym trwają od początku lat 60., ale znowu, mimo pozornej prostoty pomysłu, jego realizacja wymagała rozwiązania zagadkowych pytań teoretycznych. Jak zorganizować proces, aby fala nie zawilgociła? Konieczne było zrozumienie najbardziej złożonych procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w środowisku gazowym. Tutaj obliczenia nie były już prowadzone na poziomie molekularnym, ale na poziomie atomowym, na styku chemii i fizyki kwantowej. Procesy te są bardziej złożone niż te, które zachodzą podczas generowania wiązki laserowej. Dlatego laser działa od dawna, a silnik detonacyjny nie. Aby zrozumieć te procesy, konieczne było stworzenie nowej podstawowej nauki - kinetyki fizykochemicznej, która nie istniała 50 lat temu. A do praktycznego obliczenia warunków, w których fala detonacyjna nie zaniknie, ale stanie się samowystarczalna, potrzebne były potężne komputery, które pojawiły się dopiero w ostatnich latach. To był fundament, który należało położyć pod fundament praktycznych sukcesów w oswajaniu detonacji.

Aktywna praca w tym kierunku jest prowadzona w Stanach Zjednoczonych. Badania te są prowadzone przez Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Na przykład laboratorium badawcze Marynarki Wojennej USA opracowuje turbiny gazowe z detonacją spinową dla Marynarki Wojennej. Marynarka Wojenna USA wykorzystuje 430 turbin gazowych na 129 statkach i zużywa rocznie 3 miliardy dolarów na paliwo. Wprowadzenie bardziej ekonomicznych silników z turbiną gazową detonacyjną (GTE) pozwoli zaoszczędzić ogromne pieniądze.

W Rosji nad silnikami detonacyjnymi pracowały i nadal pracują dziesiątki instytutów badawczych i biur projektowych. Wśród nich jest NPO Energomash, wiodąca firma produkująca silniki w rosyjskim przemyśle kosmicznym, z wieloma przedsiębiorstwami, z którymi współpracuje VTB Bank. Prace nad detonacyjnym silnikiem rakietowym prowadzono przez ponad rok, ale aby wierzchołek góry lodowej tej pracy błyszczał pod słońcem w postaci udanego testu, organizacyjny i finansowy udział osławionej Fundacji dla zaawansowanych badań (FPI). To FPI przeznaczyło niezbędne środki na utworzenie w 2014 roku specjalistycznego laboratorium „Detonacja LRE”. W końcu, pomimo 70 lat badań, ta technologia nadal pozostaje „zbyt obiecująca” w Rosji, aby mogła być finansowana przez klientów takich jak Ministerstwo Obrony, którzy z reguły potrzebują gwarantowanego praktycznego wyniku. I wciąż jest od tego bardzo daleko.

Poskromienie złośnicy

Chciałbym wierzyć, że po tym wszystkim, co zostało powiedziane powyżej, tytaniczna praca, która pojawia się między wierszami krótkiego sprawozdania z testów, które odbyły się w Energomash w Chimkach w lipcu-sierpniu 2016 r., staje się zrozumiała: fale o częstotliwości około 20 kHz (częstotliwość rotacji fali wynosi 8 tysięcy obrotów na sekundę) na parze paliwowej „tlen - nafta”. Udało się uzyskać kilka fal detonacyjnych, które równoważą wzajemnie obciążenia wibracyjne i uderzeniowe. Powłoki termoizolacyjne opracowane specjalnie w Keldysh Center pomogły radzić sobie z obciążeniami o wysokiej temperaturze. Silnik wytrzymał kilka rozruchów przy ekstremalnych obciążeniach wibracyjnych i bardzo wysokich temperaturach przy braku chłodzenia warstwy ścianki. Szczególną rolę w tym sukcesie odegrało stworzenie modeli matematycznych i wtryskiwaczy paliwa, które umożliwiły uzyskanie mieszanki o konsystencji niezbędnej do pojawienia się detonacji.”

Oczywiście wagi osiągniętego sukcesu nie należy przesadzać. Stworzono jedynie silnik demonstracyjny, który działał przez stosunkowo krótki czas i nic nie zostało zgłoszone o jego prawdziwych właściwościach. Według NPO Energomash, detonacyjny silnik rakietowy zwiększy ciąg o 10% podczas spalania takiej samej ilości paliwa, jak w konwencjonalnym silniku, a jednostkowy impuls ciągu powinien wzrosnąć o 10-15%.

Ale głównym wynikiem jest to, że możliwość zorganizowania spalania detonacyjnego w silniku rakietowym na paliwo ciekłe została praktycznie potwierdzona. Jednak przed zastosowaniem tej technologii w prawdziwym samolocie jest jeszcze długa droga. Innym ważnym aspektem jest to, że naszemu krajowi przypisano teraz kolejny światowy priorytet w dziedzinie wysokich technologii: po raz pierwszy na świecie w Rosji uruchomiono pełnowymiarowy silnik rakietowy detonacyjny i fakt ten pozostanie w historii nauka i technologia. opublikowany

Silnik detonacyjny jest często postrzegany jako alternatywa dla standardowego silnika spalinowego lub rakietowego. Jest porośnięty wieloma mitami i legendami. Te legendy rodzą się i żyją tylko dlatego, że ludzie, którzy je rozpowszechniają, zapomnieli o szkolnym kursie fizyki, a nawet pominęli go całkowicie!

Zwiększenie gęstości mocy lub ciągu

Pierwsze złudzenie.

Od 100-krotnego wzrostu szybkości spalania paliwa będzie można zwiększyć moc jednostkową (na jednostkę objętości roboczej) silnika spalinowego. W przypadku silników rakietowych działających w trybie detonacji ciąg na jednostkę masy wzrośnie 100 razy.

Uwaga: Jak zawsze nie jest jasne, o jakiej masie mówimy - masa płynu roboczego czy cała rakieta jako całość.

Nie ma związku między prędkością spalania paliwa a mocą właściwą.

Istnieje związek między stopniem kompresji a gęstością mocy. W przypadku benzynowych silników spalinowych stopień sprężania wynosi około 10. W silnikach wykorzystujących tryb detonacji można go zwiększyć około 2 razy, co jest dokładnie tym, co osiąga się w silnikach wysokoprężnych, które mają stopień sprężania około 20. W rzeczywistości, działają w trybie detonacji. To znaczy oczywiście stopień sprężania można zwiększyć, ale po detonacji nikt tego nie potrzebuje! Nie może być mowy o 100 razy!! Co więcej, objętość robocza silnika spalinowego to powiedzmy 2 litry, objętość całego silnika to 100 lub 200 l. Oszczędność objętości wyniesie 1% !!! Ale dodatkowe „zużycie” (grubość ścianek, nowe materiały itp.) Będzie mierzone nie w procentach, ale w czasach lub dziesiątkach razy !!

Na przykład. Wykonana praca jest z grubsza proporcjonalna do V * P (proces adiabatyczny ma współczynniki, ale nie zmienia teraz istoty). Jeśli objętość zostanie zmniejszona 100 razy, ciśnienie początkowe powinno wzrosnąć 100 razy! (do wykonania tej samej pracy).

Pojemność litra można zwiększyć, jeśli kompresja zostanie w ogóle zaniechana lub pozostawiona na tym samym poziomie, ale węglowodory (w większych ilościach) i czysty tlen w stosunku wagowym około 1:2,6-4, w zależności od składu węglowodorów, lub ciekły tlen w ogóle (gdzie już było :-)). Wtedy możliwe jest zwiększenie zarówno pojemności litrów, jak i wydajności (ze względu na wzrost „współczynnika rozprężania”, który może osiągnąć nawet 6000!). Ale po drodze jest zarówno zdolność komory spalania do wytrzymania takich ciśnień i temperatur, jak i potrzeba „zasilania” nie tlenem atmosferycznym, ale przechowywanym czystym lub nawet ciekłym tlenem!

Właściwie, pewnego rodzaju jest to użycie podtlenku azotu. Podtlenek azotu to po prostu sposób na wprowadzenie zwiększonej ilości tlenu do komory spalania.

Ale te metody nie mają nic wspólnego z detonacją !!

Można zaproponować dalszy rozwój tak egzotycznych metod zwiększania mocy litra - zastosowanie fluoru zamiast tlenu. Jest silniejszym środkiem utleniającym, tj. Reakcje z nim przebiegają z doskonałym uwolnieniem energii.

Zwiększenie prędkości strumienia strumieniowego

Cynowanie drugiego.
W silnikach rakietowych wykorzystujących detonacyjne tryby pracy, w wyniku tego, że tryb spalania zachodzi przy prędkościach wyższych niż prędkość dźwięku w danym środowisku (która zależy od temperatury i ciśnienia), parametry ciśnienia i temperatury w komorze spalania kilkakrotnie zwiększyć prędkość wychodzących reaktywnych dżetów. Poprawia to proporcjonalnie wszystkie parametry takiego silnika, w tym zmniejszenie jego masy i zużycia, a co za tym idzie wymaganego zasilania paliwem.

Jak wspomniano powyżej, stopień kompresji nie może być zwiększony więcej niż 2 razy. Ale znowu szybkość przepływu gazów zależy od dostarczanej energii i ich temperatury! (Prawo zachowania energii). Przy tej samej ilości energii (tej samej ilości paliwa) prędkość można zwiększyć tylko poprzez obniżenie ich temperatury. Ale to już jest utrudnione przez prawa termodynamiki.

Silniki rakietowe detonacyjne to przyszłość podróży międzyplanetarnych

Trzecie nieporozumienie.

Tylko silniki rakietowe oparte na technologiach detonacyjnych umożliwiają uzyskanie parametrów prędkości wymaganych do lotów międzyplanetarnych w oparciu o reakcję utleniania chemicznego.

Cóż, to złudzenie przynajmniej logicznie spójne. Wynika to z dwóch pierwszych.

Żadna technologia nie jest w stanie wycisnąć niczego z reakcji utleniania! Przynajmniej dla znanych substancji. Szybkość przepływu zależy od bilansu energetycznego reakcji. Część tej energii, zgodnie z prawami termodynamiki, można zamienić na pracę (energię kinetyczną). Te. nawet jeśli cała energia przechodzi w kinetyczną, to jest to granica oparta na prawie zachowania energii i nie można przekroczyć żadnych detonacji, stopni kompresji itp.

Oprócz bilansu energetycznego bardzo ważnym parametrem jest „energia na nukleon”. Jeśli wykonasz małe obliczenia, możesz otrzymać, że reakcja utleniania atomu węgla (C) daje 1,5 raza więcej energii niż reakcja utleniania cząsteczki wodoru (H2). Jednak ze względu na fakt, że produkt utleniania węgla (CO2) jest 2,5 razy cięższy niż produkt utleniania wodoru (H2O), szybkość wypływu gazów z silników wodorowych wynosi 13%. To prawda, że ​​należy również wziąć pod uwagę pojemność cieplną produktów spalania, ale daje to bardzo małą poprawkę.