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 różnych krajów, potem Stany Zjednoczone, potem Niemcy, potem nasi rodacy wyszli na prowadzenie.
Latem, w sierpniu 2016 roku, rosyjskim naukowcom udało się stworzyć 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 z paliwa i utleniacza podczas spalania, temperatura gwałtownie wzrasta, a kolumna płomienia uciekającego 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. Żeby było jasne, American Shuttle ma ciśnienie w komorze spalania 200 atm, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atm do dostarczenia mieszanki - to jak pompka rowerowa i Sayano-Shushenskaya HPP.
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 stabilizacji czoła płomienia, mieszanka jest odnawiana przy każdym pulsowaniu i fala jest uruchomiony ponownie.
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 takiego tempa odnowy 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 rotacyjny składał się z pierścieniowej komory spalania z umieszczonymi wzdłuż jej promienia dyszami doprowadzającymi paliwo. Fala detonacyjna biegnie jak wiewiórka w kole po okręgu, mieszanka paliwowa ściska się i wypala, przepychając produkty spalania przez dyszę. W silniku wirowym uzyskujemy częstotliwość rotacji fali rzędu kilku tysięcy na sekundę, jej działanie jest podobne do procesu pracy w silniku na paliwo ciekłe, tylko dzięki detonacji mieszanki paliwowej wydajniej.
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 termoizolacyjne 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 detonuje się paliwo i utleniacz, 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 roku, rosyjskim naukowcom udało się stworzyć 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 detonuje się paliwo i utleniacz, 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), która wytwarza takie ciśnienie, że paliwo wnika 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. Żeby było jasne, American Shuttle ma ciśnienie w komorze spalania 200 atm, a silnik detonacyjny w takich warunkach potrzebuje tylko 10 atm do dostarczenia mieszanki - to jak pompka rowerowa i Sayano-Shushenskaya HPP.
W tym przypadku silnik oparty na detonacji jest nie tylko prostszy i tańszy o rząd wielkości, ale znacznie mocniejszy i bardziej ekonomiczny niż konwencjonalny silnik rakietowy na paliwo ciekłe.
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 stabilizacji czoła płomienia, mieszanka jest odnawiana przy każdym pulsowaniu i fala jest uruchomiony ponownie.
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 takiego tempa odnowy 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 umieszczonymi wzdłuż jej promienia dyszami doprowadzającymi paliwo. Fala detonacyjna biegnie jak wiewiórka w kole po okręgu, mieszanka paliwowa ściska się i wypala, przepychając produkty spalania przez dyszę. W silniku wirowym uzyskujemy częstotliwość rotacji fali rzędu kilku tysięcy na sekundę, jej działanie jest podobne do procesu pracy w silniku na paliwo ciekłe, tylko dzięki detonacji mieszanki paliwowej wydajniej.
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 termoizolacyjne 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
Silniki detonacyjne nazywają się normalna operacja które wykorzystują stukowe spalanie paliwa. Sam silnik może być (teoretycznie) wszystkim – silnikiem spalinowym, odrzutowym, a nawet parowym. W teorii. Jednak do tej pory wszystkie znane komercyjnie dopuszczalne silniki o takich trybach spalania paliwa, potocznie określane jako „eksplozja”, nie były używane ze względu na ich… um… komercyjną niedopuszczalność…
Źródło:
Co daje zastosowanie spalania detonacyjnego w silnikach? Silnie upraszczające i uogólniające, coś takiego:
Zalety
(1) Zastąpienie konwencjonalnego spalania detonacją, ze względu na specyfikę dynamiki gazu czoła uderzenia, zwiększa teoretyczną maksymalną osiągalną wydajność spalania mieszanki, co umożliwia zwiększenie sprawności silnika i zmniejszenie zużycia o około 5-20%. Dotyczy to wszystkich typów silników, zarówno silników spalinowych, jak i silników odrzutowych.
2. Szybkość spalania porcji mieszanka paliwowa wzrasta o około 10-100 razy, co oznacza, że teoretycznie możliwe jest zwiększenie pojemności litra przez silnik spalinowy (lub określony ciąg na kilogram masy silników odrzutowych) mniej więcej taką samą liczbę razy. Ten czynnik ma również znaczenie dla wszystkich typów silników.
3. Współczynnik ma znaczenie tylko dla silników odrzutowych wszystkich typów: ponieważ procesy spalania zachodzą w komorze spalania z prędkością ponaddźwiękową, a temperatury i ciśnienia w komorze spalania znacznie wzrastają, istnieje doskonała teoretyczna możliwość zwielokrotnienia przepływu wskaźnik. strumień odrzutowy z dyszy. To z kolei prowadzi do proporcjonalnego wzrostu ciągu, impulsu właściwego, sprawności i/lub zmniejszenia masy silnika i wymaganego paliwa.
Wszystkie te trzy czynniki są bardzo ważne, ale nie są rewolucyjne, ale ewolucyjne, że tak powiem. Czwarty i piąty czynnik są rewolucyjne i dotyczą tylko silników odrzutowych:
4. Tylko zastosowanie technologii detonacji umożliwia stworzenie silnika strumieniowego (a zatem na utleniaczu atmosferycznym!) Uniwersalny silnik odrzutowy o dopuszczalnej masie, wielkości i ciągu, do praktycznego i na dużą skalę rozwoju zakresu podwodnych -, super- i hipersoniczne prędkości 0-20Max.
5.Tylko technologie detonacyjne pozwalają na wyciskanie chemicznych silników rakietowych (na parze utleniaczy paliwa) parametry prędkości wymagane ze względu na ich szerokie zastosowanie w podróżach międzyplanetarnych.
Pozycje 4 i 5. teoretycznie ujawniają nam a) tania droga w bliską przestrzeń kosmiczną oraz b) drogę do załogowych startów na pobliskie planety, bez konieczności tworzenia monstrualnych superciężkich pojazdów nośnych ważących ponad 3500 ton.
Wady silników detonacyjnych wynikają z ich zalet:
Źródło:
1. Tempo spalania jest na tyle wysokie, że najczęściej silniki te mogą pracować tylko w sposób cykliczny: dolot-spalanie-wydech. To co najmniej trzykrotnie zmniejsza maksymalną osiągalną moc litra i / lub ciąg, czasami czyniąc sam pomysł bez znaczenia.
2. Temperatury, ciśnienia i szybkość ich narastania w komorze spalania silników detonacyjnych są takie, że wykluczają bezpośrednie zastosowanie większości znanych nam materiałów. Wszystkie są za słabe, aby zbudować prosty, tani i wydajny silnik. Albo potrzebna jest cała rodzina całkowicie nowych materiałów, albo zastosowanie wciąż nierozpracowanych trików projektowych. Nie mamy materiałów, a komplikacja projektu znowu często pozbawia cały pomysł sensu.
Jest jednak obszar, w którym silniki detonacyjne są niezbędne. Jest to ekonomicznie opłacalny hiperdźwięk atmosferyczny z zakresem prędkości 2-20 Max. Dlatego bitwa toczy się w trzech kierunkach:
1. Utworzenie obwodu silnika z ciągła detonacja w komorze spalania. Wymaga to superkomputerów i nietrywialnych podejść teoretycznych do obliczenia ich hemodynamiki. W tej dziedzinie te przeklęte pikowane kurtki, jak zawsze, ciągnęły do przodu i po raz pierwszy na świecie teoretycznie pokazały, że nieprzerwana delegacja jest generalnie możliwa. Wynalazek, odkrycie, patent - wszystko biznes. I zaczęli produkować praktyczną konstrukcję z zardzewiałych rur i nafty.
2. Stworzenie konstruktywne rozwiązania umożliwienie użytkowania klasyczne materiały... Klątwa pikowanych kurtek z pijanymi misiami była również pierwszą, która wymyśliła i stworzyła laboratoryjny wielokomorowy silnik, który pracował tak długo, jak to konieczne. Ciąg jest taki sam jak silnika Su27, a waga jest taka, że jeden (jeden!) dziadek trzyma go w rękach. Ale odkąd wódka się spaliła, silnik okazał się nadal pulsować. Z drugiej strony drań działa tak czysto, że można go włączyć nawet w kuchni (gdzie pikowane kurtki faktycznie ścinają go w przerwach między wódką a bałałajką)
3. Tworzenie nadmateriałów do przyszłych silników. Ten obszar jest najściślejszy i najbardziej tajny. Nie mam w nim informacji o przełomach.
W oparciu o powyższe rozważ perspektywy detonacji, tłokowy silnik spalinowy,... Jak wiadomo podczas detonacji w silniku spalinowym dochodzi do wzrostu ciśnienia w komorze spalania o klasycznych wymiarach większa prędkość dźwięk. Pozostając w tej samej konstrukcji, nie ma możliwości zmuszenia mechanicznego tłoka, a nawet przy znacznych towarzyszących mu masach, do poruszania się w cylindrze z mniej więcej taką samą prędkością. Pasek rozrządu w klasycznym układzie również nie może pracować na takich prędkościach. Dlatego z praktycznego punktu widzenia bezpośrednia konwersja klasycznego silnika spalinowego na silnik detonacyjny nie ma sensu. Silnik wymaga przeprojektowania. Ale jak tylko zaczniemy to robić, okazuje się, że tłok w tej konstrukcji jest po prostu dodatkowe szczegóły... Dlatego IMHO, silnik spalinowy z detonacją tłokową jest anachronizmem.
Silniki rakietowe detonacyjne zostały pomyślnie przetestowane w Rosji. Piotr Ljowoczkin, główny projektant NPO Energomash nazwany na cześć akademika V.P.
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 imieniem akademika V.P. Glushko, Piotra Lyovochkina.
Petr Sergeevich, jakie możliwości otwierają nowe silniki?
Piotr Ljowoczkin: Mówiąc o najbliższej przyszłości, dziś pracujemy nad silnikami do takich pocisków jak Angara A5V i Sojuz-5, a także innych, które są na etapie przedprojektowym i są nieznane opinii publicznej. Ogólnie rzecz biorąc, nasze silniki są przeznaczone do podnoszenia rakiety z powierzchni ciała niebieskiego. I może 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. Drugim kierunkiem jest wykorzystanie nowych, w tym addytywnych technologii w celu zmniejszenia pracochłonności, a w efekcie obniżenia kosztów silnik rakietowy... 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. Wyrażone język techniczny, można je poprawić poprzez zwiększenie wydajności procesów wewnątrzruchowych. Istnieją cykle termodynamicznej konwersji energii chemicznej na energię wypływającego strumienia, które są znacznie wydajniejsze niż spalanie klasyczne. paliwo rakietowe... 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, konstruktorów silników, oznacza to, że przy znacznie mniejszym silniku detonacyjnym i niskiej masie paliwa można uzyskać taki sam ciąg, jak w ogromnych nowoczesnych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe.
Nie jest tajemnicą, że silniki z detonacyjnym spalaniem paliwa powstają również za granicą. Jakie są nasze stanowiska? Czy jesteśmy gorsi, czy jesteśmy na ich poziomie, czy też prowadzimy?
Piotr Lyovochkin: Nie zgadzamy się - to na pewno. Ale nie mogę też powiedzieć, że jesteśmy w czołówce. Temat jest wystarczająco zamknięty. Jedną z głównych tajemnic technologicznych jest zapewnienie, aby paliwo i utleniacz silnika rakietowego nie paliły się, ale eksplodowały, nie niszcząc komory spalania. To znaczy w rzeczywistości, aby prawdziwa eksplozja była kontrolowana i kontrolowana. Dla porównania: detonacja to spalanie paliwa przed naddźwiękową falą uderzeniową. Rozróżnić detonację impulsową, gdy fala uderzeniowa porusza się wzdłuż osi komory i jedna zastępuje drugą, oraz detonację ciągłą (spinową), gdy fale uderzeniowe w komorze poruszają się po okręgu.
O ile wiadomo, eksperymentalne badania spalania detonacyjnego przeprowadzono przy udziale pańskich specjalistów. Jakie wyniki uzyskano?
Piotr Lyovochkin: Prowadzono prace nad stworzeniem komory modelowej dla silnika rakietowego z detonacją cieczy. Nad projektem pod patronatem Advanced Research Foundation pracowała szeroka współpraca wiodących ośrodków naukowych Rosji. Wśród nich jest Instytut Hydrodynamiki im. MAMA. Lavrentieva, MAI, „Keldysh Center”, Centralny Instytut budowa silników lotniczych. 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.
Czy w pociskach naddźwiękowych można zastosować silnik detonacyjny?
Piotr Ljowoczkin: Jest to możliwe i konieczne. Choćby dlatego, że spalanie w nim paliwa jest naddźwiękowe. A w tych silnikach, na których teraz próbują stworzyć kontrolowany samolot naddźwiękowy, spalanie jest poddźwiękowe. A to stwarza wiele problemów. W końcu jeśli spalanie w silniku jest poddźwiękowe, a silnik leci powiedzmy z prędkością pięciu kroków (jeden równa prędkości dźwięk), konieczne jest spowolnienie nadchodzącego przepływu powietrza do trybu dźwięku. W związku z tym cała energia tego hamowania jest zamieniana na ciepło, co prowadzi do dodatkowego przegrzania konstrukcji.
A w silniku detonacyjnym proces spalania zachodzi z prędkością co najmniej dwa i pół raza większą niż prędkość dźwięku. I odpowiednio możemy zwiększyć prędkość samolotu o tę wartość. Oznacza to, że mówimy już nie o pięciu, ale o ośmiu huśtawkach. Taka jest obecnie osiągalna prędkość samolotów z silnikami naddźwiękowymi, które będą wykorzystywały zasadę spalania detonacyjnego.
1Rozważono problem rozwoju silników impulsowych z detonacją. Główny ośrodki naukowe, wiodące 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 zwiększenia 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 // Podstawowe badania... - 2011r. - nr 12 (3). - S. 670-674.
2. Bulat P.V., Zasukhin ON, Prodan N.V. Wahania ciśnienia na dnie // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 3. - s. 204–207.
3. Bulat PV, Zasukhin ON, Prodan NV. Cechy zastosowania modeli turbulencji w obliczeniach przepływów w kanałach naddźwiękowych obiecujących silników odrzutowych // Silnik. - 2012 r. - nr 1. - s. 20–23.
4. Bulat P.V., Zasukhin ON, Uskov V.N. O klasyfikacji reżimów przepływu w kanale z nagłym rozszerzeniem // Termofizyka i Aeromechanika. - 2012 r. - nr 2. - s. 209–222.
5. Bulat P.V., Prodan N.V. O niskoczęstotliwościowych wahaniach natężenia przepływu dolnego ciśnienia // Badania podstawowe. - 2013 r. - nr 4 (3). - S. 545-549.
6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Badania i analiza „zimnych” przedmuchów modułu trakcyjnego silnika detonacyjnego pulsującego wysokiej częstotliwości // Vestnik MAI. - T.14. - nr 4 - M .: Wydawnictwo MAI-Print, 2007. - S. 36–42.
7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspektywy zastosowania technologii detonacji pulsacyjnej w silnik turboodrzutowy... OJSC NPO Saturn STC im. A. Lyulki, Moskwa, Rosja. Moskiewski Instytut Lotniczy (STU). - Moskwa, Rosja. ISSN 1727-7337. Inżynieria i technologia lotnicza, 2011. - nr 9 (86).
Projekty spalania detonacyjnego w USA objęte programem rozwojowym obiecujące silniki IHPTET. Współpraca obejmuje prawie wszystkie ośrodki badawcze praca w zakresie budowy silników. Sama NASA przeznacza na te cele do 130 milionów dolarów rocznie. Świadczy to o trafności badań w tym kierunku.
Przegląd prac w zakresie silników detonacyjnych
Strategia rynkowa czołowych światowych producentów ma na celu nie tylko opracowywanie nowych silników detonacyjnych reaktywnych, ale także modernizację istniejących poprzez zastąpienie ich tradycyjnych komór spalania detonacyjnymi. Ponadto silniki detonacyjne mogą stać się element składowy połączone zakłady różne rodzaje np. stosowany jako dopalacz silnika turboodrzutowego, jako silniki eżektorowe unoszące w samolocie VTOL (przykład na rys. 1 – projekt samolotu transportowego VTOL produkcji Boeing).
W Stanach Zjednoczonych silniki detonacyjne są opracowywane przez wiele ośrodków badawczych i uniwersytetów: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield i Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas w Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.
Seattle Aerosciences Center (SAC), przejęte w 2001 roku przez Pratta i Whitneya od Adroit Systems, zajmuje wiodącą pozycję w rozwoju silników detonacyjnych. Większość prac centrum jest finansowana przez Siły Powietrzne i NASA z budżetu programu Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), którego celem jest tworzenie nowych technologii dla różnych typów silników odrzutowych.
Ryż. 1. Patent US 6 793 174 B2 Boeinga, 2004 r
Łącznie od 1992 roku specjaliści SAC przeprowadzili ponad 500 badań stanowiskowych próbek doświadczalnych. Pulsujące silniki detonacyjne (PDE), które zużywają tlen atmosferyczny, są uruchamiane przez SAC dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Biorąc pod uwagę złożoność programu, specjaliści Marynarki Wojennej zaangażowali w jego realizację prawie wszystkie organizacje zajmujące się silnikami detonacyjnymi. oprócz przez Pratt oraz Whitney, United Technologies Research Center (UTRC) i Boeing Phantom Works.
Obecnie w naszym kraju ponad to pilny problem Teoretycznie działają następujące uczelnie i instytuty Rosyjskiej Akademii Nauk (RAS): Instytut Fizyki Chemicznej RAS (ICP), Instytut Inżynierii Mechanicznej RAS, Instytut wysokie temperatury RAS (IVTAN), Nowosybirski Instytut Hydrodynamiki. Lavrentieva (IGiL), Instytut Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej im Christianovich (ITMP), Fizyko-Techniczny Instytut im Ioffe, Moskiewski Uniwersytet Państwowy (MSU), Moskiewski Państwowy Instytut Lotniczy (MAI), Nowosybirski Uniwersytet Państwowy, Czeboksary State University, Saratov State University itp.
Obszary pracy nad silnikami z detonacją impulsową
Kierunek numer 1 - Klasyczny silnik detonacji impulsowej (PDE). Typowa komora spalania silnik odrzutowy składa się z dysz do mieszania paliwa z utleniaczem, urządzenia do rozpalania mieszanki paliwowej oraz właściwej płomienicy, w której zachodzą reakcje redoks (spalanie). Płomień zakończony jest dyszą. Z reguły jest to dysza Lavala ze zbieżną częścią, minimalną sekcją krytyczną, w której prędkość produktów spalania jest równa lokalnej prędkości dźwięku, częścią rozprężającą się, w której ciśnienie statyczne produktów spalania spada pod presją środowisko, tak dużo jak to możliwe. Bardzo z grubsza można oszacować ciąg silnika jako powierzchnię gardzieli dyszy pomnożoną przez różnicę ciśnień w komorze spalania i otoczeniu. Dlatego im wyższe ciśnienie w komorze spalania, tym wyższy ciąg.
O ciągu impulsowego silnika detonacyjnego decydują inne czynniki – przeniesienie impulsu przez falę detonacyjną na ścianę trakcyjną. W takim przypadku dysza w ogóle nie jest potrzebna. Silniki z detonacją impulsową mają swoją niszę - tanie i jednorazowe samoloty. W tej niszy z powodzeniem rozwijają się w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów.
Klasyczny wygląd IDD to cylindryczna komora spalania, która ma płaską lub specjalnie wyprofilowaną ścianę, zwaną „ścianką ciągnącą” (rys. 2). Prostota urządzenia IDD jest jego niepodważalną zaletą. Jak wynika z analizy dostępnych publikacji, pomimo różnorodności proponowanych schematów IDD, wszystkie charakteryzują się zastosowaniem rurek detonacyjnych o znacznej długości jako urządzeń rezonansowych oraz zastosowaniem zaworów zapewniających okresowe zasilanie płynem roboczym.
Należy zauważyć, że IDD, stworzone na bazie tradycyjnych lamp detonacyjnych, pomimo wysokiej sprawności termodynamicznej w pojedynczej pulsacji, ma nieodłączne wady charakterystyczne dla klasycznych pulsujących silników odrzutowych, a mianowicie:
Niska częstotliwość (do 10 Hz) pulsacji, która decyduje o stosunkowo niskim poziomie średniej sprawności trakcyjnej;
Wysokie obciążenia termiczne i wibracyjne.
Ryż. 2. Schemat silnik detonacji impulsowej (IDD)
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. Taki schemat wydaje się całkiem wykonalny, jeśli rozwiążemy problem drgań i asymetrii ciągu, a także problem ciśnienia dennego, w szczególności ewentualnych drgań o niskiej częstotliwości w dolnym obszarze między rurami.
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 - szeroko reklamowany ostatnio 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. Schemat wyróżnia się brakiem jakichkolwiek zawory mechaniczne i przerywane urządzenia zapłonowe.
Moduł trakcyjny IDD proponowanego schematu składa się z reaktora i rezonatora. Reaktor służy do przygotowania mieszanka paliwowo-powietrzna do spalania detonacyjnego przez rozkład cząsteczek mieszanina palna w składniki aktywne chemicznie. Schemat ideowy jednego cyklu pracy takiego silnika jest wyraźnie pokazany na ryc. 5.
Oddziałując z dolną powierzchnią rezonatora jak z przeszkodą, fala detonacyjna w procesie zderzenia przekazuje na nią impuls od sił nadciśnienia.
IDD z rezonatorami o wysokiej częstotliwości mają prawo odnosić sukcesy. W szczególności mogą ubiegać się o modernizację dopalaczy i udoskonalenie prostych silników turboodrzutowych przeznaczonych ponownie 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 działającej struktury, ponieważ Przy profilowaniu rezonatorów autorzy posługują się liniową teorią fal ściskających, tj. obliczenia wykonywane są w przybliżeniu akustycznie. Zupełnie inny aparat matematyczny opisuje dynamikę fal detonacyjnych i fal kompresji. Stosowanie standardowych pakietów numerycznych do obliczania rezonatorów wysokiej częstotliwości ma podstawowe ograniczenie. Wszystko nowoczesne modele turbulencja opiera się na uśrednieniu równań Naviera-Stokesa (podstawowych równań dynamiki gazu) w czasie. 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 przypadkiem, więc tutaj trzeba albo zbudować model więcej wysoki poziom lub bezpośrednie modelowanie numeryczne oparte na pełnych równaniach Naviera-Stokesa bez korzystania z modeli turbulencji (problem, którym nie da się rozwiązać na obecnym etapie).
Ryż. 4. Schemat IDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości
Ryż. 5. Schemat IDD z rezonatorem wysokiej częstotliwości: SZS - strumień naddźwiękowy; SW - fala uderzeniowa; Ф jest ogniskiem rezonatora; ДВ - fala detonacyjna; ВР - fala rozrzedzenia; OUV - odbita fala uderzeniowa
IDD są ulepszane w kierunku zwiększenia częstości powtarzania impulsów. Ten kierunek ma swoje prawo do życia w dziedzinie lekkich i tanich bezzałogowych statków powietrznych, a także w rozwoju różnych wyrzutowych wzmacniaczy ciągu.
Recenzenci:Uskov V.N., doktor nauk technicznych, profesor Katedry Hydroaeromechaniki Petersburskiego Uniwersytetu Państwowego, Wydział Matematyki i Mechaniki w Petersburgu;
Emelyanov VN, doktor nauk technicznych, profesor, kierownik Katedry Plazmogazdynamiki i Inżynierii Cieplnej, BSTU „VOENMEKH” im. D.F. Ustinow, Petersburg.
Praca została odebrana 14.10.2013.
Odniesienie bibliograficzne
Bulat P.V., Prodan N.V. PRZEGLĄD PROJEKTÓW SILNIKÓW PUKOWYCH. SILNIKI IMPULSOWE // Badania podstawowe. - 2013 r. - nr 10-8. - S. 1667-1671;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (data dostępu: 04.03.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez „Akademię Nauk Przyrodniczych”