W Rosji przetestowano silniki rakietowe detonacyjne. Komory spalania z ciągłą detonacją

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, w potocznych ludziach 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 frontu wstrząsu, zwiększa teoretyczną maksymalną osiągalną kompletność spalania mieszanki, co umożliwia zwiększenie Sprawność silnika i zmniejszyć zużycie o około 5-20%. Dotyczy to wszystkich typów silników, zarówno silników spalinowych, jak i silników odrzutowych.

2. Szybkość spalania porcji mieszanki paliwowej wzrasta około 10-100 razy, co oznacza, że ​​teoretycznie możliwe jest zwiększenie mocy silnika spalinowego przez silnik spalinowy (lub określony ciąg na kilogram masy za silniki odrzutowe) w przybliżeniu 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 strumienia 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. Dopiero technologie detonacyjne umożliwiają wyciśnięcie z chemicznych silników rakietowych (na parze paliwo-utleniacz) parametrów prędkości wymaganych do ich szerokiego zastosowania w lotach 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 można doprowadzić tylko do pracy cyklicznej: 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 sprawny silnik... Albo wymagana jest cała rodzina całkowicie nowych materiałów, albo wymagane jest użycie wciąż nierozpracowanych sztuczek 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 o zakresie prędkości 2-20 Max. Dlatego bitwa toczy się w trzech kierunkach:

1. Utworzenie obwodu silnika z detonacją ciągłą w komorze spalania. Wymaga to superkomputerów i nietrywialnych podejść teoretycznych do obliczenia ich hemodynamiki. W tej dziedzinie te przeklęte pikowane kurtki, jak zawsze, wysunęły się do przodu i po raz pierwszy na świecie teoretycznie pokazały, że generalnie możliwa jest ciągła delegacja. Wynalazki, odkrycia, patenty - cały 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 było 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 jak na razie pulsował. 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 przy takich prędkościach. Dlatego z praktycznego punktu widzenia bezpośrednia konwersja klasycznego ICE na 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 tłoka jest anachronizmem.

Silnik detonacyjny zwiększy prędkość samolotu z pięciu do ośmiu map.

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: Jeśli mówimy o najbliższej przyszłości, dziś pracujemy nad silnikami do pocisków takich 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 nasze, podobnie jak najlepsze dziś zagraniczne chemiczne silniki rakietowe, 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 zastosowanie nowych, w tym addytywnych technologii, w celu zmniejszenia pracochłonności, a co za tym idzie, obniżenia kosztów silnika rakietowego. Wszystko to prowadzi do obniżenia kosztów ładunku wyjściowego.

Jednak po bliższym przyjrzeniu się staje się jasne, że zwiększanie charakterystyki energetycznej silników w tradycyjny sposób jest nieefektywne.

Użycie kontrolowanej eksplozji paliwa może dać rakiety ośmiokrotnie większą prędkość dźwięku

Czemu?

Piotr Ljowoczkin: Wzrost ciśnienia i zużycia paliwa w komorze spalania w naturalny sposób zwiększy ciąg silnika. Będzie to jednak wymagało zwiększenia grubości ścianek komory i pomp. W efekcie złożoność konstrukcji i jej masa wzrasta, zysk energetyczny okazuje się nie tak duży. Gra nie będzie warta świeczki.

Oznacza to, że silniki rakietowe wyczerpały swój zasób rozwojowy?

Piotr Ljowoczkin: Nie na pewno w ten sposób. 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, które jest realizowane w komorach nowoczesnych silników rakietowych na ciecz.

A jakie są zalety spalania detonacyjnego w porównaniu z klasycznym spalaniem?

Piotr Ljowoczkin: 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 inżynierów silnikowych oznacza to, że przy znacznie mniejszych rozmiarach silnika detonacyjnego 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 Ljowoczkin: Nie ustępujemy - 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 zostały przeprowadzone przy udziale pańskich specjalistów. Jakie wyniki uzyskano?

Piotr Ljowoczkin: Prowadzono prace nad wykonaniem komory modelowej dla silnika rakietowego na ciecz detonacyjną. Nad projektem pod patronatem Fundacji na rzecz Studiów Zaawansowanych pracowała szeroka współpraca czołowych ośrodków naukowych Rosji. Wśród nich jest Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Lavrentieva, MAI, „Keldysh Center”, Instytut Centralny budowy 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 także 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: I 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. Przecież jeśli spalanie w silniku jest poddźwiękowe, a silnik leci np. 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 dźwiękowa. I odpowiednio możemy zwiększyć prędkość samolotu o tę kwotę. 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.

Piotr Ljowoczkin: To trudne pytanie. Właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego. Poza nawiasami naszych badań wciąż pozostaje wiele niezbadanych. Dziś wspólnie z RSC Energia staramy się ustalić, w jaki sposób silnik jako całość ma komora detonacyjna stosowane do wyższych etapów.

Na jakich silnikach dana osoba będzie latać na odległe planety?

Piotr Ljowoczkin: Moim zdaniem jeszcze długo będziemy latać tradycyjnymi silnikami rakietowymi, aby je ulepszyć. Chociaż z pewnością rozwijają się inne typy silników rakietowych, na przykład elektryczne silniki rakietowe (są znacznie wydajniejsze od silników rakietowych na ciecz - ich impuls właściwy jest 10 razy wyższy). Niestety, dzisiejsze silniki i rakiety nośne nie pozwalają nam mówić o rzeczywistości ogromnych lotów międzyplanetarnych, nie mówiąc już o lotach międzygalaktycznych. Wszystko tutaj jest wciąż na poziomie fantazji: silniki fotonowe, teleportacja, lewitacja, fale grawitacyjne. Choć z drugiej strony jeszcze niewiele ponad sto lat temu prace Juliusza Verne'a postrzegano jako czystą fantazję. Być może niedługo nastąpi rewolucyjny przełom w dziedzinie, w której pracujemy. W tym w zakresie praktycznego tworzenia rakiet z wykorzystaniem energii wybuchu.

Dossier „RG”

„Stowarzyszenie Naukowo-Produkcyjne Energomash” zostało założone przez Walentyna Pietrowicza Głuszko w 1929 roku. Teraz nosi jego imię. Opracowuje i produkuje silniki rakietowe na paliwo ciekłe do I, w niektórych przypadkach II stopnia rakiet nośnych. NPO opracowało ponad 60 różnych silników odrzutowych na paliwo ciekłe. Pierwszy satelita został wystrzelony na silnikach Energomash, pierwszy człowiek poleciał w kosmos i wystrzelono pierwszy samobieżny pojazd Lunokhod-1. Obecnie ponad dziewięćdziesiąt procent pojazdów nośnych w Rosji startuje z silnikami opracowanymi i wyprodukowanymi w NPO Energomash.

Testy silników detonacyjnych

Fundacja Zaawansowanych Badań

Stowarzyszenie Badawczo-Produkcyjne Energomash przetestowało komorę modelową silnika rakietowego na paliwo ciekłe, którego ciąg wynosił dwie tony. O tym w wywiadzie ” Rosyjska gazeta"Powiedział główny projektant" Energomash "Piotr Lyovochkin. Według niego ten model działał na gazie naftowym i tlenowym.

Detonacja to spalanie substancji, w której front spalania rozchodzi się szybciej niż prędkość dźwięku. W tym przypadku przez substancję rozchodzi się fala uderzeniowa, a następnie Reakcja chemiczna z uwolnieniem dużej ilości ciepła. W nowoczesnych silnikach rakietowych spalanie paliwa odbywa się z prędkością poddźwiękową; proces ten nazywa się deflagracją.

Obecnie silniki detonacyjne dzielą się na dwa główne typy: impulsowe i obrotowe. Te ostatnie nazywane są również spinem. V silniki impulsowe krótkie wybuchy następują, gdy spalane są małe porcje mieszanki paliwowo-powietrznej. W spalaniu obrotowym mieszanka pali się stale bez zatrzymywania.

W takich elektrowniach stosuje się pierścieniową komorę spalania, w której mieszankę paliwową podaje się szeregowo przez zawory umieszczone promieniowo. W takich elektrowniach detonacja nie tłumi - fala detonacyjna „obiega” pierścieniową komorę spalania, mieszanina paliwowa za nią ma czas na odnowienie się. Silnik obrotowy po raz pierwszy zaczął studiować w ZSRR w latach 50. XX wieku.

Silniki detonacyjne mogą pracować w szerokim zakresie prędkości lotu - od zera do pięciu liczb Macha (0-6,2 tys. km/h). Uważa się, że takie elektrownie może wydać Wielka moc zużywają mniej paliwa niż konwencjonalne silniki odrzutowe. Jednocześnie konstrukcja silników detonacyjnych jest stosunkowo prosta: brakuje im sprężarki i wielu ruchomych części.

Nowy rosyjski silnik do detonacji cieczy jest opracowywany wspólnie przez kilka instytutów, w tym Moskiewski Instytut Lotniczy, Instytut Hydrodynamiki im. Ławrentiewa, Centrum Keldysza, Centralny Instytut Silników Lotniczych im. Baranowa oraz Wydział Mechaniki i Matematyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Rozwój jest nadzorowany przez Advanced Research Foundation.

Według Lyovochkina podczas testów ciśnienie w komorze spalania silnika detonacyjnego wynosiło 40 atmosfer. Jednocześnie jednostka działała niezawodnie bez skomplikowanych systemów chłodzenia. Jednym z zadań badań było potwierdzenie możliwości spalania detonacyjnego mieszanki paliwowo-tlenowo-naftowej. Wcześniej informowano, że częstotliwość detonacji w nowym rosyjskim silniku wynosi 20 kiloherców.

Pierwsze testy silnika rakietowego na paliwo ciekłe z detonacją latem 2016 roku. Nie wiadomo, czy silnik był od tego czasu ponownie testowany.

Pod koniec grudnia 2016 Firma amerykańska Kontrakt Aerojet Rocketdyne US National Energy Technology Laboratory na opracowanie nowej elektrowni z turbiną gazową opartej na obrotowym silniku detonacyjnym. Praca, która zaowocuje prototypem nowa instalacja, którego zakończenie zaplanowano na połowę 2019 roku.

Za pomocą ocena wstępna, silnik turbogazowy nowego typu będzie miał co najmniej pięć procent najlepsza wydajność niż konwencjonalne takie instalacje. Jednocześnie same instalacje mogą być bardziej kompaktowe.

Wasilij Syczew

Eksploracja kosmosu jest nieświadomie kojarzona z statki kosmiczne... Sercem każdej rakiety nośnej jest jej silnik. Musi rozwinąć pierwszą prędkość kosmiczną - około 7,9 km / s, aby wprowadzić astronautów na orbitę, a drugą prędkość kosmiczną, aby pokonać pole grawitacyjne planety.

Nie jest to łatwe do osiągnięcia, ale naukowcy nieustannie poszukują nowych sposobów rozwiązania tego problemu. Projektanci z Rosji poszli jeszcze dalej i zdołali opracować detonację silnik rakietowy, którego testy zakończyły się sukcesem. To osiągnięcie można nazwać prawdziwym przełomem w dziedzinie inżynierii kosmicznej.

Nowe szanse

Dlaczego silniki detonacyjne są ładowane? Wielkie Oczekiwania? Według obliczeń naukowców ich moc będzie 10 tys. razy większa niż moc istniejących silników rakietowych. Co więcej, będą dużo konsumować mniej paliwa, a ich produkcja będzie wyróżniać się niskimi kosztami i opłacalnością. Jaki jest tego powód?

Chodzi o reakcję utleniania paliwa. Jeśli nowoczesne rakiety wykorzystują proces deflagracji - powolne (poddźwiękowe) spalanie paliwa przy stałym ciśnieniu, to silnik rakiety detonacyjnej działa z powodu eksplozji, detonacji mieszanina palna... Spala się z prędkością ponaddźwiękową z uwolnieniem ogromnej ilości energii cieplnej jednocześnie z propagacją fali uderzeniowej.

Rozwój i testowanie Wersja rosyjska silnik detonacyjny był obsługiwany przez specjalistyczne laboratorium „Detonation LRE” w ramach kompleksu produkcyjnego „Energomash”.

Wyższość nowych silników

Czołowi światowi naukowcy badają i rozwijają silniki detonacyjne od 70 lat. Głównym powodem uniemożliwiającym powstanie tego typu silnika jest niekontrolowane samozapłon paliwa. Ponadto na agendzie znalazły się zadania efektywnego mieszania paliwa i utleniacza, a także integracji dyszy i wlotu powietrza.

Po rozwiązaniu tych problemów będzie można stworzyć silnik rakietowy detonacyjny, który sam w sobie Specyfikacja techniczna wyprzedzi czas. Jednocześnie naukowcy nazywają te zalety:

1. Możliwość rozwijania prędkości w zakresach poddźwiękowych i naddźwiękowych.
2. Eliminacja wielu ruchomych części z projektu.
3. Niższa waga i koszt elektrowni.
4. Wysoka sprawność termodynamiczna.

Seryjnie dany typ silnik nie został wyprodukowany. Został po raz pierwszy przetestowany na nisko latających samolotach w 2008 roku. Silnik detonacyjny do rakiet nośnych został po raz pierwszy przetestowany przez rosyjskich naukowców. Dlatego to wydarzenie ma tak duże znaczenie.

Zasada działania: impulsowa i ciągła

Obecnie naukowcy opracowują instalacje z pulsacyjnym i ciągłym procesem pracy. Zasada działania detonacyjnego silnika rakietowego z pulsacyjnym schematem działania opiera się na cyklicznym napełnianiu komory spalania mieszanką palną, jego sekwencyjnym zapłonie i uwalnianiu produktów spalania do środowiska.

Odpowiednio, w pracy ciągłej, paliwo jest dostarczane do komory spalania w sposób ciągły, paliwo spala się w postaci jednej lub więcej fal detonacyjnych, które w sposób ciągły krążą w poprzek przepływu. Zaletami takich silników są:

1. Pojedynczy zapłon paliwa.
2. Stosunkowo prosta konstrukcja.
3. Małe wymiary i waga instalacji.
4. Więcej efektywne wykorzystanie mieszanina palna.
5. Niski poziom hałasu, wibracji i emisji.

W przyszłości, korzystając z tych zalet, detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe o pracy ciągłej zastąpi wszystko istniejące instalacje ze względu na wagę, wymiary i charakterystykę kosztową.

Testy silników detonacyjnych

Pierwsze testy krajowej jednostki detonacyjnej przeprowadzono w ramach projektu Ministerstwa Edukacji i Nauki. Jako prototyp został przedstawiony mały silnik z komorą spalania o średnicy 100 mm i szerokości kanału pierścieniowego 5 mm. Testy przeprowadzono na specjalnym stanowisku, wskaźniki były rejestrowane podczas pracy różne rodzaje mieszanina palna - wodór-tlen, gaz ziemny-tlen, propan-butan-tlen.

Testy detonacyjnego silnika rakietowego na paliwie tlenowo-wodorowym wykazały, że cykl termodynamiczny tych instalacji jest o 7% sprawniejszy niż w innych instalacjach. Dodatkowo potwierdzono doświadczalnie, że wraz ze wzrostem ilości dostarczanego paliwa rośnie również ciąg, liczba fal detonacyjnych i prędkość obrotowa.

Analogi w innych krajach

W rozwój silników detonacyjnych zaangażowani są naukowcy z wiodących krajów świata. Największe sukcesy w tym kierunku dotarli projektanci ze Stanów Zjednoczonych. W swoich modelach zaimplementowali ciągły sposób pracy, czyli rotacyjny. Wojsko USA planuje wykorzystać te instalacje do wyposażenia okrętów nawodnych. Ze względu na ich lżejszą wagę i niewielkie rozmiary przy dużej mocy wyjściowej pomogą zwiększyć wydajność łodzi bojowych.

Do jego pracy wykorzystuje się stechiometryczną mieszaninę wodoru i tlenu w amerykańskim detonacyjnym silniku rakietowym. Zalety takiego źródła energii są przede wszystkim ekonomiczne - spala się tylko tyle tlenu, ile jest potrzebne do utlenienia wodoru. Teraz rząd USA wydaje kilka miliardów dolarów na dostarczanie okrętom wojennym paliwa węglowego. Paliwo stechiometryczne pozwoli kilkukrotnie obniżyć koszty.

Dalsze kierunki rozwoju i perspektywy

Nowe dane uzyskane w wyniku testów silników detonacyjnych determinowały zastosowanie całkowicie nowych metod do budowy schematu pracy nad płynne paliwo... Aby jednak funkcjonować, takie silniki muszą mieć wysoką odporność na ciepło ze względu na dużą ilość uwalnianej energii cieplnej. W tej chwili opracowywana jest specjalna powłoka, która zapewni działanie komory spalania pod wpływem wysokiej temperatury.

Szczególne miejsce w dalszych badaniach zajmuje tworzenie głowic mieszających, za pomocą których będzie można uzyskać kropelki materiału palnego o określonej wielkości, stężeniu i składzie. Aby rozwiązać te problemy, zostanie stworzony nowy detonacyjny silnik rakietowy na paliwo ciekłe, który stanie się podstawą nowej klasy pojazdów nośnych.

Co tak naprawdę kryje się za doniesieniami o pierwszym na świecie detonacyjnym silniku rakietowym testowanym w Rosji?

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 zaproponował sowiecki fizyk Ya B. Zel'dovich w artykule „O zużycie energii spalanie detonacyjne”, opublikowane w „Journal of Technical Physics” jeszcze w 1940 roku. Od tego czasu na całym świecie trwają eksperymenty badawcze i praktyczne wdrożeniowe. obiecująca technologia... W tym wyścigu umysłów najpierw Niemcy, potem Stany Zjednoczone, a potem ZSRR wysunęły się do przodu. A teraz Rosja zapewniła sobie ważny priorytet w światowej historii technologii. V ostatnie lata Nasz kraj nieczęsto się czymś takim chwali.

Jakie są zalety silnika detonacyjnego? W tradycyjnych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe, podobnie jak w konwencjonalnych samolotowych silnikach tłokowych lub turboodrzutowych, wykorzystywana jest energia uwalniana podczas spalania paliwa. W 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 mieszanka gazowa gwałtownie wzrasta i ognista kolumna produktów spalania wystrzeliwuje z dyszy, która tworzy odrzutowiec.

Detonacja to także spalanie, ale dzieje się to 100 razy szybciej niż przy spalaniu konwencjonalnym paliwem. Proces ten jest tak szybki, że często detonację myli się z wybuchem, zwłaszcza że uwalniana jest tak duża ilość energii, że np. silnik samochodowy kiedy to zjawisko występuje w jego cylindrach, może rzeczywiście zapaść się. Jednak detonacja nie jest 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 wewnętrzne spalanie wyczerpały swój potencjał, a dopiero pojawienie się silników odrzutowych umożliwiło osiągnięcie wysokiej jakości nowy poziom wysokości, prędkości i zasięg lotów.

Konstrukcje klasycznych silników rakietowych na paliwo ciekłe zostały w ciągu ostatnich dziesięcioleci dopracowane do perfekcji i praktycznie osiągnęły granicę swoich możliwości. Ich specyficzne właściwości można w przyszłości zwiększyć tylko w bardzo 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. Natknęliśmy się na próbę wyjścia z kryzysu przy pomocy silników jądrowych problemy ekologiczne... 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 tylko: koło turbiny o średnicy 0,4 m rozwija moc czterokrotnie większą niż nuklearny lodołamacz „Arktika” z dwoma reaktor nuklearny! Jednocześnie TNA to kompleks urządzenie mechaniczne, którego wał wykonuje 230 obrotów na sekundę i musi pracować w środowisku ciekłego tlenu, gdzie nawet najmniejsza iskra, ale ziarnko piasku w rurociągu prowadzi do wybuchu. Technologie tworzenia takiego TNA są głównym know-how Energomash, którego posiadanie pozwala Rosyjska firma i dziś sprzedają swoje silniki do użytku w amerykańskich pojazdach startowych Atlas V i Antares. Alternatywy Rosyjskie silniki jeszcze nie w USA.

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

Aby uzyskać warunki w komorze spalania silnika detonacyjnego, które są równoważne np. z warunkami w komorze spalania silnika na paliwo płynne American Shuttle (200 atm), wystarczy dostarczyć paliwo pod ciśnieniem ... 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?

Puls postępu

Głównym problemem inżynierów było poradzenie sobie z falą detonacyjną. Nie chodzi tylko o wzmocnienie silnika, aby mógł wytrzymać zwiększone obciążenia... Detonacja to nie tylko fala uderzeniowa, ale coś bardziej przebiegłego. Fala uderzeniowa rozchodzi się z prędkością dźwięku, a fala detonacyjna z prędkością ponaddźwiękową - do 2500 m/s. Nie tworzy stabilnego frontu płomienia, dlatego praca takiego silnika jest pulsacyjna: po każdym detonacji konieczna jest aktualizacja mieszanka paliwowa a następnie uruchomić w nim nową falę.

Próby stworzenia pulsującego silnika odrzutowego podjęto na długo przed pomysłem detonacji. To właśnie w zastosowaniu pulsujących silników odrzutowych próbowano znaleźć alternatywę dla silników tłokowych w latach 30. XX wieku. Znowu przyciągnęła mnie prostota: w przeciwieństwie do turbina lotnicza w przypadku pulsacyjnego silnika odrzutowego (PUVRD) do wtłaczania powietrza do wnętrza komory spalania nie była potrzebna ani sprężarka obracająca się z prędkością 40 000 obr/min, ani turbina pracująca przy temperaturze gazu powyżej 1000°C. 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. Specyficzne cechy PuVRD ze względu na tryb przerywany prace były średnio niskie i po tym, jak konstruktorzy do końca lat 40. poradzili sobie z zawiłościami tworzenia sprężarek, pomp i turbin, silniki turboodrzutowe a silniki rakietowe na paliwo ciekłe stały się królami nieba, a PUVRD pozostał na peryferiach postępu technologicznego.

Ciekawe, że pierwsze PUVRD zostały stworzone przez niemieckich i 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. Jednak priorytet w ta sprawa pozostał w Stanach Zjednoczonych, a samolot słusznie zajął miejsce w Muzeum Narodowym Sił Powietrznych USA.

Tymczasem od dawna wynaleziono inny, znacznie bardziej obiecujący schemat silnika detonacyjnego.

Jak wiewiórka na kole

Pomysł, aby zapętlić falę detonacyjną i sprawić, by poruszała się ona w komorze spalania jak wiewiórka w kole, zrodziła się wśród naukowców na początku lat 60. XX wieku. Zjawisko detonacji spinowej (rotacyjnej) teoretycznie przewidział sowiecki fizyk z Nowosybirska B.V. Voitsekhovsky w 1960 roku. Niemal równocześnie z nim, w 1961 roku, ten sam pomysł wyraził Amerykanin J. Nicholls z University of Michigan.

Obrotowy lub spinowy silnik detonacyjny jest strukturalnie pierścieniową komorą spalania, do której paliwo dostarczane jest za pomocą promieniowo 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 środowisko gazowe... Tutaj obliczenia nie były już prowadzone na poziomie molekularnym, ale na poziomie atomowym, na styku chemii i fizyki kwantowej. Procesy te są bardziej złożone niż te, które zachodzą podczas generowania wiązki laserowej. Dlatego laser działa od dawna, a silnik detonacyjny nie. Aby zrozumieć te procesy, konieczne było stworzenie nowej 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, Ogólne elektryczne, 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 ekonomicznej detonacji silniki z turbiną gazową(GTE) pozwoli zaoszczędzić ogromne pieniądze.

W Rosji ponad silniki detonacyjne dziesiątki instytutów badawczych i biur projektowych pracowało i nadal pracuje. 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). Wyróżniono FPI niezbędne fundusze za utworzenie w 2014 roku specjalistycznego laboratorium „Detonacja LRE”. W końcu, pomimo 70 lat badań, ta technologia nadal pozostaje „zbyt obiecująca” w Rosji, aby mogła być finansowana przez klientów takich jak Ministerstwo Obrony, którzy z reguły potrzebują gwarantowanego praktycznego wyniku. I wciąż jest od tego bardzo daleko.

Poskromienie złośnicy

Chciałbym wierzyć, że po tym wszystkim, co zostało powiedziane powyżej, tytaniczna praca, która pojawia się między wierszami krótkiego sprawozdania z 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 wtryskiwacze paliwa, co umożliwiło uzyskanie mieszaniny o konsystencji niezbędnej do wystąpienia detonacji ”.

Oczywiście wagi osiągniętego sukcesu nie należy przesadzać. Powstał jedynie silnik demonstracyjny, który działał stosunkowo krótko, ao jego prawdziwe cechy nic nie jest zgłaszane. Według NPO Energomash, detonacyjny silnik rakietowy zwiększy ciąg o 10% przy spalaniu takiej samej ilości paliwa, jak w silnik konwencjonalny, a impuls właściwy ciągu powinien wzrosnąć o 10–15%.

Ale główny wynik polega na tym, że praktycznie potwierdzona została możliwość zorganizowania spalania detonacyjnego w silniku rakietowym na paliwo ciekłe. Jednak przed zastosowaniem tej technologii w prawdziwym samolocie jest jeszcze długa droga. Inne ważny aspekt polega na tym, 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.