În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct de vedere al termodinamicii, crește randamentul motorului cu un ordin de mărime, datorită compactității zonei de ardere.
Interesant este că în 1940, fizicianul sovietic Ya.B. Zel'dovich a propus ideea unui motor de detonare în articolul „Despre utilizarea energiei a arderii cu detonare”. De atunci, mulți oameni de știință din diferite țări au lucrat la o idee promițătoare, fie Statele Unite, apoi Germania, fie compatrioții noștri s-au prezentat.
În vara, în august 2016, oamenii de știință ruși au reușit să creeze primul motor cu reacție cu propulsie lichidă de dimensiune completă din lume, care funcționează pe principiul arderii prin detonare a combustibilului. Țara noastră și-a stabilit în sfârșit o prioritate mondială în dezvoltarea celei mai noi tehnologii pentru mulți ani post-perestroika.
De ce este noul motor atât de bun? Un motor cu reacție folosește energia eliberată prin arderea unui amestec la presiune constantă și un front de flacără constant. În timpul arderii, amestecul gazos de combustibil și oxidant crește brusc temperatura, iar coloana de flacără care iese din duză creează tracțiunea jetului.
În timpul arderii prin detonare, produșii de reacție nu au timp să se prăbușească, deoarece acest proces este de 100 de ori mai rapid decât deflagrația, iar presiunea crește rapid, în timp ce volumul rămâne neschimbat. Eliberarea unei cantități atât de mari de energie poate distruge de fapt un motor de mașină, motiv pentru care un astfel de proces este adesea asociat cu o explozie.
În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct de vedere al termodinamicii crește eficiența motorului cu un ordin de mărime, datorita compactitatii zonei de ardere. Prin urmare, experții au început cu atâta zel să dezvolte această idee.Într-un motor de rachetă convențional, care este în esență un arzător mare, principalul lucru nu este camera de ardere și duza, ci unitatea turbopompă a combustibilului (TNA), care creează o astfel de presiune încât combustibilul pătrunde în cameră. De exemplu, în motorul de rachetă rus RD-170 pentru vehiculele de lansare Energia, presiunea în camera de ardere este de 250 atm, iar pompa care furnizează oxidant în zona de ardere trebuie să creeze o presiune de 600 atm.
Într-un motor cu detonare, presiunea este creată de detonație însăși, care reprezintă o undă de compresie care se deplasează în amestecul de combustibil, în care presiunea fără TNA este deja de 20 de ori mai mare, iar unitățile de turbopompe sunt de prisos. Pentru a fi clar, American Shuttle are o presiune în camera de ardere de 200 atm, iar motorul de detonare în astfel de condiții are nevoie de doar 10 atm pentru a furniza amestecul - aceasta este ca o pompă de bicicletă și centrala hidroelectrică Sayano-Shushenskaya.
În acest caz, un motor bazat pe detonație nu este doar mai simplu și mai ieftin într-un ordin de mărime, dar și mult mai puternic și mai economic decât un motor de rachetă convențional cu propulsie lichidă.Problema co-controlului cu o undă de detonare a apărut pe drum. la implementarea proiectului motor de detonare. Acest fenomen nu este doar o undă de explozie, care are viteza sunetului, ci o undă de detonare care se propagă cu o viteză de 2500 m/s, nu există o stabilizare a frontului de flăcări în el, pentru fiecare pulsație amestecul este actualizat și valul începe din nou.
Anterior, inginerii ruși și francezi au dezvoltat și construit motoare cu reacție pulsatoare, dar nu pe principiul detonării, ci pe baza pulsației obișnuite de ardere. Caracteristicile unor astfel de PuVRD-uri au fost scăzute, iar când constructorii de motoare au dezvoltat pompe, turbine și compresoare, a venit epoca motoarelor cu reacție și a LRE-urilor, iar cele pulsatorii au rămas pe marginea progresului. Capii străluciți ai științei au încercat să combine arderea cu detonație cu un PUVRD, dar frecvența pulsațiilor unui front de ardere convențional nu este mai mare de 250 pe secundă, iar frontul de detonare are o viteză de până la 2500 m/s și frecvența sa de pulsație. ajunge la câteva mii pe secundă. Părea imposibil să pună în practică o astfel de rată de reînnoire a amestecului și, în același timp, să inițiezi detonarea.
În SUA, a fost posibil să se construiască un astfel de motor cu detonare și să-l testeze în aer, cu toate acestea, a funcționat doar 10 secunde, dar prioritatea a rămas la designerii americani. Dar deja în anii 60 ai secolului trecut, omul de știință sovietic B.V. Voitsekhovsky și, aproape în același timp, un american de la Universitatea din Michigan, J. Nichols, au venit cu ideea de a bucla o undă de detonare în camera de ardere.
Cum funcționează un motor de rachetă cu detonare
Un astfel de motor rotativ consta dintr-o cameră de ardere inelară cu duze plasate de-a lungul razei sale pentru a furniza combustibil. Valul de detonare rulează ca o veveriță într-o roată în jurul circumferinței, amestecul de combustibil este comprimat și ars, împingând produsele de ardere prin duză. Într-un motor de rotație, obținem o frecvență de rotație a valurilor de câteva mii pe secundă, funcționarea sa este similară cu procesul de lucru într-un motor rachetă, doar mai eficient, datorită detonării amestecului de combustibil.
În URSS și SUA, și mai târziu în Rusia, se lucrează la crearea unui motor rotativ de detonare cu undă continuă, pentru a înțelege procesele care au loc în interior, pentru care a fost creată o întreagă știință a cineticii fizice și chimice. Pentru a calcula condițiile unui val neamortizat, au fost necesare computere puternice, care au fost create abia recent.
În Rusia, multe institute de cercetare și birouri de proiectare lucrează la proiectul unui astfel de motor de rotație, inclusiv compania de construcție de motoare a industriei spațiale NPO Energomash. Fundația de Cercetare Avansată a venit să ajute la dezvoltarea unui astfel de motor, deoarece este imposibil să obții finanțare de la Ministerul Apărării - au nevoie doar de un rezultat garantat.
Cu toate acestea, în timpul testelor din Khimki la Energomash, a fost înregistrată o stare constantă de detonare continuă de spin - 8 mii de rotații pe secundă pe un amestec de oxigen-kerosen. În același timp, undele de detonare au echilibrat undele de vibrație, iar straturile de protecție termică au rezistat la temperaturi ridicate.
Dar nu te măgulește, pentru că acesta este doar un motor demonstrativ care a funcționat foarte puțin timp și încă nu s-a spus nimic despre caracteristicile sale. Dar principalul lucru este că a fost dovedită posibilitatea de a crea arderea cu detonare și a fost creat în Rusia un motor de rotație de dimensiune completă, care va rămâne în istoria științei pentru totdeauna.
Ecologia consumului.Știință și tehnologie: La sfârșitul lunii august 2016, știrea s-a răspândit în agențiile de presă mondiale: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, primul motor de rachetă cu propulsie lichidă (LRE) de dimensiuni mari din lume prin detonare a fost lansată arderea combustibilului.
La sfârșitul lunii august 2016, știrea s-a răspândit în agențiile de presă mondiale: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, a fost lansat primul motor de rachetă cu propulsie lichidă (LPRE) de dimensiune completă din lume care folosește arderea detonativă a combustibilului. . Știința și tehnologia internă participă la acest eveniment de 70 de ani.
Ideea unui motor de detonare a fost propusă de fizicianul sovietic Ya. De atunci, cercetările și experimentele privind implementarea practică a tehnologiei promițătoare au avut loc în întreaga lume. În această cursă a minților, Germania, apoi SUA, apoi URSS au trecut înainte. Și acum Rusia și-a asigurat o prioritate importantă în istoria mondială a tehnologiei. În ultimii ani, țara noastră nu s-a putut lăuda de multe ori cu așa ceva.
Pe creasta unui val
Care sunt avantajele unui motor de detonare? În motoarele de rachetă tradiționale, ca, într-adevăr, în motoarele convenționale de avioane cu piston sau turboreacție, se folosește energia care este eliberată atunci când combustibilul este ars. În acest caz, în camera de ardere LRE se formează un front de flacără staționar, arderea în care are loc la o presiune constantă. Acest proces de ardere normală se numește deflagrație. Ca urmare a interacțiunii dintre combustibil și oxidant, temperatura amestecului de gaz crește brusc și o coloană de foc de produse de ardere iese din duză, care formează propulsia jetului.
Detonarea este și ardere, dar are loc de 100 de ori mai rapid decât în cazul arderii convenționale a combustibilului. Acest proces merge atât de repede încât detonarea este adesea confundată cu o explozie, mai ales că în acest caz se eliberează atât de multă energie încât, de exemplu, un motor de automobile, când acest fenomen are loc în cilindrii săi, se poate prăbuși efectiv. Cu toate acestea, detonarea nu este o explozie, ci un tip de ardere atât de rapidă încât produșii de reacție nici măcar nu au timp să se extindă, astfel încât acest proces, spre deosebire de deflagrație, are loc la un volum constant și o presiune în creștere bruscă.
În practică, arată astfel: în loc de un front de flacără staționar în amestecul de combustibil din interiorul camerei de ardere, se formează o undă de detonare, care se mișcă cu viteză supersonică. În această undă de compresie are loc detonarea amestecului de combustibil și oxidant, iar din punct de vedere termodinamic, acest proces este mult mai eficient decât arderea convențională a combustibilului. Eficiența arderii prin detonare este cu 25–30% mai mare, adică la arderea aceleiași cantități de combustibil, se obține mai multă forță, iar datorită compactității zonei de ardere, motorul de detonare în ceea ce privește puterea eliminată pe unitate de volum teoretic depășește cu un ordin de mărime motoarele de rachetă convenționale.
Doar aceasta a fost suficientă pentru a atrage atenția cea mai apropiată a specialiștilor asupra acestei idei. La urma urmei, stagnarea care a apărut acum în dezvoltarea cosmonauticii mondiale, care a rămas blocată pe orbita Pământului aproape de o jumătate de secol, este asociată în primul rând cu criza construcției motoarelor rachete. Apropo, aviația este și ea în criză, neputând trece pragul celor trei viteze ale sunetului. Această criză poate fi comparată cu situația din aviația cu piston de la sfârșitul anilor 1930. Elicea și motorul cu ardere internă și-au epuizat potențialul, iar doar apariția motoarelor cu reacție a făcut posibilă atingerea unui nivel calitativ nou de altitudini, viteze și intervale de zbor.
Designurile motoarelor clasice de rachete din ultimele decenii au fost perfecte și au ajuns practic la limita capacităților lor. Este posibil să-și mărească caracteristicile specifice în viitor doar în limite foarte mici - cu câteva procente. Prin urmare, cosmonautica mondială este forțată să urmeze o cale extinsă de dezvoltare: pentru zborurile cu echipaj uman către Lună, este necesar să se construiască vehicule de lansare gigant, iar acest lucru este foarte dificil și nebunește de costisitor, cel puțin pentru Rusia. O încercare de a depăși criza cu ajutorul motoarelor nucleare a dat peste probleme de mediu. Este posibil să fie prea devreme pentru a compara aspectul motoarelor cu rachete cu detonare cu tranziția aviației la propulsia cu reacție, dar acestea sunt destul de capabile să accelereze procesul de explorare a spațiului. Mai mult, acest tip de motoare cu reacție are un alt avantaj foarte important.
GRES în miniatură
Un LRE obișnuit este, în principiu, un arzător mare. Pentru a-i crește forța și caracteristicile specifice, este necesară creșterea presiunii în camera de ardere. În acest caz, combustibilul care este injectat în cameră prin duze trebuie să fie furnizat la o presiune mai mare decât cea realizată în timpul procesului de ardere, altfel jetul de combustibil pur și simplu nu poate pătrunde în cameră. Prin urmare, cea mai complexă și mai scumpă unitate dintr-un motor de rachetă nu este deloc o cameră cu o duză, care este la vedere, ci o unitate de turbopompă de combustibil (TPU), ascunsă în măruntaiele unei rachete printre complexitățile conductelor.
De exemplu, cel mai puternic motor de rachetă cu propulsie lichidă RD-170 din lume, creat pentru prima etapă a vehiculului de lansare super-greu sovietic Energia de către același NPO Energia, are o presiune în camera de ardere de 250 de atmosfere. Aceasta este mult. Dar presiunea la ieșirea pompei de oxigen care pompează oxidantul în camera de ardere ajunge la 600 atm. Această pompă este alimentată de o turbină de 189 MW! Imaginează-ți asta: o roată de turbină cu un diametru de 0,4 m dezvoltă de patru ori mai multă putere decât spargatorul de gheață nuclear Arktika cu două reactoare nucleare! În același timp, TNA este un dispozitiv mecanic complex, al cărui arbore face 230 de rotații pe secundă și trebuie să funcționeze într-un mediu de oxigen lichid, în care cel mai mic nu măcar o scânteie, ci un grăunte de nisip în conductă. duce la o explozie. Tehnologia pentru crearea unui astfel de TNA este principalul know-how al Energomash, a cărui posesie îi permite companiei ruse să-și vândă motoarele pentru instalare pe vehiculele americane de lansare Atlas V și Antares astăzi. Nu există încă alternative la motoarele rusești în SUA.
Pentru un motor cu detonare, astfel de dificultăți nu sunt necesare, deoarece detonarea în sine oferă presiune pentru o ardere mai eficientă, care este o undă de compresie care circulă în amestecul de combustibil. În timpul detonării, presiunea crește de 18-20 de ori fără niciun TNA.
Pentru a obține condiții în camera de ardere a unui motor de detonare echivalente, de exemplu, cu condițiile din camera de ardere a unui LRE al navetei americane (200 atm), este suficient să furnizați combustibil la o presiune de ... 10 atm. Unitatea necesară pentru aceasta, în comparație cu TNA al unui motor clasic de rachetă, este ca o pompă de bicicletă în apropierea centralei electrice din districtul de stat Sayano-Shushenskaya.
Adică, un motor de detonare nu numai că va fi mai puternic și mai economic decât un motor de rachetă convențional, ci și un ordin de mărime mai simplu și mai ieftin. Deci, de ce nu a fost dată această simplitate designerilor timp de 70 de ani?
Principala problemă cu care s-au confruntat inginerii a fost cum să facă față valului de detonare. Ideea nu este doar de a face motorul mai puternic, astfel încât să poată rezista la sarcini crescute. Detonația nu este doar o undă de explozie, ci ceva mai subtil. Unda de explozie se propagă cu viteza sunetului, iar unda de detonare se propagă cu viteză supersonică - până la 2500 m/s. Nu formează un front de flacără stabil, astfel încât funcționarea unui astfel de motor este pulsatorie: după fiecare detonare, este necesar să reînnoiți amestecul de combustibil și apoi să începeți un nou val în el.
Încercările de a crea un motor cu reacție pulsatorie au fost făcute cu mult înainte de ideea detonării. În anii 1930, ei au încercat să găsească o alternativă la motoarele cu piston în aplicarea motoarelor cu reacție. Simplitatea a atras din nou: spre deosebire de o turbină de avion, un motor cu reacție de aer pulsat (PuVRD) nu avea nevoie de un compresor care se rotește la o viteză de 40.000 rpm pentru a forța aerul să intre în pântecele nesățios al camerei de ardere și nici să funcționeze la o temperatură a gazului peste 1000. °C turbină. În PuVRD, presiunea din camera de ardere a creat pulsații în arderea combustibilului.
Primele brevete pentru un motor cu reacție pulsatorie au fost obținute independent în 1865 de Charles de Louvrier (Franța) și în 1867 de Nikolai Afanasyevich Teleshov (Rusia). Primul design funcțional al PuVRD a fost brevetat în 1906 de inginerul rus V.V. Karavodin, care a construit o fabrică model un an mai târziu. Din cauza unei serii de deficiențe, instalația Karavodin nu și-a găsit aplicație în practică. Primul PUVRD care a operat pe o aeronavă reală a fost germanul Argus As 014, bazat pe un brevet din 1931 al inventatorului de la Munchen Paul Schmidt. Argus a fost creat pentru „arma răzbunării” - bomba cu aripi V-1. O dezvoltare similară a fost creată în 1942 de designerul sovietic Vladimir Chelomey pentru prima rachetă de croazieră sovietică 10X.
Desigur, aceste motoare nu erau încă motoare de detonare, deoarece foloseau impulsuri de ardere convenționale. Frecvența acestor pulsații a fost scăzută, ceea ce a dat naștere la un sunet caracteristic de mitralieră în timpul funcționării. Caracteristicile specifice ale PuVRD din cauza funcționării intermitente au fost în medie scăzute, iar după ce proiectanții au făcut față dificultăților de a crea compresoare, pompe și turbine până la sfârșitul anilor 1940, motoarele cu turboreacție și LRE au devenit regii cerului, iar PuVRD a rămas activ. periferia progresului tehnic .
Este curios că designerii germani și sovietici au creat primul PuVRD independent unul de celălalt. Apropo, ideea unui motor de detonare în 1940 i-a venit în minte nu numai lui Zeldovich. În același timp, aceleași gânduri au fost exprimate de Von Neumann (SUA) și Werner Döring (Germania), astfel că în știința internațională modelul de utilizare a arderii cu detonare a fost numit ZND.
Ideea de a combina un PUVRD cu arderea cu detonare a fost foarte tentantă. Dar partea frontală a unei flăcări obișnuite se propagă cu o viteză de 60–100 m/s, iar frecvența pulsațiilor sale într-un PUVRD nu depășește 250 pe secundă. Și frontul de detonare se mișcă cu o viteză de 1500-2500 m/s, deci frecvența pulsațiilor ar trebui să fie de mii pe secundă. A fost dificil de implementat în practică o astfel de rată de reînnoire a amestecului și de inițiere a detonației.
Cu toate acestea, au continuat încercările de a crea motoare funcționale de detonare pulsatorie. Munca specialiștilor US Air Force în această direcție a culminat cu crearea unui motor demonstrativ, care la 31 ianuarie 2008 a urcat pentru prima dată pe cer cu o aeronavă experimentală Long-EZ. În zborul istoric, motorul a funcționat... 10 secunde la o înălțime de 30 de metri. Cu toate acestea, prioritatea în acest caz a rămas la Statele Unite, iar aeronava și-a luat locul pe bună dreptate în Muzeul Național al Forțelor Aeriene ale SUA.
Între timp, o altă schemă, mult mai promițătoare, a fost concepută de mult.
Ca o veveriță în roată
Ideea de a bucla valul de detonare și de a o face să ruleze în camera de ardere ca o veveriță într-o roată a luat naștere de oamenii de știință la începutul anilor 1960. Fenomenul de detonare prin rotație a fost prezis teoretic de fizicianul sovietic din Novosibirsk B. V. Voitsekhovsky în 1960. Aproape concomitent cu el, în 1961, aceeași idee a fost exprimată de americanul J. Nicholls de la Universitatea din Michigan.
Motorul de detonare rotativ sau de rotație este structural o cameră de ardere inelară, la care se alimentează combustibilul prin intermediul unor duze dispuse radial. Unda de detonare din interiorul camerei nu se deplasează într-o direcție axială, ca într-un PuVRD, ci într-un cerc, comprimând și ardând amestecul de combustibil din fața acesteia și, în final, împingând produsele de ardere din duză în la fel ca un șurub de tocat carne împinge carnea tocată afară. În loc de frecvența pulsațiilor, obținem frecvența de rotație a undei de detonare, care poate ajunge la câteva mii pe secundă, adică, în practică, motorul nu funcționează ca un motor pulsat, ci ca un motor de rachetă convențional cu staționar. combustie, dar mult mai eficient, deoarece, de fapt, detonează amestecul de combustibil.
În URSS, precum și în SUA, lucrările la un motor cu detonare rotativă au început încă de la începutul anilor 1960, dar din nou, în ciuda aparentei simplități a ideii, implementarea sa a necesitat soluția unor probleme teoretice enigmatice. Cum să organizăm procesul astfel încât valul să nu se stingă? A fost necesar să se înțeleagă cele mai complexe procese fizice și chimice care au loc într-un mediu gazos. Aici, calculul nu s-a mai efectuat la nivel molecular, ci la nivel atomic, la joncțiunea chimiei cu fizica cuantică. Aceste procese sunt mai complexe decât cele care au loc în timpul generării unui fascicul laser. De aceea laserul funcționează de mult timp, dar motorul de detonare nu. Pentru a înțelege aceste procese, a fost necesar să se creeze o nouă știință fundamentală - cinetica fizico-chimică, care nu exista acum 50 de ani. Și pentru calculul practic al condițiilor în care valul de detonare nu se va estompa, ci va deveni auto-susținut, au fost necesare computere puternice, care au apărut abia în ultimii ani. Acesta este fundamentul care trebuia pus pe baza succesului practic în îmblânzirea detonației.
În Statele Unite se desfășoară activități active în această direcție. Aceste studii sunt realizate de Pratt & Whitney, General Electric, NASA. De exemplu, Laboratorul de Cercetare Navală din SUA dezvoltă turbine cu gaz cu detonare spin pentru flotă. Marina SUA folosește 430 de turbine cu gaz pe 129 de nave, consumând combustibil în valoare de 3 miliarde de dolari pe an. Introducerea motoarelor cu detonare cu turbină cu gaz (GTE) mai economice va economisi sume uriașe de bani.
În Rusia, zeci de institute de cercetare și birouri de proiectare au lucrat și continuă să lucreze la motoarele de detonare. Printre aceștia se numără NPO Energomash, principala companie de construcție de motoare din industria spațială rusă, cu multe dintre întreprinderile căreia VTB Bank cooperează. Dezvoltarea unui motor de rachetă cu detonare a fost realizată mai mult de un an, dar pentru ca vârful aisbergului acestei lucrări să strălucească sub soarele sub forma unui test de succes, a fost nevoie de participarea organizatorică și financiară a notorie Fundația de Cercetare Avansată (FPI). FPI a fost cel care a alocat fondurile necesare pentru crearea în 2014 a unui laborator de specialitate „Detonation LRE”. Într-adevăr, în ciuda a 70 de ani de cercetare, această tehnologie este încă „prea promițătoare” în Rusia pentru a fi finanțată de clienți precum Ministerul Apărării, care, de regulă, au nevoie de un rezultat practic garantat. Și este încă foarte departe.
Îmblânzirea scorpiei
Aș vrea să cred că, după tot ce s-a spus mai sus, devine clară lucrarea titanică care se găsește printre rândurile unui scurt mesaj despre testele care au avut loc la Energomash din Khimki în iulie - august 2016: „Pentru prima dată în lumea, un mod de stare staționară de detonare continuă de rotație a undelor de detonare transversale cu o frecvență de aproximativ 20 kHz (frecvența de rotație a undelor - 8 mii de rotații pe secundă) pe perechea de combustibil „oxigen - kerosen”. A fost posibil să se obțină mai multe unde de detonare care au echilibrat vibrațiile și sarcinile de șoc una ale altora. Acoperirile de protecție termică special dezvoltate la Centrul Keldysh au ajutat să facă față sarcinilor de temperatură ridicată. Motorul a rezistat mai multor porniri în condiții de sarcini extreme de vibrații și temperaturi ultra-înalte în absența răcirii stratului din apropierea peretelui. Un rol deosebit în acest succes l-a jucat crearea de modele matematice și injectoare de combustibil, care au făcut posibilă obținerea unui amestec de consistența necesară declanșării detonației.
Desigur, semnificația succesului obținut nu trebuie exagerată. A fost creat doar un motor demonstrativ, care a funcționat pentru un timp relativ scurt și nu este raportat nimic despre caracteristicile sale reale. Potrivit NPO Energomash, un motor de rachetă cu detonare va crește tracțiunea cu 10% în timp ce arde aceeași cantitate de combustibil ca într-un motor convențional, iar impulsul specific de tracțiune ar trebui să crească cu 10-15%.
Dar principalul rezultat este că posibilitatea organizării combustiei prin detonare într-un motor de rachetă cu propulsie lichidă a fost practic confirmată. Cu toate acestea, mai este un drum lung de parcurs înainte de a utiliza această tehnologie în aeronave reale. Un alt aspect important este că o altă prioritate mondială în domeniul tehnologiilor înalte este acum atribuită țării noastre: pentru prima dată în lume, a fost lansat în Rusia un motor de rachetă cu detonare de dimensiuni mari, iar acest fapt va rămâne în istoria stiinta si Tehnologie. publicat
La sfârșitul lunii ianuarie, au existat rapoarte despre noi succese în știința și tehnologia rusă. Din surse oficiale a devenit cunoscut faptul că unul dintre proiectele interne ale unui motor cu reacție promițător de tip detonare a trecut deja de etapa de testare. Aceasta aduce momentul finalizării complete a tuturor lucrărilor necesare, în urma cărora rachetele spațiale sau militare de fabricație rusă vor putea primi noi centrale electrice cu performanțe îmbunătățite. Mai mult, noile principii de funcționare a motorului pot fi aplicate nu numai în domeniul rachetelor, ci și în alte domenii.
În ultimele zile ale lunii ianuarie, viceprim-ministrul Dmitri Rogozin a spus presei interne despre ultimele succese ale organizațiilor de cercetare. Printre alte subiecte, el a atins procesul de creare a motoarelor cu reacție folosind noi principii de funcționare. Un motor promițător cu ardere prin detonare a fost deja testat. Potrivit viceprim-ministrului, utilizarea noilor principii de funcționare a centralei face posibilă obținerea unei creșteri semnificative a performanței. În comparație cu design-urile arhitecturii tradiționale, există o creștere a forței cu aproximativ 30%.
Diagrama unui motor de rachetă cu detonare
Motoarele rachete moderne de diferite clase și tipuri, operate în diverse domenii, folosesc așa-numitele. ciclu izobar sau ardere prin deflagrație. În camerele lor de ardere se menține o presiune constantă, la care combustibilul arde lent. Un motor bazat pe principiile deflagrației nu are nevoie de unități deosebit de puternice, dar este limitat în performanță maximă. Creșterea caracteristicilor principale, începând de la un anumit nivel, se dovedește a fi nerezonabil de dificilă.
O alternativă la un motor cu ciclu izobaric în contextul îmbunătățirii performanței este un sistem cu așa-numitul. ardere prin detonare. În acest caz, reacția de oxidare a combustibilului are loc în spatele undei de șoc care se deplasează cu viteză mare prin camera de ardere. Acest lucru impune cerințe speciale asupra designului motorului, dar oferă în același timp avantaje evidente. În ceea ce privește eficiența arderii combustibilului, arderea prin detonare este cu 25% mai bună decât arderea prin deflagrație. De asemenea, diferă de arderea cu presiune constantă printr-o rată crescută de eliberare a căldurii pe unitatea de suprafață a frontului de reacție. În teorie, este posibil să se mărească acest parametru cu trei până la patru ordine de mărime. Ca urmare, viteza gazelor reactive poate fi mărită de 20-25 de ori.
Astfel, un motor cu detonație, caracterizat printr-o eficiență crescută, este capabil să dezvolte mai multă tracțiune cu un consum mai mic de combustibil. Avantajele sale față de modelele tradiționale sunt evidente, dar până de curând, progresul în acest domeniu a lăsat mult de dorit. Principiile unui motor cu reacție cu detonare au fost formulate încă din 1940 de către fizicianul sovietic Ya.B. Zeldovich, dar produsele finite de acest fel nu au ajuns încă în funcțiune. Principalele motive ale lipsei de succes real sunt problemele cu crearea unei structuri suficient de puternice, precum și dificultatea lansării și menținerii ulterior a unei unde de șoc folosind combustibilii existenți.
Unul dintre cele mai recente proiecte interne în domeniul motoarelor de rachete cu detonare a fost lansat în 2014 și este în curs de dezvoltare la NPO Energomash, numit după V.I. Academician V.P. Glushko. Potrivit datelor disponibile, scopul proiectului Ifrit a fost de a studia principiile de bază ale noii tehnologii cu crearea ulterioară a unui motor de rachetă lichid care folosește kerosen și oxigen gazos. Noul motor, numit după demonii de foc din folclorul arab, se baza pe principiul arderii cu detonare prin rotație. Astfel, în conformitate cu ideea principală a proiectului, unda de șoc trebuie să se miște continuu într-un cerc în interiorul camerei de ardere.
Dezvoltatorul principal al noului proiect a fost NPO Energomash, sau mai bine zis, un laborator special creat pe baza acestuia. În plus, în lucrare au fost implicate câteva alte organizații de cercetare și proiectare. Programul a primit sprijin din partea Fundației pentru Cercetare Avansată. Prin eforturi comune, toți participanții la proiectul Ifrit au reușit să formeze aspectul optim al unui motor promițător, precum și să creeze un model de cameră de ardere cu noi principii de funcționare.
Pentru a studia perspectivele întregii direcții și idei noi, așa-numitele. un model de cameră de ardere de detonare care îndeplinește cerințele proiectului. Un astfel de motor experimental cu o configurație redusă trebuia să folosească kerosen lichid ca combustibil. Oxigenul gazos a fost propus ca agent de oxidare. În august 2016, a început testarea camerei experimentale. Important este ca pentru prima dată într-un proiect de acest gen să se poată aduce în stadiul de probe pe banc. Anterior, motoarele de rachete cu detonare interne și străine au fost dezvoltate, dar nu au fost testate.
În timpul testării unui eșantion model, a fost posibil să se obțină rezultate foarte interesante care arată corectitudinea abordărilor utilizate. Deci, prin utilizarea materialelor și tehnologiilor potrivite, a fost posibilă aducerea presiunii din interiorul camerei de ardere la 40 de atmosfere. Forța produsului experimental a ajuns la 2 tone.
Model de cameră pe bancul de testare
În cadrul proiectului Ifrit s-au obținut anumite rezultate, dar motorul autohton de detonare cu combustibil lichid este încă departe de a fi aplicat în practică cu drepturi depline. Înainte de introducerea unor astfel de echipamente în proiecte de noi tehnologii, designerii și oamenii de știință trebuie să rezolve o serie dintre cele mai serioase sarcini. Abia după aceea, industria de rachete și spațială sau industria de apărare va putea începe să realizeze potențialul noii tehnologii în practică.
La mijlocul lunii ianuarie, Rossiyskaya Gazeta a publicat un interviu cu proiectantul șef al NPO Energomash, Petr Levochkin, al cărui subiect a fost starea actuală a lucrurilor și perspectivele motoarelor cu detonare. Reprezentantul dezvoltatorului întreprinderii a reamintit principalele prevederi ale proiectului și a atins și subiectul succeselor obținute. În plus, a vorbit despre posibilele domenii de aplicare ale Ifrit și structuri similare.
De exemplu, motoarele de detonare pot fi utilizate în aeronavele hipersonice. P. Levochkin a reamintit că motoarele propuse acum pentru utilizare în astfel de echipamente utilizează arderea subsonică. La viteza hipersonică a aparatului de zbor, aerul care intră în motor trebuie să fie încetinit până la modul de sunet. Cu toate acestea, energia de frânare trebuie să conducă la încărcări termice suplimentare asupra corpului aeronavei. La motoarele cu detonare, viteza de ardere a combustibilului atinge cel puțin M=2,5. Acest lucru face posibilă creșterea vitezei de zbor a aeronavei. O astfel de mașină cu un motor de tip detonație ar putea accelera la viteze de opt ori mai mari decât viteza sunetului.
Cu toate acestea, perspectivele reale pentru motoarele de rachetă de tip detonare nu sunt încă prea mari. Potrivit lui P. Levochkin, „tocmai am deschis ușa către zona de ardere a detonării”. Oamenii de știință și designerii vor trebui să studieze multe probleme și numai după aceea va fi posibil să se creeze structuri cu potențial practic. Din această cauză, industria spațială va trebui să folosească motoarele tradiționale cu propulsie lichidă pentru o lungă perioadă de timp, ceea ce, totuși, nu anulează posibilitatea îmbunătățirii ulterioare a acestora.
Un fapt interesant este că principiul detonării arderii este utilizat nu numai în domeniul motoarelor rachete. Există deja un proiect intern pentru un sistem de aviație cu o cameră de ardere de tip detonare care funcționează pe principiul impulsului. Un prototip de acest fel a fost pus la încercare, iar pe viitor poate da naștere unei noi direcții. Noile motoare cu combustie prin detonare pot găsi aplicații într-o varietate de domenii și pot înlocui parțial motoarele cu turbine cu gaz sau turboreacție cu design tradițional.
Proiectul intern al unui motor de avion cu detonare este în curs de dezvoltare la OKB. A.M. Leagăne. Informațiile despre acest proiect au fost prezentate pentru prima dată la forumul internațional militar-tehnic de anul trecut „Armata-2017”. La standul întreprinderii-dezvoltatorului au fost materiale pe diverse motoare, atât de serie, cât și cele în curs de dezvoltare. Printre acestea din urmă a fost o probă promițătoare de detonare.
Esența noii propuneri este utilizarea unei camere de ardere nestandard, capabilă să efectueze arderea cu detonare în impulsuri a combustibilului într-o atmosferă de aer. În acest caz, frecvența „exploziilor” din interiorul motorului ar trebui să ajungă la 15-20 kHz. În viitor, este posibilă o creștere suplimentară a acestui parametru, în urma căreia zgomotul motorului va depăși intervalul perceput de urechea umană. Astfel de caracteristici ale motorului pot fi de interes deosebit.
Prima lansare a unui produs experimental „Ifrit”
Cu toate acestea, principalele avantaje ale noii centrale electrice sunt asociate cu o performanță îmbunătățită. Testele pe banc de produse experimentale au arătat că acestea sunt cu aproximativ 30% superioare motoarelor tradiționale cu turbină cu gaz în ceea ce privește performanța specifică. Până la prima demonstrație publică a materialelor pe motorul OKB. A.M. Leagănele ar putea obține, de asemenea, caracteristici de performanță suficient de ridicate. Un motor experimental de tip nou a putut funcționa timp de 10 minute fără întrerupere. Timpul total de funcționare al acestui produs la stand la acel moment a depășit 100 de ore.
Reprezentanții dezvoltatorului au indicat că este deja posibil să se creeze un nou motor de detonare cu o tracțiune de 2-2,5 tone, potrivit pentru instalarea pe aeronave ușoare sau vehicule aeriene fără pilot. În proiectarea unui astfel de motor, se propune utilizarea așa-numitului. dispozitive rezonatoare responsabile de cursul corect al arderii combustibilului. Un avantaj important al noului proiect este posibilitatea fundamentală de a instala astfel de dispozitive oriunde în cadrul avionului.
Specialistii OKB im. A.M. Lyulki lucrează de mai bine de trei decenii la motoare de aeronave cu ardere cu detonare în impuls, dar până acum proiectul nu a părăsit stadiul cercetării și nu are perspective reale. Motivul principal este lipsa unei comenzi și a finanțării necesare. Dacă proiectul primește sprijinul necesar, atunci în viitorul previzibil poate fi creat un eșantion de motor adecvat pentru utilizare pe diverse vehicule.
Până în prezent, oamenii de știință și designerii ruși au reușit să arate rezultate foarte remarcabile în domeniul motoarelor cu reacție folosind noi principii de funcționare. Există mai multe proiecte în același timp potrivite pentru utilizare în câmpurile spațiale de rachete și hipersonice. În plus, motoare noi pot fi folosite în aviația „tradițională”. Unele proiecte sunt încă în stadii incipiente și nu sunt încă pregătite pentru inspecții și alte lucrări, în timp ce în alte domenii au fost deja obținute cele mai remarcabile rezultate.
Explorând subiectul motoarelor cu reacție cu ardere prin detonare, specialiștii ruși au reușit să creeze un model de banc al unei camere de ardere cu caracteristicile dorite. Prototipul Ifrit a fost deja testat, timp în care a fost colectată o mare cantitate de informații diverse. Cu ajutorul datelor primite, dezvoltarea direcției va continua.
Stăpânirea unei noi direcții și traducerea ideilor într-o formă aplicabilă practic va dura mult timp și, din acest motiv, în viitorul previzibil, rachetele spațiale și ale armatei în viitorul previzibil vor fi echipate doar cu motoare lichide tradiționale. Cu toate acestea, lucrarea a părăsit deja stadiul pur teoretic, iar acum fiecare test al unui motor experimental aduce mai aproape momentul construirii de rachete cu drepturi depline cu noi centrale electrice.
Conform site-urilor:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Biroul de proiectare experimentală Lyulka a dezvoltat, fabricat și testat un prototip de motor de detonare cu rezonator pulsatoriu cu ardere în două etape a unui amestec kerosen-aer. Potrivit ITAR-TASS, tracțiunea medie măsurată a motorului a fost de aproximativ o sută de kilograme, iar durata de funcționare continuă a fost mai mare de zece minute. Până la sfârșitul acestui an, Biroul de Proiectare intenționează să producă și să testeze un motor cu detonare pulsatorie de dimensiuni mari.
Potrivit lui Alexander Tarasov, proiectant-șef al Biroului de proiectare Lyulka, în timpul testelor, au fost simulate modurile de funcționare tipice motoarelor turboreactor și ramjet. Valorile măsurate ale forței specifice și ale consumului specific de combustibil s-au dovedit a fi cu 30-50 la sută mai bune decât cele ale motoarelor cu reacție de aer convenționale. În timpul experimentelor, noul motor a fost pornit și oprit în mod repetat, precum și controlul tracțiunii.
Pe baza studiilor efectuate, a datelor obținute în timpul testării, precum și a analizei de proiectare a circuitelor, Lyulka Design Bureau intenționează să propună dezvoltarea unei întregi familii de motoare de avioane cu detonare în impulsuri. În special, pot fi create motoare cu o durată de viață scurtă pentru vehicule aeriene fără pilot și rachete și motoare de aeronave cu un mod de zbor supersonic de croazieră.
În viitor, pe baza noilor tehnologii, pot fi create motoare pentru sisteme spațiale de rachete și centrale electrice combinate de avioane capabile să zboare în atmosferă și dincolo de aceasta.
Potrivit biroului de proiectare, noile motoare vor crește raportul tracțiune-greutate al aeronavei de 1,5-2 ori. În plus, atunci când se utilizează astfel de centrale electrice, raza de zbor sau masa armelor aeronavei poate crește cu 30-50 la sută. În același timp, ponderea motoarelor noi va fi de 1,5-2 ori mai mică decât cea a centralelor cu reacție convenționale.
Faptul că în Rusia se lucrează pentru a crea un motor de detonare pulsatorie a fost raportat în martie 2011. Acest lucru a fost declarat atunci de Ilya Fedorov, directorul general al asociației de cercetare și producție Saturn, care include Biroul de proiectare Lyulka. Ce tip de motor de detonare era în discuție, Fedorov nu a precizat.
În prezent, sunt cunoscute trei tipuri de motoare pulsatorii - cu supape, fără supape și cu detonare. Principiul de funcționare al acestor centrale este de a furniza periodic combustibil și un oxidant în camera de ardere, unde amestecul de combustibil se aprinde și produsele de ardere ies din duză cu formarea de împingere a jetului. Diferența față de motoarele cu reacție convenționale constă în arderea prin detonare a amestecului de combustibil, în care frontul de ardere se propagă mai repede decât viteza sunetului.
Motorul cu reacție pulsatorie a fost inventat la sfârșitul secolului al XIX-lea de inginerul suedez Martin Wiberg. Un motor cu pulsații este considerat simplu și ieftin de fabricat, dar din cauza caracteristicilor arderii combustibilului, nu este de încredere. Pentru prima dată, un nou tip de motor a fost folosit în serie în timpul celui de-al Doilea Război Mondial pe rachetele de croazieră V-1 germane. Au fost echipate cu motorul Argus As-014 de la Argus-Werken.
În prezent, mai multe firme importante de apărare din lume sunt angajate în cercetări pentru crearea de motoare cu reacție cu impulsuri extrem de eficiente. În special, lucrările sunt realizate de compania franceză SNECMA și americanii General Electric și Pratt & Whitney. În 2012, Laboratorul de Cercetare Navală din SUA și-a anunțat intenția de a dezvolta un motor de detonare prin rotație care să înlocuiască centralele convenționale cu turbine cu gaz de pe nave.
Laboratorul de Cercetare al Marinei SUA (NRL) intenționează să dezvolte un motor de detonare rotativ sau spin (Rotating Detonation Engine, RDE), care în viitor va putea înlocui centralele convenționale cu turbine cu gaz de pe nave. Potrivit NRL, noile motoare vor permite armatei să reducă consumul de combustibil, crescând în același timp eficiența energetică a centralelor electrice.
Marina SUA operează în prezent 430 de motoare cu turbină cu gaz (GTE) pe 129 de nave. Ei consumă combustibil în valoare de două miliarde de dolari în fiecare an. NRL estimează că RDE ar putea economisi armata până la 400 de milioane de dolari pe an pe combustibil. RDE va putea genera cu zece la sută mai multă putere decât motoarele convenționale cu turbină cu gaz. Prototipul RDE a fost deja creat, dar nu se știe încă când vor începe să intre astfel de motoare în flotă.
RDE sa bazat pe evoluțiile NRL obținute în timpul creării unui motor de detonare pulsatorie (Pulse Detonation Engine, PDE). Funcționarea unor astfel de centrale electrice se bazează pe arderea cu detonare stabilă a amestecului de combustibil.
Motoarele cu detonare în rotație diferă de cele cu pulsații prin aceea că arderea prin detonare a amestecului de combustibil din ele are loc continuu - frontul de ardere se deplasează în camera de ardere inelară, în care amestecul de combustibil este actualizat în mod constant.
Testele motoarelor de detonare
FPI_RUSSIA / Vimeo
Laboratorul specializat „Detonation LRE” al Asociației de Cercetare și Producție Energomash a testat primele demonstratoare de tehnologie a motoarelor de rachetă cu propulsie lichidă cu detonare de dimensiune completă din lume. Potrivit TASS, noile centrale electrice funcționează cu o pereche de combustibil oxigen-kerosen.
Noul motor, spre deosebire de alte centrale electrice care funcționează pe principiul arderii interne, funcționează datorită detonării combustibilului. Detonarea este arderea supersonică a unei substanțe, în acest caz un amestec de combustibil. În acest caz, o undă de șoc se propagă prin amestec, urmată de o reacție chimică cu eliberarea unei cantități mari de căldură.
Studiul principiilor de funcționare și dezvoltarea motoarelor de detonare se desfășoară în unele țări ale lumii de mai bine de 70 de ani. Prima astfel de lucrare a început în Germania în anii 1940. Adevărat, la acel moment, cercetătorii nu au reușit să creeze un prototip funcțional al unui motor de detonare, dar motoarele cu reacție pulsatoare au fost dezvoltate și produse în serie. Au fost plasate pe rachete V-1.
În motoarele cu reacție pulsatoare, combustibilul ardea la viteze subsonice. Această ardere se numește deflagrație. Motorul se numește pulsator deoarece combustibilul și oxidantul au fost introduse în camera de ardere în porții mici la intervale regulate.
Harta presiunii în camera de ardere a unui motor cu detonare rotativă. A - unda de detonare; B - frontul tras al undei de șoc; C - zona de amestecare a produselor de ardere proaspete și vechi; D - zona de umplere a amestecului de combustibil; E este regiunea amestecului de combustibil ars nedetonant; F - zona de expansiune cu amestec de combustibil ars detonat
Motoarele de detonare astăzi sunt împărțite în două tipuri principale: impuls și rotative. Acestea din urmă sunt numite și spin. Principiul de funcționare al motoarelor cu impuls este similar cu cel al motoarelor cu reacție cu impulsuri. Principala diferență constă în arderea prin detonare a amestecului de combustibil din camera de ardere.
Motoarele cu detonare rotativă folosesc o cameră de ardere inelară în care amestecul de combustibil este alimentat secvenţial prin supape radiale. În astfel de centrale electrice, detonația nu se estompează - unda de detonare „curge în jurul” camerei de ardere inelară, amestecul de combustibil din spatele acesteia are timp să fie actualizat. Motorul rotativ a fost studiat pentru prima dată în URSS în anii 1950.
Motoarele de detonare sunt capabile să funcționeze într-o gamă largă de viteze de zbor - de la zero la cinci numere Mach (0-6,2 mii de kilometri pe oră). Se crede că astfel de centrale electrice pot produce mai multă putere, consumând mai puțin combustibil decât motoarele cu reacție convenționale. În același timp, proiectarea motoarelor de detonare este relativ simplă: le lipsește un compresor și multe piese mobile.
Toate motoarele de detonare testate până acum au fost dezvoltate pentru aeronave experimentale. Testată în Rusia, o astfel de centrală este prima instalată pe o rachetă. Ce tip de motor de detonare a fost testat nu este specificat.