Energomash motor de detonare. Motor de detonare - viitorul construcției de motoare rusești

Curierul Militar-Industrial are vești grozave în domeniul tehnologiei inovatoare a rachetelor. Un motor de rachetă cu detonare a fost testat în Rusia, a declarat vineri viceprim-ministrul Dmitri Rogozin pe pagina sa de Facebook.

„Așa-numitele motoare de rachetă cu detonare dezvoltate în cadrul programului Advanced Research Fund au fost testate cu succes”, a spus vicepremierul Interfax-AVN, citat.

Se crede că un motor de rachetă cu detonare este una dintre modalitățile de implementare a conceptului de așa-numitul hipersunet motor, adică crearea de aeronave hipersonice capabile să atingă o viteză de Mach 4-6 (Mach este viteza sunetului). ) datorită motorului propriu.

Portalul russia-reborn.ru oferă un interviu unuia dintre cei mai importanți specialiști specializați în motoare din Rusia despre motoarele cu rachete cu detonare.

Interviu cu Pyotr Lyovochkin, designer-șef al NPO Energomash im. Academician V.P. Glushko".

Sunt create motoare pentru rachetele hipersonice ale viitorului
Au fost efectuate teste cu succes ale așa-numitelor motoare de rachetă cu detonare, cu rezultate foarte interesante. Lucrările de dezvoltare în această direcție vor continua.

Detonarea este o explozie. Îl poți face gestionabil? Este posibil să se creeze arme hipersonice pe baza unor astfel de motoare? Ce motoare de rachetă vor lansa vehicule fără pilot și vehicule cu echipaj în spațiul apropiat? Aceasta este conversația noastră cu directorul general adjunct - proiectant șef al NPO Energomash im. Academician V.P. Glushko ”de Pyotr Lyovochkin.

Petr Sergeevich, ce oportunități deschid noi motoare?

Pyotr Lyovochkin: Dacă vorbim despre viitorul apropiat, astăzi lucrăm la motoare pentru rachete precum Angara A5V și Soyuz-5, precum și altele care sunt în stadiul de pre-proiectare și sunt necunoscute publicului larg. În general, motoarele noastre sunt proiectate pentru a ridica o rachetă de pe suprafața unui corp ceresc. Și poate fi orice - terestru, lunar, marțian. Deci, dacă programele lunare sau marțiane sunt implementate, cu siguranță vom lua parte la ele.

Care este eficiența motoarelor rachete moderne și există modalități de a le îmbunătăți?

Pyotr Lyovochkin: Dacă vorbim despre parametrii energetici și termodinamici ai motoarelor, atunci putem spune că ale noastre, precum și cele mai bune motoare de rachete chimice străine de astăzi, au atins un anumit nivel de perfecțiune. De exemplu, eficiența arderii combustibilului ajunge la 98,5 la sută. Adică, aproape toată energia chimică a combustibilului din motor este convertită în energie termică a jetului de gaz care iese din duză.

Puteți îmbunătăți motoarele în diferite direcții. Aceasta este utilizarea de componente de combustibil mai consumatoare de energie, introducerea de noi soluții de circuit, o creștere a presiunii în camera de ardere. O altă direcție este utilizarea tehnologiilor noi, inclusiv aditive, pentru a reduce intensitatea muncii și, în consecință, a reduce costul unui motor rachetă. Toate acestea conduc la o scădere a costului sarcinii utile de ieșire.

Cu toate acestea, la o examinare mai atentă, devine clar că creșterea caracteristicilor energetice ale motoarelor în mod tradițional este ineficientă.

Folosirea unei explozii controlate de combustibil poate da unei rachete viteza de opt ori mai mare a sunetului
De ce?

Petr Lyovochkin: O creștere a presiunii și a consumului de combustibil în camera de ardere va crește în mod natural tracțiunea motorului. Dar acest lucru va necesita o creștere a grosimii pereților camerei și ai pompelor. Ca urmare, complexitatea structurii și masa acesteia cresc, câștigul de energie se dovedește a nu fi atât de mare. Jocul nu va merita lumânarea.

Adică motoarele de rachete și-au epuizat resursele de dezvoltare?

Pyotr Lyovochkin: Nu chiar așa. În termeni tehnici, acestea pot fi îmbunătățite prin creșterea eficienței proceselor intramotorii. Există cicluri de conversie termodinamică a energiei chimice în energia unui jet care curge, care sunt mult mai eficiente decât arderea clasică a combustibilului pentru rachete. Acesta este ciclul de ardere cu detonare și ciclul Humphrey aproape de acesta.

Însuși efectul detonării combustibilului a fost descoperit de compatriotul nostru - mai târziu academicianul Yakov Borisovich Zeldovich în 1940. Implementarea acestui efect în practică promitea perspective foarte mari în rachetă. Nu este surprinzător că germanii în aceiași ani au studiat în mod activ procesul de detonare al arderii. Dar ei nu au progresat dincolo de experimente nu foarte reușite.

Calculele teoretice au arătat că arderea prin detonare este cu 25 la sută mai eficientă decât ciclul izobaric, care corespunde arderii combustibilului la presiune constantă, care este implementată în camerele motoarelor moderne cu rachete lichide.

Și care sunt avantajele arderii cu detonare în comparație cu arderea clasică?

Petr Lyovochkin: Procesul clasic de ardere este subsonic. Detonație - supersonică. Viteza reacției într-un volum mic duce la o degajare uriașă de căldură - este de câteva mii de ori mai mare decât în ​​arderea subsonică, implementată în motoarele clasice de rachetă cu aceeași masă de combustibil arzând. Și pentru noi, inginerii de motoare, asta înseamnă că, cu o dimensiune mult mai mică a unui motor cu detonare și cu o masă redusă de combustibil, puteți obține aceeași forță ca în motoarele uriașe moderne de rachete cu propulsie lichidă.

Nu este un secret pentru nimeni că motoarele cu combustie prin detonare a combustibilului sunt dezvoltate și în străinătate. Care sunt pozițiile noastre? Suntem inferiori, suntem la nivelul lor sau suntem în frunte?

Pyotr Lyovochkin: Nu recunoaștem - asta este sigur. Dar nici nu pot spune că suntem în frunte. Subiectul este suficient de închis. Unul dintre principalele secrete tehnologice este cum să ne asigurăm că combustibilul și oxidantul motorului rachetei nu arde, ci explodează, fără a distruge camera de ardere. Adică, de fapt, să faci o adevărată explozie controlată și controlată. Pentru referință: detonarea este arderea combustibilului în fața unei unde de șoc supersonice. Distingeți între detonația de impuls, când unda de șoc se mișcă de-a lungul axei camerei și una o înlocuiește pe cealaltă, precum și detonația continuă (spin), când undele de șoc din cameră se mișcă în cerc.

Din câte se știe, au fost efectuate studii experimentale de ardere prin detonare cu participarea specialiștilor dumneavoastră. Ce rezultate s-au obtinut?

Pyotr Lyovochkin: S-au efectuat lucrări pentru a crea o cameră model pentru un motor de rachetă cu detonare lichidă. O mare cooperare a centrelor științifice de top din Rusia a lucrat la proiect sub patronajul Fundației pentru Studii Avansate. Printre acestea se numără Institutul de Hidrodinamică. M.A. Lavrentieva, MAI, „Centrul Keldysh”, Institutul Central al Motoarelor de Aviație numit după P.I. Baranova, Facultatea de Mecanică și Matematică, Universitatea de Stat din Moscova. Am sugerat utilizarea kerosenului ca combustibil și a oxigenului gazos ca agent oxidant. În procesul de studii teoretice și experimentale, s-a confirmat posibilitatea creării unui motor de rachetă cu detonare pe baza unor astfel de componente. Pe baza datelor obținute, am dezvoltat, fabricat și testat cu succes un model de cameră de detonare cu o tracțiune de 2 tone și o presiune în camera de ardere de aproximativ 40 atm.

Această sarcină a fost rezolvată pentru prima dată nu numai în Rusia, ci și în lume. Prin urmare, desigur, au existat probleme. În primul rând, asociat cu furnizarea de detonare stabilă a oxigenului cu kerosen și, în al doilea rând, cu furnizarea de răcire fiabilă a peretelui de foc al camerei fără răcire cortină și o serie de alte probleme, a căror esență este clară doar pentru specialiști.

De fapt, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se deplasează cu o viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul detonează, 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. Zeldovich 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, acum Statele Unite, acum Germania, acum compatrioții noștri au ieșit înainte.

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 de-a lungul multor ani post-perestroika.

De ce este noul motor atât de bun? Un motor cu reacție folosește energia eliberată atunci când amestecul este ars la o 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 o tracțiune a jetului.

În timpul arderii prin detonare, produșii de reacție nu au timp să se descompună, deoarece acest proces este de 100 de ori mai rapid decât deflagrația și presiunea crește rapid, dar volumul rămâne neschimbat. Eliberarea unei cantități atât de mari de energie poate distruge de fapt motorul unei mașini, motiv pentru care acest proces este adesea asociat cu o explozie.

De fapt, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se deplasează cu o viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul detonează, acest proces, din punctul de vedere al termodinamicii crește eficiența motorului cu un ordin de mărime, datorita compactitatii zonei de ardere. Prin urmare, specialiștii au început să dezvolte această idee cu atâta zel.Într-un motor de rachetă convențional cu propulsie lichidă, care este în esență un arzător mare, principalul lucru nu este camera de ardere și duza, ci unitatea de turbopompe de combustibil (TNA), care creează o astfel de presiune încât combustibilul să pătrundă 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 detonația în sine, care este o undă de compresie care se deplasează în amestecul de combustibil, în care presiunea fără TPA este deja de 20 de ori mai mare, iar unitățile de pompare turbo sunt de prisos. Pentru a fi clar, American Shuttle are o presiune în camera de ardere de 200 atm, iar un motor de detonare în astfel de condiții are nevoie de doar 10 atm pentru a furniza amestecul - este ca o pompă de bicicletă și HPP Sayano-Shushenskaya.

În acest caz, un motor bazat pe detonare nu este doar mai simplu și mai ieftin de un ordin de mărime, dar este mult mai puternic și mai economic decât un motor de rachetă convențional cu propulsie lichidă.În drumul spre implementarea proiectului de motor de detonare, problema de a face față undei de detonare a apărut. Acest fenomen nu este doar o undă de explozie, care are viteza sunetului și o undă de detonare care se propagă cu o viteză de 2500 m / s, nu există o stabilizare a frontului de flăcări în el, amestecul este reînnoit pentru fiecare pulsație și valul este repornit.

Anterior, inginerii ruși și francezi au dezvoltat și construit motoare cu reacție pulsatoare, dar nu pe principiul detonării, ci pe baza pulsației arderii convenționale. Caracteristicile unor astfel de PUVRD-uri erau scăzute, iar când constructorii de motoare au dezvoltat pompe, turbine și compresoare, a venit vârsta motoarelor cu reacție și a motoarelor de rachetă cu propulsie lichidă, iar cele pulsatorii au rămas pe marginea progresului. Mințile strălucitoare ale științei au încercat să combine arderea cu detonare 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 implementezi 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 practic în același timp, un american de la Universitatea din Michigan J. Nichols a 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 situate de-a lungul razei sale pentru alimentarea cu combustibil. Valul de detonare se desfășoară ca o veveriță într-o roată în jurul circumferinței, amestecul de combustibil se comprimă și arde, împingând produsele de ardere prin duză. Într-un motor de rotație, obținem o frecvență de rotație a unui val de câteva mii pe secundă, activitatea sa este similară cu procesul de lucru într-un motor cu propulsie lichidă, 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 fizico-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. Fondul de Cercetare Avansată a venit în sprijinul dezvoltării unui astfel de motor, deoarece finanțarea de la Ministerul Apărării este imposibil de realizat - oferiți-le doar un rezultat garantat.

Cu toate acestea, în timpul testelor din Khimki la Energomash, a fost înregistrată o stare constantă de detonare continuă a spinării - 8 mii de rotații pe secundă pe un amestec de oxigen-kerosen. În acest caz, undele de detonare au echilibrat undele de vibrație, iar straturile de protecție împotriva căldurii 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 o combustie prin detonare și a fost creat în Rusia un motor de rotație de dimensiune completă, care va rămâne în istoria științei pentru totdeauna.

Camere de ardere cu
detonare continuă

Idee camere de ardere cu detonare continuă propus în 1959 de academicianul Academiei de Științe a URSS B.V. Voitsekhovsky. Camera de ardere cu detonare continuă (CDC) este un canal inelar format din pereții a doi cilindri coaxiali. Dacă un cap de amestecare este plasat pe partea inferioară a canalului inelar, iar celălalt capăt al canalului este echipat cu o duză cu jet, atunci se obține un motor cu reacție inelar. Arderea prin detonare într-o astfel de cameră poate fi organizată prin arderea amestecului de combustibil furnizat prin capul de amestecare într-o undă de detonare care circulă continuu pe fund. În acest caz, unda de detonare va arde amestecul de combustibil care a intrat în camera de ardere în timpul unei revoluții a undei de-a lungul circumferinței canalului inelar. Frecvența de rotație a unei unde într-o cameră de ardere cu diametrul de aproximativ 300 mm va avea o valoare de ordinul a 105 rpm și mai mare. Avantajele unor astfel de camere de ardere includ: (1) simplitatea designului; (2) aprindere simplă; (3) curgere cvasi-staționară a produselor de detonare; (4) rata de ciclu mare (kiloherți); (5) o cameră de ardere scurtă; (6) nivel scăzut de emisie de substanțe nocive (NO, CO, etc.); (7) zgomot redus și vibrații. Dezavantajele unor astfel de camere includ: (1) necesitatea unui compresor sau turbopompă; (2) management limitat; (3) complexitatea scalării; (4) dificultate la răcire.

Investiții mari în R&D și R&D pe această temă în Statele Unite au început relativ recent: acum 3-5 ani (Forțele Aeriene, Marina Militară, NASA, corporații aerospațiale). Pe baza publicațiilor deschise, în Japonia, China, Franța, Polonia și Coreea, lucrările la proiectarea unor astfel de camere de ardere folosind metode computaționale de dinamică a gazelor sunt în prezent foarte răspândite. În Federația Rusă, cercetările în această direcție se desfășoară cel mai activ în NP „Centrul IDG” și în Institutul de Geologie și Literatură SB RAS.

Cele mai importante progrese în acest domeniu al științei și tehnologiei sunt enumerate mai jos. În 2012, specialiștii de la Pratt & Whitney și Rocketdyne (SUA) au publicat rezultatele testelor unui motor rachetă experimental de design modular cu duze înlocuibile pentru alimentarea componentelor cu combustibil și cu duze înlocuibile. Au fost efectuate sute de teste de ardere folosind diferite perechi de combustibil: hidrogen - oxigen, metan - oxigen, etan - oxigen etc. Pe baza testelor, hărți ale modurilor de funcționare stabile ale motorului cu una, două sau mai multe valuri de detonare care circulă. peste fundul camerei au fost construite. Au fost investigate diferite metode de aprindere și întreținere a detonației. Timpul maxim de funcționare a motorului realizat în experimentele cu răcirea cu apă a pereților camerei a fost de 20 s. Se raportează că acest timp a fost limitat doar de furnizarea componentelor de combustibil, dar nu de starea termică a pereților. Specialiștii polonezi, împreună cu parteneri europeni, lucrează la crearea unei camere de ardere cu detonare continuă pentru un motor de elicopter. Ei au reușit să creeze o cameră de ardere care funcționează stabil într-un mod de detonare continuă timp de 2 s pe un amestec de hidrogen cu aer și kerosen cu aer în combinație cu un compresor de motor GTD350 de fabricație sovietică. În 2011-2012. Institutul de Hidrodinamică SB RAS a înregistrat experimental procesul de ardere cu detonare continuă a unui amestec eterogen de particule de cărbune de dimensiuni micron cu aer într-o cameră de ardere cu disc cu diametrul de 500 mm. Înainte de aceasta, la Institutul de Geologie au fost efectuate cu succes experimente cu înregistrarea pe termen scurt (până la 1–2 s) a detonării continue a amestecurilor de aer de hidrogen și acetilenă, precum și a amestecurilor de oxigen ale unui număr de hidrocarburi individuale. andologie a Filialei Siberiei a Academiei Ruse de Științe. În 2010-2012. La Centrul IDG, folosind tehnologii de calcul unice, au fost create bazele pentru proiectarea camerelor de ardere cu detonare continuă atât pentru motoarele cu rachetă, cât și pentru motoarele cu reacție și pentru prima dată au fost reproduse rezultatele experimentelor folosind o metodă de calcul atunci când camera a fost operată cu o alimentare separată cu componente de combustibil (hidrogen și aer). În plus, în 2013, NP „Center IDG” a proiectat, fabricat și testat o cameră de ardere inelară cu detonare continuă cu un diametru de 400 mm, un spațiu de 30 mm și o înălțime de 300 mm. arderea detonativă a amestecurilor combustibil-aer.

Cea mai importantă problemă cu care se confruntă dezvoltatorii atunci când creează camere de ardere cu detonare continuă care funcționează cu combustibil standard este aceeași ca și pentru camerele de ardere cu detonare cu impulsuri, de exemplu. capacitatea scăzută de detonare a unor astfel de combustibili în aer. O altă problemă importantă este reducerea pierderilor de presiune în timpul furnizării componentelor de combustibil către camera de ardere pentru a asigura o creștere a presiunii totale în cameră. O altă problemă este răcirea camerei. Modalități de a depăși aceste probleme sunt în prezent explorate.

Majoritatea experților interni și străini consideră că ambele scheme discutate pentru organizarea ciclului de detonare sunt promițătoare atât pentru motoarele cu rachetă, cât și pentru motoarele cu reacție. Nu există limitări fundamentale pentru implementarea practică a acestor scheme. Principalele riscuri pe calea creării unui nou tip de camere de ardere sunt asociate cu soluționarea problemelor de inginerie.
Opțiunile de proiectare și metodele de organizare a procesului de lucru în camere de ardere cu detonare cu puls și cu detonare continuă sunt protejate de numeroase brevete interne și străine (sute de brevete). Principalul dezavantaj al brevetelor este soluția tăcută sau practic inacceptabilă (din diverse motive) la problema principală a implementării ciclului de detonare - problema capacității scăzute de detonare a combustibililor standard (kerosen, benzină, motorină, gaz natural) în aer. . Soluțiile propuse practic inacceptabile la această problemă sunt utilizarea pregătirii preliminare termice sau chimice a combustibilului înainte de alimentarea acestuia în camera de ardere, utilizarea aditivilor activi, inclusiv oxigenul, sau utilizarea combustibililor speciali cu capacitate mare de detonare. În ceea ce privește motoarele care utilizează componente de combustibil activ (autoaprindere), această problemă nu apare, totuși, problemele funcționării în siguranță a acestora rămân urgente.

Orez. 1: Compararea impulsurilor specifice motoarelor cu reacție: turboreactor, ramjet, PuVRD și IDD

Utilizarea camerelor de ardere cu detonare cu impulsuri se concentrează în principal pe înlocuirea camerelor de ardere existente în sisteme de propulsie cu jet de aer precum ramjet și PUVRD. Faptul este că, în conformitate cu o caracteristică atât de importantă a motorului precum impulsul specific, IDE, care acoperă întreaga gamă de viteze de zbor de la 0 la numărul Mach M = 5, are teoretic un impuls specific comparabil (cu un număr Mach de zbor M de la 2,0 la 3,5) cu un ramjet și depășind semnificativ impulsul specific al motorului ramjet cu numărul Mach de zbor M de la 0 la 2 și de la 3,5 la 5 (Fig. 1). În ceea ce privește PUVRD, impulsul său specific la viteze de zbor subsonice este de aproape 2 ori mai mic decât cel al IDD. Datele despre impulsul specific pentru ramjet sunt împrumutate de la unde s-au efectuat calcule unidimensionale ale caracteristicilor ideal Un motor ramjet care funcționează pe un amestec de kerosen-aer cu un raport de combustibil în exces de 0,7. Datele despre impulsul specific al motoarelor cu reacție propulsate de aer au fost împrumutate din articole în care au fost efectuate calcule multidimensionale ale caracteristicilor de tracțiune ale motoarelor cu reacție în condiții de zbor la viteze subsonice și supersonice la diferite altitudini. De remarcat că, spre deosebire de calcule, calculele au fost efectuate ținând cont de pierderile cauzate de procesele disipative (turbulențe, vâscozitate, unde de șoc etc.).

Pentru comparație, Fig. 1 arată rezultatele calculului pentru ideal motor turboreactor (TRD). Se poate observa că IDE este inferior motorului turborreactor ideal în impuls specific la numere Mach de zbor până la 3,5, dar depășește motorul turboreactor în acest indicator la M> 3,5. Astfel, la M> 3,5, atât motorul ramjet, cât și motorul turboreactor sunt inferioare PDE cu jet de aer în ceea ce privește impulsul specific, iar acest lucru face ca PDM-ul să fie foarte promițător. În ceea ce privește vitezele de zbor supersonice și subsonice scăzute, IDD, cedând motorului turboreactor în impuls specific, poate fi considerat încă promițător datorită simplității extraordinare a designului și a costului redus, care este extrem de important pentru aplicațiile unice (vehicule de livrare). , ținte etc.).

Prezența unui „ciclu de funcționare” în tracțiunea creată de astfel de camere le face nepotrivite pentru motoarele de rachetă de croazieră cu propulsie lichidă (LRE). Cu toate acestea, scheme brevetate de motoare rachete cu propulsie lichidă cu detonare în impuls, cu design cu mai multe tuburi, cu ciclu de lucru cu tracțiune scăzută. În plus, astfel de centrale electrice pot fi folosite ca motoare pentru corectarea orbitei și mișcărilor orbitale ale sateliților artificiali de pământ și au multe alte aplicații.

Utilizarea camerelor de ardere cu detonare continuă se concentrează în principal pe înlocuirea camerelor de ardere existente în motoarele cu propulsie lichidă și motoarele cu turbină cu gaz.

Se are în vedere problema dezvoltării motoarelor cu detonare rotativă. Sunt prezentate principalele tipuri de astfel de motoare: motorul de detonare rotativă Nichols, motorul Voitsekhovsky. Sunt luate în considerare principalele direcții și tendințe în dezvoltarea designului motoarelor de detonare. Se arată că conceptele moderne ale unui motor cu detonare rotativă nu pot conduce, în principiu, la crearea unui design funcțional, superior în caracteristicile sale motoarelor cu reacție de aer existente. Motivul este dorința designerilor de a combina generarea de valuri, arderea combustibilului și ejectarea combustibilului și a oxidantului într-un singur mecanism. Ca rezultat al auto-organizării structurilor unde de șoc, arderea prin detonare se realizează într-un volum minim și nu maxim. Rezultatul efectiv atins astăzi este arderea prin detonare într-un volum care nu depășește 15% din volumul camerei de ardere. Calea de ieșire este văzută într-o abordare diferită - în primul rând, se creează o configurație optimă a undelor de șoc și numai atunci componentele de combustibil sunt furnizate acestui sistem și este organizată arderea optimă a detonației într-un volum mare.

motor de detonare

motor cu detonare rotativă

motorul Voitsekhovsky

detonație circulară

detonație de spin

motor cu detonare a impulsurilor

1. Voitsekhovsky BV, Mitrofanov VV, Topchiyan ME, Structura frontului de detonare în gaze. - Novosibirsk: Editura Filialei Siberiei a Academiei de Științe a URSS, 1963.

2. Uskov V.N., Bulat P.V. Despre problema proiectării unui difuzor ideal pentru comprimarea unui flux supersonic // Cercetare fundamentală. - 2012. - Nr. 6 (partea 1). - S. 178-184.

3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Istoria studiului reflexiei neregulate a unei unde de șoc din axa de simetrie a unui jet supersonic cu formarea unui disc Mach // Cercetare fundamentală. - 2012. - Nr. 9 (partea 2). - S. 414–420.

4. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Justificarea aplicării modelului configurației staționare Mach la calculul discului Mach într-un jet supersonic // Cercetare fundamentală. - 2012. - Nr. 11 (partea 1). - S. 168-175.

5. Shchelkin K.I. Instabilitatea arderii și detonării gazelor // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965 .-- T. 87, nr. 2.– P. 273–302.

6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Detonația intermitentă ca mecanism de producere a încrederii // Propulsie cu reacție. - 1957. - Nr. 21. - P. 534-541.

Motoare rotative cu detonare

Toate tipurile de motoare cu detonare rotativă (RDE) au în comun faptul că sistemul de alimentare cu combustibil este combinat cu sistemul de ardere a combustibilului într-un val de detonare, dar apoi totul funcționează ca într-un motor cu reacție convențional - un tub de flacără și o duză. Tocmai acest fapt a inițiat o astfel de activitate în domeniul modernizării motoarelor cu turbine cu gaz (GTE). Pare atractiv să înlocuiești doar capul de amestecare și sistemul de aprindere a amestecului în motorul cu turbină cu gaz. Pentru a face acest lucru, este necesar să se asigure continuitatea arderii detonației, de exemplu, lansând o undă de detonare într-un cerc. Una dintre primele astfel de scheme a fost propusă de Nichols în 1957, apoi a dezvoltat-o ​​și la mijlocul anilor 1960 a efectuat o serie de experimente cu o undă de detonare rotativă (Fig. 1).

Prin reglarea diametrului camerei și a grosimii golului inelar, pentru fiecare tip de amestec de combustibil, este posibil să se selecteze o astfel de geometrie încât detonația să fie stabilă. În practică, raportul dintre spațiul liber și diametrul motorului se dovedește a fi inacceptabil și este necesar să se regleze viteza de propagare a undei prin controlul alimentării cu combustibil, așa cum se discută mai jos.

Ca și în cazul motoarelor cu detonare în impulsuri, unda circulară de detonare este capabilă să ejecteze oxidant, permițând ca RDE să fie utilizat la viteze zero. Acest fapt a condus la o serie de studii experimentale și computaționale ale RDE cu o cameră de ardere inelară și ejecție spontană a unui amestec combustibil-aer, ceea ce nu are sens să enumeram aici. Toate sunt construite aproximativ după aceeași schemă (Fig. 2), care amintește de schema motorului Nichols (Fig. 1).

Orez. 1. Schema de organizare a detonației circulare continue în golul inelar: 1 - val de detonare; 2 - strat de amestec de combustibil „proaspăt”; 3 - gol de contact; 4 - o undă de șoc oblică care se propagă în aval; D - direcția de mișcare a undei de detonare

Orez. 2. Schema RDE tipică: V - viteza fluxului de intrare; V4 este debitul la ieșirea duzei; a - ansamblu combustibil proaspăt, b - front de undă de detonare; c - undă de șoc oblică atașată; d - produse de ardere; p (r) - distribuția presiunii pe peretele canalului

O alternativă rezonabilă la schema Nichols ar putea fi instalarea multor injectoare de oxidare a combustibilului care ar injecta amestec combustibil-aer în zona imediat înainte de valul de detonare conform unei anumite legi cu o anumită presiune (Fig. 3). Prin reglarea presiunii și a ratei de alimentare cu combustibil în regiunea de ardere din spatele undei de detonare, este posibil să se influențeze viteza de propagare a acesteia în amonte. Această direcție este promițătoare, dar principala problemă în proiectarea unor astfel de RDE este că modelul de curgere simplificat utilizat pe scară largă în frontul de ardere de detonare nu corespunde deloc realității.

Orez. 3. RDE cu alimentare reglată cu combustibil în zona de ardere. motor rotativ Voitsekhovsky

Principalele speranțe din lume sunt asociate cu motoarele de detonare care funcționează conform schemei motoarelor rotative Voitsekhovsky. În 1963 B.V. Voitsekhovsky, prin analogie cu detonarea spin, a dezvoltat o schemă pentru arderea continuă a gazului în spatele unei configurații triple de unde de șoc care circulă într-un canal inelar (Fig. 4).

Orez. 4. Schema arderii continue a gazelor Voitsekhovsky în spatele unei configurații triple a undelor de șoc care circulă într-un canal inelar: 1 - amestec proaspăt; 2 - amestec dublu comprimat în spatele unei configurații triple de unde de șoc, regiune de detonare

În acest caz, procesul hidrodinamic staționar cu arderea gazului în spatele undei de șoc diferă de schema de detonare a lui Chapman-Jouguet și Zeldovich-Neumann. Un astfel de proces este destul de stabil, durata acestuia este determinată de stocul de amestec de combustibil și, în experimentele cunoscute, este de câteva zeci de secunde.

Schema motorului de detonare Voitsekhovsky a servit drept prototip pentru numeroase studii ale motoarelor de detonare rotative și de rotație inițiate în ultimii 5 ani. Această schemă reprezintă mai mult de 85% din toate studiile. Toate au un dezavantaj organic - zona de detonare ocupă o parte prea mică din zona totală de ardere, de obicei nu mai mult de 15%. Ca urmare, indicatorii specifici ai motoarelor sunt mai slabi decât cei ai motoarelor convenționale.

Despre motivele eșecului implementării schemei Voitsekhovsky

Majoritatea lucrărilor la motoarele cu detonare continuă este asociată cu dezvoltarea conceptului Voitsekhovsky. În ciuda a mai bine de 40 de ani de istorie de cercetare, rezultatele au rămas de fapt la nivelul anului 1964. Proporția arderii prin detonare nu depășește 15% din volumul camerei de ardere. Restul este ardere lentă în condiții departe de a fi optime.

Unul dintre motivele acestei stări de fapt este lipsa unei metode de calcul viabile. Deoarece fluxul este tridimensional, iar calculul ia în considerare numai legile conservării impulsului pe o undă de șoc în direcția perpendiculară pe frontul de detonare model, rezultatele calculării înclinării undelor de șoc față de fluxul de produse de ardere diferă de cele observate experimental cu mai mult de 30%. Consecința este că, în ciuda multor ani de cercetări asupra diferitelor sisteme de alimentare cu combustibil și experimente privind schimbarea raportului dintre componentele combustibilului, tot ceea ce s-a făcut este să se creeze modele în care arderea detonativă are loc și este menținută timp de 10-15 s. Nici creșterea eficienței, nici avantajele față de motoarele de rachetă cu propulsie lichidă și motoarele cu turbină cu gaz existente nu sunt excluse.

Analiza schemelor RDE existente efectuată de autorii proiectului a arătat că toate schemele RDE propuse astăzi sunt inoperabile în principiu. Arderea prin detonare are loc și este menținută cu succes, dar numai într-o măsură limitată. În restul volumului, avem de-a face cu ardere lentă obișnuită, de altfel, în spatele unui sistem neoptimal de unde de șoc, ceea ce duce la pierderi semnificative de presiune totală. În plus, presiunea este, de asemenea, de câteva ori mai mică decât este necesar pentru condițiile ideale de ardere cu un raport stoechiometric al componentelor amestecului de combustibil. Ca urmare, consumul specific de combustibil pe unitatea de tracțiune este cu 30-40% mai mare decât cel al motoarelor convenționale.

Dar cea mai importantă problemă este chiar principiul organizării detonării continue. După cum arată studiile de detonare circulară continuă efectuate încă din anii 60, frontul de combustie de detonare este o structură complexă de unde de șoc constând din cel puțin două configurații triple (despre configurații triple ale undelor de șoc. O astfel de structură cu o zonă de detonare atașată, ca orice sistem de feedback termodinamic, lăsat singur, tinde să ocupe o poziție corespunzătoare nivelului minim de energie. Ca urmare, configurațiile triple și regiunea de ardere a detonației sunt ajustate între ele, astfel încât frontul de detonare se deplasează de-a lungul golului inelar cu volumul minim posibil de ardere prin detonare.Acesta este exact opusul obiectivului pe care proiectanții de motoare și l-au stabilit pentru arderea prin detonare.

Pentru a crea un motor RDE eficient, este necesar să se rezolve problema creării unei configurații optime a undelor de șoc triple și a organizării unei zone de ardere de detonare în acesta. Este necesar să se poată crea structuri optime de unde de șoc într-o varietate de dispozitive tehnice, de exemplu, în difuzoare optime de prize de aer supersonice. Sarcina principală este creșterea maximă posibilă a proporției de ardere cu detonare în volumul camerei de ardere de la curentul inacceptabil 15% la cel puțin 85%. Proiectele de motoare existente bazate pe proiectele lui Nichols și Wojciechowski nu pot asigura această sarcină.

Uskov V.N., Doctor în Științe Tehnice, Profesor al Departamentului de Hidroaeromecanică, Universitatea de Stat din Sankt Petersburg, Facultatea de Matematică și Mecanică, Sankt Petersburg;

Emelyanov VN, doctor în științe tehnice, profesor, șef al Departamentului de plasmogasdinamică și inginerie termică, BSTU „VOENMEKH” numit după D.F. Ustinov, Sankt Petersburg.

Lucrarea a fost primită în data de 14.10.2013.

Referință bibliografică

Se are în vedere problema dezvoltării motoarelor cu detonare pe impuls. Sunt enumerate principalele centre de cercetare care efectuează cercetări asupra motoarelor de nouă generație. Sunt luate în considerare principalele direcții și tendințe în dezvoltarea designului motoarelor de detonare. Sunt prezentate principalele tipuri de astfel de motoare: pulsat, multitub pulsat, pulsat cu un rezonator de înaltă frecvență. Este prezentată diferența în metoda de creare a tracțiunii în comparație cu un motor cu reacție clasic echipat cu o duză Laval. Este descris conceptul de perete de tracțiune și modul de tracțiune. Se arată că motoarele cu detonare cu impuls sunt îmbunătățite în direcția creșterii ratei de repetare a pulsului, iar această direcție își are dreptul la viață în domeniul vehiculelor aeriene fără pilot ușoare și ieftine, precum și în dezvoltarea diferitelor amplificatoare de impuls ejector. . Sunt prezentate principalele dificultăți de natură fundamentală în modelarea unui flux turbulent de detonare folosind pachete de calcul bazate pe utilizarea modelelor de turbulență diferențială și medierea ecuațiilor Navier – Stokes în timp.

motor de detonare

motor cu detonare a impulsurilor

1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Istoria studiilor experimentale ale presiunii de fund // Cercetare fundamentală. - 2011. - Nr. 12 (3). - S. 670–674.

2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Fluctuațiile presiunii inferioare // Cercetare fundamentală. - 2012. - Nr. 3. - P. 204–207.

3. Bulat PV, Zasukhin ON, Prodan NV Caracteristici ale utilizării modelelor de turbulență în calculul debitelor în conductele supersonice ale motoarelor cu reacție de aer promițătoare // Motor. - 2012. - Nr. 1. - P. 20–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. Despre clasificarea regimurilor de curgere într-un canal cu expansiune bruscă // Termofizică și Aeromecanică. - 2012. - Nr. 2. - P. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. Despre fluctuațiile debitului de joasă frecvență ale presiunii inferioare // Cercetare fundamentală. - 2013. - Nr. 4 (3). - S. 545-549.

6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mohov A.A. Cercetarea și analiza suflărilor „la rece” ale modulului de tracțiune al unui motor cu detonare pulsatorie de înaltă frecvență // Vestnik MAI. - T.14. - Nr 4 - M .: Editura MAI-Print, 2007. - P. 36–42.

7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspective de utilizare a tehnologiilor de detonare pulsatorie în motoarele cu turboreacție. OJSC NPO Saturn STC im. A. Lyulki, Moscova, Rusia. Institutul de Aviație din Moscova (STU). - Moscova, Rusia. ISSN 1727-7337. Inginerie și tehnologie aerospațială, 2011. - Nr. 9 (86).

Proiectele de ardere prin detonare din Statele Unite sunt incluse în programul avansat de dezvoltare a motoarelor IHPTET. Cooperarea include aproape toate centrele de cercetare care lucrează în domeniul construcției motoarelor. Numai NASA alocă până la 130 de milioane de dolari pe an pentru aceste scopuri. Aceasta dovedește relevanța cercetării în această direcție.

Prezentare generală a muncii în domeniul motoarelor de detonare

Strategia de piață a liderilor producători mondiali vizează nu numai dezvoltarea de noi motoare de detonare cu reacție, ci și modernizarea celor existente prin înlocuirea camerelor de ardere tradiționale din acestea cu una de detonare. În plus, motoarele de detonare pot deveni un element integrant al instalațiilor combinate de diferite tipuri, de exemplu, utilizate ca post-ardere a unui motor turboreactor, ca motoare de ridicare ejector în aeronavele VTOL (un exemplu din Fig. 1 este un proiect de aeronave de transport Boeing VTOL). ).

În Statele Unite, motoarele de detonare sunt dezvoltate de multe centre de cercetare și universități: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield și Valcartier, Uniyersite de Poitiers, Universitatea din Texas la Arlington, Uniyersite de Poitiers, Universitatea McGill, Universitatea de Stat din Pennsylvania, Universitatea Princeton.

Seattle Aerosciences Center (SAC), achiziționat în 2001 de Pratt și Whitney de la Adroit Systems, ocupă o poziție de lider în dezvoltarea motoarelor de detonare. Cea mai mare parte a activității centrului este finanțată de Forțele Aeriene și NASA din bugetul Programului Integrat de Tehnologie de Propulsie a Rachetei cu Payoff High Payoff (IHPRPTP), care vizează crearea de noi tehnologii pentru diferite tipuri de motoare cu reacție.

Orez. 1. Brevet US 6.793.174 B2 de la Boeing, 2004

În total, din 1992, specialiștii SAC au efectuat peste 500 de teste pe banc de probe experimentale. Motoarele cu detonare pulsatorie (PDE) cu consum de oxigen atmosferic sunt realizate de SAC pentru Marina SUA. Având în vedere complexitatea programului, specialiștii Marinei au implicat în implementarea acestuia aproape toate organizațiile implicate în motoarele de detonare. Pe lângă Pratt și Whitney, la lucrări iau parte și United Technologies Research Center (UTRC) și Boeing Phantom Works.

În prezent, în țara noastră, la această problemă de actualitate lucrează în termeni teoretici următoarele universități și institute ale Academiei Ruse de Științe (RAS): Institutul de Fizică Chimică RAS (ICP), Institutul de Inginerie Mecanică RAS, Institutul de Temperaturi Înalte RAS (IVTAN), Institutul de Hidrodinamică Novosibirsk. Lavrentieva (IGiL), Institutul de Mecanică Teoretică și Aplicată numit după Khristianovich (ITMP), Institutul Fizico-Tehnic numit după Ioffe, Universitatea de Stat din Moscova (MSU), Institutul de Aviație de Stat din Moscova (MAI), Universitatea de Stat Novosibirsk, Universitatea de Stat Cheboksary, Universitatea de Stat Saratov etc.

Domenii de lucru pe motoarele cu detonare impuls

Direcția numărul 1 - Motor clasic de detonare cu impuls (PDE). Camera de ardere a unui motor cu reacție tipic este formată din injectoare pentru amestecarea combustibilului cu un oxidant, un dispozitiv pentru aprinderea amestecului de combustibil și un tub de flacără în sine, în care au loc reacții redox (combustie). Tubul de flacără se termină cu o duză. De regulă, aceasta este o duză Laval cu o parte convergentă, o secțiune critică minimă în care viteza produselor de ardere este egală cu viteza locală a sunetului, o parte în expansiune în care presiunea statică a produselor de ardere este redusă la presiunea ambientală pe cât posibil. Este foarte posibil să se estimeze forța motorului ca aria gâtului duzei înmulțită cu diferența de presiune din camera de ardere și din mediu. Prin urmare, cu cât presiunea în camera de ardere este mai mare, cu atât tracțiunea este mai mare.

Forța motorului de detonare cu impuls este determinată de alți factori - transferul impulsului de către unda de detonare către peretele de tracțiune. În acest caz, duza nu este deloc necesară. Motoarele cu detonare cu impulsuri au propria lor nișă - avioane ieftine și de unică folosință. În această nișă, se dezvoltă cu succes în direcția creșterii ratei de repetiție a pulsului.

Aspectul clasic al IDD este o cameră de ardere cilindrică care are un perete plat sau special profilat, numit „perete de tiraj” (Fig. 2). Simplitatea dispozitivului IDD este avantajul său incontestabil. După cum arată analiza publicațiilor disponibile, în ciuda varietății schemelor IDD propuse, toate se caracterizează prin utilizarea tuburilor de detonare de lungime considerabilă ca dispozitive de rezonanță și utilizarea supapelor care asigură o alimentare periodică cu fluidul de lucru.

Trebuie remarcat faptul că IDD, creat pe baza tuburilor de detonare tradiționale, în ciuda eficienței termodinamice ridicate într-o singură pulsație, are dezavantaje inerente caracteristice motoarelor clasice cu reacție de aer pulsatorie, și anume:

Frecvența scăzută (până la 10 Hz) a pulsațiilor, ceea ce determină un nivel relativ scăzut de eficiență medie de tracțiune;

Sarcini termice și vibraționale ridicate.

Orez. 2. Diagrama schematică a unui motor cu detonare a impulsurilor (IDE)

Direcția nr. 2 - IDD cu mai multe conducte. Principala tendință în dezvoltarea IDD este trecerea la o schemă cu mai multe conducte (Fig. 3). În astfel de motoare, frecvența de funcționare a unei singure țevi rămâne scăzută, dar datorită alternanței impulsurilor în diferite țevi, dezvoltatorii speră să obțină caracteristici specifice acceptabile. O astfel de schemă pare să fie destul de funcțională dacă rezolvăm problema vibrațiilor și a asimetriei de forță, precum și problema presiunii inferioare, în special, posibilele vibrații de joasă frecvență în regiunea inferioară dintre țevi.

Orez. 3. Motor cu detonare cu impulsuri (PDE) din schema tradițională cu un pachet de tuburi de detonare ca rezonatoare

Direcția nr. 3 - IDD cu rezonator de înaltă frecvență. Există, de asemenea, o direcție alternativă - circuitul recent promovat pe scară largă cu module de tracțiune (Fig. 4), care au un rezonator de înaltă frecvență profilat special. Lucrări în această direcție se desfășoară la Centrul Științific și Tehnic care poartă numele A. Cradle si MAI. Circuitul se distinge prin absența oricăror supape mecanice și a dispozitivelor de aprindere intermitentă.

Modulul de tracțiune IDD al schemei propuse constă dintr-un reactor și un rezonator. Reactorul servește la pregătirea amestecului combustibil-aer pentru arderea prin detonare, descompunând moleculele amestecului combustibil în componente chimic active. O diagramă schematică a unui ciclu de funcționare a unui astfel de motor este prezentată clar în Fig. 5.

Interacționând cu suprafața inferioară a rezonatorului ca și cu un obstacol, unda de detonare în procesul de coliziune îi transferă un impuls de la forțele de presiune în exces.

IDD-urile cu rezonatoare de înaltă frecvență au dreptul de a avea succes. În special, ei pot aplica pentru modernizarea post-arzătoarelor și perfecționarea motoarelor simple cu turboreacție, din nou destinate UAV-urilor ieftine. Un exemplu îl constituie încercările MAI și CIAM de a moderniza în acest fel motorul turborreactor MD-120 prin înlocuirea camerei de ardere cu un reactor de activare a amestecului de combustibil și instalarea modulelor de tracțiune cu rezonatoare de înaltă frecvență în spatele turbinei. Până acum, nu a fost posibil să se creeze un design funcțional, de atunci La profilarea rezonatoarelor, autorii folosesc teoria liniară a undelor de compresie, i.e. calculele se efectuează în aproximarea acustică. Dinamica undelor de detonare și a undelor de compresie este descrisă de un aparat matematic complet diferit. Utilizarea pachetelor numerice standard pentru calcularea rezonatoarelor de înaltă frecvență are o limitare fundamentală. Toate modelele moderne de turbulență se bazează pe media ecuațiilor Navier-Stokes (ecuațiile de bază ale dinamicii gazelor) în timp. În plus, este introdusă ipoteza lui Boussinesq conform căreia tensorul de tensiune al frecării turbulente este proporțional cu gradientul de viteză. Ambele ipoteze nu sunt îndeplinite în fluxurile turbulente cu unde de șoc dacă frecvențele caracteristice sunt comparabile cu frecvența de pulsație turbulentă. Din păcate, avem de-a face doar cu un astfel de caz, prin urmare, este necesar fie să construim un model de nivel superior, fie o modelare numerică directă bazată pe ecuațiile complete Navier-Stokes fără a utiliza modele de turbulență (o problemă care este imposibilă la stadiul actual).

Orez. 4. Schema IDD cu un rezonator de înaltă frecvență

Orez. 5. Diagrama IDD cu rezonator de înaltă frecvență: SZS - jet supersonic; SW - unda de soc; Ф este centrul rezonatorului; ДВ - val de detonare; ВР - val de rarefacție; OUV - undă de șoc reflectată

IDD-urile sunt îmbunătățite în direcția creșterii ratei de repetiție a pulsului. Această direcție își are dreptul la viață în domeniul vehiculelor aeriene fără pilot ușoare și ieftine, precum și în dezvoltarea diferitelor amplificatoare de impuls ejector.

Uskov V.N., Doctor în Științe Tehnice, Profesor al Departamentului de Hidroaeromecanică, Universitatea de Stat din Sankt Petersburg, Facultatea de Matematică și Mecanică, Sankt Petersburg;

Emelyanov VN, doctor în științe tehnice, profesor, șef al Departamentului de plasmogasdinamică și inginerie termică, BSTU „VOENMEKH” numit după D.F. Ustinov, Sankt Petersburg.

Lucrarea a fost primită în data de 14.10.2013.

Referință bibliografică