Un motor de detonare este mai simplu și mai ieftin de fabricat, un ordin de mărime mai puternic și mai economic decât un motor cu reacție convențional, în comparație cu acesta are o eficiență mai mare.
Descriere:
Motorul cu detonare (impuls, motor pulsat) înlocuiește motorul cu reacție convențional. Pentru a înțelege esența unui motor de detonare, este necesar să dezasamblați un motor cu reacție convențional.
Un motor cu reacție convențional este structurat după cum urmează.
În camera de ardere are loc arderea combustibilului și a oxidantului, care este oxigenul din aer. În acest caz, presiunea în camera de ardere este constantă. Procesul de ardere crește brusc temperatura, creează un front constant de flacără și o forță constantă a jetului care curge din duză. Partea frontală a unei flăcări convenționale se răspândește într-un mediu gazos cu o viteză de 60-100 m/s. Din această cauză, apare mișcarea aeronave... Cu toate acestea, motoarele moderne cu reacție au atins o anumită limită de eficiență, putere și alte caracteristici, a căror creștere este practic imposibilă sau extrem de dificilă.
Într-un motor cu detonare (impuls sau pulsatorie), arderea are loc prin detonare. Detonarea este un proces de ardere care are loc de sute de ori mai rapid decât arderea convențională a combustibilului. În timpul arderii prin detonare, se formează o undă de șoc de detonare, purtând cu o viteză supersonică. Este de aproximativ 2500 m/s. Presiunea crește rapid ca urmare a arderii prin detonare, în timp ce volumul camerei de ardere rămâne neschimbat. Produsele de ardere sunt ejectate cu o viteză extraordinară prin duză. Frecvența ondulației undei de detonare atinge câteva mii pe secundă. În valul de detonare, nu există stabilizare a frontului de flacără, amestecul de combustibil este reînnoit pentru fiecare pulsație și valul este repornit.
Presiunea din motorul de detonare este creată de detonația în sine, ceea ce exclude alimentarea amestecului de combustibil și a oxidantului la presiune înaltă. Într-un motor cu reacție convențional, pentru a crea o presiune de tracțiune de 200 atm., este necesar să se alimenteze un amestec de combustibil sub o presiune de 500 atm. În timpul unui motor cu detonare, presiunea de alimentare a amestecului de combustibil este de 10 atm.
Camera de ardere a motorului de detonare este structural inelară, cu duze situate de-a lungul razei sale pentru alimentarea cu combustibil. Valul de detonare se desfășoară în jurul cercului iar și iar, amestecul de combustibil se comprimă și se arde, împingând produsele de ardere prin duză.
Avantaje:
- motorul de detonare este mai usor de fabricat. Nu este nevoie să folosiți unități de pompare turbo,
– un ordin de mărime mai puternic și mai economic decât un motor cu reacție convențional,
- are o eficienta mai mare,
– mai ieftin de fabricat,
- nu este nevoie să se creeze o presiune mare de alimentare a amestecului de combustibil și a oxidantului, presiunea ridicată este creată din cauza detonării în sine,
– un motor de detonare este de 10 ori mai puternic decât un motor cu reacție convențional în ceea ce privește puterea luată de la o unitate de volum, ceea ce duce la o scădere a designului unui motor de detonare,
- arderea prin detonare este de 100 de ori mai rapidă decât arderea convențională a combustibilului.
Notă: © Fotografie https://www.pexels.com, https://pixabay.com
Ecologia consumului Știință și tehnologie: La sfârșitul lunii august 2016, agențiile de presă mondiale au răspândit vestea: 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, agențiile mondiale de presă au răspândit vestea: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, a fost pus în lume primul motor de rachetă cu propulsie lichidă (LRE) de dimensiuni mari care folosește arderea detonatoare a combustibilului. Operațiune. Pentru acest eveniment, știința și tehnologia autohtonă merge de 70 de ani.
Ideea unui motor de detonare a fost propusă de fizicianul sovietic Ya. B. Zel'dovich într-un articol „Despre utilizarea energiei a arderii cu detonare” publicat în „Journal of Technical Physics” încă din 1940. De atunci, cercetările și experimentele privind implementarea practică a tehnologiei promițătoare au avut loc în întreaga lume. În această cursă a minților, mai întâi Germania, apoi Statele Unite, apoi URSS au trecut înainte. Și acum Rusia și-a asigurat o prioritate importantă în istoria mondială a tehnologiei. În ultimii ani, țara noastră rar s-a putut lăuda cu așa ceva.
Pe creasta unui val
Care sunt avantajele unui motor de detonare? În motoarele rachete tradiționale cu propulsie lichidă, ca, într-adevăr, în motoarele convenționale de avioane cu piston sau turboreacție, se utilizează energia care este eliberată în timpul arderii combustibilului. În acest caz, în camera de ardere a unui motor rachetă cu propulsie lichidă se formează un front de flacără staționar, în care arderea are loc la o presiune constantă. Acest proces normal de ardere se numește deflagrație. Ca urmare a interacțiunii dintre combustibil și oxidant, temperatura amestecului de gaz crește brusc și o coloană de produse de ardere aprinse iese din duză, care formează propulsia jetului.
Detonarea este, de asemenea, ardere, dar are loc de 100 de ori mai repede decât în cazul arderii convenționale a combustibilului. Acest proces decurge atât de repede încât detonarea este adesea confundată cu o explozie, mai ales că se eliberează atât de multă energie încât, de exemplu, un motor de mașină, atunci când acest fenomen are loc în cilindrii săi, se poate prăbuși de fapt. Cu toate acestea, detonarea nu este o explozie, ci un tip de ardere atât de rapidă încât produsele de reacție nici măcar nu au timp să se extindă; prin urmare, acest proces, spre deosebire de deflagrație, se desfășoară 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, în interiorul camerei de ardere se formează o undă de detonare, care se mișcă cu o viteză supersonică. În această undă de compresie are loc detonarea unui amestec de combustibil și oxidant, iar acest proces este mult mai eficient din punct de vedere termodinamic decât arderea convențională a combustibilului. Eficiența arderii prin detonare este cu 25–30% mai mare, adică atunci când se arde aceeași cantitate de combustibil, se obține o forță mai mare, iar datorită compactității zonei de ardere, motorul de detonare este teoretic cu un ordin de mărime superior față de motoarele de rachetă convenționale în ceea ce privește puterea luată dintr-o unitate de volum.
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 aproape de Pământ timp de o jumătate de secol, este asociată în primul rând cu criza propulsiei rachetelor. Apropo, există și o criză în aviație, care nu este capabilă să treacă pragul celor trei viteze ale sunetului. Această criză poate fi comparată cu situația aeronavelor 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 înălțimi, viteze și interval de zbor.
Design-urile motoarelor clasice de rachete cu propulsie lichidă au fost lustruite la perfecțiune în ultimele decenii și au atins practic limita capacităților lor. Este posibil să-și mărească caracteristicile specifice în viitor doar în limite foarte nesemnificative - cu câteva procente. Prin urmare, cosmonautica mondială este forțată să urmeze o cale extinsă de dezvoltare: pentru zborurile cu echipaj cu echipaj 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. Încercarea de a depăși criza cu motoarele nucleare a dat peste probleme de mediu. Apariția motoarelor cu rachete cu detonare, probabil, este prea devreme pentru a fi comparate cu tranziția aviației la propulsia cu reacție, dar ele sunt destul de capabile să accelereze procesul de explorare a spațiului. Mai mult, acest tip de motor cu reacție are un alt avantaj foarte important.
GRES în miniatură
Un motor de rachetă convențional 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 injectoare 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 complicată și costisitoare unitate dintr-un motor cu propulsie lichidă nu este o cameră cu o duză, care este la vedere, ci o unitate de turbopompă de combustibil (TNA), ascunsă în măruntaiele rachetei printre complexitățile conductelor.
De exemplu, cel mai puternic motor de rachetă 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. Pentru acţionarea acestei pompe este folosită o turbină de 189 MW! Imaginează-ți asta: o roată de turbină cu un diametru de 0,4 m dezvoltă o putere de patru ori mai mare decât spărgătorul de gheață nuclear „Arktika” cu două reactoare nucleare! În același timp, THA 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 astăzi motoarele pentru instalare pe vehiculele americane de lansare Atlas V și Antares. Nu există încă o alternativă la motoarele rusești în Statele Unite.
Pentru un motor cu detonare, astfel de dificultăți nu sunt necesare, deoarece presiunea pentru arderea mai eficientă este furnizată de detonația în sine, care este o undă de compresie care se deplasează 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 care sunt echivalente, de exemplu, cu condițiile din camera de ardere a motorului cu propulsie lichidă a navetei americane (200 atm), este suficient să furnizați combustibil sub o presiune de ... 10 atm. Unitatea necesară pentru aceasta, în comparație cu TNA al unui motor clasic cu propulsie lichidă, este aceeași cu o pompă de bicicletă din apropierea SDPP-ului Sayano-Shushenskaya.
Adică, motorul de detonare nu va fi doar mai puternic și mai economic decât un motor convențional cu propulsie lichidă, ci și cu un ordin de mărime mai simplu și mai ieftin. Așadar, de ce această simplitate nu a fost dată designerilor de 70 de ani?
Principala problemă cu care s-au confruntat inginerii a fost cum să facă față valului de detonare. Nu este vorba 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 viclean. Unda de explozie se propagă cu viteza sunetului, iar unda de detonare se propagă cu o 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 pulsatoriu au fost făcute cu mult înainte de ideea detonării. În anii 1930, ei au încercat să găsească o alternativă la motoarele cu piston prin utilizarea motoarelor cu reacție. Simplitatea a atras din nou: spre deosebire de o turbină de aviație pentru un motor cu reacție de aer pulsat (PUVRD), nici un compresor care se rotește cu o viteză de 40.000 rpm nu a fost nevoie pentru a forța aerul să intre în pântecele nesățios al camerei de ardere și nici să funcționeze la o temperatură a gazului. de peste 1000˚С 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 operațional al PUVRD a fost brevetat în 1906 de inginerul rus V.V. Karavodin, care a construit o instalație model un an mai târziu. Din cauza mai multor 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 din 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 detonau încă, deoarece foloseau pulsațiile arderii convenționale. Frecvența acestor pulsații a fost scăzută, ceea ce a generat un sunet caracteristic de mitralieră în timpul funcționării. Datorită funcționării intermitente, caracteristicile specifice ale PUVRD au fost în medie scăzute, iar după ce proiectanții la sfârșitul anilor 1940 au făcut față dificultăților de a crea compresoare, pompe și turbine, motoare cu turboreacție și motoare rachete cu propulsie lichidă au devenit regi. a cerului, iar PUVRD-ul a rămas la periferia progresului tehnologic...
Este curios că primele PUVRD-uri au fost create de designeri germani și sovietici, independent unul de celălalt. Apropo, nu numai lui Zeldovich a venit cu ideea unui motor de detonare în 1940. Concomitent cu el, aceleași gânduri au fost exprimate de Von Neumann (SUA) și Werner Doering (Germania), așa că în știința internațională modelul de utilizare a combustiei cu detonare a fost numit ZND.
Ideea de a combina 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 în PUVRD nu depășește 250 pe secundă. Și frontul de detonare se mișcă cu o viteză de 1500-2500 m/s, astfel încât frecvența de pulsație 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 din US Air Force în această direcție a culminat cu crearea unui motor demonstrativ, care a urcat pentru prima dată pe cer pe 31 ianuarie 2008 pe o aeronavă experimentală Long-EZ. În zborul istoric, motorul a funcționat... 10 secunde la o altitudine de 30 de metri. Cu toate acestea, prioritatea în acest caz a rămas la Statele Unite, iar avionul și-a ocupat pe bună dreptate un loc în Muzeul Național al Forțelor Aeriene ale SUA.
Între timp, o altă schemă, mult mai promițătoare, a fost inventată de mult.
Ca o veveriță într-o roată
Ideea de a bucla o undă de detonare și de a o face să ruleze în camera de ardere ca o veveriță într-o roată a luat naștere oamenilor 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, americanul J. Nicholls de la Universitatea din Michigan a exprimat aceeași idee.
Motorul de detonare rotativ sau rotativ este structural o cameră de ardere inelară, în care combustibilul este alimentat prin intermediul injectoarelor amplasate radial. Unda de detonare din interiorul camerei nu se mișcă în direcția axială, ca în PUVRD, ci într-un cerc, comprimând și ardend amestecul de combustibil din fața acestuia și, în cele din urmă, împingând produsele de ardere din duză, în același mod ca și șurubul unei mașini de tocat carne împinge carnea tocată afară. În loc de frecvența de pulsație, 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 cu pulsații, ci ca un motor de rachetă convențional cu propulsie lichidă. cu ardere staționară, dar mult mai eficient, deoarece, de fapt, detonează amestecul de combustibil ...
În URSS, ca 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 rezolvarea unor întrebări teoretice enigmatice. Cum să organizăm procesul astfel încât valul să nu se atenueze? 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. Iar pentru calculul practic al condițiilor în care valul de detonare nu se va atenua, ci va deveni auto-susținut, au fost necesare calculatoare puternice, care au apărut abia în ultimii ani. Aceasta a fost fundația care trebuia pusă în temelia 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 al Marinei SUA dezvoltă turbine cu gaz cu detonare prin spin pentru Marinei. Marina SUA folosește 430 de turbine cu gaz pe 129 de nave și consumă 3 miliarde de dolari în combustibil 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 cu propulsie lichidă a fost efectuată timp de mai bine de un an, dar pentru ca vârful aisbergului acestei lucrări să strălucească sub soarele sub forma unui test de succes, a fost nevoie de un proces organizatoric și financiar. participarea celebrei Fundații pentru 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 rămâne 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 de asta.
Îmblânzirea scorpiei
Aș vrea să cred că după tot ce s-a spus mai sus, devine de înțeles lucrarea titanică care apare între rândurile unui scurt raport despre testele care au avut loc la Energomash din Khimki în iulie-august 2016: valuri cu o frecvență de aproximativ 20 kHz (frecvența de rotație a undei este de 8 mii de rotații pe secundă) pe abur de combustibil „oxigen - kerosen”. A fost posibil să se obțină mai multe unde de detonare, care au echilibrat sarcinile de vibrație și șoc unele ale altora. Acoperirile de protecție termică special dezvoltate la Centrul M.V. Keldysh au ajutat să facă față sarcinilor de temperatură ridicată. Motorul a rezistat mai multor porniri sub sarcini de vibrații extreme și temperaturi ultra-înalte în absența răcirii stratului de perete. 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 apariției detonației. ”
Desigur, importanța succesului obținut nu trebuie exagerată. A fost creat doar un motor demonstrativ, care a funcționat pentru un timp relativ scurt și nu s-a raportat nimic despre caracteristicile sale reale. Potrivit NPO Energomash, un motor de rachetă cu detonare va crește tracțiunea cu 10% atunci când 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 cu propulsie lichidă este 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 de
Motorul cu detonare este adesea privit ca o alternativă la motorul standard cu ardere sau rachetă. Este plin de multe mituri și legende. Aceste legende se nasc și trăiesc doar pentru că cei care le-au răspândit fie au uitat cursul de fizică de la școală, fie chiar l-au sărit cu totul!
Creșterea densității puterii sau a forței
Prima amăgire.
De la o creștere a ratei de ardere a combustibilului de până la 100 de ori, va fi posibilă creșterea puterii specifice (pe unitate de volum de lucru) a motorului cu ardere internă. Pentru motoarele de rachetă care funcționează în moduri de detonare, forța pe unitatea de masă va crește de 100 de ori.
Notă: Ca întotdeauna, nu este clar despre ce masă vorbim - masa fluidului de lucru sau întreaga rachetă în ansamblu.
Nu există nicio legătură între viteza cu care arde combustibilul și puterea specifică.
Există o relație între raportul de compresie și densitatea de putere. Pentru motoarele cu combustie internă pe benzină, raportul de compresie este de aproximativ 10. La motoarele care utilizează modul de detonare, acesta poate fi mărit de aproximativ 2 ori, ceea ce este exact ceea ce se realizează la motoarele diesel, care au un raport de compresie de aproximativ 20. De fapt, ele lucrează în regim de detonare. Adică, desigur, raportul de compresie poate fi mărit, dar după ce a avut loc detonarea, nimeni nu are nevoie de el! Nu se poate pune problema de 100 de ori !! Mai mult decât atât, volumul de lucru al motorului cu ardere internă este, să zicem, de 2 litri, volumul întregului motor este de 100 sau 200 de litri.Economia de volum va fi de 1% !!! Dar „consumul” suplimentar (grosimea peretelui, materiale noi etc.) se va măsura nu în procente, ci în timpi sau zeci de ori !!
Pentru trimitere. Munca efectuată este proporțională, aproximativ, cu V * P (procesul adiabatic are coeficienți, dar nu schimbă esența acum). Dacă volumul este redus de 100 de ori, atunci presiunea inițială ar trebui să crească de aceeași 100 de ori! (sa fac aceeasi treaba).
Capacitatea de litri poate fi crescută dacă se renunță complet la compresie sau se lasă la același nivel, dar hidrocarburi (în cantități mai mari) și oxigen pur într-un raport de greutate de aproximativ 1: 2,6-4, în funcție de compoziția hidrocarburilor, sau oxigen lichid în general (unde era deja :-)). Apoi este posibilă creșterea atât a capacității de litri, cât și a eficienței (datorită creșterii „raportului de expansiune” care poate ajunge la 6000!). Dar pe drum este atât capacitatea camerei de ardere de a rezista la astfel de presiuni și temperaturi, cât și nevoia de a se „hrăni” nu cu oxigenul atmosferic, ci cu oxigenul pur sau chiar lichid stocat!
De fapt, un fel de acest lucru este utilizarea protoxidului de azot. Protoxidul de azot este pur și simplu o modalitate de a introduce o cantitate crescută de oxigen în camera de ardere.
Dar aceste metode nu au nimic de-a face cu detonarea !!
Este posibil să se propună dezvoltarea în continuare a unor astfel de metode exotice de creștere a puterii litrilor - să se folosească fluor în loc de oxigen. Este un agent oxidant mai puternic, de ex. reacțiile cu acesta merg cu o mare eliberare de energie.
Creșterea vitezei curentului cu jet
Tinerea celui de-al doilea.
În motoarele de rachetă care utilizează moduri de funcționare de detonare, ca urmare a faptului că modul de ardere are loc la viteze mai mari decât viteza sunetului într-un mediu dat (care depinde de temperatură și presiune), parametrii de presiune și temperatură din camera de ardere crește de mai multe ori viteza jeturilor reactive de ieșire. Acest lucru îmbunătățește proporțional toți parametrii unui astfel de motor, inclusiv reducerea greutății și consumului acestuia și, prin urmare, aportul de combustibil necesar.
După cum sa menționat mai sus, raportul de compresie nu poate fi crescut de mai mult de 2 ori. Dar din nou, viteza de curgere a gazelor depinde de energia furnizată și de temperatura acestora! (Legea conservării energiei). Cu aceeași cantitate de energie (aceeași cantitate de combustibil), viteza poate fi mărită doar prin scăderea temperaturii acestora. Dar acest lucru este deja împiedicat de legile termodinamicii.
Motoarele de rachete cu detonare sunt viitorul călătoriilor interplanetare
A treia concepție greșită.
Doar motoarele de rachetă bazate pe tehnologii de detonare fac posibilă obținerea parametrilor de viteză necesari zborurilor interplanetare pe baza reacției chimice de oxidare.
Ei bine, aceasta este o amăgire, cel puțin consistentă din punct de vedere logic. Rezultă din primele două.
Nicio tehnologie nu este capabilă să stoarce nimic din reacția de oxidare! Cel puțin pentru substanțele cunoscute. Debitul este determinat de bilanțul energetic al reacției. O parte din această energie, conform legilor termodinamicii, poate fi transformată în muncă (energie cinetică). Acestea. chiar dacă toată energia intră în cinetică, atunci aceasta este o limită bazată pe legea conservării energiei și nu pot fi depășite detonații, grade de compresie etc.
Pe lângă bilanțul energetic, un parametru foarte important este „energia per nucleon”. Dacă faceți calcule mici, puteți obține că reacția de oxidare a atomului de carbon (C) dă de 1,5 ori mai multă energie decât reacția de oxidare a moleculei de hidrogen (H2). Dar datorită faptului că produsul de oxidare a carbonului (CO2) este de 2,5 ori mai greu decât produsul de oxidare a hidrogenului (H2O), rata de ieșire a gazelor din motoarele cu hidrogen este de 13%. Adevărat, trebuie să se țină cont și de capacitatea termică a produselor de ardere, dar aceasta dă o foarte mică corecție.
La sfârșitul lunii ianuarie, au existat rapoarte despre noi progrese 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. Acest lucru aduce mai aproape momentul finalizării complete a tuturor lucrărilor necesare, în funcție de rezultatele cărora rachetele spațiale sau militare de design rusesc vor putea obține noi centrale electrice cu caracteristici sporite. Mai mult, noile principii de funcționare a motorului își pot găsi aplicație nu numai în domeniul rachetelor, ci și în alte domenii.
La sfârșitul lunii ianuarie, viceprim-ministrul Dmitri Rogozin a spus presei interne despre cele mai recente succese ale organizațiilor de cercetare. Printre alte subiecte, 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, aplicarea noilor principii de funcționare a centralei permite o creștere semnificativă a performanței. În comparație cu structurile de arhitectură tradițională, se observă o creștere a forței cu aproximativ 30%.
Diagrama motorului rachetei cu detonare
Motoarele rachete moderne de diferite clase și tipuri, operate în diverse domenii, folosesc așa-numitele. ciclu izobaric sau ardere prin deflagrație. Camerele lor de ardere mențin o presiune constantă la care combustibilul arde lent. Un motor bazat pe principiile deflagrației nu are nevoie de unități deosebit de durabile, dar este limitat în performanță maximă. Creșterea caracteristicilor de bază, 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 unei unde 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 deflagrația. De asemenea, diferă de arderea cu presiune constantă prin puterea 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. În consecință, viteza gazelor reactive poate fi mărită de 20-25 de ori.
Astfel, motorul cu detonație, cu randamentul său sporit, este capabil să dezvolte mai multă forță 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 exploatare. Principalele motive ale lipsei de succes real sunt problemele cu crearea unei structuri suficient de puternice, precum și dificultatea lansării și apoi menținerii undei 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 Academician V.P. Glushko. Potrivit datelor disponibile, scopul proiectului cu codul „Ifrit” a fost de a studia principiile de bază ale noii tehnologii cu crearea ulterioară a unui motor de rachetă cu propulsie lichidă care folosește kerosen și oxigen gazos. Noul motor, numit după demonii de foc din folclorul arab, s-a bazat 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 șef al noului proiect a fost NPO Energomash, sau mai degrabă un laborator special creat pe baza acestuia. În plus, în lucrare au fost implicate câteva alte organizații de cercetare și dezvoltare. Programul a primit sprijin din partea Fundației pentru Cercetare Avansată. Prin eforturi comune, toți participanții la proiectul Ifrit au reușit să formeze un aspect optim pentru un 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, o așa-numită. un model de cameră de ardere de detonare care îndeplinește cerințele proiectului. Un astfel de motor cu experiență, cu o configurație redusă, trebuia să folosească kerosen lichid ca combustibil. Oxigenul gazos a fost sugerat ca agent oxidant. În august 2016, a început testarea camerei prototip. 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 testărilor eșantionului model s-au obținut rezultate foarte interesante, arătând corectitudinea abordărilor utilizate. Deci, datorită utilizării materialelor și tehnologiilor potrivite, s-a dovedit a aduce presiunea din interiorul camerei de ardere la 40 de atmosfere. Forța produsului experimental a ajuns la 2 tone.
Model de cameră pe un banc de testare
Anumite rezultate au fost obținute în cadrul proiectului Ifrit, dar motorul autohton de detonare alimentat cu combustibil lichid este încă departe de a fi aplicat în practică cu drepturi depline. Înainte de introducerea unor astfel de echipamente în noi proiecte de tehnologie, designerii și oamenii de știință trebuie să rezolve o serie dintre cele mai grave probleme. Abia atunci 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, Pyotr Lyovochkin, despre starea actuală și perspectivele motoarelor cu detonare. Reprezentantul companiei dezvoltatoare 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. Lyovochkin a reamintit că motoarele propuse acum pentru utilizare pe astfel de echipamente utilizează arderea subsonică. La viteza hipersonică a aparatului de zbor, aerul care intră în motor trebuie să fie decelerat 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 va putea accelera la viteze de opt ori mai mari decât viteza sunetului.
Cu toate acestea, perspectivele reale ale motoarelor de rachetă de tip detonare nu sunt încă foarte mari. Potrivit lui P. Lyovochkin, „tocmai am deschis ușa către zona de ardere a detonării”. Oamenii de știință și designerii vor trebui să studieze multe întrebări 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 își găsește aplicare nu numai în domeniul motoarelor rachete. Există deja un proiect intern pentru un sistem de aviație cu o cameră de combustie de tip detonare care funcționează pe principiul impulsului. Un prototip de acest gen a fost adus la încercare, iar pe viitor poate da un început unei noi direcții. Motoarele noi cu combustie prin detonare pot găsi aplicații într-o mare varietate de domenii și înlocuiesc parțial motoarele tradiționale cu turbine cu gaz sau turboreacție.
Proiectul intern al unui motor de avion cu detonare este în curs de dezvoltare la OKB im. A.M. Leagăn. Informațiile despre acest proiect au fost prezentate pentru prima dată la forumul internațional militar-tehnic de anul trecut „Armata-2017”. La standul companiei-dezvoltator au fost materiale pe diverse motoare, atât de serie, cât și în curs de dezvoltare. Printre acestea din urmă a fost o probă promițătoare de detonare.
Esența noii propuneri este utilizarea unei camere de ardere non-standard, capabilă să combuste cu detonare în impulsuri a combustibilului într-o atmosferă de aer. În acest caz, frecvența „exploziilor” din interiorul motorului trebuie să ajungă la 15-20 kHz. În viitor, este posibil să creșteți și mai mult acest parametru, drept urmare zgomotul motorului va depăși intervalul perceput de urechea umană. Astfel de caracteristici ale motorului pot prezenta un anumit interes.
Prima lansare a produsului experimental „Ifrit”
Cu toate acestea, principalele avantaje ale noii centrale electrice sunt asociate cu o performanță îmbunătățită. Testele pe bancă ale prototipurilor au arătat că acestea depășesc motoarele tradiționale cu turbină cu gaz cu aproximativ 30% în indicatorii specifici. Până la prima demonstrație publică a materialelor pe motorul OKB im. A.M. Leagănele au reușit să obțină caracteristici de performanță destul de ridicate. Un motor experimentat de un 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.
Experții OKB im. A.M. Leagănele lucrează de mai bine de trei decenii la motoare de aeronave cu ardere cu detonare 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 motor de probă, potrivit pentru utilizare pe diverse echipamente.
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 simultan care sunt potrivite pentru utilizare în spațiale rachete și zonele hipersonice. În plus, noile motoare pot fi folosite în aviația „tradițională”. Unele proiecte sunt încă în faze 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.
Investigand subiectul motoarelor cu reacție cu ardere cu detonare, specialiștii ruși au reușit să creeze un model de banc al unei camere de ardere cu caracteristicile dorite. Produsul experimental „Ifrit” a trecut deja teste, în timpul cărora au fost colectate o cantitate mare de informații diverse. Cu ajutorul datelor obținute se va continua dezvoltarea direcției.
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 tradiționale cu propulsie lichidă. Cu toate acestea, lucrarea a părăsit deja stadiul pur teoretic, iar acum fiecare lansare de probă a unui motor experimental aduce mai aproape momentul construirii de rachete cu drepturi depline cu noi centrale electrice.
Pe baza materialelor de pe site-uri:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Un motor cu detonare pulsatorie a fost testat în Rusia
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, OKB intenționează să producă și să testeze un motor cu detonare pulsatorie de dimensiuni mari.
Potrivit designerului șef al Biroului de proiectare Lyulka, Alexander Tarasov, în timpul testelor, au fost simulate modurile de funcționare tipice pentru motoarele cu turboreacție 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. Pe parcursul experimentelor, noul motor a fost pornit și oprit în mod repetat, precum și controlul tracțiunii.
Pe baza studiilor efectuate, obținute în timpul testării datelor, precum și a analizei de proiectare a circuitelor, Lyulka Design Bureau intenționează să propună dezvoltarea unei întregi familii de motoare de aeronave cu detonare pulsatorie. 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 ale aeronavelor capabile să zboare în atmosferă și nu numai.
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, proporția de noi motoare va fi de 1,5-2 ori mai mică decât cea a sistemelor convenționale de propulsie cu reacție.
Faptul că se lucrează în Rusia 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 a fost discutat, Fedorov nu a precizat.
În prezent, există trei tipuri de motoare pulsatoare - cu supapă, fără supapă și cu detonare. Principiul de funcționare al acestor centrale electrice este de a furniza periodic combustibil și un oxidant în camera de ardere, unde amestecul de combustibil este aprins și produsele de ardere curg din duză cu formarea 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, cu toate acestea, din cauza naturii 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 alimentate de 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 pulsatoare extrem de eficiente. În special, lucrările sunt realizate de compania franceză SNECMA și americanii General Electric și Pratt & Whitney. În 2012, Laboratorul de Cercetare al Marinei SUA și-a anunțat intenția de a dezvolta un motor de detonare prin rotație care să înlocuiască sistemele convenționale de propulsie cu turbine cu gaz de pe nave.
Motoarele cu detonare în rotație diferă de cele cu pulsații prin faptul că arderea prin detonare a amestecului de combustibil din ele are loc continuu - frontul de ardere se mișcă într-o cameră de ardere inelară, în care amestecul de combustibil este actualizat în mod constant.