La sfârșitul lunii ianuarie, au fost raportate noi progrese în știința și tehnologia rusă. Din surse oficiale s-a știut că unul dintre proiectele interne ale unui motor cu reacție promițător de tip detonare a trecut deja etapa de testare. Acest lucru apropie 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 aplicarea nu numai în domeniul rachetelor, ci și în alte domenii.
La sfârșitul lunii ianuarie, vicepremierul Dmitry Rogozin a declarat presei interne despre ultimele succese ale organizațiilor de cercetare. Printre alte subiecte, el a abordat procesul de creare a motoarelor cu reacție folosind noi principii de funcționare. Un motor promițător cu combustie prin detonare a fost deja testat. Potrivit vicepremierului, utilizarea noilor principii de funcționare a centralei permite o creștere semnificativă a performanței. În comparație cu structurile arhitecturii tradiționale, există o creștere a impulsului de aproximativ 30%.
Diagrama motorului cu rachetă de detonare
Motoarele rachete moderne de diferite clase și tipuri, operate în diverse domenii, folosesc așa-numitele. ciclul izobaric sau arderea deflagrației. Camerele lor de ardere mențin o presiune constantă la care combustibilul arde încet. Un motor bazat pe principii de deflagrație nu are nevoie de unități deosebit de durabile, cu toate acestea, este limitat în performanțe maxime. Creșterea caracteristicilor de bază, pornind de la un anumit nivel, se dovedește a fi nerezonabil de dificilă.
O alternativă la un motor cu un ciclu izobaric în contextul îmbunătățirii performanței este un sistem cu așa-numitul. combustie prin detonare. În acest caz, reacția de oxidare a combustibilului are loc în spatele undei de șoc care se deplasează cu o viteză mare prin camera de ardere. Acest lucru pune 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 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. Prin urmare, viteza gazelor reactive poate fi crescută de 20-25 de ori.
Astfel, motorul de detonare, cu eficiența sa 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, progresele în acest domeniu au lăsat mult de dorit. Principiile unui motor cu jet de detonare au fost formulate în 1940 de către fizicianul sovietic Ya.B. Zeldovich, dar produsele finite de acest fel nu au ajuns încă la exploatare. Principalele motive pentru lipsa unui succes real sunt problemele legate de crearea unei structuri suficient de puternice, precum și dificultatea de a lansa și de a menține apoi o undă de șoc folosind combustibili existenți.
Unul dintre ultimele proiecte interne în domeniul motoarelor cu rachete de detonare a fost lansat în 2014 și este dezvoltat la NPO Energomash numit după Academician V.P. Glushko. Conform datelor disponibile, obiectivul proiectului cu codul „Ifrit” a fost acela de a studia principiile de bază ale noii tehnologii cu crearea ulterioară a unui motor de rachetă cu propulsie lichidă care utilizează kerosen și oxigen gazos. Noul motor, numit după demonii de foc din folclorul arab, s-a bazat pe principiul combustiei prin detonare de spin. Astfel, în conformitate cu ideea principală a proiectului, unda de șoc trebuie să se deplaseze 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, mai multe alte organizații de cercetare și proiectare au fost implicate în lucrare. Programul a primit sprijin de la Advanced Research Foundation. 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, așa-numitul. un model de cameră de combustie cu detonare care îndeplinește cerințele proiectului. Un astfel de motor experimentat cu o configurație redusă trebuia să folosească kerosen lichid drept combustibil. Hidrogenul gazos a fost propus ca agent oxidant. În august 2016, a început testarea unui prototip de cameră. Important, asta pentru prima dată în istorie, un astfel de proiect a fost adus pe scena testelor pe bancă... Anterior, au fost dezvoltate motoare rachete de detonare interne și străine, dar nu testate.
În timpul testelor eșantionului model, s-au obținut rezultate foarte interesante, care arată corectitudinea abordărilor utilizate. Deci, datorită utilizării materialelor și tehnologiilor potrivite, sa dovedit a aduce presiunea din interiorul camerei de ardere la 40 de atmosfere. Puterea produsului experimental a ajuns la 2 tone.
Model de cameră pe o bancă de testare
Anumite rezultate au fost obținute în cadrul proiectului Ifrit, dar motorul de detonare alimentat cu lichid intern este încă departe de a fi aplicat în mod practic. Înainte de introducerea unor astfel de echipamente în noi proiecte de tehnologie, proiectanții și oamenii de știință trebuie să rezolve o serie de probleme cele mai grave. Abia atunci industria rachetei și spațiului sau industria de apărare vor 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, cu privire la starea actuală și perspectivele motoarelor de detonare. Reprezentantul companiei dezvoltatoare a reamintit principalele prevederi ale proiectului și a atins și tema succeselor obținute. În plus, el a vorbit despre posibilele domenii de aplicare a „Ifrit” și structuri similare.
De exemplu, motoarele de detonare pot fi utilizate în aeronavele hipersonice... P. Lyovochkin a reamintit că motoarele propuse acum pentru utilizarea pe astfel de echipamente utilizează combustie subsonică. La viteza hipersonică a aparatului de zbor, aerul care intră în motor trebuie să fie decelerat până la modul sonor. Cu toate acestea, energia de frânare trebuie să conducă la sarcini termice suplimentare pe cadru. La motoarele cu detonare, rata 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 detonare va putea accelera la viteze de opt ori mai mari decât viteza sunetului.
Cu toate acestea, perspectivele reale pentru motoarele rachete de tip detonare nu sunt încă foarte mari. Potrivit lui P. Lyovochkin, „tocmai am deschis ușa către zona de ardere prin detonare”. Oamenii de știință și proiectanții vor trebui să studieze multe aspecte și numai după aceea va fi posibil să se creeze structuri cu potențial practic. Din această cauză, industria spațială va trebui să utilizeze motoare cu propulsie lichidă tradiționale pentru o lungă perioadă de timp, ceea ce, totuși, nu neagă posibilitatea îmbunătățirii lor ulterioare.
Un fapt interesant este că principiul detonării combustiei este utilizat 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 fel a fost adus la încercare și, în viitor, poate da startul unei noi direcții. Noile motoare cu combustie prin lovire pot fi aplicate într-o gamă largă de domenii și înlocuiesc parțial motoarele tradiționale cu turbină cu gaz sau turboreactoare.
Proiectul intern al unui motor de aeronave de detonare este în curs de dezvoltare la OKB im. A.M. Leagăn. Informațiile despre acest proiect au fost prezentate pentru prima dată la forul internațional militar-tehnic de anul trecut „Armata-2017”. La standul companiei-dezvoltator au fost materiale pe diverse motoare, atât în serie, cât și în curs de dezvoltare. Printre acestea din urmă a fost un eșantion promițător de detonare.
Esența noii propuneri este de a utiliza o cameră de ardere nestandardă capabilă să detoneze pulsat combustia într-o atmosferă de aer. În acest caz, frecvența „exploziilor” în interiorul motorului trebuie să ajungă la 15-20 kHz. În viitor, este posibil să se mărească în continuare acest parametru, în urma căruia zgomotul motorului va depăși intervalul perceput de urechea umană. Astfel de caracteristici ale motorului pot fi de un anumit interes.
Prima lansare a produsului experimental „Ifrit”
Cu toate acestea, principalele avantaje ale noii centrale electrice sunt asociate cu performanțe îmbunătățite. Testele de bancă ale prototipurilor au arătat că depășesc motoarele tradiționale cu turbină cu gaz cu aproximativ 30% în indicatori specifici. Până la prima demonstrație publică de materiale pe motorul OKB im. A.M. Leagănele au putut obține caracteristici de performanță destul de ridicate. Un motor experimentat de un nou tip a reușit să funcționeze timp de 10 minute fără întrerupere. Durata totală de funcționare a acestui produs la stand în 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 avioane ușoare sau vehicule aeriene fără pilot. În proiectarea unui astfel de motor, se propune utilizarea așa-numitului. dispozitive rezonatoare responsabile de cursul corect al combustiei. Un avantaj important al noului proiect este posibilitatea fundamentală de a instala astfel de dispozitive oriunde în cadru.
Experții din OKB ei. A.M. Cradele lucrează la motoare de avioane cu combustie prin detonare prin impuls de mai bine de trei decenii, dar până în prezent proiectul nu a părăsit stadiul de cercetare și nu are perspective reale. Motivul principal este lipsa unui ordin și finanțarea necesară. Dacă proiectul primește sprijinul necesar, atunci în viitorul previzibil poate fi creat un eșantion de motor, adecvat pentru utilizarea 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, potrivite pentru a fi utilizate în spațiul rachetei și în zonele hipersonice. În plus, noile motoare pot fi utilizate în aviația „tradițională”. Unele proiecte sunt încă în faza incipientă și nu sunt încă pregătite pentru inspecții și alte lucrări, în timp ce în alte domenii au fost deja obținute cele mai remarcabile rezultate.
Investigând subiectul motoarelor cu jet de combustie cu detonare, specialiștii ruși au reușit să creeze un model de banc de model al unei camere de ardere cu caracteristicile dorite. Produsul experimental „Ifrit” a trecut deja teste, în timpul cărora a fost colectată o cantitate mare de diverse informații. Cu ajutorul datelor obținute, dezvoltarea direcției va continua.
Stăpânirea unei noi direcții și traducerea ideilor într-o formă practic aplicabilă vor necesita mult timp și, din acest motiv, în viitorul previzibil, rachetele spațiale și armate în viitorul apropiat vor fi echipate numai cu motoare tradiționale cu propulsie lichidă. Cu toate acestea, lucrarea a părăsit deja stadiul pur teoretic, iar acum fiecare lansare de test a unui motor experimental apropie 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/
Federația Rusă a fost prima din lume care a testat cu succes un motor de rachetă cu propulsie lichidă de detonare. Noua centrală a fost creată la NPO Energomash. Acesta este un succes pentru industria rusească de rachete și spațiu, a spus el corespondentului Agenția Federală de Știri observator științific Alexander Galkin.
După cum sa raportat pe site-ul oficial al Fundației pentru Studii Avansate, forța noului motor este creată de explozii controlate în timpul interacțiunii perechii de combustibil oxigen-kerosen.
„Importanța succesului acestor teste pentru dezvoltarea avansată a construcției de motoare interne poate fi cu greu supraevaluată [...] Motoarele de tip rachetă de acest fel sunt viitorul”, a declarat directorul general adjunct și proiectantul șef al NPO Energomash. Vladimir Chvanov.
Trebuie remarcat faptul că inginerii întreprinderii merg la testul de succes al noii centrale în ultimii doi ani. Lucrările de cercetare au fost efectuate de oamenii de știință de la Institutul de hidrodinamică Novosibirsk. M.A.Lavrent'ev al Filialei Siberiene a Academiei Ruse de Științe și a Institutului de Aviație din Moscova.
„Cred că acesta este un cuvânt nou în industria rachetelor și sper că va fi util pentru cosmonautica rusă. Energomash este acum singura structură care dezvoltă motoare rachete și le vinde cu succes. Recent au fabricat motorul RD-181 pentru americani, care are o putere totală mai slabă decât RD-180 dovedit. Faptul este că a apărut o nouă tendință în construcția de motoare - o scădere a greutății echipamentelor de la bordul navelor spațiale duce la faptul că motoarele devin mai puțin puternice. Acest lucru se datorează unei scăderi a greutății îndepărtate. Deci, trebuie să le dorim succes oamenilor de știință și inginerilor Energomash, care funcționează, iar el reușește să facă ceva. Avem și capete creative ", este sigur Alexander Galkin.
Trebuie remarcat faptul că chiar principiul creării unui flux de jet prin explozii controlate poate ridica problema siguranței zborurilor viitoare. Cu toate acestea, nu vă faceți griji, deoarece unda de șoc este răsucită în camera de ardere a motorului.
„Sunt sigur că va fi inventat un sistem de amortizare a vibrațiilor pentru motoarele noi, deoarece, în principiu, vehiculele de lansare tradiționale care au fost încă dezvoltate Serghei Pavlovici Korolevși Valentina Petrovich Glushko, a dat și o vibrație puternică corpului navei. Dar cumva au câștigat, au găsit o modalitate de a stinge zguduirea colosală. Totul va fi la fel aici ”, conchide expertul.
În prezent, angajații NPO Energomash efectuează cercetări suplimentare pentru stabilizarea forței și reducerea sarcinii pe structura de susținere a centralei. După cum sa menționat la întreprindere, funcționarea perechii de combustibil oxigen-kerosen și chiar principiul creării forței de ridicare asigură un consum mai mic de combustibil la o putere mai mare. În viitor, vor începe testele unui model de dimensiuni complete și, eventual, vor fi folosite pentru a lansa sarcini utile sau chiar astronauți pe orbita planetei.
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, 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 combustiei de 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 vară, în august 2016, oamenii de știință ruși au reușit să creeze primul motor cu reacție cu propulsie lichidă de dimensiuni complete, care funcționează pe principiul combustiei prin detonare. Țara noastră 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 constant de flacără. În timpul arderii, amestecul de gaz de combustibil și oxidant crește brusc temperatura, iar coloana de flacără care iese din duză creează un impuls de jet.
În timpul arderii prin detonare, produsele de reacție nu au timp să se descompună, deoarece acest proces este de 100 de ori mai rapid decât deflargarea 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, datorită compactității zonei de ardere. Prin urmare, specialiștii au început cu atât de zel să dezvolte această idee.
Într-un motor rachetă convențional cu propulsie lichidă, care este, de fapt, un arzător mare, principalul lucru nu este camera de ardere și duza, ci unitatea turbopompa de combustibil (TNA), care creează o astfel de presiune încât combustibilul să pătrundă în cameră. De exemplu, în motorul rachetă rusesc RD-170 pentru vehiculele de lansare Energia, presiunea din camera de ardere este de 250 atm și pompa care furnizează oxidantul în zona de ardere trebuie să creeze o presiune de 600 atm.
Într-un motor de detonare, presiunea este creată de detonarea însăși, care este o undă de compresie circulantă în amestecul de combustibil, în care presiunea fără niciun TPA este deja de 20 de ori mai mare, iar unitățile de pompă turbo sunt de prisos. Pentru a clarifica, „Shuttle-ul” american are o presiune a camerei de ardere de 200 atm, iar un motor de detonare în astfel de condiții are nevoie doar de 10 atm pentru a furniza amestecul - este ca o pompă pentru bicicletă și HPP Sayano-Shushenskaya.
În acest caz, un motor bazat pe detonare nu este doar mai simplu și mai ieftin cu un ordin de mărime, ci mult mai puternic și mai economic decât un motor rachetă convențional.
Pe drumul către implementarea proiectului motorului de detonare, a apărut problema de a face față valului de detonare. Acest fenomen nu este doar o undă de explozie, care are viteza sunetului, și o undă de detonare care se propagă la o viteză de 2500 m / s, nu există stabilizarea frontului de flacără în el, amestecul este reînnoit pentru fiecare pulsație și valul este repornit.
Anterior, inginerii ruși și francezi au dezvoltat și construit motoare cu reacție pulsatorie, dar nu pe principiul detonației, ci pe baza pulsației combustiei convenționale. Caracteristicile acestor PUVRD-uri erau scăzute și, atunci când constructorii de motoare au dezvoltat pompe, turbine și compresoare, a venit epoca motoarelor cu reacție și a motoarelor cu rachete cu propulsie lichidă, iar cele pulsatorii au rămas pe marginea progresului. Mintile strălucitoare ale științei au încercat să combine arderea detonării cu un PUVRD, dar frecvența pulsațiilor unui front de ardere convențional nu depășește 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 se implementeze în practică o astfel de rată de reînnoire a amestecului și, în același timp, să inițieze detonarea.
În SUA, a fost posibil să se construiască un astfel de motor pulsator de detonare și să-l testeze în aer, cu toate acestea, a funcționat doar 10 secunde, dar prioritatea a rămas la proiectanții 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 de detonare?
Un astfel de motor rotativ consta dintr-o cameră de ardere inelară cu duze situate pe raza sa pentru alimentarea cu combustibil. Unda de detonare rulează ca o veveriță într-o roată în jurul circumferinței, amestecul de combustibil se comprimă și se arde, împingând produsele de ardere prin duză. Într-un motor de centrifugare, obținem o frecvență de rotație a unei unde 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 de detonare rotativ cu un val continuu pentru a înțelege procesele care au loc în interior și, pentru aceasta, a fost creată o întreagă știință - cinetica fizico-chimică. Pentru a calcula condițiile unei unde neamortizate, erau 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 centrifugare, inclusiv compania de construcții de motoare din industria spațială NPO Energomash. Fondul de cercetare avansată a ajutat la dezvoltarea unui astfel de motor, deoarece finanțarea de la Ministerul Apărării este imposibil de realizat - le oferă doar un rezultat garantat.
Cu toate acestea, în timpul testelor efectuate la Khimki la Energomash, s-a înregistrat o stare de detonare continuă a spinului - 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 termică au rezistat la temperaturi ridicate.
Dar nu vă lăudați, deoarece acesta este doar un motor demonstrativ care a funcționat pentru un timp foarte scurt și încă nu s-a spus nimic despre caracteristicile sale. Dar principalul lucru este că a fost dovedită posibilitatea creării unei combustii prin detonare și a fost creat un motor de centrifugare de dimensiuni complete în Rusia, care va rămâne în istoria științei pentru totdeauna.
Video: „Energomash” a fost primul din lume care a testat un motor de rachetă cu propulsie lichidă de detonare
Ce se află cu adevărat în spatele rapoartelor despre primul motor de rachetă detonant din lume testat în Rusia?
La sfârșitul lunii august 2016, agențiile de știri mondiale au răspândit știrea: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, a fost lansat primul motor de rachetă cu propulsie lichidă (LRE) de dimensiuni complete, care utilizează combustia prin detonare a combustibilului - . Pentru acest eveniment, știința și tehnologia internă funcționează 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 combustiei de detonație” publicat în „Journal of Technical Physics” în 1940. De atunci, cercetări și experimente privind implementarea practică a unei tehnologii promițătoare au avut loc în întreaga lume. În această cursă a minților, mai întâi Germania, apoi Statele Unite, apoi URSS au continuat. Și acum Rusia și-a asigurat o prioritate importantă în istoria mondială a tehnologiei. În ultimii ani, țara noastră s-a putut lăuda rar cu așa ceva.
Pe creasta unui val
Testarea unui motor de rachetă cu combustibil lichid de detonare
Care sunt avantajele unui motor de detonare? La motoarele tradiționale cu rachete cu propulsie lichidă, ca, într-adevăr, la motoarele convenționale cu piston sau cu turbojet, se folosește energia care este eliberată în timpul arderii combustibilului. În acest caz, se formează un front de flacără staționar în camera de ardere a unui motor rachetă cu combustibil lichid, în care arderea are loc la o presiune constantă. Acest proces normal de ardere se numește deflagrație. Ca urmare a interacțiunii combustibilului și oxidantului, temperatura amestecului de gaze crește brusc și o coloană aprinsă de produse de ardere izbucnește din duză, care formează impulsul jetului.
Detonarea este, de asemenea, combustie, dar se întâmplă de 100 de ori mai repede decât în cazul combustiei convenționale cu combustibil. Acest proces se desfășoară 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 apare în cilindrii săi, poate de fapt să se prăbușească. Cu toate acestea, detonarea nu este o explozie, ci un tip de combustie atât de rapid 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 la o presiune în creștere bruscă.
În practică, arată așa: în locul unui front de flacără staționară în amestecul de combustibil, se formează o undă de detonare în interiorul camerei de ardere, care se deplasează cu o viteză supersonică. În această undă de compresie, are loc detonarea amestecului 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 mai multă forță și, datorită compactității zonei de combustie, motorul de detonare este teoretic un ordin de mărime mai mare decât motoarele rachete convenționale din punct de vedere al puterii luate dintr-o unitate de volum.
Numai acest lucru a fost suficient pentru a atrage cea mai apropiată atenție a specialiștilor asupra acestei idei. La urma urmei, stagnarea care a apărut acum în dezvoltarea cosmonauticii mondiale, care a fost blocată pe orbita apropiată a pământului timp de o jumătate de secol, este în primul rând asociată cu criza de propulsie a rachetelor. Apropo, aviația este, de asemenea, în criză, care nu este capabilă să treacă pragul celor trei viteze ale sunetului. Această criză poate fi comparată cu situația avioanelor cu piston la sfârșitul anilor 1930. Elicea și motorul cu ardere internă și-au epuizat potențialul și numai apariția motoarelor cu reacție a făcut posibilă atingerea unui nivel calitativ nou de înălțimi, viteze și autonomie de zbor.
Motor cu rachetă de detonare
Proiectele motoarelor clasice cu rachete cu propulsie lichidă au fost lustruite la perfecțiune în ultimele decenii și au ajuns practic la limita capacităților lor. Este posibil să crească caracteristicile lor specifice în viitor numai în limite foarte nesemnificative - cu câteva procente. Prin urmare, cosmonautica mondială este forțată să urmeze o cale extinsă de dezvoltare: pentru zborurile cu echipaj către Lună, este necesar să se construiască vehicule de lansare uriașe, iar acest lucru este foarte dificil și extrem de scump, cel puțin pentru Rusia. O încercare de a depăși criza cu motoare nucleare a dat peste probleme de mediu. Poate că apariția motoarelor cu rachete de detonare este prea devreme pentru a fi comparată cu tranziția aviației la propulsia jetului, dar 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 rachetă convențional este, în principiu, un arzător mare. Pentru a-i crește presiunea și caracteristicile specifice, este necesar să creșteți presiunea în camera de ardere. În acest caz, combustibilul care este injectat în cameră prin duze trebuie să fie alimentat la o presiune mai mare decât se realizează 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 cu propulsie lichidă nu este o cameră cu o duză, care este la vedere, ci o unitate cu turbopompa de combustibil (TNA), ascunsă în intestinele rachetei printre complexitățile conductelor.
De exemplu, cel mai puternic motor rachetă din lume RD-170, creat pentru prima etapă a vehiculului sovietic de lansare super-grea Energia de către același NPO Energia, are o presiune a camerei de ardere de 250 de atmosfere. Asta e mult. Dar presiunea la ieșirea pompei de oxigen care pompează oxidantul în camera de ardere ajunge la 600 atm. O turbină de 189 MW este utilizată pentru a acționa această pompă! Imaginați-vă acest lucru: o roată de turbină cu diametrul de 0,4 m dezvoltă o putere de patru ori mai mare decât spargătorul 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, unde cel mai mic, nici măcar o scânteie, ci un bob de nisip în conductă duce la o explozie. Tehnologiile pentru crearea unui astfel de TNA reprezintă principalul know-how al Energomash, a cărui deținere permite companiei ruse astăzi să își vândă motoarele pentru instalare pe vehiculele de lansare americane Atlas V și Antares. În Statele Unite nu există încă o alternativă la motoarele rusești.
Pentru un motor de detonare, astfel de dificultăți nu sunt necesare, deoarece presiunea pentru o combustie mai eficientă este asigurată de detonarea însăși, 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 unui motor cu propulsie lichidă a American Shuttle (200 atm), este suficient să alimentați combustibil sub o presiune de ... 10 atm. Unitatea necesară pentru aceasta, în comparație cu TNA-ul unui motor clasic cu propulsie lichidă, este ca o pompă pentru bicicletă lângă Sayano-Shushenskaya SDPP.
Adică, motorul de detonare nu va fi doar mai puternic și mai economic decât un motor convențional cu propulsie lichidă, ci și un ordin de mărime mai simplu și mai ieftin. Deci, de ce această simplitate nu a fost dată designerilor de 70 de ani?
Pulsul progresului
Principala problemă cu care se confruntă 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. Detonarea nu este doar un val de explozie, ci ceva mai viclean. Unda de explozie se propagă cu viteza sunetului, iar unda de detonare la o viteză supersonică - până la 2500 m / s. Nu formează un front de flacără stabil, astfel încât funcționarea unui astfel de motor pulsează: după fiecare detonare, este necesar să reînnoiți amestecul de combustibil și apoi să începeți o nouă undă în el.
Încercările de a crea un motor cu reacție pulsatorie au fost făcute cu mult înainte de ideea de detonare. În utilizarea motoarelor cu reacție pulsatorie, au încercat să găsească o alternativă la motoarele cu piston în anii 1930. Simplitatea a atras din nou: spre deosebire de o turbină de aeronavă pentru un motor cu jet de aer pulsatoriu (PUVRD), nici un compresor care se rotea la o viteză de 40.000 rpm nu era necesar pentru a pompa aer în uterul nesatific al camerei de ardere și nici pentru a funcționa la temperatura 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 realizabil al PUVRD a fost brevetat în 1906 de inginerul rus V.V. Karavodin, care a construit un model de instalație un an mai târziu. Datorită mai multor deficiențe, instalația Karavodin nu 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 München Paul Schmidt. Argus a fost creat pentru „arma represaliilor” - bomba cu aripi V-1. O dezvoltare similară a fost creată în 1942 de către designerul sovietic Vladimir Chelomey pentru prima rachetă de croazieră sovietică 10X.
Desigur, aceste motoare nu erau încă detonante, deoarece foloseau pulsațiile combustiei convenționale. Frecvența acestor pulsații a fost scăzută, ceea ce a generat un sunet caracteristic mitralierei în timpul funcționării. Datorită funcționării intermitente, caracteristicile specifice ale PUVRD au fost în medie scăzute și, după ce proiectanții, până la sfârșitul anilor 1940, au făcut față dificultăților de creare a compresoarelor, pompelor și turbinelor, motoarele cu turbojete și motoarele cu propulsie lichidă au devenit regii cerul, iar PUVRD a rămas la periferia progresului tehnologic ...
Este curios că primele PUVRD au fost create de designeri germani și sovietici, independent unul de celălalt. Apropo, nu numai Zeldovici 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 utilizării combustiei prin detonare a fost numit ZND.
Ideea de a combina PUVRD cu combustia prin detonare a fost foarte tentantă. Dar partea din față 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. Iar frontul de detonare se mișcă la o viteză de 1500-2500 m / s, astfel frecvența de pulsație ar trebui să fie de mii pe secundă. A fost dificil de implementat o astfel de rată de reînnoire a amestecului și inițierea detonării în practică.
Cu toate acestea, au continuat încercările de a crea motoare funcționale de detonație pulsatorie. Munca specialiștilor din Forțele Aeriene SUA în această direcție a culminat cu crearea unui motor demonstrativ, care a dus pe cer pentru prima dată pe 31 ianuarie 2008 pe un avion experimental 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 în Statele Unite, iar avionul a ocupat pe bună dreptate locul în Muzeul Național al Forțelor Aeriene ale SUA.
Între timp, a fost inventată de mult o altă schemă mult mai promițătoare a unui motor de detonare.
Ca o veveriță într-o roată
Ideea de a bucla o undă de detonare și de a o face să ruleze în camera de combustie ca o veveriță într-o roată a luat naștere oamenilor de știință la începutul anilor 1960. Fenomenul detonației rotative (rotative) a fost teoretic prezis de către fizicianul sovietic din Novosibirsk B.V. Voitsekhovsky în 1960. Aproape simultan cu el, în 1961, americanul J. Nicholls de la Universitatea din Michigan și-a exprimat aceeași idee.
Motorul de detonare rotativ sau rotativ este structural o cameră de ardere inelară, în care combustibilul este alimentat prin intermediul unor injectoare amplasate radial. Unda de detonare din interiorul camerei nu se mișcă în direcția axială, ca în PUVRD, ci într-un cerc, comprimând și arzând amestecul de combustibil din fața ei și împingând în cele din urmă produsele de ardere din duză în același mod ca și șurubul unui tocător de 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 pulsatoriu, ci ca un motor rachetă convențional cu propulsie lichidă cu combustie staționară, dar mult mai eficient, deoarece de fapt are loc detonarea amestecului de combustibil ...
În URSS, la fel ca în SUA, lucrările la un motor de detonare rotativă se desfășoară încă de la începutul anilor 1960, dar din nou, în ciuda simplității aparente a ideii, implementarea sa a necesitat rezolvarea unor întrebări teoretice nedumeritoare. Cum se organizează procesul, astfel încât unda să nu se ude? A fost necesar să se înțeleagă cele mai complexe procese fizice și chimice care au loc într-un mediu gazos. Aici calculul nu a mai fost efectuat la nivel molecular, ci la nivel atomic, la joncțiunea chimiei și a fizicii cuantice. Aceste procese sunt mai complexe decât cele care apar 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 calcularea practică a condițiilor în care unda de detonare nu se va descompune, ci va deveni auto-susținută, au fost necesare computere puternice, care au apărut abia în ultimii ani. Aceasta a fost baza care a trebuit pusă pe baza succeselor practice în îmblânzirea detonării.
Lucrări active în această direcție se desfășoară în Statele Unite. Aceste studii sunt efectuate de Pratt & Whitney, General Electric, NASA. De exemplu, laboratorul de cercetare al US Navy dezvoltă turbine cu gaz de detonare a spinului pentru Navy. Marina SUA folosește 430 de turbine pe gaz pe 129 de nave și consumă combustibil anual de 3 miliarde de dolari. Introducerea unor motoare cu turbină cu gaz cu detonație mai economice (GTE) 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 acestea se numără NPO Energomash, cea mai mare companie de construcții de motoare din industria spațială rusă, cu multe dintre întreprinderile cărora cooperează VTB Bank. Dezvoltarea unui motor de rachetă de detonare a fost efectuată timp de mai mult de un an, dar pentru ca vârful aisbergului acestei lucrări să sclipească sub soare sub forma unui test de succes, participarea organizațională și financiară a notorii Fundații pentru cercetare avansată (FPI) a fost necesar. FPI a fost cel care a alocat fondurile necesare pentru crearea în 2014 a unui laborator specializat „Detonare LRE”. La urma urmei, în ciuda celor 70 de ani de cercetare, această tehnologie rămâne „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 ea.
Îmblânzirea scorpiei
Aș vrea să cred că după tot ce s-a spus mai sus, lucrarea titanică care apare între rândurile unui scurt raport despre testele care au avut loc la Energomash din Khimki în iulie-august 2016 devine de înțeles: valuri cu o frecvență de aproximativ 20 kHz (frecvența de rotație a valului este de 8 mii de rotații pe secundă) pe aburul combustibil „oxigen - kerosen”. A fost posibil să se obțină mai multe unde de detonare, care să echilibreze vibrațiile și încărcăturile de șoc reciproc. Acoperirile de protecție termică special dezvoltate la Centrul Keldysh au ajutat să facă față sarcinilor la temperaturi ridicate. Motorul a rezistat mai multor porniri sub sarcini extreme de vibrații și temperaturi ultra ridicate în absența răcirii stratului de perete. Un rol special în acest succes l-a avut crearea de modele matematice și injectoare de combustibil, care au făcut posibilă obținerea unui amestec de consistență necesar apariției detonării. "
Desigur, nu ar trebui să exagerăm importanța succesului obținut. 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 rachetă de detonare va crește forța de forță cu 10% atunci când arde aceeași cantitate de combustibil ca la un motor convențional, iar impulsul de forță specific ar trebui să crească cu 10-15%.
Crearea primului motor de rachetă cu detonare de dimensiuni complete din lume a asigurat o prioritate importantă pentru Rusia în istoria mondială a științei și tehnologiei.
Dar principalul rezultat este că a fost confirmată practic posibilitatea organizării combustiei prin detonare într-un motor rachetă cu propulsie lichidă. Cu toate acestea, mai este încă un drum lung de parcurs înainte de a utiliza această tehnologie în avioane 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 un motor rachetă de detonare de dimensiuni complete în Rusia, iar acest fapt va rămâne în istoria stiinta si Tehnologie.
Pentru implementarea practică a ideii unui motor de rachetă de detonare a fost nevoie de 70 de ani de muncă grea a oamenilor de știință și a proiectanților.
Foto: Fundația pentru studiu avansat
Evaluarea generală a materialului: 5
MATERIALE SIMILARE (PE ETICHETE):
Grafenul este transparent, magnetic și filtrează apa
Tatăl videoclipului este Alexander Ponyatov și AMPEXBiroul de proiectare experimentală Lyulka a dezvoltat, fabricat și testat un prototip al unui motor de detonare pulsatorie cu rezonator cu combustie în două etape a unui amestec de kerosen-aer. Potrivit ITAR-TASS, forța medie măsurată a motorului a fost de aproximativ o sută de kilograme, iar durata funcționării continue a fost mai mare de zece minute. Până la sfârșitul acestui an, OKB intenționează să fabrice și să testeze un motor de detonație pulsatoriu de dimensiuni complete.
Potrivit proiectantului șef al Lyulka Design Bureau, Alexander Tarasov, în timpul testelor au fost simulate modurile de funcționare tipice pentru motoarele turbojet și ramjet. Valorile măsurate ale propulsiei specifice și ale consumului specific de combustibil s-au dovedit a fi cu 30-50 la sută mai bune decât cele ale motoarelor convenționale cu jet de aer. În timpul 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 familii întregi de motoare de aeronave cu detonație 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 rachete-spațiu și centrale combinate de aeronave capabile să zboare în atmosferă și nu numai.
Potrivit biroului de proiectare, noile motoare vor crește raportul de împingere / 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 motoare noi va fi de 1,5-2 ori mai mică decât cea a sistemelor convenționale de propulsie cu jet.
Faptul că se lucrează în Rusia pentru crearea unui motor de detonație pulsatoriu a fost raportat în martie 2011. Acest lucru a fost declarat atunci de Ilya Fedorov, director general al asociației de cercetare și producție Saturn, care include Biroul de proiectare Lyulka. Fedorov nu a precizat ce tip de motor de detonare a fost discutat.
În prezent, există trei tipuri de motoare pulsatorii - supapă, fără supapă și detonare. Principiul de funcționare al acestor centrale electrice constă în alimentarea periodică de combustibil și un oxidant către camera de ardere, unde amestecul de combustibil este aprins și produsele de ardere curg din duză cu formarea impulsului jetului. Diferența față de motoarele cu reacție convenționale constă în combustia prin detonare a amestecului de combustibil, în care frontul de combustie 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 pulsatoriu este considerat simplu și ieftin de fabricat, totuși, datorită naturii arderii combustibilului, nu este fiabil. 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 propulsate de motorul Argus As-014 de la Argus-Werken.
În prezent, mai multe firme majore de apărare din lume sunt angajate în cercetări privind crearea de motoare cu reacție cu impulsuri extrem de eficiente. În special, lucrarea este realizată de compania franceză SNECMA și de American 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 rotire care să înlocuiască sistemele convenționale de propulsie a turbinei cu gaz de pe nave.
Laboratorul de cercetare al marinei americane (NRL) intenționează să dezvolte un motor de detonare rotativ (RDE) care ar putea înlocui în cele din urmă sistemele convenționale de propulsie a turbinei cu gaz de pe nave. Potrivit NRL, noile motoare vor permite armatei să reducă consumul de combustibil, sporind în același timp eficiența energetică a sistemului de propulsie.
Marina SUA utilizează în prezent 430 de motoare cu turbină cu gaz (GTE) pe 129 de nave. Consumă combustibil anual de 2 miliarde de dolari. NRL estimează că, datorită RDE, armata va putea economisi până la 400 de milioane de dolari anual combustibil. RDE-urile vor putea genera cu zece la sută mai multă energie decât GTE-urile convenționale. Prototipul RDE a fost deja creat, dar când vor începe să intre astfel de motoare, flota este încă necunoscută.
RDE se bazează pe evoluțiile NRL obținute la crearea unui motor de detonare a impulsurilor (PDE). Funcționarea acestor centrale electrice se bazează pe o combustie detonată stabilă a amestecului de combustibil.
Motoarele cu detonație de centrifugare diferă de cele care pulsează prin aceea că arderea prin detonare a amestecului de combustibil din ele are loc continuu ─ frontul de combustie se mișcă într-o cameră de ardere inelară, în care amestecul de combustibil este actualizat constant.