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. Zeldovici a propus ideea unui motor de detonare în articolul „On utilizarea energiei combustie prin detonare". De atunci, mulți oameni de știință din tari diferite, apoi Statele Unite, apoi Germania, apoi 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 atât de bine motor nou? Un motor cu reacție folosește energia eliberată atunci când amestecul este ars la o presiune constantă și un front constant de flacără. Amestecul de gaz de combustibil și oxidant în timpul arderii crește brusc temperatura și coloana de flacără care iese din duză creează impulsul jetului.
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 atât de zelos 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 RD-170 LPRE rus 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, American Shuttle 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 alimenta 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 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 când constructorii de motoare au dezvoltat pompe, turbine și compresoare, a venit secolul motoare cu reactieși rachetă, iar cele care pulsează 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 aproape 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 de-a lungul razei sale pentru alimentarea cu combustibil. Unda de detonare rulează ca o veveriță într-o roată în jurul unui cerc, 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 o undă continuă 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 este imposibil să obțineți finanțare de la Ministerul Apărării - dați-le 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
Motoarele cu rachete de detonare au fost testate cu succes în Rusia. Pyotr Lyovochkin, proiectant-șef al NPO Energomash, numit după academicianul V.P. Glushko, a vorbit într-un interviu cu RG despre dacă este posibil să se creeze arme hipersonice pe baza lor 19 ianuarie 2018, 10:48
Testele de succes ale așa-numitelor motoare cu rachete de detonare au fost efectuate cu rezultate foarte interesante. Lucrările de dezvoltare în această direcție vor continua.
Detonarea este o explozie. Îl poți face ușor de gestionat? Este posibil să se creeze arme hipersonice pe baza unor astfel de motoare? Ce motoare de rachetă vor lansa vehicule fără pilot și fără pilot în spațiul apropiat? Aceasta este conversația noastră cu directorul general adjunct - proiectant șef al NPO Energomash, numit după academicianul V. P. Glushko, Pyotr Lyovochkin.
Petr Sergeevich, ce oportunități se 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 se află în stadiul de pre-proiectare și sunt necunoscute publicului larg. În general, motoarele noastre sunt concepute pentru a ridica o rachetă de pe suprafața unui corp ceresc. Și poate fi orice - terestru, lunar, marțian. Deci, dacă programele lunare sau marțiene sunt implementate, cu siguranță vom lua parte la ele.
Care este eficiența motoarelor rachete moderne și există vreo modalitate de a le îmbunătăți?
Pyotr Lyovochkin: Dacă vorbim despre energia și parametrii termodinamici ai motoarelor, atunci putem spune că ai noștri, precum și cele mai bune motoare rachete chimice străine din prezent, au atins un anumit nivel de perfecțiune. De exemplu, eficiența arderii combustibilului ajunge la 98,5%. 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 direcții diferite. Aceasta este utilizarea unor componente de combustibil mai consumatoare de energie, introducerea de noi soluții de circuite, o creștere a presiunii în camera de ardere. O altă direcție este utilizarea de tehnologii noi, inclusiv aditive, pentru a reduce intensitatea forței de muncă și, ca urmare, a reduce costul unui motor rachetă. Toate acestea duc 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.
Utilizarea unei explozii controlate de combustibil poate oferi unei rachete de opt ori viteza 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 a 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 cu rachetă și-au epuizat resursa de dezvoltare?
Pyotr Lyovochkin: Nu chiar așa. Exprimat limbaj tehnic, pot fi îmbunătățite prin creșterea eficienței proceselor intra-motorii. Există cicluri de conversie termodinamică a energiei chimice în energia unui jet care iese, care sunt mult mai eficiente decât arderea clasică. combustibil pentru racheta... Acesta este ciclul de combustie prin detonare și ciclul Humphrey aproape de acesta.
Efectul detonării combustibilului a fost descoperit de compatriotul nostru - mai târziu academicianul Yakov Borisovich Zeldovich în 1940. Implementarea acestui efect în practică a promis perspective foarte mari în rachetă. Nu este surprinzător faptul că nemții din aceiași ani au studiat activ procesul de detonare a arderii. Dar nu au progresat dincolo de experimentele nu foarte reușite.
Calculele teoretice au arătat că arderea prin detonare este cu 25% mai eficientă decât ciclul izobaric, care corespunde arderii combustibilului la presiune constantă, care este implementată în camerele motoarelor moderne cu rachetă lichidă.
Și care sunt avantajele arderii prin detonare în comparație cu arderea clasică?
Petr Lyovochkin: Procesul clasic de ardere este subsonic. Detonarea - supersonică. Viteza reacției într-un volum mic duce la o degajare imensă de căldură - este de câteva mii de ori mai mare decât în arderea subsonică, implementată în motoarele rachete clasice cu aceeași masă de combustibil ars. Și pentru noi, constructorii de motoare, acest lucru înseamnă că, cu o dimensiune mult mai mică a motorului de detonare și cu o masă redusă de combustibil, puteți obține aceeași forță ca și în imensele motoare rachete cu propulsie lichidă.
Nu este un secret faptul că motoarele cu combustie detonantă de combustibil sunt dezvoltate și în străinătate. Care sunt pozițiile noastre? Suntem inferiori, suntem la nivelul lor sau suntem în frunte?
Pyotr Lyovochkin: Nu recunoaștem - este sigur. Dar nici nu pot spune că suntem în frunte. Subiectul este suficient de închis. Unul dintre principalele secrete tehnologice este cum să vă asigurați că combustibilul și oxidantul motorului de rachetă nu ard, ci explodează, fără a distruge camera de ardere. Adică, de fapt, pentru a face o adevărată explozie controlată și controlată. Pentru referință: detonarea este arderea combustibilului în fața unei unde de șoc supersonice. Distingeți între detonarea impulsului, când unda de șoc se deplasează de-a lungul axei camerei și una o înlocuiește pe cealaltă, precum și detonarea continuă (rotire), 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 dvs. Ce rezultate s-au obținut?
Pyotr Lyovochkin: S-a lucrat la crearea unei camere model pentru un motor de rachetă cu detonare de lichid. O cooperare largă de conducere centre științifice Rusia. Printre acestea se numără Institutul de Hidrodinamică. M.A. Lavrentieva, MAI, "Centrul Keldysh", Institutul Central motorul de aviație construindu-le. 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 studiilor teoretice și experimentale, a fost confirmată posibilitatea creării unui motor de rachetă detonant pe baza acestor componente. Pe baza datelor obținute, am dezvoltat, fabricat și testat cu succes o cameră model de detonare cu o presiune 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 unei detonări stabile de oxigen cu kerosen și, în al doilea rând, cu asigurarea unei răciri fiabile a peretelui de incendiu al camerei fără răcirea perdelelor și o serie de alte probleme, a căror esență este clară doar specialiștilor.
Poate fi utilizat un motor de detonare în rachetele hipersonice?
Pyotr Lyovochkin: Este posibil și necesar. Doar pentru că arderea combustibilului din acesta este supersonică. Și în acele motoare pe care încearcă acum să creeze aeronave hipersonice controlate, arderea este subsonică. Și acest lucru creează o mulțime de probleme. La urma urmei, dacă arderea în motor este subsonică și motorul zboară, de exemplu, cu o viteză de cinci pași (unul egal cu viteza sunet), este necesar să încetiniți fluxul de aer care se apropie în modul sunet. În consecință, toată energia acestei frânări este transformată în căldură, ceea ce duce la supraîncălzirea suplimentară a structurii.
Și într-un motor de detonare, procesul de ardere are loc la o viteză de cel puțin două ori și jumătate mai mare decât cea sonoră. Și, în consecință, putem crește viteza aeronavei cu această sumă. Adică vorbim deja nu despre cinci, ci despre opt leagăne. Aceasta este viteza realizabilă în prezent a aeronavelor cu motoare hipersonice, care va utiliza principiul combustiei prin detonare.
Curierul Militar-Industrial are vești minunate în domeniul tehnologiei de rachete avansate. Detonaţie motor rachetă testat în Rusia, a declarat vineri premierul adjunct Dmitry Rogozin pe pagina sa de Facebook.
„Așa-numitele motoare cu rachetă de detonare dezvoltate în cadrul programului Advanced Research Fund au fost testate cu succes”, spune vicepremierul Interfax-AVN.
Se crede că un motor de rachetă de detonare este una dintre modalitățile de a pune în aplicare conceptul așa-numitului hiperson motor, adică crearea de aeronave hipersonice capabile să motor propriu atingeți o viteză de 4 - 6 Mach (Mach este viteza sunetului).
Portalul russia-reborn.ru oferă un interviu cu unul dintre cei mai mari specialiști specializați în motoare din Rusia despre motoarele cu rachetă de detonare.
Interviu cu Pyotr Lyovochkin, proiectant-șef al NPO Energomash im. Academician V.P. Glushko ".
Sunt create motoare pentru rachetele hipersonice ale viitorului
Testele de succes ale așa-numitelor motoare cu rachete de detonare au fost efectuate cu rezultate foarte interesante. Lucrările de dezvoltare în această direcție vor continua.
Detonarea este o explozie. Îl poți face ușor de gestionat? Este posibil să se creeze arme hipersonice pe baza unor astfel de motoare? Ce motoare de rachetă vor lansa vehicule fără pilot și fără pilot 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 se 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 se află în stadiul de pre-proiectare și sunt necunoscute publicului larg. În general, motoarele noastre sunt concepute pentru a ridica o rachetă de pe suprafața unui corp ceresc. Și poate fi orice - terestru, lunar, marțian. Deci, dacă programele lunare sau marțiene sunt implementate, cu siguranță vom lua parte la ele.
Care este eficiența motoarelor rachete moderne și există vreo modalitate de a le îmbunătăți?
Pyotr Lyovochkin: Dacă vorbim despre energia și parametrii termodinamici ai motoarelor, atunci putem spune că ai noștri, precum și cele mai bune motoare rachete chimice străine din prezent, au atins un anumit nivel de perfecțiune. De exemplu, eficiența arderii combustibilului ajunge la 98,5%. 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 direcții diferite. Aceasta este utilizarea unor componente de combustibil mai consumatoare de energie, introducerea de noi soluții de circuite, o creștere a presiunii în camera de ardere. O altă direcție este utilizarea de tehnologii noi, inclusiv aditive, pentru a reduce intensitatea forței de muncă și, ca urmare, a reduce costul unui motor rachetă. Toate acestea duc 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.
Utilizarea unei explozii controlate de combustibil poate oferi unei rachete de opt ori viteza 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 a 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 cu rachetă și-au epuizat resursa de dezvoltare?
Pyotr Lyovochkin: Nu chiar așa. În termeni tehnici, acestea pot fi îmbunătățite prin creșterea eficienței proceselor intramotrice. Există cicluri de conversie termodinamică a energiei chimice în energia unui jet care iese, care sunt mult mai eficiente decât arderea clasică a combustibilului pentru rachete. Acesta este ciclul de combustie prin detonare și ciclul Humphrey aproape de acesta.
Efectul detonării combustibilului a fost descoperit de compatriotul nostru - mai târziu academicianul Yakov Borisovich Zeldovich în 1940. Implementarea acestui efect în practică a promis perspective foarte mari în rachetă. Nu este surprinzător faptul că nemții din aceiași ani au studiat activ procesul de detonare a arderii. Dar nu au progresat dincolo de experimentele nu foarte reușite.
Calculele teoretice au arătat că arderea prin detonare este cu 25% mai eficientă decât ciclul izobaric, care corespunde arderii combustibilului la presiune constantă, care este implementată în camerele motoarelor moderne cu rachetă lichidă.
Și care sunt avantajele arderii prin detonare în comparație cu arderea clasică?
Petr Lyovochkin: Procesul clasic de ardere este subsonic. Detonarea - supersonică. Viteza reacției într-un volum mic duce la o degajare imensă de căldură - este de câteva mii de ori mai mare decât în arderea subsonică, implementată în motoarele rachete clasice cu aceeași masă de combustibil ars. Și pentru noi, constructorii de motoare, acest lucru înseamnă că, cu o dimensiune mult mai mică a motorului de detonare și cu o masă redusă de combustibil, puteți obține aceeași forță ca și în imensele motoare rachete cu propulsie lichidă.
Nu este un secret faptul că motoarele cu combustie detonantă de combustibil sunt dezvoltate și în străinătate. Care sunt pozițiile noastre? Suntem inferiori, suntem la nivelul lor sau suntem în frunte?
Pyotr Lyovochkin: Nu recunoaștem - este sigur. Dar nici nu pot spune că suntem în frunte. Subiectul este suficient de închis. Unul dintre principalele secrete tehnologice este cum să vă asigurați că combustibilul și oxidantul motorului de rachetă nu ard, ci explodează, fără a distruge camera de ardere. Adică, de fapt, pentru a face o adevărată explozie controlată și controlată. Pentru referință: detonarea este arderea combustibilului în fața unei unde de șoc supersonice. Distingeți între detonarea impulsului, când unda de șoc se deplasează de-a lungul axei camerei și una o înlocuiește pe cealaltă, precum și detonarea continuă (rotire), 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 dvs. Ce rezultate s-au obținut?
Pyotr Lyovochkin: S-a lucrat la crearea unei camere model pentru un motor de rachetă cu detonare de lichid. O mare cooperare a principalelor centre științifice 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 Aviației Motors 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 studiilor teoretice și experimentale, a fost confirmată posibilitatea creării unui motor de rachetă detonant pe baza acestor componente. Pe baza datelor obținute, am dezvoltat, fabricat și testat cu succes o cameră model de detonare cu o presiune 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 unei detonări stabile de oxigen cu kerosen și, în al doilea rând, cu asigurarea unei răciri fiabile a peretelui de incendiu al camerei fără răcirea perdelelor și o serie de alte probleme, a căror esență este clară doar specialiștilor.
Testele motorului de detonare
FPI_RUSIA / Vimeo
Laboratorul specializat „Motoare cu rachete cu propulsie lichidă de detonare” al asociației de cercetare și producție „Energomash” a testat primii demonstranți mondiali de tehnologii pentru motoare cu rachetă cu propulsie lichidă de detonare. Potrivit TASS, noile centrale electrice funcționează cu abur combustibil oxigen-kerosen.
Noul motor, spre deosebire de alte centrale electrice care funcționează conform principiului combustie interna, funcționează datorită detonării combustibilului. Detonarea este arderea supersonică a unei substanțe, în acest caz amestec de combustibil. În acest caz, o undă de șoc se propagă prin amestec, urmată de reactie chimica odată cu eliberarea unei cantități mari de căldură.
Studiul principiilor de funcționare și dezvoltarea motoarelor de detonare a fost efectuat în unele țări ale lumii de mai bine de 70 de ani. Primele astfel de lucrări au început în Germania în anii 1940. Este adevărat, atunci cercetătorii nu au reușit să creeze un prototip funcțional al motorului de detonare, dar au fost dezvoltate și produse în serie motoare cu jet de aer pulsatoare. Au fost plasate pe rachete V-1.
La motoarele cu reacție cu impulsuri, combustibilul a ars la o viteză subsonică. Această combustie se numește deflagrație. Motorul este numit motor pulsatoriu, deoarece combustibilul și oxidantul au fost furnizate în camera de ardere în porțiuni mici, la intervale regulate.
Harta presiunii în camera de ardere a unui motor cu detonare rotativă. A - undă de detonare; B - marginea din spate a undei de șoc; C - zona de amestecare a produselor de ardere proaspete și vechi; D - zona de umplere cu un amestec de combustibil; E - zona amestecului de combustibil ars nedetonat; F - zona de expansiune cu amestec detonat de combustibil ars
În prezent, motoarele de detonare sunt împărțite în două tipuri principale: impulsive și rotative. Acestea din urmă se mai numesc și spin. Principiul de funcționare motoare cu impuls asemănătoare cu cea a motoarelor cu reacție cu impulsuri. Principala diferență constă în combustia prin detonare a amestecului de combustibil din camera de ardere.
Motoarele cu detonare rotativă utilizează o cameră de ardere inelară în care amestecul de combustibil este furnizat în serie prin supape amplasate radial. În astfel de centrale electrice, detonarea nu se umple - unda de detonare „rulează în jurul” camerei de ardere inelare, amestecul de combustibil din spatele ei are timp să se reînnoiască. Motor rotativ a început să studieze pentru prima dată în URSS în anii 1950.
Motoarele de detonare sunt capabile să funcționeze într-o gamă largă de viteze de zbor - de la zero la cinci numere Mach (0-6,2 mii kilometri pe oră). Se crede că astfel de centrale pot produce putere mareîn timp ce consumă mai puțin combustibil decât motoarele cu reacție convenționale. În același timp, proiectarea motoarelor de detonare este relativ simplă: le lipsește un compresor și multe piese mobile.
Toate motoarele de detonare testate până acum au fost proiectate pentru avioane experimentale. Testat în Rusia astfel Power Point este primul care se montează pe o rachetă. Ce tip de motor de detonare a fost testat nu este specificat.
Ce se află cu adevărat în spatele rapoartelor despre primul motor rachetă detonant din lume testat în Rusia
La sfârșitul lunii august 2016, agențiile mondiale de știri au răspândit știrile: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, a fost introdus primul motor rachetă cu propulsie lichidă (LPRE) din lume, care utilizează combustia prin detonare a combustibilului. Operațiune. 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 detonare” publicat în „Journal of Technical Physics” în 1940. De atunci, cercetările și experimentele practice de implementare au avut loc în întreaga lume. tehnologie promițătoare... În această cursă a minților, a început mai întâi Germania, apoi Statele Unite, apoi URSS. Și acum Rusia și-a asigurat o prioritate importantă în istoria mondială a tehnologiei. V anul trecutȚara noastră nu se laudă adesea cu așa ceva.
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 camera de ardere a motorului cu rachetă cu combustibil lichid, 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 combustibilului și oxidantului, temperatura amestec de gaze coloana de foc a produselor de ardere crește brusc și scapă din duză, care formează impulsul jetului.
Detonarea este, de asemenea, combustie, dar se întâmplă de 100 de ori mai repede decât cu combustia convențională. Acest proces este atât de rapid încât detonarea este adesea confundată cu o explozie, mai ales că se eliberează atât de multă energie încât, de exemplu, motor auto atunci când acest fenomen apare în cilindrii săi, se poate prăbuși într-adevăr. 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 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 mai multă împingere și, datorită compactității zonei de ardere, 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, 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 avioanelor cu piston la sfârșitul anilor 1930. Elicea și motorul cu ardere internă și-au epuizat potențialul și doar apariția motoarelor cu reacție a făcut posibilă atingerea unui nivel calitativ nivel nouînălțimi, viteze și raza de zbor.
Designurile 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. A încercat să depășească criza cu ajutorul motoarelor nucleare probleme ecologice... 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 crește presiunea și caracteristicile sale 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 un diametru 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, TNA este un complex dispozitiv mecanic, axul căruia face 230 de rotații pe secundă și trebuie să funcționeze într-un mediu de oxigen lichid, unde cel mai mic, nici măcar o scânteie, dar un bob de nisip în conductă duce la o explozie. Tehnologiile pentru crearea unui astfel de TNA sunt principalul know-how al Energomash, a cărui posesie permite Companie rusăși astăzi își vând motoarele pentru instalare pe vehiculele de lansare americane Atlas V și Antares. Alternative Motoare ruseștiîncă nu în SUA.
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 rachetă cu propulsie lichidă, este ca o pompă de bicicletă lângă Sayano-Shushenskaya GRES.
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 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, prin urmare funcționarea unui astfel de motor pulsează: după fiecare detonare, este necesar să se actualizeze amestec de combustibilși apoi lansează un nou val 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 motoare cu pistonîn anii 1930. Din nou, am fost atras de simplitate: spre deosebire de turbina aeronavei 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 forța aerul în burtica nesatabilă a camerei de ardere și nici o turbină care funcționa la o temperatură a gazului peste 1000˚C. 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. Caracteristicile specifice ale PuVRD datorită modul intermitent munca a fost în medie scăzută și după ce designerii de la sfârșitul anilor 1940 au făcut față complexității creării compresoarelor, pompelor și turbinelor, motoare turboreactoare iar motoarele de rachete au devenit regii cerului, 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 la o viteză de 60-100 m / s, iar frecvența pulsațiilor sale în PUVRD nu depășește 250 pe secundă. Iar fața 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 fost încununată de 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 un loc 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 detonării rotative (rotative) a fost teoretic prezis de către fizicianul sovietic de la Novosibirsk BV 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 sa și împingând în cele din urmă produsele de combustie 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 detonarea amestecului de combustibil are loc în el ...
În URSS, ca și în SUA, lucrările la un motor de detonare rotativă se desfășoară de la începutul anilor 1960, dar din nou, în ciuda simplității aparente a ideii, punerea sa în aplicare 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 în 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. Această cercetare este realizată 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 unei detonări mai economice motoare cu turbină pe gaz(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, o companie lideră în construcția de motoare din industria spațială rusă, cu multe întreprinderi la care 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 evidențiat 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 undei este de 8 mii rotații pe secundă) pe aburul de combustibil „oxigen - kerosen”. A fost posibil să se obțină mai multe unde de detonare, care să echilibreze vibrațiile și sarcinile 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 a făcut posibilă obținerea unui amestec de consistență necesară apariției detonării ”.
Desigur, nu ar trebui să exagerăm importanța succesului obținut. A fost creat doar un motor demonstrativ, care a funcționat pentru o perioadă relativ scurtă de timp, și aproximativ caracteristici reale nu se raportează nimic. Potrivit NPO Energomash, un motor cu rachetă de detonare va crește forța cu 10% atunci când arde aceeași cantitate de combustibil ca în motor convențional, iar impulsul specific de împingere ar trebui să crească cu 10-15%.
Dar rezultatul principal constă în faptul că a fost confirmată practic posibilitatea organizării arderii de 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. O alta aspect important este că o altă prioritate mondială în domeniu High Tech de acum încolo, este repartizat țării noastre: pentru prima dată în lume, a fost lansat un motor rachetă de detonare întreagă în Rusia, iar acest fapt va rămâne în istoria științei și tehnologiei.