Explorarea spațiului este asociată, fără să vrea, cu navele spațiale. Inima oricărui vehicul de lansare este motorul său. Trebuie să dezvolte prima viteză spațială - aproximativ 7,9 km / s, pentru a livra astronauții pe orbită, iar a doua viteză spațială, pentru a depăși câmpul gravitațional al planetei.
Acest lucru nu este ușor de realizat, dar oamenii de știință caută constant noi modalități de a rezolva această problemă. Designerii din Rusia au mers chiar mai departe și au reușit să dezvolte un motor de rachetă detonant, ale cărui teste s-au încheiat cu succes. Această realizare poate fi numită o adevărată descoperire în domeniul ingineriei spațiale.
Noi oportunitati
De ce există mari speranțe pentru motoarele de detonare? Potrivit calculelor oamenilor de știință, puterea lor va fi de 10 mii de ori mai mare decât puterea motoarelor rachete existente. În același timp, vor consuma mult mai puțin combustibil, iar producția lor se va distinge prin costuri reduse și rentabilitate. Care este motivul pentru aceasta?
Este vorba despre reacția de oxidare a combustibilului. Dacă rachetele moderne folosesc procesul de deflagrație - arderea lentă (subsonică) a combustibilului la presiune constantă, atunci motorul rachetei de detonare funcționează datorită unei explozii, detonării unui amestec combustibil. Arde la viteză supersonică odată cu eliberarea unei cantități uriașe de energie termică simultan cu propagarea undei de șoc.
Dezvoltarea și testarea versiunii rusești a motorului de detonare a fost efectuată de laboratorul specializat „Detonare LRE” ca parte a complexului de producție „Energomash”.
Superioritatea motoarelor noi
Oamenii de știință din lume studiază și dezvoltă motoare de detonare de 70 de ani. Motivul principal care împiedică crearea acestui tip de motor este arderea spontană necontrolată a combustibilului. În plus, pe ordinea de zi se aflau sarcinile de amestecare eficientă a combustibilului și oxidantului, precum și integrarea duzei și a admisiei de aer.
După rezolvarea acestor probleme, va fi posibil să se creeze un motor rachetă de detonare, care va depăși timpul în caracteristicile sale tehnice. În același timp, oamenii de știință numesc aceste avantaje:
- Abilitatea de a dezvolta viteze în intervale subsonice și hipersonice.
- Eliminarea multor piese mobile din proiectare.
- Greutate și cost mai mici ale centralei electrice.
- Eficiență termodinamică ridicată.
Serial, acest tip de motor nu a fost produs. A fost testat pentru prima oară pe avioane cu zbor redus în 2008. Motorul de detonare pentru vehiculele de lansare a fost testat pentru prima dată de oamenii de știință ruși. De aceea acest eveniment are o importanță atât de mare.
Principiul de funcționare: puls și continuu
În prezent, oamenii de știință dezvoltă instalații cu un proces de lucru pulsat și continuu. Principiul de funcționare al unui motor de rachetă cu detonare cu schemă de funcționare pulsată se bazează pe umplerea ciclică a camerei de ardere cu un amestec combustibil, aprinderea secvențială a acestuia și eliberarea produselor de ardere în mediu.
În consecință, într-o operație continuă, combustibilul este furnizat în camera de ardere continuu, combustibilul arde într-una sau mai multe unde de detonare care circulă continuu pe flux. Avantajele acestor motoare sunt:
- Aprinderea unică a combustibilului.
- Construcție relativ simplă.
- Dimensiuni mici și greutatea instalațiilor.
- Utilizarea mai eficientă a amestecului combustibil.
- Zgomot redus, vibrații și emisii.
În viitor, folosind aceste avantaje, un motor de rachetă cu propulsie lichidă de detonare în funcțiune continuă va înlocui toate instalațiile existente datorită caracteristicilor sale de masă și de cost.
Testele motorului de detonare
Primele teste ale unei unități de detonare internă au fost efectuate în cadrul unui proiect stabilit de Ministerul Educației și Științei. Un prototip a prezentat un motor mic cu o cameră de ardere de 100 mm în diametru și o lățime inelară a canalului de 5 mm. Testele au fost efectuate pe un stand special, indicatorii au fost înregistrați când s-au lucrat la diferite tipuri de amestecuri combustibile - hidrogen-oxigen, gaz natural-oxigen, propan-butan-oxigen.
Testele unui motor rachetă cu detonare care funcționează cu combustibil oxigen-hidrogen au dovedit că ciclul termodinamic al acestor instalații este cu 7% mai eficient decât cel al altor instalații. În plus, s-a confirmat experimental că, odată cu creșterea cantității de combustibil furnizate, crește și forța, precum și numărul undelor de detonare și viteza de rotație.
Analogi în alte țări
Oamenii de știință din țările de frunte ale lumii sunt angajați în dezvoltarea motoarelor de detonare. Cel mai mare succes în această direcție l-au obținut designerii din Statele Unite. În modelele lor, au implementat un mod continuu de lucru sau rotativ. Armata SUA intenționează să utilizeze aceste instalații pentru echiparea navelor de suprafață. Datorită greutății lor mai mici și a dimensiunilor mici, cu o putere mare de ieșire, vor contribui la creșterea eficienței bărcilor de luptă.
Un amestec stoichiometric de hidrogen și oxigen este folosit pentru lucrările sale de către un motor de rachetă american de detonare. Avantajele unei astfel de surse de energie sunt în primul rând economice - arde doar oxigenul necesar pentru oxidarea hidrogenului. Acum, guvernul SUA cheltuie câteva miliarde de dolari pentru a furniza navelor de război combustibil carbon. Combustibilul stoichiometric va reduce costurile de mai multe ori.
Alte direcții de dezvoltare și perspective
Noile date obținute ca urmare a testelor motoarelor de detonare au determinat utilizarea unor metode fundamental noi pentru construirea unei scheme de funcționare pe combustibil lichid. Dar pentru a funcționa, astfel de motoare trebuie să aibă o rezistență ridicată la căldură datorită cantității mari de energie termică degajată. În prezent, se dezvoltă o acoperire specială, care va asigura operabilitatea camerei de ardere sub expunere la temperaturi ridicate.
Un loc special în cercetările ulterioare îl ocupă crearea de capete de amestecare, cu ajutorul cărora va fi posibil să se obțină picături de material combustibil cu o dimensiune, concentrație și compoziție date. Pentru a aborda aceste probleme, va fi creat un nou motor de rachetă cu propulsie lichidă de detonare, care va deveni baza unei noi clase de vehicule de lansare.
Biroul 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 mari.
Potrivit proiectantului-șef al Biroului de Proiectare Lyulka, 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 proiectării 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 rachete și sisteme spațiale și centrale combinate de aeronave capabile să efectueze zboruri 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 despre 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 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 US Navy (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. Conform 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 nu se știe încă când astfel de motoare vor începe să intre în flotă.
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 combustibil.
Motoarele cu detonare prin rotire diferă de cele care pulsează prin aceea că arderea prin detonare a amestecului de combustibil din ele are loc continuu ─ frontul de combustie se deplasează într-o cameră de ardere inelară, în care amestecul de combustibil este actualizat constant.
Un motor de detonare este adesea privit ca o alternativă la un motor standard cu combustie sau rachetă. Este plin de numeroase mituri și legende. Aceste legende se nasc și trăiesc doar pentru că oamenii care le răspândesc fie au uitat cursul de fizică școlară, fie chiar au omis-o complet!
Creșterea densității puterii sau a tracțiunii
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 cu rachetă care funcționează în moduri de detonare, forța pe unitate 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 la 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, funcționează în modul de detonare. Adică, desigur, raportul de compresie poate fi mărit, dar după ce a avut loc detonarea, nimeni nu are nevoie de ea! Nu poate fi vorba de 100 de ori !! Mai mult, volumul de lucru al motorului cu ardere internă este, să zicem, de 2 litri, volumul întregului motor este de 100 sau 200 de litri. Economisirea volumului va fi de 1% !!! Dar „consumul” suplimentar (grosimea peretelui, materiale noi etc.) va fi măsurat nu în procente, ci în timpi sau zeci de ori !!
Pentru trimitere. Lucrarea efectuată este proporțională, aproximativ vorbind, 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! (să facă aceeași treabă).
Capacitatea de litri poate fi crescută dacă compresia este abandonată sau lasată la același nivel, dar hidrocarburile (în cantități mai mari) și oxigenul pur într-un raport de greutate de aproximativ 1: 2,6-4, în funcție de compoziția hidrocarburilor sau de oxigenul lichid în general (unde era deja :-)). Apoi, este posibil să creșteți atât capacitatea litrului, cât și eficiența (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 oxigen atmosferic, ci cu oxigen pur sau chiar lichid stocat!
De fapt, o anumită aparență este utilizarea oxidului de azot. Oxidul 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 litrului - să se utilizeze fluor în loc de oxigen. Este un agent oxidant mai puternic, adică reacțiile cu el merg cu o mare eliberare de energie.
Creșterea vitezei fluxului de jet
Întinderea celui de-al doilea.
La motoarele cu 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), presiunea și parametrii de temperatură din camera de ardere crește de câteva ori, viteza jeturilor reactive de ieșire. Acest lucru îmbunătățește proporțional toți parametrii unui astfel de motor, inclusiv reducerea greutății și a consumului acestuia și, prin urmare, a alimentării necesare cu combustibil.
După cum sa menționat mai sus, raportul de compresie nu poate fi mărit de mai mult de 2 ori. Dar, din nou, rata 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 crescută numai prin scăderea temperaturii acestora. Dar acest lucru este deja împiedicat de legile termodinamicii.
Motoarele cu rachete de detonare sunt viitorul călătoriilor interplanetare
A treia concepție greșită.
Doar motoarele cu rachete bazate pe tehnologii de detonare fac posibilă obținerea parametrilor de viteză necesari zborurilor interplanetare pe baza reacției de oxidare chimică.
Ei bine, aceasta este o amăgire cel puțin logică. Urmează din primele două.
Nicio tehnologie nu este capabilă să scoată nimic din reacția de oxidare! Cel puțin pentru substanțele cunoscute. Debitul este determinat de echilibrul 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 detonări, grade de compresie etc.
În plus față de echilibrul energetic, un parametru foarte important este „energia pe nucleon”. Dacă faceți mici calcule, 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 oxidării carbonului (CO2) este de 2,5 ori mai greu decât produsul oxidării hidrogenului (H2O), rata de ieșire a gazelor de la motoarele cu hidrogen este de 13%. Este adevărat, trebuie ținut cont și de capacitatea termică a produselor de ardere, dar aceasta oferă o corecție foarte mică.
Un motor de detonare pulsatorie a fost testat în Rusia
Biroul de proiectare experimentală Lyulka a dezvoltat, fabricat și testat un prototip al unui motor de detonare cu rezonanță pulsatorie 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 mari.
Potrivit proiectantului-șef al Biroului de Proiectare Lyulka, 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 proiectării 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 scurtă de viață 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 avioane 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 cu combustibil și oxidant a camerei de ardere, unde amestecul de combustibil este aprins și produsele de ardere curg din duză odată cu formarea impulsului cu jet. 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, cu toate acestea, datorită naturii arderii combustibilului, acesta 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.
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.
Ecologie a consumului. Știință și tehnologie: La sfârșitul lunii august 2016, agențiile de știri mondiale au răspândit știrile: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki lângă Moscova, primul motor de rachetă cu propulsie lichidă (LRE) din lume, care utilizează a fost lansată combustia prin detonare.
La sfârșitul lunii august 2016, agențiile de știri mondiale au răspândit știrea: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, a fost introdus primul motor rachetă cu combustibil lichid (LRE) de dimensiuni complete 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, 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
Care sunt avantajele unui motor de detonare? În motoarele tradiționale cu rachete cu propulsie lichidă, la fel ca, într-adevăr, în 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 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 este atât de rapid 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, 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 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 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 a 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.
Proiectele motoarelor clasice cu rachete cu combustibil lichid au fost lustruite la perfecțiune în ultimele decenii și au ajuns practic la limita capacităților lor. Este posibil să se 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. Apariția motoarelor de rachetă cu propulsie lichidă de detonare, poate, este prea devreme pentru a fi comparată cu tranziția aviației la impulsul cu jet, 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 atomic „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 cele din camera de ardere a unui motor cu propulsie lichidă a American Shuttle (200 atm), este suficient să alimentați combustibil sub 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?
Principala problemă cu care se confruntă inginerii a fost cum să facă față valului de detonare. Scopul nu este 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 se propagă cu o viteză supersonică de 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 aviație pentru un motor cu jet de aer pulsatoriu (PUVRD), nici un compresor care se rotește la o viteză de 40.000 rpm nu a fost necesar pentru a pompa aerul în uterul nesatific al camerei de ardere și nici să funcționeze 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, iar 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 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.
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 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 furnizat folosind 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 are loc detonarea amestecului de combustibil ...
În URSS, la fel ca în SUA, lucrările la un motor de detonație rotativă se desfășoară încă de la începutul anilor 1960, dar din nou, în ciuda simplității aparente a ideii, implementarea acesteia 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 fizico-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 pe motoarele de detonare. Printre acestea se numără NPO Energomash, cea mai importantă 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 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 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%.
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 detonare de dimensiuni complete în Rusia, iar acest fapt va rămâne în istoria stiinta si Tehnologie. publicat