Testele motoarelor de detonare
Fundația pentru Studii Avansate
Asociația de Cercetare și Producție Energomash a testat un model de cameră a unui motor de rachetă cu detonare lichidă cu o forță de două tone. Despre asta într-un interviu ziar rusesc”, a spus designerul șef al Energomash, Petr Levochkin. Potrivit lui, acest model funcționa pe kerosen și oxigen gazos.
Detonația este arderea unei substanțe în care se propagă frontul de ardere viteza mai mare sunet. În acest caz, o undă de șoc se propagă prin substanță, urmată de reactie chimica cu degajarea unei cantităţi mari de căldură. Motoarele de rachete moderne ard combustibil la viteze subsonice; acest proces se numește deflagrație.
Motoare de detonare Astăzi sunt împărțite în două tipuri principale: impuls și rotațional. Acestea din urmă sunt numite și spin. V motoare cu impulsuri exploziile scurte apar pe măsură ce sunt arse mici porțiuni din amestecul combustibil-aer. În rotativ, arderea amestecului are loc constant fără oprire.
În astfel de centrale electrice, se utilizează o cameră de ardere inelară în care amestecul de combustibil este alimentat secvenţial prin supape amplasate radial. În astfel de centrale electrice, detonația nu se estompează - unda de detonare „curge în jurul” camerei de ardere inelară, amestecul de combustibil din spatele acesteia are timp să fie actualizat. Motorul rotativ a fost studiat 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 de kilometri pe oră). Se crede că așa centrale electrice poate emite mai multă putere, consumând 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.
Un nou motor rusesc de detonare lichidă este dezvoltat în comun de mai multe institute, inclusiv Institutul de Aviație din Moscova, Institutul de Hidrodinamică Lavrentiev, Centrul Keldysh, Institutul Central Clădirea de motoare de aviație numită după Baranov și Facultatea de Mecanică și Matematică a Universității de Stat din Moscova. Dezvoltarea este supravegheată de Fundația pentru Studii Avansate.
Potrivit lui Levochkin, în timpul testelor, presiunea în camera de ardere a motorului de detonare a fost de 40 de atmosfere. În același timp, instalația a funcționat în mod fiabil, fără sisteme de răcire complicate. Unul dintre obiectivele testelor a fost acela de a confirma posibilitatea arderii prin detonare a unui amestec combustibil oxigen-kerosen. Anterior, a fost raportat că frecvența detonației în noul motor rusesc este de 20 kiloherți.
Primele teste ale unui motor de rachetă cu detonare lichidă în vara lui 2016. Nu se știe dacă motorul a fost testat din nou de atunci.
La sfârșitul lunii decembrie 2016 companie americană Aerojet Rocketdyne a contractat de către Laboratorul Național de Tehnologie Energetică din SUA pentru a dezvolta o nouă centrală electrică cu turbină cu gaz bazată pe un motor cu detonare rotativă. Lucrări care au condus la realizarea unui prototip instalatie noua programată pentru finalizare până la jumătatea anului 2019.
De evaluarea preliminară, un nou tip de motor cu turbină cu gaz va avea cel puțin cinci procente cea mai buna performanta decât astfel de instalaţii convenţionale. În acest caz, instalațiile în sine pot fi făcute mai compacte.
Vasily Sychev
Motoarele de detonare vor înlocui miezul turbinelor cu gaz / Foto: finobzor.ru
În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct 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. Zel'dovich a propus ideea unui motor de detonare în articolul „On utilizarea energiei ardere prin detonare". De atunci, mulți oameni de știință din tari diferite, apoi Statele Unite, apoi Germania, apoi compatrioții noștri s-au prezentat.
În vara, în august 2016, oamenii de știință ruși au reușit să creeze primul motor cu reacție cu propulsie lichidă de dimensiune completă din lume, care funcționează pe principiul arderii prin detonare a combustibilului. Țara noastră și-a stabilit în sfârșit o prioritate mondială în dezvoltarea celei mai noi tehnologii pentru mulți ani post-perestroika.
De ce este atât de bun motor nou? Un motor cu reacție folosește energia eliberată prin arderea unui amestec la presiune constantă și un front de flacără constant. În timpul arderii, amestecul gazos de combustibil și oxidant crește brusc temperatura și coloana de flacără care iese din duză creează jet thrust.
Motor de detonare / Foto: sdelanounas.ru
În timpul arderii prin detonare, produșii de reacție nu au timp să se prăbușească, deoarece acest proces este de 100 de ori mai rapid decât deflagrația, iar presiunea crește rapid, în timp ce volumul rămâne neschimbat. Eliberarea unei cantități atât de mari de energie poate distruge de fapt un motor de mașină, motiv pentru care un astfel de proces este adesea asociat cu o explozie.
În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct de vedere al termodinamicii, crește randamentul motorului cu un ordin de mărime, datorită compactității zonei de ardere. Prin urmare, experții au început cu atâta zel să dezvolte această idee.Într-un motor de rachetă convențional, care este în esență un arzător mare, principalul lucru nu este camera de ardere și duza, ci unitatea turbopompă a combustibilului (TNA), care creează o astfel de presiune încât combustibilul pătrunde în cameră. De exemplu, în motorul de rachetă rusesc RD-170 pentru vehiculele de lansare Energia, presiunea în camera de ardere este de 250 atm, iar pompa care furnizează oxidant în zona de ardere trebuie să creeze o presiune de 600 atm.
Într-un motor cu detonare, presiunea este creată de detonație însăși, care reprezintă o undă de compresie care se deplasează în amestecul de combustibil, în care presiunea fără TNA este deja de 20 de ori mai mare și unitățile de turbopompe sunt de prisos. Pentru a fi clar, American Shuttle are o presiune în camera de ardere de 200 atm, iar în astfel de condiții un motor de detonare are nevoie de doar 10 atm pentru a furniza amestecul - aceasta este ca o pompă de bicicletă și centrala hidroelectrică Sayano-Shushenskaya.
În acest caz, un motor bazat pe detonație nu este doar mai simplu și mai ieftin de un ordin de mărime, ci și mult mai puternic și mai economic decât un motor de rachetă convențional.Problema co-controlului cu o undă de detonare a apărut în calea implementării proiect motor de detonare. Acest fenomen nu este doar o undă de explozie, care are viteza sunetului, ci o undă de detonare care se propagă cu o viteză de 2500 m/s, nu există o stabilizare a frontului de flăcări în el, pentru fiecare pulsație amestecul este actualizat și valul începe din nou.
Anterior, inginerii ruși și francezi au dezvoltat și construit motoare cu reacție pulsatoare, dar nu pe principiul detonării, ci pe baza pulsației obișnuite de ardere. Caracteristicile unor astfel de PUVRD-uri erau scăzute, iar când constructorii de motoare au dezvoltat pompe, turbine și compresoare, a venit vârsta. motoare cu reactieși LRE, iar pulsația a rămas pe marginea progresului. Capii străluciți ai științei au încercat să combine arderea cu detonație cu un PUVRD, dar frecvența pulsațiilor unui front de ardere convențional nu este mai mare de 250 pe secundă, iar frontul de detonare are o viteză de până la 2500 m/s și frecvența sa de pulsație. ajunge la câteva mii pe secundă. Părea imposibil să pună în practică o astfel de rată de reînnoire a amestecului și, în același timp, să inițiezi detonarea.
În SUA, a fost posibil să se construiască un astfel de motor cu detonare și să-l testeze în aer, cu toate acestea, a funcționat doar 10 secunde, dar prioritatea a rămas la designerii americani. Dar deja în anii 60 ai secolului trecut, omul de știință sovietic B.V. Voitsekhovsky și, aproape în același timp, un american de la Universitatea din Michigan, J. Nichols, au venit cu ideea de a bucla o undă de detonare în camera de ardere.
Imagine: sdelanounas.ru
Cum funcționează un motor de rachetă cu detonare
Astfel de motor rotativ consta dintr-o cameră de ardere inelară cu duze plasate de-a lungul razei sale pentru alimentarea cu combustibil. Valul de detonare rulează ca o veveriță într-o roată în jurul circumferinței, amestecul de combustibil este comprimat și ars, împingând produsele de ardere prin duză. Într-un motor de rotație, obținem o frecvență de rotație a valurilor de câteva mii pe secundă, funcționarea sa este similară cu procesul de lucru într-un motor rachetă, doar mai eficient, datorită detonării amestecului de combustibil.
În URSS și SUA, și mai târziu în Rusia, se lucrează la crearea unui motor rotativ de detonare cu undă continuă, pentru a înțelege procesele care au loc în interior, pentru care a fost creată o întreagă știință a cineticii fizice și chimice. Pentru a calcula condițiile unui val neamortizat, au fost necesare computere puternice, care au fost create abia recent.
În Rusia, multe institute de cercetare și birouri de proiectare lucrează la proiectul unui astfel de motor de rotație, inclusiv compania de construire a motoarelor din industria spațială. Fundația de Cercetare Avansată a venit să ajute la dezvoltarea unui astfel de motor, deoarece este imposibil să obții finanțare de la Ministerul Apărării - au nevoie doar de un rezultat garantat.
Cu toate acestea, în timpul testelor din Khimki la Energomash, a fost înregistrată o stare constantă de detonare continuă de spin - 8 mii de rotații pe secundă pe un amestec de oxigen-kerosen. În același timp, undele de detonare au echilibrat undele de vibrație, iar straturile de protecție termică au rezistat la temperaturi ridicate.
Dar nu te măgulește, pentru că acesta este doar un motor demonstrativ care a funcționat foarte puțin timp și încă nu s-a spus nimic despre caracteristicile sale. Dar principalul lucru este că a fost dovedită posibilitatea de a crea arderea cu detonare și a fost creat în Rusia un motor de rotație de dimensiune completă, care va rămâne în istoria științei pentru totdeauna.
MOSCOVA, ediția „Făcut de noi”
12
În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct de vedere al termodinamicii, crește randamentul motorului cu un ordin de mărime, datorită compactității zonei de ardere.
Interesant este că în 1940, fizicianul sovietic Ya.B. Zel'dovich a propus ideea unui motor de detonare în articolul „Despre utilizarea energiei a arderii cu detonare”. De atunci, mulți oameni de știință din diferite țări au lucrat la o idee promițătoare, fie Statele Unite, apoi Germania, fie compatrioții noștri s-au prezentat.
În vara, în august 2016, oamenii de știință ruși au reușit să creeze primul motor cu reacție cu propulsie lichidă de dimensiune completă din lume, care funcționează pe principiul arderii prin detonare a combustibilului. Țara noastră și-a stabilit în sfârșit o prioritate mondială în dezvoltarea celei mai noi tehnologii pentru mulți ani post-perestroika.
De ce este noul motor atât de bun? Un motor cu reacție folosește energia eliberată prin arderea unui amestec la presiune constantă și un front de flacără constant. În timpul arderii, amestecul gazos de combustibil și oxidant crește brusc temperatura, iar coloana de flacără care iese din duză creează tracțiunea jetului.
În timpul arderii prin detonare, produșii de reacție nu au timp să se prăbușească, deoarece acest proces este de 100 de ori mai rapid decât deflagrația, iar presiunea crește rapid, în timp ce volumul rămâne neschimbat. Eliberarea unei cantități atât de mari de energie poate distruge de fapt un motor de mașină, motiv pentru care un astfel de proces este adesea asociat cu o explozie.
În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct de vedere al termodinamicii crește eficiența motorului cu un ordin de mărime, datorita compactitatii zonei de ardere. Prin urmare, experții au început cu atâta zel să dezvolte această idee.Într-un motor de rachetă convențional, care este în esență un arzător mare, principalul lucru nu este camera de ardere și duza, ci unitatea turbopompă a combustibilului (TNA), care creează o astfel de presiune încât combustibilul pătrunde în cameră. De exemplu, în motorul de rachetă rusesc RD-170 pentru vehiculele de lansare Energia, presiunea în camera de ardere este de 250 atm, iar pompa care furnizează oxidant în zona de ardere trebuie să creeze o presiune de 600 atm.
Într-un motor cu detonare, presiunea este creată de detonație însăși, care reprezintă o undă de compresie care se deplasează în amestecul de combustibil, în care presiunea fără TNA este deja de 20 de ori mai mare și unitățile de turbopompe sunt de prisos. Pentru a fi clar, American Shuttle are o presiune în camera de ardere de 200 atm, iar motorul de detonare în astfel de condiții are nevoie de doar 10 atm pentru a furniza amestecul - aceasta este ca o pompă de bicicletă și centrala hidroelectrică Sayano-Shushenskaya.
În acest caz, un motor bazat pe detonație nu este doar mai simplu și mai ieftin de un ordin de mărime, ci și mult mai puternic și mai economic decât un motor de rachetă convențional.Problema co-controlului cu o undă de detonare a apărut în calea implementării proiect motor de detonare. Acest fenomen nu este doar o undă de explozie, care are viteza sunetului, ci o undă de detonare care se propagă cu o viteză de 2500 m/s, nu există o stabilizare a frontului de flăcări în el, pentru fiecare pulsație amestecul este actualizat și valul începe din nou.
Anterior, inginerii ruși și francezi au dezvoltat și construit motoare cu reacție pulsatoare, dar nu pe principiul detonării, ci pe baza pulsației obișnuite de ardere. Caracteristicile unor astfel de PUVRD-uri erau scăzute, iar când constructorii de motoare au dezvoltat pompe, turbine și compresoare, a venit epoca motoarelor cu reacție și a LRE-urilor, iar cele pulsatorii au rămas pe marginea progresului. Capii străluciți ai științei au încercat să combine arderea cu detonație cu un PUVRD, dar frecvența pulsațiilor unui front de ardere convențional nu este mai mare de 250 pe secundă, iar frontul de detonare are o viteză de până la 2500 m/s și frecvența sa de pulsație. ajunge la câteva mii pe secundă. Părea imposibil să pună în practică o astfel de rată de reînnoire a amestecului și, în același timp, să inițiezi detonarea.
În SUA, a fost posibil să se construiască un astfel de motor cu detonare și să-l testeze în aer, cu toate acestea, a funcționat doar 10 secunde, dar prioritatea a rămas la designerii americani. Dar deja în anii 60 ai secolului trecut, omul de știință sovietic B.V. Voitsekhovsky și, aproape în același timp, un american de la Universitatea din Michigan, J. Nichols, au venit cu ideea de a bucla o undă de detonare în camera de ardere.
Cum funcționează un motor de rachetă cu detonare
Un astfel de motor rotativ consta dintr-o cameră de ardere inelară cu duze plasate de-a lungul razei sale pentru a furniza combustibil. Valul de detonare rulează ca o veveriță într-o roată în jurul circumferinței, amestecul de combustibil este comprimat și ars, împingând produsele de ardere prin duză. Într-un motor de rotație, obținem o frecvență de rotație a valurilor de câteva mii pe secundă, funcționarea sa este similară cu procesul de lucru într-un motor rachetă, doar mai eficient, datorită detonării amestecului de combustibil.
În URSS și SUA, și mai târziu în Rusia, se lucrează la crearea unui motor rotativ de detonare cu undă continuă, pentru a înțelege procesele care au loc în interior, pentru care a fost creată o întreagă știință a cineticii fizice și chimice. Pentru a calcula condițiile unui val neamortizat, au fost necesare computere puternice, care au fost create abia recent.
În Rusia, multe institute de cercetare și birouri de proiectare lucrează la proiectul unui astfel de motor de rotație, inclusiv compania de construcție de motoare a industriei spațiale NPO Energomash. Fundația de Cercetare Avansată a venit să ajute la dezvoltarea unui astfel de motor, deoarece este imposibil să obții finanțare de la Ministerul Apărării - au nevoie doar de un rezultat garantat.
Cu toate acestea, în timpul testelor din Khimki la Energomash, a fost înregistrată o stare constantă de detonare continuă de spin - 8 mii de rotații pe secundă pe un amestec de oxigen-kerosen. În același timp, undele de detonare au echilibrat undele de vibrație, iar straturile de protecție termică au rezistat la temperaturi ridicate.
Dar nu te măgulește, pentru că acesta este doar un motor demonstrativ care a funcționat foarte puțin timp și încă nu s-a spus nimic despre caracteristicile sale. Dar principalul lucru este că a fost dovedită posibilitatea de a crea arderea cu detonare și a fost creat în Rusia un motor de rotație de dimensiune completă, care va rămâne în istoria științei pentru totdeauna.
În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct de vedere al termodinamicii, crește randamentul motorului cu un ordin de mărime, datorită compactității zonei de ardere.
Interesant este că în 1940, fizicianul sovietic Ya.B. Zel'dovich a propus ideea unui motor de detonare în articolul „Despre utilizarea energiei a arderii cu detonare”. De atunci, mulți oameni de știință din diferite țări au lucrat la o idee promițătoare, fie Statele Unite, apoi Germania, fie compatrioții noștri s-au prezentat.
În vara, în august 2016, oamenii de știință ruși au reușit să creeze primul motor cu reacție cu propulsie lichidă de dimensiune completă din lume, care funcționează pe principiul arderii prin detonare a combustibilului. Țara noastră și-a stabilit în sfârșit o prioritate mondială în dezvoltarea celei mai noi tehnologii pentru mulți ani post-perestroika.
De ce este noul motor atât de bun? Un motor cu reacție folosește energia eliberată prin arderea unui amestec la presiune constantă și un front de flacără constant. În timpul arderii, amestecul gazos de combustibil și oxidant crește brusc temperatura, iar coloana de flacără care iese din duză creează tracțiunea jetului.
În timpul arderii prin detonare, produșii de reacție nu au timp să se prăbușească, deoarece acest proces este de 100 de ori mai rapid decât deflagrația, iar presiunea crește rapid, în timp ce volumul rămâne neschimbat. Eliberarea unei cantități atât de mari de energie poate distruge de fapt un motor de mașină, motiv pentru care un astfel de proces este adesea asociat cu o explozie.
În realitate, în loc de o flacără frontală constantă în zona de ardere, se formează o undă de detonare, care se repezi cu viteză supersonică. Într-o astfel de undă de compresie, combustibilul și oxidantul sunt detonate, acest proces, din punct de vedere al termodinamicii, crește randamentul motorului cu un ordin de mărime, datorită compactității zonei de ardere. Prin urmare, experții cu atâta zel au început să dezvolte această idee.
Într-un LRE convențional, care este de fapt un arzător mare, principalul lucru nu este camera de ardere și duza, ci unitatea turbopompă de combustibil (FPU), care creează o astfel de presiune încât combustibilul pătrunde în cameră. De exemplu, în motorul de rachetă rusesc RD-170 pentru vehiculele de lansare Energia, presiunea în camera de ardere este de 250 atm, iar pompa care furnizează oxidant în zona de ardere trebuie să creeze o presiune de 600 atm.
Într-un motor cu detonare, presiunea este creată de detonație însăși, care reprezintă o undă de compresie care se deplasează în amestecul de combustibil, în care presiunea fără TNA este deja de 20 de ori mai mare și unitățile de turbopompe sunt de prisos. Pentru a fi clar, American Shuttle are o presiune în camera de ardere de 200 atm, iar motorul de detonare în astfel de condiții are nevoie de doar 10 atm pentru a furniza amestecul - aceasta este ca o pompă de bicicletă și centrala hidroelectrică Sayano-Shushenskaya.
În acest caz, un motor bazat pe detonație nu este doar mai simplu și mai ieftin de un ordin de mărime, dar este mult mai puternic și mai economic decât un motor de rachetă convențional.
În drumul spre implementarea proiectului motor de detonare, a apărut problema coproprietății cu valul de detonare. Acest fenomen nu este doar o undă de explozie, care are viteza sunetului, ci o undă de detonare care se propagă cu o viteză de 2500 m/s, nu există o stabilizare a frontului de flăcări în el, pentru fiecare pulsație amestecul este actualizat și valul începe din nou.
Anterior, inginerii ruși și francezi au dezvoltat și construit motoare cu reacție pulsatoare, dar nu pe principiul detonării, ci pe baza pulsației obișnuite de ardere. Caracteristicile unor astfel de PUVRD-uri erau scăzute, iar când constructorii de motoare au dezvoltat pompe, turbine și compresoare, a venit epoca motoarelor cu reacție și a LRE-urilor, iar cele pulsatorii au rămas pe marginea progresului. Capii străluciți ai științei au încercat să combine arderea cu detonație cu un PUVRD, dar frecvența pulsațiilor unui front de ardere convențional nu este mai mare de 250 pe secundă, iar frontul de detonare are o viteză de până la 2500 m/s și frecvența sa de pulsație. ajunge la câteva mii pe secundă. Părea imposibil să pună în practică o astfel de rată de reînnoire a amestecului și, în același timp, să inițiezi detonarea.
În SUA, a fost posibil să se construiască un astfel de motor cu detonare și să-l testeze în aer, cu toate acestea, a funcționat doar 10 secunde, dar prioritatea a rămas la designerii americani. Dar deja în anii 60 ai secolului trecut, omul de știință sovietic B.V. Voitsekhovsky și, aproape în același timp, un american de la Universitatea din Michigan, J. Nichols, au venit cu ideea de a bucla o undă de detonare în camera de ardere.
Cum funcționează un motor de rachetă cu detonare
Un astfel de motor rotativ consta dintr-o cameră de ardere inelară cu duze plasate de-a lungul razei sale pentru a furniza combustibil. Valul de detonare rulează ca o veveriță într-o roată în jurul circumferinței, amestecul de combustibil este comprimat și ars, împingând produsele de ardere prin duză. Într-un motor de rotație, obținem o frecvență de rotație a valurilor de câteva mii pe secundă, funcționarea sa este similară cu procesul de lucru într-un motor rachetă, doar mai eficient, datorită detonării amestecului de combustibil.
În URSS și SUA, și mai târziu în Rusia, se lucrează la crearea unui motor rotativ de detonare cu undă continuă pentru a înțelege procesele care au loc în interior, iar pentru aceasta a fost creată o întreagă știință - cinetica fizică și chimică. Pentru a calcula condițiile unui val neamortizat, au fost necesare computere puternice, care au fost create abia recent.
În Rusia, multe institute de cercetare și birouri de proiectare lucrează la proiectul unui astfel de motor de rotație, inclusiv compania de construcție de motoare a industriei spațiale NPO Energomash. Fundația de Cercetare Avansată a venit să ajute la dezvoltarea unui astfel de motor, deoarece este imposibil să obții finanțare de la Ministerul Apărării - au nevoie doar de un rezultat garantat.
Cu toate acestea, în timpul testelor din Khimki la Energomash, a fost înregistrată o stare constantă de detonare continuă de spin - 8 mii de rotații pe secundă pe un amestec de oxigen-kerosen. În același timp, undele de detonare au echilibrat undele de vibrație, iar straturile de protecție termică au rezistat la temperaturi ridicate.
Dar nu te măgulește, pentru că acesta este doar un motor demonstrativ care a funcționat foarte puțin timp și încă nu s-a spus nimic despre caracteristicile sale. Dar principalul lucru este că a fost dovedită posibilitatea de a crea arderea cu detonare și a fost creat în Rusia un motor de rotație de dimensiune completă, care va rămâne în istoria științei pentru totdeauna.
Video: Energomash a fost primul din lume care a testat un motor de rachetă cu detonare cu propulsie lichidă
Ce se află cu adevărat în spatele rapoartelor despre primul motor de rachetă cu detonare din lume testat în Rusia
La sfârșitul lunii august 2016, știrea s-a răspândit în întreaga lume a agențiilor de presă: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, primul lichid de dimensiuni mari din lume. motor rachetă(LRE) folosind arderea prin detonare a combustibilului. Știința și tehnologia internă participă la acest eveniment de 70 de ani. Ideea unui motor de detonare a fost propusă de fizicianul sovietic Ya. De atunci, în întreaga lume au fost efectuate cercetări și experimente cu privire la implementarea practică a tehnologie promițătoare. În această cursă a minților, Germania, apoi SUA, apoi URSS au trecut înainte. Și acum Rusia și-a asigurat o prioritate importantă în istoria mondială a tehnologiei. V anul trecut ceva ca țara noastră nu se poate lăuda des.
Care sunt avantajele unui motor de detonare? În motoarele de rachetă tradiționale, ca, într-adevăr, în motoarele convenționale de avioane cu piston sau turboreacție, se folosește energia care este eliberată atunci când combustibilul este ars. În acest caz, în camera de ardere LRE se formează un front de flacără staționar, arderea în care are loc la o presiune constantă. Acest proces de ardere normală se numește deflagrație. Ca rezultat al interacțiunii dintre combustibil și oxidant, temperatura amestec de gaze crește brusc și o coloană de foc de produse de ardere iese din duză, care formează împingerea jetului.
Detonarea este și ardere, dar are loc de 100 de ori mai rapid decât în cazul arderii convenționale a combustibilului. Acest proces este atât de rapid încât detonarea este adesea confundată cu o explozie, mai ales că în acest caz se eliberează atât de multă energie încât, de exemplu, motorul mașinii atunci când acest fenomen are loc în cilindrii săi, se poate prăbuși efectiv. Cu toate acestea, detonarea nu este o explozie, ci un tip de ardere atât de rapidă încât produșii de reacție nici măcar nu au timp să se extindă, astfel încât acest proces, spre deosebire de deflagrație, are loc la un volum constant și o presiune în creștere bruscă.
În practică, arată astfel: în loc de un front de flacără staționar în amestecul de combustibil din interiorul camerei de ardere, se formează o undă de detonare, care se mișcă cu viteză supersonică. În această undă de compresie are loc detonarea amestecului de combustibil și oxidant, iar din punct de vedere termodinamic, acest proces este mult mai eficient decât arderea convențională a combustibilului. Eficiența arderii prin detonare este cu 25–30% mai mare, adică la arderea aceleiași cantități de combustibil, se obține o forță mai mare, iar datorită compactității zonei de ardere, motorul de detonare în ceea ce privește puterea eliminată pe unitate de volum teoretic depășește cu un ordin de mărime motoarele de rachetă convenționale.
Doar aceasta a fost suficientă pentru a atrage atenția cea mai apropiată a specialiștilor asupra acestei idei. La urma urmei, stagnarea care a apărut acum în dezvoltarea cosmonauticii mondiale, care a rămas blocată pe orbita aproape de Pământ timp de o jumătate de secol, este asociată în primul rând cu criza construcției motoarelor rachete. Apropo, aviația este și ea în criză, neputând trece pragul celor trei viteze ale sunetului. Această criză poate fi comparată cu situația din aviația cu piston de la sfârșitul anilor 1930. Surub si motor combustie internaşi-au epuizat potenţialul, iar doar apariţia motoarelor cu reacţie a făcut posibilă atingerea unui nivel calitativ nou nivel altitudinea, viteza si raza de actiune.
Design-urile motoarelor clasice de rachete din ultimele decenii au fost perfecte și au ajuns practic la limita capacităților lor. Este posibil să-și mărească caracteristicile specifice în viitor doar în limite foarte mici - cu câteva procente. Prin urmare, cosmonautica mondială este forțată să urmeze o cale extinsă de dezvoltare: pentru zborurile cu echipaj uman către Lună, este necesar să se construiască vehicule de lansare gigant, iar acest lucru este foarte dificil și nebunește de costisitor, cel puțin pentru Rusia. S-a dat peste o încercare de a depăși criza cu propulsia nucleară probleme ecologice. Este posibil să fie prea devreme pentru a compara aspectul motoarelor cu rachete cu detonare cu tranziția aviației la propulsia cu reacție, dar acestea sunt destul de capabile să accelereze procesul de explorare a spațiului. Mai mult, acest tip de motoare cu reacție are un alt avantaj foarte important.
GRES în miniatură
Un LRE obișnuit este, în principiu, un arzător mare. Pentru a-i crește forța și caracteristicile specifice, este necesară creșterea presiunii în camera de ardere. În acest caz, combustibilul care este injectat în cameră prin duze trebuie să fie furnizat la o presiune mai mare decât cea realizată în timpul procesului de ardere, altfel jetul de combustibil pur și simplu nu poate pătrunde în cameră. Prin urmare, cea mai complexă și mai scumpă unitate dintr-un motor de rachetă nu este deloc o cameră cu o duză, care este la vedere, ci o unitate de turbopompă de combustibil (TPU), ascunsă în măruntaiele unei rachete printre complexitățile conductelor.
De exemplu, cel mai puternic motor de rachetă cu propulsie lichidă RD-170 din lume, creat pentru prima etapă a vehiculului de lansare super-greu sovietic Energia de către același NPO Energia, are o presiune în camera de ardere de 250 de atmosfere. Aceasta este mult. Dar presiunea la ieșirea pompei de oxigen care pompează oxidantul în camera de ardere ajunge la 600 atm. Această pompă este alimentată de o turbină de 189 MW! Imaginează-ți asta: o roată de turbină cu un diametru de 0,4 m dezvoltă de patru ori mai multă putere decât spărgătorul de gheață cu propulsie nucleară Arktika cu două reactoare nucleare! În același timp, TNA este un complex dispozitiv mecanic, al cărui arbore face 230 de rotații pe secundă, și trebuie să lucreze într-un mediu de oxigen lichid, unde cea mai mică scânteie, nici măcar un fir de nisip în conductă, duce la o explozie. Tehnologia pentru crearea unui astfel de TNA este principalul know-how al Energomash, a cărui posesie permite firma ruseasca iar astăzi să-și vândă motoarele pentru a fi instalate pe lansatoarele americane Atlas V și Antares. Alternative motoare ruseștiîncă nu în SUA.
Pentru un motor cu detonare, astfel de dificultăți nu sunt necesare, deoarece detonarea în sine oferă presiune pentru o ardere mai eficientă, care este o undă de compresie care circulă 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 să fie echivalente, de exemplu, cu condițiile din camera de ardere a unui LRE al navetei americane (200 atm), este suficient să furnizați combustibil la o presiune de . .. 10 atm. Unitatea necesară pentru aceasta, în comparație cu TNA al unui motor clasic de rachetă, este ca o pompă de bicicletă în apropierea centralei electrice din districtul de stat Sayano-Shushenskaya.
Adică, un motor de detonare nu numai că va fi mai puternic și mai economic decât un motor de rachetă convențional, ci și cu un ordin de mărime mai simplu și mai ieftin. Deci, de ce nu a fost dată această simplitate designerilor timp de 70 de ani?
Pulsul progresului
Principala problemă cu care s-au confruntat inginerii a fost cum să facă față valului de detonare. Ideea nu este doar să facem motorul mai puternic, astfel încât să poată rezista sarcini crescute. Detonația nu este doar o undă de explozie, ci ceva mai subtil. Unda de explozie se propagă cu viteza sunetului, iar unda de detonare se propagă cu viteză supersonică - până la 2500 m/s. Nu formează un front de flacără stabil, astfel încât funcționarea unui astfel de motor este pulsatorie: după fiecare detonare, este necesar să se actualizeze amestec de combustibil, și apoi lansați un nou val în el.
Încercările de a crea un motor cu reacție pulsatorie au fost făcute cu mult înainte de ideea detonării. Ei au încercat să găsească o alternativă prin utilizarea motoarelor cu reacție pulsatoare motoare cu pistonîn anii 1930. Simplitatea a atras din nou: spre deosebire de o turbină de aeronavă, un motor cu reacție de aer în impulsuri (PuVRD) nu avea nevoie de un compresor care se rotește la o viteză de 40.000 rpm pentru a forța aerul în uterul nesățios al camerei de ardere și nici nu funcționa la o temperatură a gazului peste 1000. °C 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 funcțional al PuVRD a fost brevetat în 1906 de inginerul rus V.V. Karavodin, care a construit o fabrică model un an mai târziu. Din cauza unei serii de deficiențe, instalația Karavodin nu și-a găsit aplicație în practică. Primul PUVRD care a operat pe o aeronavă reală a fost germanul Argus As 014, bazat pe un brevet din 1931 al inventatorului de la Munchen Paul Schmidt. Argus a fost creat pentru „arma răzbunării” - bomba cu aripi V-1. O dezvoltare similară a fost creată în 1942 de designerul sovietic Vladimir Chelomey pentru prima rachetă de croazieră sovietică 10X.
Desigur, aceste motoare nu erau încă motoare de detonare, deoarece foloseau impulsuri de ardere convenționale. Frecvența acestor pulsații a fost scăzută, ceea ce a dat naștere la un sunet caracteristic de mitralieră în timpul funcționării. Caracteristici specifice ale PUVRD datorită modul intermitent munca medie a fost scăzută și după ce proiectanții, la sfârșitul anilor 1940, au făcut față dificultăților de a crea compresoare, pompe și turbine, motoare cu turboreacție iar LRE au devenit regii cerului, iar PuVRD a rămas la periferia progresului tehnic.
Este curios că designerii germani și sovietici au creat primul PuVRD independent unul de celălalt. Apropo, ideea unui motor de detonare în 1940 i-a venit în minte nu numai lui Zeldovich. În același timp, aceleași gânduri au fost exprimate și de Von Neumann (SUA) și Werner Döring (Germania), astfel că în știința internațională modelul de utilizare a arderii cu detonare a fost numit ZND.
Ideea de a combina un PUVRD cu arderea cu detonare a fost foarte tentantă. Dar partea frontală a unei flăcări obișnuite se propagă cu o viteză de 60–100 m/s, iar frecvența pulsațiilor sale într-un PUVRD nu depășește 250 pe secundă. Și frontul de detonare se mișcă cu o viteză de 1500-2500 m/s, deci frecvența pulsațiilor ar trebui să fie de mii pe secundă. A fost dificil de implementat în practică o astfel de rată de reînnoire a amestecului și de inițiere a detonației.
Cu toate acestea, au continuat încercările de a crea motoare funcționale de detonare pulsatorie. Munca specialiștilor forțelor aeriene americane în această direcție a culminat cu crearea unui motor demonstrativ, care la 31 ianuarie 2008 a urcat pentru prima dată pe cer cu o aeronavă experimentală Long-EZ. Într-un zbor istoric, motorul a funcționat timp de... 10 secunde la o înălțime de 30 de metri. Cu toate acestea, prioritatea acest caz a rămas cu Statele Unite, iar aeronava și-a luat locul pe bună dreptate în Muzeul Național al Forțelor Aeriene ale SUA.
Între timp, o altă schemă, mult mai promițătoare, pentru un motor de detonare a fost inventată cu mult timp în urmă.
Ca o veveriță într-o roată
Ideea de a bucla valul de detonare și de a o face să ruleze în camera de ardere ca o veveriță într-o roată a luat naștere de oamenii de știință la începutul anilor 1960. Fenomenul de detonare prin rotație a fost prezis teoretic de fizicianul sovietic din Novosibirsk B. V. Voitsekhovsky în 1960. Aproape concomitent cu el, în 1961, aceeași idee a fost exprimată de americanul J. Nicholls de la Universitatea din Michigan.
Motorul de detonare rotativ sau de rotație este structural o cameră de ardere inelară, la care se alimentează combustibilul prin intermediul unor duze dispuse radial. Unda de detonare din interiorul camerei nu se deplasează într-o direcție axială, ca într-un PuVRD, ci într-un cerc, comprimând și ardând amestecul de combustibil din fața acesteia și, în final, împingând produsele de ardere din duză în la fel ca un șurub de tocat carne împinge carnea tocată afară. În locul frecvenței pulsațiilor, 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 pulsat, ci ca un motor de rachetă convențional cu staționar. combustie, dar mult mai eficient, deoarece, de fapt, detonează amestecul de combustibil.
În URSS, precum și în SUA, lucrările la un motor cu detonare rotativă au început încă de la începutul anilor 1960, dar din nou, în ciuda aparentei simplități a ideii, implementarea sa a necesitat soluția unor probleme teoretice enigmatice. Cum să organizăm procesul astfel încât valul să nu se stingă? A fost necesar să se înțeleagă cele mai complexe procese fizice și chimice care au loc în mediu gazos. Aici, calculul nu s-a mai efectuat la nivel molecular, ci la nivel atomic, la joncțiunea chimiei cu fizica cuantică. Aceste procese sunt mai complexe decât cele care au loc în timpul generării unui fascicul laser. De aceea laserul funcționează de mult timp, dar motorul de detonare nu. Pentru a înțelege aceste procese, a fost necesar să se creeze o nouă știință fundamentală - cinetica fizico-chimică, care nu exista acum 50 de ani. Iar pentru calculul practic al condițiilor în care valul de detonare nu se va descompune, ci va deveni auto-susținut, au fost necesare computere puternice, care au apărut abia în ultimii ani. Acesta este fundamentul care trebuia pus pe baza succesului practic în îmblânzirea detonației.
În Statele Unite se desfășoară activități active în această direcție. Aceste studii sunt realizate de Pratt & Whitney, General Electric NASA. De exemplu, Laboratorul de Cercetare Navală din SUA dezvoltă turbine cu gaz cu detonare spin pentru flotă. Marina SUA folosește 430 centrale cu turbine cu gaz pe 129 de nave consumă combustibil în valoare de trei miliarde de dolari pe an. Introducerea unei detonații mai economice motoare cu turbine cu gaz(GTE) va economisi fonduri uriașe.
În Rusia, zeci de institute de cercetare și birouri de proiectare au lucrat și continuă să lucreze la motoarele de detonare. Printre aceștia se numără NPO Energomash, principala companie de construcție de motoare din industria spațială rusă, cu multe dintre întreprinderile căreia VTB Bank cooperează. Dezvoltarea unui motor de rachetă cu detonare a fost realizată mai mult de un an, dar pentru ca vârful aisbergului acestei lucrări să strălucească sub soarele sub forma unui test de succes, a fost nevoie de participarea organizatorică și financiară a notorie Fundația de Cercetare Avansată (FPI). FPI a fost cel care a alocat fondurile necesare să creeze în 2014 un laborator specializat „Motoare cu rachete detonatoare”. Într-adevăr, în ciuda a 70 de ani de cercetare, această tehnologie este încă „prea promițătoare” în Rusia pentru a fi finanțată de clienți precum Ministerul Apărării, care, de regulă, au nevoie de un rezultat practic garantat. Și e încă foarte departe.
Îmblânzirea scorpiei
Aș vrea să cred că, după tot ce s-a spus mai sus, devine clară lucrarea titanică care se găsește printre rândurile unui scurt mesaj despre testele care au avut loc la Energomash din Khimki în iulie - august 2016: „Pentru prima dată în lumea, un mod de stare staționară de detonare continuă de rotație a undelor de detonare transversale cu o frecvență de aproximativ 20 kHz (frecvența de rotație a undelor - 8 mii de rotații pe secundă) pe perechea de combustibil „oxigen - kerosen”. A fost posibil să se obțină mai multe unde de detonare care au echilibrat vibrațiile și sarcinile de șoc una ale altora. Acoperirile de protecție termică special dezvoltate la Centrul Keldysh au ajutat să facă față sarcinilor de temperatură ridicată. Motorul a rezistat mai multor porniri în condiții de sarcini extreme de vibrații și temperaturi ultra-înalte în absența răcirii stratului din apropierea peretelui. Un rol deosebit în acest succes l-a jucat crearea de modele matematice şi injectoare de combustibil, care a făcut posibilă obținerea unui amestec de consistența necesară apariției detonației.
Desigur, semnificația succesului obținut nu trebuie exagerată. A fost creat doar un motor demonstrativ, care a funcționat pentru un timp relativ scurt și despre asta caracteristici reale nimic nu este raportat. Potrivit NPO Energomash, un motor de rachetă cu detonare va crește tracțiunea cu 10% în timp ce arde aceeași cantitate de combustibil ca și în motor conventional, iar impulsul specific de împingere ar trebui să crească cu 10–15%.
Dar rezultatul principal constă în faptul că a fost practic confirmată posibilitatea organizării combustiei prin detonare într-un motor de rachetă cu propulsie lichidă. Cu toate acestea, mai este un drum lung de parcurs înainte de a utiliza această tehnologie în aeronave reale. Un alt aspect important este că o altă prioritate globală pentru tehnologie avansata de acum înainte, este atribuit țării noastre: pentru prima dată în lume, un motor de rachetă cu detonare de dimensiuni mari a fost lansat în Rusia, iar acest fapt va rămâne în istoria științei și tehnologiei.