Motoare cu detonare rotativă – o perspectivă economică. Motoare de detonare: progres și perspective

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. amestec de gaze din combustibil și oxidant, în timpul arderii, crește brusc temperatura și 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

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 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

Motoarele de detonare sunt chemate Mod normal care folosesc arderea prin detonare a combustibilului. Motorul în sine poate fi (teoretic) orice - motor cu ardere internă, reacție sau chiar abur. Teoretic. Cu toate acestea, până în prezent, toate motoarele cunoscute acceptabile comercial cu astfel de moduri de ardere a combustibilului, denumite în mod obișnuit „explozie”, nu au fost utilizate din cauza lor ... mmm .... inacceptabilității comerciale ..

O sursă:

La ce folosește arderea cu detonare în motoare? Simplificând și generalizând, ceva de genul acesta:

Avantaje

1. Înlocuirea arderii convenționale cu detonarea datorită caracteristicilor dinamicii gazelor din frontul undei de șoc crește completitatea maximă teoretică realizabilă a arderii amestecului, ceea ce face posibilă creșterea eficienței motorului și reducerea consumului cu aproximativ 5-20%. Acest lucru este valabil pentru toate tipurile de motoare, atât motoare cu ardere internă, cât și motoare cu reacție.

2. Rata de ardere a porțiunii amestec de combustibil crește de aproximativ 10-100 de ori, ceea ce înseamnă că teoretic este posibilă creșterea capacității de litri pentru un motor cu ardere internă (sau împingere specifică pe kilogram de masă pentru motoarele cu reacție) de aproximativ același număr de ori. Acest factor este relevant și pentru toate tipurile de motoare.

3. Factorul este relevant numai pentru motoarele cu reacție de toate tipurile: deoarece procesele de ardere au loc în camera de ardere la viteze supersonice, iar temperaturile și presiunile din camera de ardere cresc de multe ori, atunci există o oportunitate teoretică excelentă de a se multiplica viteza de evacuare curent cu jet din duza. Ceea ce, la rândul său, duce la o creștere proporțională a forței, a impulsului specific, a eficienței și/sau la o scădere a masei motorului și a combustibilului necesar.

Toți acești trei factori sunt foarte importanți, dar nu sunt revoluționari, ci, ca să spunem așa, de natură evolutivă. Revoluționarul este al patrulea și al cincilea factor și se aplică numai motoarelor cu reacție:

4. Numai utilizarea tehnologiilor de detonare face posibilă crearea unui motor cu reacție universal cu flux direct (și, prin urmare, pe un oxidant atmosferic!) de masă, dimensiune și forță acceptabile, pentru dezvoltarea practică și pe scară largă a gamei de până la viteze super- și hipersonice de 0-20 Mach.

5. Doar tehnologiile de detonare fac posibilă scoaterea din motoarele de rachete chimice (abur oxidant de combustibil) parametrii de viteza necesare pentru aplicarea lor largă în zborurile interplanetare.

Punctele 4 și 5. ne dezvăluie teoretic a) drum ieftinîn spațiul apropiat și b) drumul către lansările cu echipaj cu echipaj către cele mai apropiate planete, fără a fi nevoie de a face vehicule de lansare super-grele monstruoase cu o greutate de peste 3500 de tone.

Dezavantajele motoarelor de detonare provin din avantajele lor:

O sursă:

1. Viteza de ardere este atât de mare încât cel mai adesea aceste motoare pot fi făcute să funcționeze doar ciclic: admisie-ardere. Ceea ce reduce de cel puțin trei ori puterea maximă de litri și/sau tracțiunea realizabilă, lipsind uneori ideea în sine de sens.

2. Temperaturile, presiunile și ratele de creștere a acestora în camera de ardere a motoarelor cu detonare sunt de așa natură încât exclud utilizarea directă a majorității materialelor cunoscute nouă. Toate sunt prea slabe pentru a construi un motor simplu, ieftin și eficient. Este necesară fie o întreagă familie de materiale fundamental noi, fie utilizarea unor trucuri de design care nu au fost încă elaborate. Nu avem materiale, iar complicația designului, din nou, face de multe ori ca întreaga idee să nu aibă sens.

Cu toate acestea, există un domeniu în care motoarele de detonare sunt indispensabile. Acesta este un hipersunet atmosferic viabil din punct de vedere economic, cu un interval de viteză de 2-20 Max. Prin urmare, bătălia se desfășoară pe trei fronturi:

1. Creați o diagramă a motorului cu detonare continuăîn camera de ardere. Ceea ce necesită supercalculatoare și abordări teoretice non-triviale pentru a-și calcula hemodinamica. În acest domeniu, blestemații de geci matlasate, ca întotdeauna, au luat conducerea, iar pentru prima dată în lume au arătat teoretic că o delegare continuă este în general posibilă. Invenție, descoperire, brevet - toate lucrurile. Și au început să facă o structură practică din țevi ruginite și kerosen.

2. Creația solutii constructive permițând utilizarea materiale clasice. Blestemați jachetele matlasate cu urși beți și iată că ei au fost primii care au venit cu și au făcut un motor cu mai multe camere de laborator care a funcționat deja de mult timp arbitrar. Împingerea este ca cea a motorului Su27, iar greutatea este de așa natură încât 1 (unul!) bunic îl ține în mâini. Dar, din moment ce votca a fost arsă, motorul s-a dovedit a pulsa deocamdată. Pe de altă parte, ticălosul lucrează atât de curat încât poate fi pornit chiar și în bucătărie (unde jachetele matlasate chiar l-au spălat între vodcă și balalaika)

3. Crearea de supermateriale pentru viitoarele motoare. Această zonă este cea mai strânsă și cea mai secretă. Nu am informații despre descoperiri în ea.

Pe baza celor de mai sus, luați în considerare perspectivele de detonare, motor cu piston cu ardere internă. După cum știți, creșterea presiunii în camera de ardere de dimensiuni clasice, în timpul detonării în motorul cu ardere internă, viteza mai mare sunet. Rămânând în același design, nu există nicio modalitate de a face un piston mecanic și, chiar și cu mase legate semnificative, să se miște într-un cilindru cu aproximativ aceleași viteze. De asemenea, sincronizarea aspectului clasic nu poate funcționa la astfel de viteze. Prin urmare, o conversie directă a unui ICE clasic în unul de detonare este lipsită de sens din punct de vedere practic. Motorul trebuie reproiectat. Dar de îndată ce începem să facem acest lucru, se dovedește că pistonul din acest design este simplu detalii suplimentare. Prin urmare, IMHO, o detonare a pistonului ICE este un anacronism.

Motoarele de rachete cu detonare au fost testate cu succes în Rusia. Petr Levochkin, designer-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

Au fost efectuate teste cu succes ale așa-numitelor motoare de rachetă cu detonare, care au dat rezultate foarte interesante. Lucrările de dezvoltare în această direcție vor fi continuate.

Detonarea este o explozie. Poate fi gestionat? Este posibil să se creeze arme hipersonice pe baza unor astfel de motoare? Ce motoare de rachetă vor duce vehicule nelocuite și cu echipaj în spațiul apropiat? Aceasta a fost conversația noastră cu directorul general adjunct - proiectant șef al „NPO Energomash numit după academicianul V.P. Glushko” Petr Levochkin.

Petr Sergeevich, ce oportunități deschid noile motoare?

Petr Levochkin: Dacă vorbim de termen scurt, astăzi lucrăm la motoare pentru rachete precum Angara A5V și Soyuz-5, precum și altele care sunt în stadiul de pre-proiectare și sunt necunoscute publicului larg. În general, motoarele noastre sunt proiectate pentru a ridica o rachetă de pe suprafața unui corp ceresc. Și poate fi orice - terestru, lunar, marțian. Deci, dacă programele lunare sau marțiane sunt implementate, cu siguranță vom lua parte la ele.

Care este eficiența motoarelor rachete moderne și există modalități de a le îmbunătăți?

Petr Levochkin: Dacă vorbim despre parametrii energetici și termodinamici ai motoarelor, atunci putem spune că ale noastre, precum și cele mai bune motoare de rachete chimice străine de astăzi, au atins o anumită perfecțiune. De exemplu, caracterul complet al arderii combustibilului ajunge la 98,5 la sută. Adică, aproape toată energia chimică a combustibilului din motor este convertită în energie termică a jetului de gaz care iese din duză.

Motoarele pot fi îmbunătățite în multe feluri. Aceasta include utilizarea unor componente de combustibil consumatoare de energie mai mult, introducerea de noi modele de circuite și o creștere a presiunii în camera de ardere. O altă direcție este utilizarea tehnologiilor noi, inclusiv aditive, pentru a reduce intensitatea muncii și, ca urmare, a reduce costurile. motor rachetă. Toate acestea conduc 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.

Folosirea unei explozii controlate de propulsor ar putea da unei rachete o viteză de opt ori mai mare decât viteza sunetului

De ce?

Petr Levochkin: Creșterea 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 ai pompelor. Ca urmare, complexitatea structurii și masa acesteia cresc, iar câștigul de energie se dovedește a nu fi atât de mare. Jocul nu va costa lumânarea.

Adică motoarele de rachete au epuizat resursele dezvoltării lor?

Petr Levochkin: Nu chiar. Vorbitor limbaj tehnic, ele pot fi îmbunătățite prin creșterea eficienței proceselor intra-motorii. Există cicluri de conversie termodinamică a energiei chimice în energia unui jet care curge, care sunt mult mai eficiente decât arderea clasică. combustibil pentru racheta. Acesta este ciclul de ardere cu detonare și ciclul Humphrey aproape de acesta.

Însuși efectul detonării combustibilului a fost descoperit de compatriotul nostru - mai târziu academicianul Yakov Borisovich Zeldovich în 1940. Realizarea acestui efect în practică promitea perspective foarte mari în știința rachetelor. Nu este surprinzător că germanii în aceiași ani au investigat în mod activ procesul de detonare al arderii. Dar ei nu au avansat mai departe decât experimente care nu au fost complet reușite.

Calculele teoretice au arătat că arderea prin detonare este cu 25 la sută mai eficientă decât ciclul izobaric, care corespunde arderii combustibilului la presiune constantă, care este implementată în camerele motoarelor moderne cu propulsie lichidă.

Și ce oferă avantajele arderii cu detonare în comparație cu cea clasică?

Petr Levochkin: Procesul clasic de ardere este subsonic. Detonație - supersonică. Viteza reacției într-un volum mic duce la o degajare uriașă de căldură - este de câteva mii de ori mai mare decât în ​​arderea subsonică, implementată în motoarele clasice de rachetă cu aceeași masă de combustibil arzând. Și pentru noi, inginerii de motoare, asta înseamnă că, cu un motor cu detonare mult mai mic și cu o masă mică de combustibil, puteți obține aceeași forță ca și în motoarele moderne cu rachete lichide uriașe.

Nu este un secret pentru nimeni că motoarele cu combustie prin detonare a combustibilului sunt dezvoltate și în străinătate. Care sunt pozițiile noastre? Cedem, mergem la nivelul lor sau suntem în frunte?

Petr Levochkin: Nu suntem inferiori - asta este sigur. Dar nici nu pot spune că suntem în frunte. Subiectul este destul de închis. Unul dintre principalele secrete tehnologice este cum să vă asigurați că combustibilul și oxidantul unui motor de rachetă nu arde, ci explodează, fără a distruge camera de ardere. Adică, de fapt, să faci o adevărată explozie controlabilă și gestionabilă. Pentru referință: detonarea este arderea combustibilului în fața unei unde de șoc supersonice. Există detonații în impulsuri, când unda de șoc se mișcă de-a lungul axei camerei și una o înlocuiește pe cealaltă, precum și detonații continue (spin), când undele de șoc din cameră se mișcă în cerc.

Din câte știm, studii experimentale de ardere prin detonare au fost efectuate cu participarea specialiștilor dumneavoastră. Ce rezultate s-au obtinut?

Petr Levochkin: S-a lucrat pentru a crea o cameră model pentru un motor de rachetă cu detonare lichidă. O mare cooperare a centrelor științifice de top din Rusia a lucrat la proiect sub patronajul Fundației pentru Studii Avansate. Printre acestea, Institutul de Hidrodinamică. M.A. Lavrentiev, MAI, „Centrul Keldysh”, Institutul Central motor de aviație construindu-le. P.I. Baranov, Facultatea de Mecanică și Matematică, Universitatea de Stat din Moscova. Ne-am propus să folosim kerosenul ca combustibil și oxigenul gazos ca agent oxidant. În procesul de studii teoretice și experimentale, s-a confirmat posibilitatea creării unui motor de rachetă cu detonare pe baza unor astfel de componente. Pe baza datelor obținute, am dezvoltat, fabricat și testat cu succes un model de cameră de detonare cu o tracțiune 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. Deci, desigur, au fost probleme. În primul rând, ele sunt legate de furnizarea unei detonări stabile a oxigenului cu kerosen și, în al doilea rând, de asigurarea unei răciri fiabile a peretelui de foc al camerei fără răcire cu cortină și o serie de alte probleme, a căror esență este clară doar pentru specialişti.

Poate fi folosit un motor de detonare la rachetele hipersonice?

Petr Levochkin: Este atât posibil, cât și necesar. Numai pentru că arderea combustibilului din el este supersonică. Și în acele motoare pe care acum încearcă să creeze avioane hipersonice controlate, arderea este subsonică. Și asta creează o mulțime de probleme. La urma urmei, dacă arderea în motor este subsonică, iar motorul zboară, să zicem, la o viteză de Mach 5 (un Mach egal cu viteza sunet), este necesar să încetiniți fluxul de aer care vine în modul de sunet. În consecință, toată energia acestei decelerații este convertită în căldură, ceea ce duce la supraîncălzirea suplimentară a structurii.

Și într-un motor cu detonare, procesul de ardere are loc cu o viteză de cel puțin două ori și jumătate mai mare decât viteza sunetului. 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 vor folosi principiul arderii prin detonare.

Se are în vedere problema dezvoltării motoarelor cu detonare pe impuls. Principalul centre științifice conducerea cercetării asupra motoarelor de nouă generație. Sunt luate în considerare principalele direcții și tendințe în dezvoltarea designului motoarelor de detonare. Sunt prezentate principalele tipuri de astfel de motoare: impuls, impuls multitub, impuls cu rezonator de înaltă frecvență. Diferența în metoda de creare a forței este arătată în comparație cu un motor cu reacție clasic echipat cu o duză Laval. Este descris conceptul de perete de tracțiune și modul de tracțiune. Se arată că motoarele cu detonare în impulsuri sunt îmbunătățite în direcția creșterii ratei de repetare a pulsului, iar această direcție își are dreptul la viață în domeniul vehiculelor aeriene fără pilot ușoare și ieftine, precum și în dezvoltarea diferitelor amplificatoare de impuls ejector. . Sunt prezentate principalele dificultăți de natură fundamentală în modelarea unui flux turbulent de detonare folosind pachete de calcul bazate pe utilizarea modelelor de turbulență diferențială și a mediei în timp a ecuațiilor Navier-Stokes.

motor de detonare

motor cu detonare impuls

1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Istoria studiilor experimentale ale presiunii inferioare // Cercetare de baza. - 2011. - Nr. 12 (3). - S. 670-674.

2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Fluctuațiile presiunii inferioare // Cercetare fundamentală. - 2012. - Nr. 3. - S. 204–207.

3. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Particularităţi ale aplicării modelelor de turbulenţă în calculul debitelor în traseele supersonice ale motoarelor avansate cu reacţie de aer // Motor. - 2012. - Nr. 1. - P. 20–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. Despre clasificarea regimurilor de curgere într-un canal cu expansiune bruscă // Termofizică și Aeromecanică. - 2012. - Nr. 2. - S. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. Despre oscilațiile de flux de joasă frecvență ale presiunii inferioare // Cercetare fundamentală. - 2013. - Nr. 4 (3). – S. 545–549.

6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mohov A.A. Cercetarea și analiza purjărilor „la rece” ale modulului de tracțiune al unui motor cu detonare pulsatorie de înaltă frecvență // Buletinul MAI. - T.14. - Nr 4 - M .: Editura MAI-Print, 2007. - S. 36–42.

7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspectivele utilizării tehnologiilor de detonare în impulsuri în motor turboreactor. OAO NPO Saturn NTC im. A. Lyulki, Moscova, Rusia. Institutul de Aviație din Moscova (GTU). - Moscova, Rusia. ISSN 1727-7337. Inginerie și Tehnologie Aerospațială, 2011. - Nr. 9 (86).

Proiecte de detonare din SUA incluse în programul de dezvoltare motoare promițătoare IHPTET. Cooperarea include aproape toate centre de cercetare lucrează în domeniul construcției motoarelor. Numai NASA alocă până la 130 de milioane de dolari pe an pentru aceste scopuri. Aceasta dovedește relevanța cercetării în această direcție.

Prezentare generală a muncii în domeniul motoarelor de detonare

Strategia de piata a producatorilor de top din lume vizeaza nu numai dezvoltarea de noi motoare de detonare cu reactie, ci si modernizarea celor existente prin inlocuirea camerei de ardere traditionala cu una de detonare. În plus, motoarele de detonare pot deveni element constitutiv plante combinate tipuri variate, de exemplu, să fie folosit ca post-ardere al unui motor turboventilator, ca motoare de ridicare ejector în aeronavele VTOL (un exemplu din Fig. 1 este un proiect de transport Boeing VTOL).

În Statele Unite, multe centre de cercetare și universități dezvoltă motoare de detonare: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield și Valcartier, Uniyersite de Poitiers, Universitatea din Texas din Arlington, Uniyersite de Poitiers, Universitatea McGill, Universitatea de Stat din Pennsylvania, Universitatea Princeton.

Poziția de lider în dezvoltarea motoarelor de detonare este ocupată de centrul specializat Seattle Aerosciences Center (SAC), cumpărat în 2001 de Pratt și Whitney de la Adroit Systems. Cea mai mare parte a activității centrului este finanțată de Forțele Aeriene și NASA din bugetul programului interagenții Programul Integrat de Tehnologie de Propulsie a Rachetei cu Payoff High Payoff (IHPRPTP), care vizează crearea de noi tehnologii pentru motoarele cu reacție de diferite tipuri.

Orez. 1. Brevet US 6.793.174 B2 de la Boeing, 2004

În total, din 1992, specialiștii SAC au efectuat peste 500 de teste pe banc de probe experimentale. Lucrările la motoare cu detonare în impulsuri (PDE) cu consum de oxigen atmosferic sunt efectuate de Centrul SAC la ordinul Marinei SUA. Având în vedere complexitatea programului, specialiștii Marinei au implicat aproape toate organizațiile implicate în motoarele de detonare în implementarea acestuia. în afară de Prattși Whitney, United Technologies Research Center (UTRC) și Boeing Phantom Works sunt implicați în lucrare.

În prezent în țara noastră peste asta problemă de actualitate teoretic, funcționează următoarele universități și institute ale Academiei Ruse de Științe (RAS): Institutul de Fizică Chimică RAS (ICP), Institutul de Inginerie Mecanică RAS, Institutul temperaturi mari RAS (IVTAN), Institutul de Hidrodinamică Novosibirsk. Lavrentiev (ISIL), Institutul de Mecanică Teoretică și Aplicată. Khristianovici (ITMP), Institutul Fizico-Tehnic. Ioffe, Universitatea de Stat din Moscova (MGU), Institutul de Aviație de Stat din Moscova (MAI), Universitatea de Stat Novosibirsk, Universitatea de Stat Cheboksary, Universitatea de Stat Saratov etc.

Direcții de lucru la motoarele cu detonare cu impulsuri

Direcția nr. 1 - Motor clasic de detonare a impulsurilor (PDE). camera de ardere tipica motor turboreactor constă din duze pentru amestecarea combustibilului cu un oxidant, un dispozitiv de aprindere a amestecului de combustibil și tubul de flacără propriu-zis, în care au loc reacții redox (combustie). Tubul de flacără se termină cu o duză. De regulă, aceasta este o duză Laval, care are o parte conică, o secțiune critică minimă în care viteza produselor de ardere este egală cu viteza locală a sunetului, o parte în expansiune în care presiunea statică a produselor de ardere este redus la o presiune de mediu inconjurator, cat mai mult posibil. Este foarte dificil să se estimeze forța motorului ca aria secțiunii critice a duzei, înmulțită cu diferența de presiune din camera de ardere și din mediu. Prin urmare, forța este mai mare, cu atât presiunea în camera de ardere este mai mare.

Împingerea unui motor cu detonare în impuls este determinată de alți factori - transferul unui impuls de către o undă de detonare către peretele de tracțiune. Duza în acest caz nu este deloc necesară. Motoarele cu detonare cu impulsuri au propria lor nișă - avioane ieftine și de unică folosință. În această nișă, se dezvoltă cu succes în direcția creșterii ratei de repetiție a pulsului.

Aspectul clasic al IDD este o cameră de ardere cilindrică, care are un perete plat sau special profilat, numit „perete de tiraj” (Fig. 2). Simplitatea dispozitivului IDD este avantajul său incontestabil. După cum arată analiza publicațiilor disponibile, în ciuda varietății de scheme propuse de PDE, toate acestea se caracterizează prin utilizarea tuburilor de detonare de lungime considerabilă ca dispozitive rezonante și utilizarea supapelor care asigură alimentarea periodică cu fluidul de lucru.

Trebuie remarcat faptul că PDE, creat pe baza tuburilor de detonare tradiționale, în ciuda eficienței termodinamice ridicate într-o singură pulsație, are dezavantajele caracteristice motoarelor clasice cu reacție de aer pulsatorie, și anume:

Frecvența scăzută (până la 10 Hz) a pulsațiilor, ceea ce determină nivelul relativ scăzut al eficienței medii de tracțiune;

Sarcini termice și vibraționale ridicate.

Orez. 2. schema circuitului motor cu detonare a impulsurilor (PDE)

Direcția nr. 2 - Multipipe IDD. Principala tendință în dezvoltarea IDD este trecerea la o schemă cu mai multe conducte (Fig. 3). În astfel de motoare, frecvența de funcționare a unui singur tub rămâne scăzută, dar datorită alternanței impulsurilor în diferite tuburi, dezvoltatorii speră să obțină caracteristici specifice acceptabile. O astfel de schemă pare să fie destul de funcțională dacă se rezolvă problema vibrațiilor și asimetriei de forță, precum și problema presiunii inferioare, în special, posibile oscilații de joasă frecvență în regiunea inferioară dintre țevi.

Orez. 3. Motor de detonare cu impulsuri (PDE) din schema tradițională cu un pachet de tuburi de detonare ca rezonatoare

Direcția nr. 3 - IDD cu rezonator de înaltă frecvență. Există, de asemenea, o direcție alternativă - o schemă recent promovată pe scară largă cu module de tracțiune (Fig. 4) având un rezonator de înaltă frecvență profilat special. Lucrări în această direcție se desfășoară la CNT im. A. Lyulka și în MAI. Schema se distinge prin absența oricăruia supape mecaniceși dispozitive de aprindere intermitentă.

Modulul de tracțiune al IDD al schemei propuse constă dintr-un reactor și un rezonator. Reactorul servește la pregătire amestec combustibil-aer la combustie prin detonare, descompunerea moleculelor amestec combustibilîn constituenți reactivi. O diagramă schematică a unui ciclu de funcționare a unui astfel de motor este prezentată clar în fig. 5.

Interacționând cu suprafața inferioară a rezonatorului ca și cu un obstacol, unda de detonare în procesul de coliziune îi transferă un impuls de la forțele de suprapresiune.

IDD cu rezonatoare de înaltă frecvență au dreptul la succes. În special, aceștia pot pretinde că modernizează postcombustoarele și rafinează motoarele simple cu turboreacție, din nou concepute pentru UAV-uri ieftine. De exemplu, încercările MAI și CIAM de a moderniza motorul turborreactor MD-120 în acest fel prin înlocuirea camerei de ardere cu un reactor de activare a amestecului de combustibil și instalarea modulelor de tracțiune cu rezonatoare de înaltă frecvență în spatele turbinei. Până acum, nu a fost posibil să se creeze un design funcțional, deoarece. la profilarea rezonatoarelor, autorii folosesc teoria liniară a undelor de compresie, i.e. calculele se efectuează în aproximarea acustică. Dinamica undelor de detonare și a undelor de compresie este descrisă de un aparat matematic complet diferit. Utilizarea pachetelor numerice standard pentru calcularea rezonatoarelor de înaltă frecvență are o limitare fundamentală. Tot modele moderne turbulențele se bazează pe medierea ecuațiilor Navier-Stokes (ecuațiile de bază ale dinamicii gazelor) în timp. În plus, se introduce ipoteza lui Boussinesq că tensorul tensiunii de frecare turbulente este proporțional cu gradientul de viteză. Ambele ipoteze nu sunt satisfăcute în fluxurile turbulente cu unde de șoc dacă frecvențele caracteristice sunt comparabile cu frecvența pulsației turbulente. Din păcate, avem de-a face doar cu un astfel de caz, așa că aici este necesar fie să construim un model mai mult nivel inalt, sau simulare numerică directă bazată pe ecuațiile complete Navier-Stokes fără utilizarea modelelor de turbulență (o sarcină care este insuportabilă în stadiul actual).

Orez. 4. Schema PDD cu un rezonator de înaltă frecvență

Orez. Fig. 5. Schema PDE cu rezonator de înaltă frecvență: SZS - jet supersonic; SW - unda de soc; Ф - focalizarea rezonatorului; DW - val de detonare; VR - val de rarefacție; SHW - undă de șoc reflectată

IDD sunt îmbunătățite în direcția creșterii ratei de repetiție a pulsului. Această direcție își are dreptul la viață în domeniul vehiculelor aeriene fără pilot ușoare și ieftine, precum și în dezvoltarea diferitelor amplificatoare de tracțiune a ejectorului.

Uskov V.N., Doctor în Științe Tehnice, Profesor al Departamentului de Hidroaeromecanică a Universității de Stat din Sankt Petersburg, Facultatea de Matematică și Mecanică, Sankt Petersburg;

Emelyanov V.N., doctor în științe tehnice, profesor, șef al Departamentului de dinamică a gazelor plasmatice și inginerie termică, BSTU „VOENMEH” numit după A.I. D.F. Ustinov, Sankt Petersburg.

Lucrarea a fost primită de redactori pe 14 octombrie 2013.

Link bibliografic