Motoarele de detonare sunt numite operatie normala care folosesc arderea de combustibil. Motorul în sine poate fi (teoretic) orice - un motor cu ardere internă, un motor cu reacție sau chiar un motor cu aburi. Teoretic. Cu toate acestea, până acum, toate motoarele cunoscute acceptabile din punct de vedere comercial ale acestor moduri de ardere a combustibilului, la oamenii obișnuiți denumiți „explozie”, nu au fost utilizate din cauza ... inacceptabilității lor comerciale ..
O sursă:
Ce oferă utilizarea arderii prin detonare în motoare? Simplificând și generalizând puternic, ceva de genul:
Avantaje
(1) Înlocuirea combustiei convenționale prin detonare, datorită particularităților dinamicii gazelor din fața șocului, mărește completitudinea teoretică maximă realizabilă a combustiei amestecului, ceea ce face posibilă creșterea Eficiența motorului, și reduce consumul cu aproximativ 5-20%. Acest lucru este valabil pentru toate tipurile de motoare, atât motoare cu ardere internă, cât și motoare cu reacție.
2. Viteza de ardere a unei porțiuni din amestecul de combustibil crește de aproximativ 10-100 de ori, ceea ce înseamnă teoretic că este posibil ca motorul cu combustie internă să crească puterea litrului (sau propulsie specifică pe kilogram de masă pentru motoare cu reactie) aproximativ același număr de ori. Acest factor este relevant și pentru toate tipurile de motoare.
3. Factorul este relevant doar 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 semnificativ, există o oportunitate teoretică excelentă de a multiplica debitul rată. jet stream din duza. Acest lucru, la rândul său, duce la o creștere proporțională a tracțiunii, impulsului specific, eficiență și / sau o scădere a greutății motorului și a combustibilului necesar.
Toți acești trei factori sunt foarte importanți, dar nu sunt revoluționari, ci evolutivi, ca să spunem așa. Al patrulea și al cincilea factor sunt revoluționari și se aplică numai motoarelor cu reacție:
4. Numai utilizarea tehnologiilor de detonare face posibilă crearea unui ramjet (și, prin urmare, pe un oxidant atmosferic!) Motor cu jet universal cu o masă, dimensiune și presiune acceptabilă, pentru dezvoltarea practică și pe scară largă a gamei de sub -, viteze super și hipersonice de 0-20Max.
5. Numai tehnologiile de detonare fac posibilă extragerea de pe motoarele rachete chimice (pe o pereche combustibil-oxidant) a parametrilor de viteză necesari pentru utilizarea lor pe scară largă în zborurile interplanetare.
Punctele 4 și 5. teoretic ne dezvăluie a) drum ieftinîn spațiul apropiat și b) drumul către echipaj se lansează către planetele din apropiere, fără a fi nevoie să facă monstruoase vehicule de lansare super-grele care cântăresc peste 3500 de tone.
Dezavantajele motoarelor de detonare provin din avantajele lor:
O sursă:
1. Viteza de ardere este atât de mare încât de cele mai multe ori aceste motoare pot funcționa numai într-un mod ciclic: admisie-combustie-evacuare. Acest lucru de cel puțin trei ori reduce puterea și / sau forța maximă de litru realizabilă, făcând uneori ideea în sine lipsită de sens.
2. Temperaturile, presiunile și rata lor de creștere în camera de ardere a motoarelor de detonare sunt de așa natură încât exclud utilizarea directă a majorității materialelor cunoscute de noi. Sunt prea slabi pentru a construi un mod simplu, ieftin și motor eficient... Este necesară fie o întreagă familie de materiale fundamental noi, fie utilizarea unor trucuri de proiectare încă neprelucrate. Nu avem materiale, iar complicația designului, din nou, de multe ori privește întreaga idee de simț.
Cu toate acestea, există o zonă în care motoarele de detonare sunt indispensabile. Este un hiperson atmosferic viabil din punct de vedere economic, cu un interval de viteză de 2-20 Max. Prin urmare, bătălia merge în trei direcții:
1. Crearea unui circuit motor cu detonare continuă în camera de ardere. Acest lucru necesită supercalculatoare și abordări teoretice non-banale pentru a-și calcula hemodinamica. În această zonă, blestematele jachete matlasate, ca întotdeauna, au tras în față și, pentru prima dată în lume, au arătat teoretic că, în general, este posibilă o delegare continuă. Invenție, descoperire, brevet - toate afacerile. Și au început să fabrice o structură practică din țevi ruginite și kerosen.
2. Creația soluții constructive făcând posibilă utilizarea materiale clasice... Blestemul jachetelor matlasate cu urși beți a fost, de asemenea, primul care a venit și a realizat un motor cu mai multe camere de laborator care funcționează atâta timp cât este necesar. Puterea este aceeași cu cea a motorului Su27, iar greutatea este de așa natură încât unul (unul!) Bunicul îl ține în mâini. Dar, din moment ce vodca a fost arsă, motorul sa dovedit a fi pulsat până acum. Pe de altă parte, ticălosul funcționează atât de curat încât poate fi pornit chiar și în bucătărie (unde jachetele matlasate îl taie de fapt în intervalele dintre vodcă și balalaika)
3. Crearea supermaterialelor pentru viitoarele motoare. Această zonă este cea mai strânsă și cea mai secretă. Nu am informații despre descoperiri.
Pe baza celor de mai sus, luați în considerare perspectivele de detonare, motor cu combustie internă cu piston... După cum știți, apare o creștere a presiunii într-o cameră de ardere de dimensiuni clasice, în timpul detonării într-un motor cu ardere internă, viteza mai mare sunet. Rămânând în același design, nu există nicio modalitate de a forța un piston mecanic și chiar cu mase asociate semnificative să se deplaseze într-un cilindru la aproximativ aceleași viteze. De asemenea, cureaua de distribuție a aspectului clasic nu poate funcționa la astfel de viteze. Prin urmare, din punct de vedere practic, o conversie directă a unui ICE clasic într-unul detonant este lipsită de sens. Motorul trebuie reproiectat. Dar de îndată ce începem să facem acest lucru, se pare că pistonul din acest design este pur și simplu detalii suplimentare... Prin urmare, IMHO, motorul cu combustie internă cu detonare a pistonului este un anacronism.
Motorul de detonare va crește viteza avionului de la Mach cinci la Mach opt.
Detonarea este o explozie. Îl poți face ușor de gestionat? Este posibil să se creeze arme hipersonice pe baza unor astfel de motoare? Ce motoare de rachetă vor lansa vehicule fără pilot și fără pilot în spațiul apropiat? Aceasta este conversația noastră cu directorul general adjunct - proiectantul șef al NPO Energomash, numit după academicianul V. P. Glushko, Pyotr Lyovochkin.
Petr Sergeevich, ce oportunități se deschid noi motoare?
Petr Lyovochkin: Dacă vorbim despre viitorul apropiat, astăzi lucrăm la motoare pentru rachete precum Angara A5V și Soyuz-5, precum și altele care se află în faza 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 marțiene sunt implementate, cu siguranță vom lua parte la ele.
Care este eficiența motoarelor rachete moderne și există vreo modalitate de a le îmbunătăți?
Petr Lyovochkin: Dacă vorbim despre energia și parametrii termodinamici ai motoarelor, atunci putem spune că ai noștri, precum și cele mai bune motoare rachete chimice străine din prezent, au atins un anumit nivel de perfecțiune. De exemplu, eficiența arderii combustibilului ajunge la 98,5%. Adică, aproape toată energia chimică a combustibilului din motor este convertită în energie termică a jetului de gaz care iese din duză.
Puteți îmbunătăți motoarele în direcții diferite. Aceasta este utilizarea unor componente de combustibil mai consumatoare de energie, introducerea de noi soluții de circuite, o creștere a presiunii în camera de ardere. O altă direcție este utilizarea de tehnologii noi, inclusiv aditive, pentru a reduce intensitatea forței de muncă și, ca urmare, a reduce costul unui motor rachetă. Toate acestea duc la o scădere a costului sarcinii utile de ieșire.
Cu toate acestea, la o examinare mai atentă, devine clar că creșterea caracteristicilor energetice ale motoarelor în mod tradițional este ineficientă.
Utilizarea unei explozii controlate de combustibil poate oferi unei rachete de opt ori viteza sunetului
De ce?
Petr Lyovochkin: 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 a pompelor. Drept urmare, complexitatea structurii și masa acesteia cresc, câștigul de energie se dovedește a nu fi atât de mare. Jocul nu va merita lumânarea.
Adică motoarele cu rachetă și-au epuizat resursa de dezvoltare?
Petr Lyovochkin: Nu cu siguranță în acest fel. Exprimat limbaj tehnic, pot fi îmbunătățite prin creșterea eficienței proceselor intra-motorii. Există cicluri de conversie termodinamică a energiei chimice în energia unui jet care iese, care sunt mult mai eficiente decât arderea clasică. combustibil pentru racheta... Acesta este ciclul de combustie prin detonare și ciclul Humphrey aproape de acesta.
Efectul detonării combustibilului a fost descoperit de compatriotul nostru - mai târziu academicianul Yakov Borisovich Zeldovich în 1940. Implementarea acestui efect în practică a promis perspective foarte mari în rachetă. Nu este surprinzător faptul că germanii din aceiași ani au studiat activ procesul de detonare a arderii. Dar nu au progresat dincolo de experimentele nu foarte reușite.
Calculele teoretice au arătat că arderea prin detonare este cu 25 la sută mai eficientă decât ciclul izobaric, care corespunde arderii combustibilului la presiune constantă, care este implementată în camerele motoarelor moderne cu rachetă lichidă.
Și care sunt avantajele arderii prin detonare în comparație cu arderea clasică?
Petr Lyovochkin: Procesul clasic de ardere este subsonic. Detonarea - supersonică. Viteza reacției într-un volum mic duce la o degajare imensă de căldură - este de câteva mii de ori mai mare decât în arderea subsonică, implementată în motoarele rachete clasice cu aceeași masă de combustibil ars. Și pentru noi, constructorii de motoare, aceasta înseamnă că, cu o dimensiune mult mai mică a motorului de detonare și cu o masă redusă de combustibil, puteți obține aceeași forță ca și în imensele motoare rachete cu propulsie lichidă.
Nu este un secret faptul că motoarele cu combustie detonantă de combustibil sunt dezvoltate și în străinătate. Care sunt pozițiile noastre? Suntem inferiori, suntem la nivelul lor sau suntem în frunte?
Petr Lyovochkin: Nu recunoaștem - este sigur. Dar nici nu pot spune că suntem în frunte. Subiectul este suficient de închis. Unul dintre principalele secrete tehnologice este cum să vă asigurați că combustibilul și oxidantul motorului de rachetă nu ard, ci explodează, fără a distruge camera de ardere. Adică, de fapt, pentru a face o adevărată explozie controlată și controlată. Pentru referință: detonarea este arderea combustibilului în fața unei unde de șoc supersonice. Distingeți între detonarea impulsului, când unda de șoc se mișcă de-a lungul axei camerei și una o înlocuiește pe cealaltă, precum și detonarea continuă (rotire), când undele de șoc din cameră se mișcă în cerc.
Din câte se știe, au fost efectuate studii experimentale de ardere prin detonare cu participarea specialiștilor dvs. Ce rezultate s-au obținut?
Petr Lyovochkin: S-au efectuat lucrări pentru crearea unei camere model pentru un motor de rachetă cu detonare de lichid. O mare cooperare a principalelor centre științifice din Rusia a lucrat la proiect sub patronajul Fundației pentru Studii Avansate. Printre acestea se numără Institutul de Hidrodinamică. M.A. Lavrentieva, MAI, "Centrul Keldysh", Institutul Central motorul de aviație construindu-le. P.I. Baranova, Facultatea de Mecanică și Matematică, Universitatea de Stat din Moscova. Am sugerat utilizarea kerosenului ca combustibil și a oxigenului gazos ca agent oxidant.În procesul studiilor teoretice și experimentale, a fost confirmată posibilitatea creării unui motor de rachetă de detonare bazat pe astfel de componente. Pe baza datelor obținute, am dezvoltat, fabricat și testat cu succes o cameră model de detonare cu o presiune de 2 tone și o presiune în camera de ardere de aproximativ 40 atm.
Această sarcină a fost rezolvată pentru prima dată nu numai în Rusia, ci și în lume. Prin urmare, desigur, au existat probleme. În primul rând, asociat cu furnizarea unei detonări stabile de oxigen cu kerosen și, în al doilea rând, cu asigurarea unei răciri fiabile a peretelui de incendiu al camerei fără răcirea perdelelor și o serie de alte probleme, a căror esență este clară doar specialiștilor.
Poate fi utilizat un motor de detonare în rachetele hipersonice?
Petr Lyovochkin:Și este posibil și necesar. Doar pentru că arderea combustibilului în acesta este supersonică. Și în acele motoare pe care încearcă acum să creeze aeronave hipersonice controlate, arderea este subsonică. Și acest lucru creează o mulțime de probleme. La urma urmei, dacă arderea în motor este subsonică și motorul zboară, de exemplu, cu o viteză de cinci pași (unul egal cu viteza sunet), este necesar să încetiniți fluxul de aer care se apropie în modul sunet. În consecință, toată energia acestei frânări este transformată în căldură, ceea ce duce la supraîncălzirea suplimentară a structurii.
Și într-un motor de detonare, procesul de ardere are loc la o viteză de cel puțin două ori și jumătate mai mare decât cea sonoră. Și, în consecință, putem crește viteza aeronavei cu această sumă. Adică vorbim deja nu despre cinci, ci despre opt leagăne. Aceasta este viteza realizabilă în prezent a aeronavelor cu motoare hipersonice, care va folosi principiul arderii prin detonare.
Petr Lyovochkin: Este o întrebare dificilă. Tocmai am deschis ușa către zona de ardere a detonării. Există încă o mulțime de lucruri neexplorate în afara parantezelor cercetării noastre. Astăzi, împreună cu RSC Energia, încercăm să determinăm modul în care motorul în ansamblu camera de detonare aplicat etapelor superioare.
Cu ce motoare va zbura o persoană către planete îndepărtate?
Petr Lyovochkin:În opinia mea, vom zbura motoare rachete tradiționale mult timp pentru a le îmbunătăți. Deși cu siguranță se dezvoltă alte tipuri de motoare rachete, de exemplu, motoare rachete electrice (sunt mult mai eficiente decât motoarele rachete lichide - impulsul lor specific este de 10 ori mai mare). Din păcate, motoarele și vehiculele de lansare de astăzi nu ne permit să vorbim despre realitatea masivelor interplanetare, darămite despre zborurile intergalactice. Totul aici este încă la nivel de fantezie: motoare cu fotoni, teleportare, levitație, unde gravitaționale. Deși, pe de altă parte, acum doar puțin peste o sută de ani, operele lui Jules Verne au fost percepute ca pură fantezie. Poate că o descoperire revoluționară în zona în care lucrăm nu va întârzia să apară. Inclusiv în domeniul creației practice a rachetelor folosind energia exploziei.
Dosar „RG”
„Asociația științifică și de producție Energomash” a fost înființată de Valentin Petrovich Glushko în 1929. Acum îi poartă numele. Dezvoltă și produce motoare cu rachete cu propulsie lichidă pentru etapele I, în unele cazuri II ale vehiculelor de lansare. NPO a dezvoltat mai mult de 60 de motoare cu reacție cu combustibil lichid. Primul satelit a fost lansat pe motoarele Energomash, primul om a zburat în spațiu și a fost lansat primul vehicul autopropulsat Lunokhod-1. Astăzi, peste nouăzeci la sută din vehiculele de lansare din Rusia decolează pe motoarele dezvoltate și fabricate la NPO Energomash.
Testele motorului de detonare
Fundația de cercetare avansată
Asociația de cercetare și producție Energomash a testat o cameră model a unui motor de rachetă cu detonare cu combustibil lichid, a cărui forță a fost de două tone. Despre asta într-un interviu " Ziar rusesc„A spus proiectantul-șef al„ Energomash ”Pyotr Lyovochkin. Potrivit acestuia, acest model funcționa pe gaz de kerosen și oxigen.
Detonarea este o combustie a unei substanțe în care frontul de combustie se propagă mai repede decât viteza sunetului. În acest caz, o undă de șoc se propagă prin substanță, urmată de reactie chimica odată cu eliberarea unei cantități mari de căldură. La motoarele rachete moderne, combustia are loc la o viteză subsonică; acest proces se numește deflagrație.
În prezent, motoarele de detonare sunt împărțite în două tipuri principale: impulsive și rotative. Acestea din urmă se mai numesc spin. V motoare cu impuls explozii scurte apar pe măsură ce porțiuni mici din amestecul combustibil-aer sunt arse. În arderea rotativă, amestecul arde constant, fără oprire.
În astfel de centrale, se folosește o cameră de ardere inelară în care amestecul de combustibil este furnizat în serie prin supape amplasate radial. În astfel de centrale electrice, detonarea nu se umple - unda de detonare „rulează în jurul” camerei de ardere inelare, amestecul de combustibil din spatele ei are timp să se reînnoiască. Motor rotativ a început să studieze pentru prima dată în URSS în anii 1950.
Motoarele de detonare sunt capabile să funcționeze într-o gamă largă de viteze de zbor - de la zero la cinci numere Mach (0-6,2 mii kilometri pe oră). Se crede că astfel centrale electrice poate emite putere mare 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.
Noul motor rusesc de detonare a lichidului este dezvoltat în comun de mai multe institute, inclusiv Institutul de Aviație din Moscova, Institutul de Hidrodinamică Lavrentyev, Centrul Keldysh, Institutul Central Baranov pentru Motoare de Aviație și Facultatea de Mecanică și Matematică a Universității de Stat din Moscova. Dezvoltarea este supravegheată de Advanced Research Foundation.
Potrivit lui Lyovochkin, în timpul testelor, presiunea în camera de ardere a motorului de detonare a fost de 40 de atmosfere. În același timp, unitatea funcționează în mod fiabil, fără sisteme complexe de răcire. Una dintre sarcinile testelor a fost confirmarea posibilității de detonare a arderii unui amestec combustibil oxigen-kerosen. Anterior, sa raportat că frecvența de detonare a noului motor rusesc este de 20 kilohertz.
Primele teste ale unui motor de rachetă cu detonare cu combustibil lichid în vara anului 2016. Nu se știe dacă motorul a fost testat din nou de atunci.
La sfârșitul lunii decembrie 2016 Companie americană Aerojet Rocketdyne Contractul Laboratorului Național de Tehnologii Energetice din SUA pentru dezvoltarea unei noi centrale electrice cu turbină pe gaz bazată pe un motor cu detonare rotativă. Lucrare care va avea ca rezultat un prototip instalare nouă, programată pentru finalizare până la jumătatea anului 2019.
De evaluarea preliminară, motorul cu turbină cu gaz de noul tip va avea cel puțin cinci procente cea mai buna performanta decât astfel de instalații convenționale. În același timp, instalațiile în sine pot fi făcute mai compacte.
Vasily Sychev
Explorarea spațială este asociată fără să vrea nave 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 și 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 o detonare motor rachetă, testele cărora s-au încheiat cu succes. Această realizare poate fi numită o adevărată descoperire în domeniul ingineriei spațiale.
Noi oportunitati
De ce sunt atribuite motoarele de detonare așteptări mari? Potrivit calculelor oamenilor de știință, puterea lor va fi de 10 mii de ori mai mare decât puterea motoarelor rachete existente. Mai mult, 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 din cauza unei explozii, a detonării amestec combustibil... Arde la viteză supersonică odată cu eliberarea unei cantități uriașe de energie termică simultan cu propagarea undei de șoc.
Dezvoltare și testare Versiunea rusă motorul de detonare a fost manipulat 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, în sine specificatii tehnice va depăși timpul. 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 tip dat motorul 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 operațiune continuă, combustibilul este alimentat continuu în camera de ardere, 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.
- Mai mult utilizare eficientă amestec 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 instalații existente datorită greutății, dimensiunilor și caracteristicilor sale 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. A fost prezentat un prototip motor mic cu o cameră de ardere cu diametrul de 100 mm și lățimea canalului inelar de 5 mm. Testele au fost efectuate pe un stand special, indicatorii au fost înregistrați la lucrul la tipuri diferite amestec combustibil - hidrogen-oxigen, gaz natural-oxigen, propan-butan-oxigen.
Testele unui motor rachetă detonant 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 furnizat crește și impulsul, 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. Cele mai mari succeseîn această direcție au ajuns la 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 lucru pe combustibil lichid... Dar pentru funcționare, 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 rezolva 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.
Ce se află cu adevărat în spatele rapoartelor despre primul motor rachetă de detonare din lume testat în Rusia
La sfârșitul lunii august 2016, agențiile de știri mondiale au răspândit știrea: la unul dintre standurile NPO Energomash din Khimki, lângă Moscova, a fost 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 în articolul „On utilizarea energiei combustie prin detonare ", publicat în" Journal of Technical Physics "în 1940. De atunci, cercetările și experimentele practice de implementare au avut loc în întreaga lume. tehnologie promițătoare... În această cursă a minților, a început mai întâi Germania, apoi Statele Unite, apoi URSS. Și acum Rusia și-a asigurat o prioritate importantă în istoria mondială a tehnologiei. V anul trecutȚara noastră nu se laudă adesea cu așa ceva.
Care sunt avantajele unui motor de detonare? La motoarele tradiționale cu rachete cu propulsie lichidă, ca, într-adevăr, la motoarele convenționale cu piston sau cu turbojet, se folosește energia care este eliberată în timpul arderii combustibilului. În camera de ardere a motorului cu rachetă cu combustibil lichid, se formează un front de flacără staționar, în care arderea are loc la o presiune constantă. Acest proces normal de ardere se numește deflagrație. Ca urmare a interacțiunii combustibilului și oxidantului, temperatura amestec de gaze crește brusc și o coloană aprinsă de produse de ardere izbucnește din duză, care se 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, motor auto atunci când acest fenomen apare în cilindrii săi, se poate prăbuși într-adevăr. Cu toate acestea, detonarea nu este o explozie, ci un tip de combustie atât de rapid încât produsele de reacție nici măcar nu au timp să se extindă; prin urmare, acest proces, spre deosebire de deflagrație, se desfășoară la un volum constant și la o presiune în creștere bruscă.
În practică, arată așa: în locul unui front de flacără staționară în amestecul de combustibil, se formează o undă de detonare în interiorul camerei de ardere, care se deplasează cu o viteză supersonică. În această undă de compresie, are loc detonarea unui amestec de combustibil și oxidant, iar acest proces este mult mai eficient din punct de vedere termodinamic decât arderea convențională a combustibilului. Eficiența arderii cu detonare este cu 25-30% mai mare, adică atunci când se arde aceeași cantitate de combustibil, se obține mai multă împingere și, datorită compactității zonei de combustie, motorul de detonare este teoretic un ordin de mărime mai mare decât motoare rachete convenționale în termeni de putere preluată dintr-o unitate de volum.
Numai acest lucru a fost suficient pentru a atrage cea mai apropiată atenție a specialiștilor asupra acestei idei. La urma urmei, stagnarea care a apărut acum în dezvoltarea cosmonauticii mondiale, care a fost blocată pe orbita apropiată a pământului timp de o jumătate de secol, este în primul rând asociată cu criza de propulsie a rachetelor. Apropo, aviația este, de asemenea, în criză, care nu este capabilă să treacă pragul celor trei viteze ale sunetului. Această criză poate fi comparată cu situația avioanelor cu piston la sfârșitul anilor 1930. Elice și motor combustie internași-a epuizat potențialul și doar aspectul motoarelor cu reacție a făcut posibilă atingerea unei calități ridicate nivel nouînălțimi, viteze și raza 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 le creșteți caracteristicile 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 ajutorul motoarelor nucleare a dat peste probleme ecologice... Apariția motoarelor cu rachete de detonare, poate, este prea devreme pentru a fi comparată cu tranziția aviației la propulsia 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 de 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. Este mult. Dar presiunea la ieșirea pompei de oxigen care pompează oxidantul în camera de ardere ajunge la 600 atm. O turbină de 189 MW este utilizată pentru a acționa această pompă! Imaginați-vă acest lucru: o roată de turbină cu un diametru de 0,4 m dezvoltă o putere de patru ori mai mare decât spargătorul de gheață nuclear "Arktika" cu două reactoare nucleare! În același timp, TNA este un complex dispozitiv mecanic, axul căruia face 230 de rotații pe secundă și trebuie să funcționeze într-un mediu de oxigen lichid, unde cel mai mic, nici măcar o scânteie, dar un bob de nisip în conductă duce la o explozie. Tehnologiile pentru crearea unui astfel de TNA reprezintă principalul know-how al Energomash, a cărui posesie permite Companie rusăși astăzi își vând motoarele pentru utilizare pe vehiculele de lansare americane Atlas V și Antares. Alternative Motoare ruseștiîncă nu în SUA.
Pentru un motor de detonare, astfel de dificultăți nu sunt necesare, deoarece presiunea pentru o combustie mai eficientă este asigurată de detonarea însăși, care este o undă de compresie care se deplasează în amestecul de combustibil. În timpul detonării, presiunea crește de 18-20 de ori fără niciun TNA.
Pentru a obține condiții în camera de ardere a unui motor de detonare care sunt echivalente, de exemplu, cu cele din camera de ardere a motorului cu propulsie lichidă a American Shuttle (200 atm), este suficient să alimentați combustibil sub o presiune de ... 10 atm Unitatea necesară pentru aceasta, în comparație cu TNA-ul unui motor clasic cu rachetă cu propulsie lichidă, este ca o pompă pentru bicicletă lângă Sayano-Shushenskaya GRES.
Adică, motorul de detonare nu va fi doar mai puternic și mai economic decât un motor convențional cu propulsie lichidă, ci și un ordin de mărime mai simplu și mai ieftin. Deci, de ce această simplitate nu a fost dată designerilor de 70 de ani?
Pulsul progresului
Principala problemă cu care se confruntă inginerii a fost cum să facă față valului de detonare. Nu este vorba doar de a face motorul mai puternic, astfel încât să poată rezista sarcini crescute... Detonarea nu este doar un val de explozie, ci ceva mai viclean. Unda de explozie se propagă cu viteza sunetului, iar unda de detonare la o viteză supersonică - până la 2500 m / s. Nu formează un front de flacără stabil, prin urmare funcționarea unui astfel de motor pulsează: după fiecare detonare, este necesar să se actualizeze amestec de combustibilși apoi lansează un nou val în el.
Încercările de a crea un motor cu reacție pulsatorie au fost făcute cu mult înainte de ideea de detonare. În utilizarea motoarelor cu reacție pulsatorie, au încercat să găsească o alternativă la motoarele cu piston în anii 1930. Din nou, am fost atras de simplitate: spre deosebire de turbina aeronavei pentru un motor cu jet de aer pulsatoriu (PUVRD), nici un compresor care se rotea la o viteză de 40.000 rpm nu a fost necesar pentru a forța aerul în burtica nesatabilă a camerei de ardere, nici o turbină care funcționează la o temperatură a gazului peste 1000˚C. În PUVRD, presiunea din camera de ardere a creat pulsații în arderea combustibilului.
Primele brevete pentru un motor cu reacție pulsatorie au fost obținute independent în 1865 de Charles de Louvrier (Franța) și în 1867 de Nikolai Afanasyevich Teleshov (Rusia). Primul design operațional 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 designerul sovietic Vladimir Chelomey pentru prima rachetă de croazieră sovietică 10X.
Desigur, aceste motoare nu erau încă detonante, deoarece foloseau pulsațiile combustiei convenționale. Frecvența acestor pulsații a fost scăzută, ceea ce a generat un sunet caracteristic mitralierei în timpul funcționării. Caracteristicile specifice ale PuVRD datorită modul intermitent munca a fost în medie scăzută și după ce proiectanții de la sfârșitul anilor 1940 au făcut față complexității creării compresoarelor, pompelor și turbinelor, motoare cu turboreactor iar motoarele cu rachete cu combustibil lichid au devenit regii cerului, iar PUVRD a rămas la periferia progresului tehnologic.
Este curios că primele PUVRD au fost create de designeri germani și sovietici, independent unul de celălalt. Apropo, nu numai Zeldovici a venit cu ideea unui motor de detonare în 1940. Concomitent cu el, aceleași gânduri au fost exprimate de Von Neumann (SUA) și Werner Doering (Germania), așa că în știința internațională modelul utilizării combustiei prin detonare a fost numit ZND.
Ideea de a combina PUVRD cu combustia prin detonare a fost foarte tentantă. Dar partea din față a unei flăcări obișnuite se propagă la o viteză de 60-100 m / s, iar frecvența pulsațiilor sale în PUVRD nu depășește 250 pe secundă. Iar frontul de detonare se mișcă la o viteză de 1500-2500 m / s, astfel frecvența de pulsație ar trebui să fie de mii pe secundă. A fost dificil de implementat o astfel de rată de reînnoire a amestecului și inițierea detonării în practică.
Cu toate acestea, au continuat încercările de a crea motoare funcționale de detonație pulsatorie. Munca specialiștilor din Forțele Aeriene SUA în această direcție a culminat cu crearea unui motor demonstrativ, care a dus pe cer pentru prima dată pe 31 ianuarie 2008 pe un avion experimental Long-EZ. În zborul istoric, motorul a funcționat ... 10 secunde la o altitudine de 30 de metri. Cu toate acestea, prioritatea în acest caz a rămas cu Statele Unite, iar avionul a ocupat pe bună dreptate un loc în Muzeul Național al Forțelor Aeriene ale Statelor Unite.
Între timp, a fost inventată de mult o altă schemă mult mai promițătoare a unui motor de detonare.
Ca o veveriță într-o roată
Ideea de a bucla o undă de detonare și de a o face să ruleze în camera de ardere 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 alimentat prin intermediul unor injectoare amplasate radial. Unda de detonare din interiorul camerei nu se mișcă în direcția axială, ca în PUVRD, ci într-un cerc, comprimând și arzând amestecul de combustibil din fața sa și împingând în cele din urmă produsele de ardere din duză în același mod ca și șurubul unui tocător de carne împinge carnea tocată afară. În loc de frecvența de pulsație, obținem frecvența de rotație a undei de detonare, care poate ajunge la câteva mii pe secundă, adică, în practică, motorul nu funcționează ca un motor pulsatoriu, ci ca un motor rachetă convențional cu propulsie lichidă cu combustie staționară, dar mult mai eficient, deoarece, de fapt, detonarea amestecului de combustibil are loc în ea ...
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 fizice și chimice care au loc în mediu gazos... Aici calculul nu a mai fost efectuat la nivel molecular, ci la nivel atomic, la joncțiunea chimiei și a fizicii cuantice. Aceste procese sunt mai complexe decât cele care apar în timpul generării unui fascicul laser. De aceea, laserul funcționează de mult timp, dar motorul de detonare nu. Pentru a înțelege aceste procese, a fost necesar să se creeze o nouă știință fundamentală - cinetica fizico-chimică, care nu exista acum 50 de ani. Și pentru calcularea practică a condițiilor în care unda de detonare nu se va descompune, ci va deveni auto-susținută, au fost necesare computere puternice, care au apărut abia în ultimii ani. Aceasta a fost baza care a trebuit pusă pe baza succeselor practice în îmblânzirea detonării.
Lucrări active în această direcție se desfășoară în Statele Unite. Această cercetare este realizată de Pratt & Whitney, General Electric, NASA. De exemplu, laboratorul de cercetare al US Navy dezvoltă turbine cu gaz de detonare a spinului pentru Navy. Marina SUA folosește 430 de turbine pe gaz pe 129 de nave și consumă combustibil anual de 3 miliarde de dolari. Introducerea unei detonări mai economice motoare cu turbină pe gaz(GTE) va economisi sume uriașe de bani.
În Rusia peste motoare de detonare zeci de institute de cercetare și birouri de proiectare au lucrat și continuă să lucreze. Printre acestea se numără NPO Energomash, o companie lideră în construcția de motoare din industria spațială rusă, cu multe întreprinderi la care cooperează VTB Bank. Dezvoltarea unui motor de rachetă de detonare a fost efectuată timp de mai mult de un an, dar pentru ca vârful aisbergului acestei lucrări să sclipească sub soare sub forma unui test de succes, participarea organizațională și financiară a notorii Fundații pentru cercetare avansată (FPI) a fost necesar. FPI a fost cel care a evidențiat fondurile necesare pentru crearea în 2014 a unui laborator specializat „Detonare LRE”. La urma urmei, în ciuda celor 70 de ani de cercetare, această tehnologie rămâne „prea promițătoare” în Rusia pentru a fi finanțată de clienți precum Ministerul Apărării, care, de regulă, au nevoie de un rezultat practic garantat. Și este încă foarte departe de ea.
Îmblânzirea scorpiei
Aș vrea să cred că, după tot ce s-a spus mai sus, devine clar că lucrarea titanică care apare între rândurile unui scurt raport despre testele care au avut loc la Energomash din Khimki în iulie-august 2016: valuri cu o frecvență de aproximativ 20 kHz (frecvența de rotație a valului este de 8 mii de rotații pe secundă) pe aburul de combustibil „oxigen - kerosen”. A fost posibil să se obțină mai multe unde de detonare, care să echilibreze vibrațiile și sarcinile de șoc reciproc. Acoperirile de protecție termică special dezvoltate la Centrul Keldysh au ajutat să facă față sarcinilor la temperaturi ridicate. Motorul a rezistat mai multor porniri sub sarcini extreme de vibrații și temperaturi ultra ridicate în absența răcirii stratului de perete. Un rol special în acest succes l-a avut crearea de modele matematice și injectoare de combustibil, care a făcut posibilă obținerea unui amestec de consistență necesar apariției detonării ”.
Desigur, importanța succesului obținut nu trebuie exagerată. A fost creat doar un motor demonstrativ, care a funcționat pentru o perioadă relativ scurtă de timp, și aproximativ caracteristici reale nu se raportează nimic. Potrivit NPO Energomash, un motor cu rachetă de detonare va crește forța cu 10% atunci când arde aceeași cantitate de combustibil ca în motor convențional, iar impulsul specific de împingere ar trebui să crească cu 10-15%.
Dar rezultatul principal constă în faptul că s-a confirmat practic posibilitatea organizării arderii de detonare într-un motor rachetă cu propulsie lichidă. Cu toate acestea, mai este încă un drum lung de parcurs înainte de a utiliza această tehnologie în avioane reale. O alta aspect important constă în faptul 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.