Eksplorimi i hapësirës lidhet padashur me anije kozmike. Zemra e çdo mjeti lëshues është motori i tij. Ai duhet të zhvillojë shpejtësinë e parë hapësinore - rreth 7.9 km / s, në mënyrë që të dërgojë astronautët në orbitë, dhe shpejtësinë e dytë hapësinore, në mënyrë që të kapërcejë fushën gravitacionale të planetit.
Kjo nuk është e lehtë të arrihet, por shkencëtarët po kërkojnë vazhdimisht mënyra të reja për të zgjidhur këtë problem. Projektuesit nga Rusia shkuan edhe më tej dhe arritën të zhvillojnë një motor rakete shpërthimi, testet e të cilit përfunduan me sukses. Kjo arritje mund të quhet një përparim i vërtetë në fushën e inxhinierisë së hapësirës.
Mundësi të reja
Pse ka shpresa të mëdha për motorët shpërthyes? Sipas llogaritjeve të shkencëtarëve, fuqia e tyre do të jetë 10 mijë herë më shumë se fuqia e motorëve ekzistues të raketave. Në të njëjtën kohë, ata do të konsumojnë shumë më pak karburant, dhe prodhimi i tyre do të dallohet nga kostoja e ulët dhe përfitimi. Cila është arsyeja për këtë?
Bëhet fjalë për reagimin e oksidimit të karburantit. Nëse raketat moderne përdorin procesin e shpërthimit - djegie të ngadaltë (nën -zanore) të karburantit në presion të vazhdueshëm, atëherë motori i raketës shpërthyese funksionon për shkak të një shpërthimi, shpërthimi të një përzierje të djegshme. Ai digjet me shpejtësi supersonike me lëshimin e një sasie të madhe të energjisë termike njëkohësisht me përhapjen e valës së goditjes.
Zhvillimi dhe testimi i versionit rus të motorit të shpërthimit u krye nga laboratori i specializuar "Detonation LRE" si pjesë e kompleksit të prodhimit "Energomash".
Superioriteti i motorëve të rinj
Shkencëtarët kryesorë të botës kanë studiuar dhe zhvilluar motorë shpërthimi për 70 vjet. Arsyeja kryesore që parandalon krijimin e këtij lloji të motorit është djegia spontane e pakontrolluar e karburantit. Për më tepër, në rendin e ditës ishin detyrat e përzierjes efikase të karburantit dhe oksiduesit, si dhe integrimin e hundës dhe marrjes së ajrit.
Pasi të keni zgjidhur këto probleme, do të jetë e mundur të krijoni një motor rakete shpërthimi, i cili do të tejkalojë kohën në karakteristikat e tij teknike. Në të njëjtën kohë, shkencëtarët i quajnë këto përparësi:
- Aftësia për të zhvilluar shpejtësi në intervalet nën -zanore dhe hipersonike.
- Eliminimi i shumë pjesëve lëvizëse nga dizajni.
- Pesha dhe kostoja më e ulët e termocentralit.
- Efikasitet i lartë termodinamik.
Serikisht, ky lloj motori nuk u prodhua. Ai u testua për herë të parë në aeroplanë me fluturim të ulët në 2008. Motori i shpërthimit për automjetet e lëshimit u testua së pari nga shkencëtarët rusë. Kjo është arsyeja pse kjo ngjarje ka një rëndësi kaq të madhe.
Parimi i punës: pulsi dhe i vazhdueshëm
Aktualisht, shkencëtarët po zhvillojnë instalime me një proces pune të pulsuar dhe të vazhdueshëm. Parimi i funksionimit të një motori rakete shpërthimi me një skemë të funksionimit të pulsuar bazohet në mbushjen ciklike të dhomës së djegies me një përzierje të djegshme, ndezjen e saj vijuese dhe lëshimin e produkteve të djegies në mjedis.
Prandaj, në një operacion të vazhdueshëm, karburanti futet në dhomën e djegies vazhdimisht, karburanti digjet në një ose më shumë valë shpërthimi që qarkullojnë vazhdimisht nëpër rrjedhën. Përparësitë e motorëve të tillë janë:
- Ndezja e vetme e karburantit.
- Ndërtim relativisht i thjeshtë.
- Dimensionet e vogla dhe pesha e instalimeve.
- Përdorimi më efikas i përzierjes së djegshme.
- Zhurmë e ulët, dridhje dhe emetime.
Në të ardhmen, duke përdorur këto avantazhe, një motor rakete me motor shpërthyes me veprim të vazhdueshëm do të zhvendosë të gjitha instalimet ekzistuese për shkak të karakteristikave të tij dimensionale dhe të kostos.
Testet e motorit shpërthyes
Testet e para të një njësie shpërthimi të brendshëm u kryen në kuadër të një projekti të krijuar nga Ministria e Arsimit dhe Shkencës. Një motor i vogël me një dhomë të djegies me diametër 100 mm dhe një gjerësi kanali unazor prej 5 mm u paraqit si një prototip. Testet u kryen në një stendë të veçantë, treguesit u regjistruan kur punonin në lloje të ndryshme të përzierjeve të djegshme-hidrogjen-oksigjen, gaz natyror-oksigjen, propan-butan-oksigjen.
Testet e një motori rakete shpërthimi që funksionon me karburant oksigjen-hidrogjen kanë vërtetuar se cikli termodinamik i këtyre instalimeve është 7% më efikas se ai i instalimeve të tjera. Për më tepër, u konfirmua eksperimentalisht se me një rritje të sasisë së karburantit të furnizuar, shtytja gjithashtu rritet, si dhe numri i valëve të shpërthimit dhe shpejtësia e rrotullimit.
Analogët në vendet e tjera
Shkencëtarët nga vendet kryesore të botës janë të angazhuar në zhvillimin e motorëve të shpërthimit. Suksesi më i madh në këtë drejtim u arrit nga projektuesit nga Shtetet e Bashkuara. Në modelet e tyre, ata kanë zbatuar një mënyrë të vazhdueshme të punës, ose rrotulluese. Ushtria amerikane planifikon të përdorë këto instalime për të pajisur anijet sipërfaqësore. Për shkak të peshës së tyre më të lehtë dhe madhësisë së vogël me fuqi të madhe dalëse, ato do të ndihmojnë në rritjen e efikasitetit të anijeve luftarake.
Një përzierje stekiometrike e hidrogjenit dhe oksigjenit përdoret për punën e tij nga një motor rakete shpërthimi amerikan. Përparësitë e një burimi të tillë energjie janë kryesisht ekonomike - vetëm aq oksigjen djeg sa kërkohet për oksidimin e hidrogjenit. Tani qeveria amerikane shpenzon disa miliardë dollarë për të furnizuar anijet luftarake me karburant karboni. Karburanti stekiometrik do të zvogëlojë kostot disa herë.
Drejtime të mëtejshme të zhvillimit dhe perspektivave
Të dhënat e reja të marra si rezultat i testeve të motorëve shpërthyes përcaktuan përdorimin e metodave thelbësisht të reja për ndërtimin e një skeme të funksionimit në karburant të lëngshëm. Por për të funksionuar, motorë të tillë duhet të kenë rezistencë të lartë ndaj nxehtësisë për shkak të sasisë së madhe të energjisë së nxehtësisë të lëshuar. Për momentin, po zhvillohet një shtresë e veçantë, e cila do të sigurojë funksionimin e dhomës së djegies nën ekspozimin e temperaturës së lartë.
Një vend i veçantë në kërkimet e mëtejshme zë krijimi i kokave përzierëse, me ndihmën e të cilave do të jetë e mundur të merren pikat e materialit të djegshëm të një madhësie, përqendrimi dhe përbërje të caktuar. Për të adresuar këto çështje, do të krijohet një motor i ri shpërthyes me motor rakete, i cili do të bëhet baza e një klase të re të automjeteve të lëshimit.
Byroja e Dizajnit Eksperimental Lyulka ka zhvilluar, prodhuar dhe testuar një prototip të një motori shpërthimi rezonator pulsues me djegie në dy faza të një përzierje vajguri-ajri. Sipas ITAR-TASS, shtytja mesatare e matur e motorit ishte rreth njëqind kilogramë, dhe kohëzgjatja e funksionimit të vazhdueshëm ishte më shumë se dhjetë minuta. Deri në fund të këtij viti, OKB synon të prodhojë dhe testojë një motor shpërthimi pulsues me madhësi të plotë.
Sipas projektuesit kryesor të Zyrës së Dizajnit Lyulka, Alexander Tarasov, gjatë testeve, modelet e funksionimit tipike për motorët turbojet dhe ramjet u simuluan. Vlerat e matura të shtytjes specifike dhe konsumit specifik të karburantit doli të ishin 30-50 përqind më të mira se ato të motorëve konvencionalë të avionëve. Gjatë eksperimenteve, motori i ri ishte ndezur dhe fikur vazhdimisht, si dhe kontrollin e tërheqjes.
Bazuar në studimet e kryera, të marra gjatë testimit të të dhënave, si dhe analizën e dizajnit të qarkut, Byroja e Dizajnit Lyulka synon të propozojë zhvillimin e një familje të tërë të motorëve të avionëve shpërthyes pulsues. Në veçanti, mund të krijohen motorë me një jetë të shkurtër shërbimi për mjetet ajrore pa pilot dhe raketat dhe motorët e avionëve me një mënyrë fluturimi supersonik.
Në të ardhmen, në bazë të teknologjive të reja, mund të krijohen motorë për sisteme raketash dhe hapësinore dhe termocentrale të kombinuara të avionëve të aftë për të kryer fluturime në atmosferë dhe më gjerë.
Sipas zyrës së projektimit, motorët e rinj do të rrisin raportin e shtytjes ndaj peshës së avionit me 1.5-2 herë. Për më tepër, kur përdorni termocentrale të tillë, diapazoni i fluturimit ose masa e armëve të avionëve mund të rritet me 30-50 përqind. Në të njëjtën kohë, përqindja e motorëve të rinj do të jetë 1.5-2 herë më pak se ajo e sistemeve konvencionale të shtytjes së avionëve.
Fakti që po punohet në Rusi për të krijuar një motor shpërthyes pulsues u raportua në Mars 2011. Kjo u tha atëherë nga Ilya Fedorov, drejtor menaxhues i shoqatës së kërkimit dhe prodhimit të Saturnit, e cila përfshin Byronë e Dizajnit Lyulka. Farë lloji të motorit shpërthyes u diskutua, Fedorov nuk specifikoi.
Aktualisht, ekzistojnë tre lloje të motorëve pulsues - valvula, pa valvula dhe shpërthim. Parimi i funksionimit të këtyre termocentraleve konsiston në furnizimin periodik të karburantit dhe oksiduesit në dhomën e djegies, ku përzierja e karburantit ndizet dhe produktet e djegies dalin nga hunda me formimin e shtytjes së avionit. Dallimi nga motorët konvencionalë të avionëve qëndron në djegien e shpërthimit të përzierjes së karburantit, në të cilën pjesa e përparme e djegies përhapet më shpejt se shpejtësia e zërit.
Motori me avion pulsues u shpik në fund të shekullit të 19 -të nga inxhinieri suedez Martin Wiberg. Një motor pulsues konsiderohet i thjeshtë dhe i lirë për t’u prodhuar, megjithatë, për shkak të natyrës së djegies së karburantit, është i pasigurt. Për herë të parë, një lloj i ri motori u përdor në seri gjatë Luftës së Dytë Botërore në raketat gjermane të lundrimit V-1. Ato u mundësuan nga motori Argus As-014 nga Argus-Werken.
Aktualisht, disa firma të mëdha mbrojtëse në botë janë të angazhuara në kërkime në krijimin e motorëve të avionëve pulsues shumë efikas. Në veçanti, puna kryhet nga kompania franceze SNECMA dhe American General Electric dhe Pratt & Whitney. Në vitin 2012, Laboratori Kërkimor i Marinës Amerikane njoftoi synimin e tij për të zhvilluar një motor shpërthimi me rrotullim që do të zëvendësonte sistemet konvencionale të shtytjes së turbinave me gaz në anije.
Laboratori Kërkimor i Marinës Amerikane (NRL) synon të zhvillojë një motor shpërthyes rrotullues (RDE) që përfundimisht mund të zëvendësojë sistemet konvencionale të shtytjes së turbinave me gaz në anije. Sipas NRL, motorët e rinj do t'i lejojnë ushtrisë të zvogëlojë konsumin e karburantit duke rritur efikasitetin e energjisë të sistemit shtytës.
Marina amerikane aktualisht përdor 430 motorë me turbina me gaz (GTE) në 129 anije. Ata konsumojnë 2 miliardë dollarë karburant në vit. NRL vlerëson se falë RDE, ushtria do të jetë në gjendje të kursejë deri në 400 milionë dollarë karburant në vit. RDE -të do të jenë në gjendje të gjenerojnë dhjetë për qind më shumë energji sesa GTE -të konvencionale. Prototipi RDE tashmë është krijuar, por kur motorë të tillë do të fillojnë të hyjnë në flotë është ende e panjohur.
RDE bazohet në zhvillimet e NRL të marra kur krijohet një motor shpërthimi pulsi (PDE). Funksionimi i termocentraleve të tillë bazohet në djegien e qëndrueshme të shpërthimit të përzierjes së karburantit.
Motorët e shpërthimit të rrotullimit ndryshojnë nga ata pulsues në atë që djegia e shpërthimit të përzierjes së karburantit në to ndodh vazhdimisht - pjesa e përparme e djegies lëviz në një dhomë unazore të djegies, në të cilën përzierja e karburantit azhurnohet vazhdimisht.
Një motor shpërthimi shpesh shihet si një alternativë ndaj një motori standard të djegies ose raketave. Ajo është e mbingarkuar me shumë mite dhe legjenda. Këto legjenda lindin dhe jetojnë vetëm sepse njerëzit që i përhapën ato ose harruan kursin e fizikës shkollore, ose madje e kaluan atë plotësisht!
Rritja e densitetit të fuqisë ose shtytjes
Iluzioni i parë.
Nga një rritje e shkallës së djegies së karburantit deri në 100 herë, do të jetë e mundur të rritet fuqia specifike (për njësi e vëllimit të punës) të motorit me djegie të brendshme. Për motorët raketë që veprojnë në mënyra shpërthimi, shtytja për njësi në masë do të rritet me 100 herë.
Shënim: Si gjithmonë, nuk është e qartë për cilën masë po flasim - masa e lëngut të punës ose e gjithë raketës në tërësi.
Nuk ka lidhje midis shpejtësisë me të cilën djeg karburanti dhe fuqisë specifike.
Ekziston një lidhje midis raportit të ngjeshjes dhe densitetit të fuqisë. Për motorët me djegie të brendshme të benzinës, raporti i ngjeshjes është rreth 10. Në motorët që përdorin mënyrën e shpërthimit, ai mund të gjymtohet me rreth 2 herë, gjë që është pikërisht ajo që realizohet në motorët me naftë, të cilët kanë një raport kompresimi prej rreth 20. Në fakt, ata punojnë në mënyrë shpërthimi. Kjo është, natyrisht, raporti i ngjeshjes mund të rritet, por pasi të ketë ndodhur shpërthimi, askush nuk ka nevojë për të! Nuk mund të bëhet fjalë për 100 herë !! Për më tepër, vëllimi i punës i motorit me djegie të brendshme është, të themi, 2 litra, vëllimi i të gjithë motorit është 100 ose 200 litra. Kursimi i vëllimit do të jetë 1% !!! Por "konsumi" shtesë (trashësia e murit, materialet e reja, etj.) Do të matet jo në përqindje, por në herë ose dhjetëra herë !!
Per referim. Puna e bërë është proporcionale, e thënë në mënyrë të përafërt, me V * P (procesi adiabatik ka koeficientë, por nuk e ndryshon thelbin tani). Nëse vëllimi zvogëlohet me 100 herë, atëherë presioni fillestar duhet të rritet me të njëjtën 100 herë! (për të bërë të njëjtën punë).
Kapaciteti i litrit mund të rritet nëse kompresimi braktiset fare ose lihet në të njëjtin nivel, por hidrokarburet (në sasi më të mëdha) dhe oksigjeni i pastër në një raport peshe prej rreth 1: 2.6-4, në varësi të përbërjes së hidrokarbureve, ose oksigjenit të lëngshëm në përgjithësi (ku ishte tashmë :-)). Atëherë është e mundur të rritet si kapaciteti i litrit ashtu edhe efikasiteti (për shkak të rritjes së "raportit të zgjerimit" i cili mund të arrijë në 6000!). Por rrugës është si aftësia e dhomës së djegies për t'i bërë ballë presioneve dhe temperaturave të tilla, ashtu edhe nevoja për të "ushqyer" jo me oksigjen atmosferik, por me oksigjen të pastër apo edhe të lëngshëm të ruajtur!
Në fakt, një lloj i tillë është përdorimi i oksidit nitrik. Oksidi i azotit është thjesht një mënyrë për të futur një sasi të shtuar të oksigjenit në dhomën e djegies.
Por këto metoda nuk kanë asnjë lidhje me shpërthimin !!
Shtë e mundur të propozohet zhvillimi i mëtejshëm i metodave të tilla ekzotike të rritjes së fuqisë së litrit - të përdoret fluori në vend të oksigjenit. Shtë një agjent oksidues më i fortë, d.m.th. reagimet me të shkojnë me një çlirim të madh të energjisë.
Rritja e shpejtësisë së rrjedhës së avionit
Kallajisja e së dytës.
Në motorët raketë që përdorin mënyra shpërthimi të funksionimit, si rezultat i faktit se mënyra e djegies ndodh me shpejtësi mbi shpejtësinë e zërit në një mjedis të caktuar (që varet nga temperatura dhe presioni), parametrat e presionit dhe temperaturës në dhomën e djegies rriten disa herë, shpejtësia e avionëve reaktivë në dalje. Kjo përmirëson në mënyrë proporcionale të gjithë parametrat e një motori të tillë, duke përfshirë zvogëlimin e peshës dhe konsumit të tij, dhe kështu furnizimin e kërkuar të karburantit.
Siç u përmend më lart, raporti i ngjeshjes nuk mund të rritet më shumë se 2 herë. Por përsëri, shkalla e rrjedhjes së gazrave varet nga energjia e furnizuar dhe temperatura e tyre! (Ligji i ruajtjes së energjisë). Me të njëjtën sasi energjie (e njëjta sasi karburanti), shpejtësia mund të rritet vetëm duke ulur temperaturën e tyre. Por kjo tashmë është penguar nga ligjet e termodinamikës.
Motorët e raketave shpërthyese janë e ardhmja e udhëtimeve ndërplanetare
Koncepti i tretë i gabuar.
Vetëm motorët raketë të bazuar në teknologjitë e shpërthimit bëjnë të mundur marrjen e parametrave të shpejtësisë të kërkuara për fluturimet ndërplanetare bazuar në reagimin e oksidimit kimik.
Epo, ky është një mashtrim, të paktën logjikisht i qëndrueshëm. Ajo rrjedh nga dy të parat.
Asnjë teknologji nuk është në gjendje të nxjerrë asgjë nga reagimi i oksidimit! Të paktën për substancat e njohura. Shkalla e rrjedhës përcaktohet nga bilanci energjetik i reagimit. Një pjesë e kësaj energjie, sipas ligjeve të termodinamikës, mund të shndërrohet në punë (energji kinetike). Ato edhe nëse e gjithë energjia shkon në kinetikë, atëherë ky është kufiri i bazuar në ligjin e ruajtjes së energjisë dhe asnjë shpërthim, shkallë e ngjeshjes, etj., nuk mund të kapërcehet.
Përveç balancës së energjisë, një parametër shumë i rëndësishëm është "energjia për nukleon". Nëse bëni llogaritjet e vogla, mund të merrni që reagimi i oksidimit të atomit të karbonit (C) jep 1.5 herë më shumë energji sesa reagimi i oksidimit të molekulës së hidrogjenit (H2). Por për shkak të faktit se produkti i oksidimit të karbonit (CO2) është 2.5 herë më i rëndë se produkti i oksidimit të hidrogjenit (H2O), shkalla e daljes së gazrave nga motorët e hidrogjenit është 13%. Vërtetë, duhet gjithashtu të merret parasysh kapaciteti i nxehtësisë i produkteve të djegies, por kjo jep një korrigjim shumë të vogël.
Një motor shpërthimi pulsues u testua në Rusi
Byroja e Dizajnit Eksperimental Lyulka ka zhvilluar, prodhuar dhe testuar një prototip të një motori shpërthimi rezonator pulsues me djegie në dy faza të një përzierje vajguri-ajri. Sipas ITAR-TASS, shtytja mesatare e matur e motorit ishte rreth njëqind kilogramë, dhe kohëzgjatja e funksionimit të vazhdueshëm ishte më shumë se dhjetë minuta. Deri në fund të këtij viti, OKB synon të prodhojë dhe testojë një motor shpërthimi pulsues me madhësi të plotë.
Sipas projektuesit kryesor të Zyrës së Dizajnit Lyulka, Alexander Tarasov, gjatë testeve, modelet e funksionimit tipike për motorët turbojet dhe ramjet u simuluan. Vlerat e matura të shtytjes specifike dhe konsumit specifik të karburantit doli të ishin 30-50 përqind më të mira se ato të motorëve konvencionalë të avionëve. Gjatë eksperimenteve, motori i ri ishte ndezur dhe fikur vazhdimisht, si dhe kontrollin e tërheqjes.
Bazuar në studimet e kryera, të marra gjatë testimit të të dhënave, si dhe analizën e projektimit të qarkut, Byroja e Dizajnit Lyulka synon të propozojë zhvillimin e një familje të tërë të motorëve të avionëve shpërthyes pulsues. Në veçanti, mund të krijohen motorë me një jetë të shkurtër shërbimi për mjetet ajrore pa pilot dhe raketat dhe motorët e avionëve me një mënyrë fluturimi supersonik.
Në të ardhmen, në bazë të teknologjive të reja, mund të krijohen motorë për sisteme raketash dhe hapësinore dhe termocentrale të kombinuara të avionëve të aftë për të kryer fluturime në atmosferë dhe më gjerë.
Sipas zyrës së projektimit, motorët e rinj do të rrisin raportin e shtytjes ndaj peshës së avionit me 1.5-2 herë. Për më tepër, kur përdorni termocentrale të tillë, diapazoni i fluturimit ose masa e armëve të avionëve mund të rritet me 30-50 përqind. Në të njëjtën kohë, përqindja e motorëve të rinj do të jetë 1.5-2 herë më pak se ajo e sistemeve konvencionale të shtytjes së avionëve.
Fakti që po punohet në Rusi për të krijuar një motor shpërthimi pulsues u raportua në Mars 2011. Kjo u tha atëherë nga Ilya Fedorov, drejtor menaxhues i shoqatës së kërkimit dhe prodhimit të Saturnit, e cila përfshin Byronë e Dizajnit Lyulka. Farë lloji të motorit shpërthyes u diskutua, Fedorov nuk specifikoi.
Aktualisht, ekzistojnë tre lloje të motorëve pulsues - valvula, pa valvula dhe shpërthim. Parimi i funksionimit të këtyre termocentraleve konsiston në furnizimin periodik të karburantit dhe oksiduesit në dhomën e djegies, ku përzierja e karburantit ndizet dhe produktet e djegies dalin nga hunda me formimin e shtytjes së avionit. Dallimi nga motorët konvencionalë të avionëve qëndron në djegien e shpërthimit të përzierjes së karburantit, në të cilën pjesa e përparme e djegies përhapet më shpejt se shpejtësia e zërit.
Motori me avion pulsues u shpik në fund të shekullit të 19 -të nga inxhinieri suedez Martin Wiberg. Një motor pulsues konsiderohet i thjeshtë dhe i lirë për t’u prodhuar, megjithatë, për shkak të natyrës së djegies së karburantit, është i pasigurt. Për herë të parë, një lloj i ri motori u përdor në seri gjatë Luftës së Dytë Botërore në raketat gjermane të lundrimit V-1. Ato u mundësuan nga motori Argus As-014 nga Argus-Werken.
Aktualisht, disa firma të mëdha mbrojtëse në botë janë të angazhuara në kërkime në krijimin e motorëve të avionëve pulsues shumë efikas. Në veçanti, puna kryhet nga kompania franceze SNECMA dhe American General Electric dhe Pratt & Whitney. Në vitin 2012, Laboratori Kërkimor i Marinës Amerikane njoftoi synimin e tij për të zhvilluar një motor shpërthimi me rrotullim që do të zëvendësonte sistemet konvencionale të shtytjes së turbinave me gaz në anije.
Motorët e shpërthimit të rrotullimit ndryshojnë nga ata pulsues në atë që djegia e shpërthimit të përzierjes së karburantit në to ndodh vazhdimisht - pjesa e përparme e djegies lëviz në një dhomë unazore të djegies, në të cilën përzierja e karburantit azhurnohet vazhdimisht.
Ekologjia e konsumit. Shkenca dhe teknologjia: Në fund të gushtit 2016, agjencitë botërore të lajmeve përhapën lajmin: në një nga stendat e NPO Energomash në Khimki pranë Moskës, motori i parë i raketave me lëng të lëngshëm (LRE) me madhësi të plotë në botë duke përdorur filloi shpërthimi i djegies së karburantit.
Në fund të gushtit 2016, agjencitë botërore të lajmeve përhapën lajmin: në njërën nga stendat e NPO Energomash në Khimki pranë Moskës, u vendos motori i parë i raketave me lëng të lëngshëm (LRE) me madhësi të plotë në botë duke përdorur djegie shpërthyese të karburantit. operacion. Për këtë ngjarje, shkenca dhe teknologjia vendase ka shkuar për 70 vjet.
Ideja e një motori shpërthimi u propozua nga fizikani sovjetik Ya. B. Zel'dovich në një artikull "Për përdorimin e energjisë nga djegia e shpërthimit" të botuar në "Journal of Technical Physics" në vitin 1940. Që atëherë, kërkimet dhe eksperimentet mbi zbatimin praktik të teknologjisë premtuese kanë vazhduar në të gjithë botën. Në këtë garë mendjesh, së pari Gjermania, pastaj Shtetet e Bashkuara, pastaj BRSS dolën përpara. Dhe tani Rusia ka siguruar një përparësi të rëndësishme në historinë botërore të teknologjisë. Vitet e fundit, vendi ynë rrallë ka qenë në gjendje të mburret me diçka të tillë.
Në kreshtën e një vale
Cilat janë avantazhet e një motori shpërthimi? Në motorët tradicionalë të raketave me lëndë djegëse të lëngëta, si, në të vërtetë, në motorët konvencionalë të avionëve me pistoni ose turbojet, energjia që lëshohet gjatë djegies së karburantit përdoret. Në dhomën e djegies së motorit të raketës me lëndë djegëse të lëngshme, formohet një front i palëvizshëm i flakës, në të cilin djegia ndodh në një presion të vazhdueshëm. Ky proces normal i djegies quhet shpërthim. Si rezultat i bashkëveprimit të karburantit dhe oksiduesit, temperatura e përzierjes së gazit rritet ndjeshëm dhe një kolonë e zjarrtë e produkteve të djegies shpërthen nga hunda, të cilat formojnë shtytjen e avionit.
Shpërthimi është gjithashtu djegie, por ndodh 100 herë më shpejt sesa me djegien konvencionale të karburantit. Ky proces vazhdon aq shpejt sa shpërthimi shpesh ngatërrohet me një shpërthim, veçanërisht pasi lëshohet aq shumë energji sa, për shembull, motori i makinës, kur ky fenomen ndodh në cilindrat e tij, në fakt mund të shembet. Sidoqoftë, shpërthimi nuk është një shpërthim, por një lloj djegie aq i shpejtë sa produktet e reagimit as nuk kanë kohë të zgjerohen; prandaj, ky proces, në kontrast me shpërthimin, vazhdon me një vëllim konstant dhe një presion në rritje të mprehtë.
Në praktikë, duket kështu: në vend të një flake të palëvizshme përpara në përzierjen e karburantit, një valë shpërthimi formohet brenda dhomës së djegies, e cila lëviz me një shpejtësi supersonike. Në këtë valë kompresimi, ndodh shpërthimi i përzierjes së karburantit dhe oksiduesit, dhe ky proces është shumë më efikas nga pikëpamja termodinamike sesa djegia konvencionale e karburantit. Efikasiteti i djegies së shpërthimit është 25-30% më i lartë, domethënë, kur e njëjta sasi e karburantit digjet, fitohet më shumë shtytje, dhe për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies, motori i shpërthimit është teorikisht një rend i madhësisë më i lartë se motorët konvencionalë të raketave për sa i përket fuqisë së marrë nga një vëllim njësi.
Vetëm kjo ishte e mjaftueshme për të tërhequr vëmendjen më të afërt të specialistëve ndaj kësaj ideje. Në fund të fundit, ngecja që tani është shfaqur në zhvillimin e kozmonautikës botërore, e cila ka qenë e mbërthyer në orbitën pranë tokës për gjysmë shekulli, lidhet kryesisht me krizën në shtytjen e raketave. Nga rruga, aviacioni është gjithashtu në krizë, i cili nuk është në gjendje të kapërcejë pragun e tre shpejtësive të zërit. Kjo krizë mund të krahasohet me situatën në avionët pistoni në fund të viteve 1930. Helika dhe motori me djegie të brendshme kanë ezauruar potencialin e tyre, dhe vetëm ardhja e motorëve jet bëri të mundur arritjen e një niveli cilësisht të ri të lartësive, shpejtësive dhe diapazonit të fluturimit.
Hartimet e motorëve klasikë të raketave me lëndë djegëse të lëngëta janë lustruar në përsosmëri gjatë dekadave të fundit dhe praktikisht kanë arritur kufirin e aftësive të tyre. Characteristicsshtë e mundur të rriten karakteristikat e tyre specifike në të ardhmen vetëm brenda kufijve shumë të parëndësishëm - me disa përqind. Prandaj, kozmonautika botërore është e detyruar të ndjekë një rrugë të gjerë zhvillimi: për fluturimet e drejtuara në Hënë, është e nevojshme të ndërtohen automjete gjigante lëshimi, dhe kjo është shumë e vështirë dhe jashtëzakonisht e shtrenjtë, të paktën për Rusinë. Një përpjekje për të kapërcyer krizën me motorët bërthamorë ka ngecur në problemet mjedisore. Shfaqja e motorëve të raketave shpërthyese, ndoshta, është shumë herët për t'u krahasuar me kalimin e aviacionit në shtytjen e avionit, por ato janë mjaft të afta për të përshpejtuar procesin e eksplorimit të hapësirës. Për më tepër, ky lloj motori jet ka një avantazh tjetër shumë të rëndësishëm.
GRES në miniaturë
Një motor rakete konvencional është, në parim, një djegës i madh. Për të rritur shtytjen dhe karakteristikat e tij specifike, është e nevojshme të rritet presioni në dhomën e djegies. Në këtë rast, karburanti që injektohet në dhomë përmes grykave duhet të furnizohet me një presion më të lartë sesa arrihet gjatë procesit të djegies, përndryshe avioni i karburantit thjesht nuk mund të depërtojë në dhomë. Prandaj, njësia më komplekse dhe e shtrenjtë në një motor shtytës të lëngshëm nuk është një dhomë me një hundë, e cila është në pamje të thjeshtë, por një njësi turbopump karburanti (TNA), e fshehur në zorrët e raketës midis ndërlikimeve të tubacioneve.
Për shembull, motori më i fuqishëm i raketave në botë RD-170, i krijuar për fazën e parë të mjetit sovjetik të lëshimit super të rëndë Energia nga i njëjti NPO Energia, ka një presion të dhomës së djegies prej 250 atmosferash. Kjo është shumë. Por presioni në daljen e pompës së oksigjenit që pompon oksiduesin në dhomën e djegies arrin 600 atm. Një turbinë 189 MW përdoret për të drejtuar këtë pompë! Vetëm imagjinoni këtë: një rrotë turbine me një diametër prej 0.4 m zhvillon një fuqi katër herë më të madhe se akullthyesi bërthamor "Arktika" me dy reaktorë bërthamorë! Në të njëjtën kohë, THA është një pajisje komplekse mekanike, boshti i së cilës bën 230 rrotullime në sekondë, dhe duhet të punojë në një mjedis me oksigjen të lëngshëm, ku as më e vogla as një shkëndijë, por një kokërr rërë në tubacion çon në shpërthim. Teknologjitë për krijimin e një TNA të tillë janë njohuritë kryesore të Energomash, posedimi i së cilës i lejon kompanisë ruse sot të shesë motorët e saj për instalim në automjetet amerikane të lëshimit Atlas V dhe Antares. Ende nuk ka alternativë për motorët rusë në Shtetet e Bashkuara.
Për një motor shpërthimi, vështirësi të tilla nuk janë të nevojshme, pasi presioni për djegie më efikase sigurohet nga vetë shpërthimi, i cili është një valë kompresimi që udhëton në përzierjen e karburantit. Gjatë shpërthimit, presioni rritet me një faktor 18-20 pa asnjë TNA.
Për të marrë kushte në dhomën e djegies së një motori shpërthyes që janë ekuivalente, për shembull, me ato në dhomën e djegies të motorit të lëngshëm të karburantit të American Shuttle (200 atm), mjafton të furnizoni karburant nën një presion të ... 10 atm. Njësia e kërkuar për këtë, në krahasim me TNA të një motori klasik të motorëve të lëngshëm, është si një pompë biçikletash pranë SDPP Sayano-Shushenskaya.
Kjo do të thotë, motori i shpërthimit jo vetëm që do të jetë më i fuqishëm dhe më ekonomik sesa një motor konvencional me lëndë djegëse të lëngshme, por edhe një renditje të përmasave më të thjeshtë dhe më të lirë. Pra, pse kjo thjeshtësi nuk u është dhënë stilistëve për 70 vjet?
Problemi kryesor me të cilin përballeshin inxhinierët ishte se si të përballonin valën e shpërthimit. Nuk ka të bëjë vetëm me forcimin e motorit në mënyrë që të përballojë ngarkesa të rritura. Shpërthimi nuk është vetëm një valë shpërthimi, por diçka më dinake. Vala shpërthyese përhapet me shpejtësinë e zërit, dhe vala shpërthyese me një shpejtësi supersonike - deri në 2500 m / s. Nuk formon një front të qëndrueshëm të flakës, kështu që funksionimi i një motori të tillë po pulson: pas çdo shpërthimi, është e nevojshme të rinovoni përzierjen e karburantit, dhe pastaj të filloni një valë të re në të.
Përpjekjet për të krijuar një motor avioni pulsues u bënë shumë kohë para idesë së shpërthimit. Ishte në përdorimin e motorëve me avion pulsues që ata u përpoqën të gjenin një alternativë ndaj motorëve të pistonit në vitet 1930. Thjeshtësia tërhoqi përsëri: ndryshe nga një turbinë e aviacionit për një motor me avion pulsues (PUVRD), as një kompresor që rrotullohej me një shpejtësi prej 40,000 rpm nuk ishte i nevojshëm për të pompuar ajrin në mitrën e pangopur të dhomës së djegies, as duke funksionuar në një temperaturë gazi mbi një turbinë 1000˚С. Në PUVRD, presioni në dhomën e djegies krijoi pulsime në djegien e karburantit.
Patentat e para për një motor jet pulsues u morën në mënyrë të pavarur në 1865 nga Charles de Louvrier (Francë) dhe në 1867 nga Nikolai Afanasyevich Teleshov (Rusi). Dizajni i parë i zbatueshëm i PUVRD u patentua në vitin 1906 nga inxhinieri rus V.V. Karavodin, i cili ndërtoi një model instalimi një vit më vonë. Për shkak të një numri mangësish, instalimi i Karavodin nuk gjeti zbatim në praktikë. PUVRD e parë që operoi në një aeroplan të vërtetë ishte gjermani Argus As 014, bazuar në një patentë të vitit 1931 nga shpikësi i Mynihut Paul Schmidt. Argus u krijua për "armën e hakmarrjes" - bombën me krahë V -1. Një zhvillim i ngjashëm u krijua në 1942 nga projektuesi sovjetik Vladimir Chelomey për raketën e parë sovjetike të lundrimit 10X.
Sigurisht, këta motorë nuk ishin shpërthyer ende, pasi përdornin pulsimet e djegies konvencionale. Frekuenca e këtyre pulsimeve ishte e ulët, gjë që krijoi një tingull karakteristik të mitralozit gjatë operimit. Për shkak të funksionimit me ndërprerje, karakteristikat specifike të PUVRD ishin mesatarisht të ulëta, dhe pasi projektuesit deri në fund të viteve 1940 u përballën me vështirësitë e krijimit të kompresorëve, pompave dhe turbinave, motorët me turbojet dhe motorët me lëngje u bënë mbretër të qiell, dhe PUVRD mbeti në periferi të përparimit teknologjik. ...
Shtë kureshtare që PUVRD -të e para u krijuan nga stilistë gjermanë dhe sovjetikë në mënyrë të pavarur nga njëri -tjetri. Nga rruga, jo vetëm Zeldovich doli me idenë e një motori shpërthimi në 1940. Njëkohësisht me të, të njëjtat mendime u shprehën nga Von Neumann (SHBA) dhe Werner Doering (Gjermani), kështu që në shkencën ndërkombëtare modeli i përdorimit të djegies së shpërthimit u quajt ZND.
Ideja e kombinimit të PUVRD me djegien shpërthyese ishte shumë joshëse. Por pjesa e përparme e një flake të zakonshme përhapet me një shpejtësi prej 60-100 m / s dhe frekuenca e pulsimeve të saj në PUVRD nuk kalon 250 në sekondë. Dhe fronti i shpërthimit lëviz me një shpejtësi prej 1500-2500 m / s, kështu që frekuenca e pulsimit duhet të jetë mijëra në sekondë. Ishte e vështirë të zbatohej një normë e tillë e rinovimit të përzierjes dhe fillimit të shpërthimit në praktikë.
Sidoqoftë, përpjekjet për të krijuar motorë shpërthimi pulsues të zbatueshëm vazhduan. Puna e specialistëve të Forcave Ajrore të SHBA në këtë drejtim arriti kulmin në krijimin e një motori demonstrues, i cili u ngrit në qiell për herë të parë më 31 janar 2008 në një aeroplan eksperimental Long-EZ. Në fluturimin historik, motori punoi ... 10 sekonda në një lartësi prej 30 metrash. Sidoqoftë, përparësia në këtë rast mbeti me Shtetet e Bashkuara, dhe avioni me të drejtë zuri një vend në Muzeun Kombëtar të Forcave Ajrore të SHBA.
Ndërkohë, një skemë tjetër, shumë më premtuese është shpikur prej kohësh.
Si një ketër në një rrotë
Ideja për të rrethuar një valë shpërthimi dhe për ta bërë atë të funksionojë në dhomën e djegies si një ketër në një rrotë, u lind shkencëtarëve në fillim të viteve 1960. Fenomeni i shpërthimit të rrotullimit (rrotullues) u parashikua teorikisht nga fizikani sovjetik nga Novosibirsk B.V. Voitsekhovsky në 1960. Pothuajse njëkohësisht me të, në vitin 1961, amerikani J. Nicholls nga Universiteti i Miçiganit shprehu të njëjtën ide.
Motori shpërthyes rrotullues ose rrotullues është strukturor një dhomë unazore e djegies, në të cilën furnizohet karburanti duke përdorur injektorë të vendosur në mënyrë radiale. Vala e shpërthimit brenda dhomës nuk lëviz në drejtim boshtor, si në PUVRD, por në një rreth, duke ngjeshur dhe djegur përzierjen e karburantit para tij dhe përfundimisht duke i shtyrë produktet e djegies jashtë grykës në të njëjtën mënyrë si vida e një mulli mishi e shtyn mishin e grirë jashtë. Në vend të frekuencës së pulsimit, ne marrim frekuencën e rrotullimit të valës së shpërthimit, e cila mund të arrijë disa mijëra në sekondë, domethënë, në praktikë, motori nuk funksionon si një motor pulsues, por si një motor konvencional rakete me lëndë djegëse të lëngshme me djegie të palëvizshme, por shumë më efikase, pasi në fakt shpërthimi i përzierjes së karburantit ndodh në të. ...
Në BRSS, si në SHBA, puna në një motor shpërthimi rrotullues ka vazhduar që nga fillimi i viteve 1960, por përsëri, pavarësisht nga thjeshtësia në dukje e idesë, zbatimi i saj kërkonte zgjidhjen e pyetjeve teorike të çuditshme. Si ta organizoni procesin në mënyrë që vala të mos njomet? Ishte e nevojshme të kuptoheshin proceset më komplekse fizike dhe kimike që ndodhin në një mjedis të gaztë. Këtu llogaritja nuk u krye më në nivelin molekular, por në nivelin atomik, në kryqëzimin e kimisë dhe fizikës kuantike. Këto procese janë më komplekse sesa ato që ndodhin gjatë krijimit të një rreze lazer. Kjo është arsyeja pse lazeri ka punuar për një kohë të gjatë, por motori i shpërthimit nuk ka funksionuar. Për të kuptuar këto procese, ishte e nevojshme të krijohej një shkencë e re themelore - kinetika fiziko -kimike, e cila nuk ekzistonte 50 vjet më parë. Dhe për llogaritjen praktike të kushteve në të cilat vala e shpërthimit nuk do të kalbet, por do të bëhet e qëndrueshme, u kërkuan kompjuterë të fuqishëm, të cilët u shfaqën vetëm vitet e fundit. Ky ishte themeli që duhej hedhur në themelin e sukseseve praktike në zbutjen e shpërthimit.
Puna aktive në këtë drejtim po kryhet në Shtetet e Bashkuara. Këto studime janë duke u kryer nga Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Për shembull, laboratori kërkimor i Marinës Amerikane po zhvillon turbina me gaz shpërthimi për Marinën. Marina amerikane përdor 430 njësi turbine me gaz në 129 anije, dhe ato konsumojnë 3 miliardë dollarë karburant në vit. Futja e motorëve më ekonomikë të turbinave me gaz shpërthyes (GTE) do të kursejë sasi të mëdha parash.
Në Rusi, dhjetëra institute kërkimore dhe zyra projektimi kanë punuar dhe vazhdojnë të punojnë në motorët shpërthyes. Midis tyre është NPO Energomash, një kompani udhëheqëse e ndërtimit të motorëve në industrinë ruse, me shumë ndërmarrje nga të cilat bashkëpunon VTB Bank. Zhvillimi i një motori rakete shpërthimi u krye për më shumë se një vit, por në mënyrë që maja e ajsbergut të kësaj pune të shkëlqejë nën diell në formën e një testi të suksesshëm, pjesëmarrja organizative dhe financiare e Fondacionit famëkeq për Kërkime të Avancuara (FPI) kërkohej. Ishte FPI ai që ndau fondet e nevojshme për krijimin në vitin 2014 të një laboratori të specializuar "Detonation LRE". Në fund të fundit, pavarësisht 70 viteve të kërkimit, kjo teknologji ende mbetet "shumë premtuese" në Rusi për t'u financuar nga klientë si Ministria e Mbrojtjes, të cilët, si rregull, kanë nevojë për një rezultat praktik të garantuar. Dhe është akoma shumë larg prej saj.
Zbutja e mendjemprehtë
Unë do të doja të besoja se pas gjithçkaje që u tha më lart, puna titanike që shfaqet midis rreshtave të një raporti të shkurtër në lidhje me testet që u zhvilluan në Energomash në Khimki në korrik-gusht 2016 bëhet e kuptueshme: valët me një frekuencë prej rreth 20 kHz (frekuenca e rrotullimit të valës është 8 mijë rrotullime në sekondë) në avullin e karburantit "oksigjen - vajguri". Ishte e mundur të merreshin disa valë shpërthimi, të cilat balancuan ngarkesat e dridhjeve dhe goditjeve të njëri -tjetrit. Veshjet e mbrojtjes nga nxehtësia të zhvilluara posaçërisht në Qendrën Keldysh ndihmuan në përballimin e ngarkesave të temperaturës së lartë. Motori i rezistoi disa ndezjeve nën ngarkesa ekstreme të dridhjeve dhe temperatura ultra të larta në mungesë të ftohjes së shtresës së murit. Një rol të veçantë në këtë sukses luajti krijimi i modeleve matematikore dhe injektuesve të karburantit, të cilat bënë të mundur marrjen e një përzierje të qëndrueshmërisë së nevojshme për shfaqjen e shpërthimit. "
Sigurisht, nuk duhet të ekzagjerohet rëndësia e suksesit të arritur. U krijua vetëm një motor demonstrues, i cili funksionoi për një kohë relativisht të shkurtër, dhe asgjë nuk u raportua për karakteristikat e tij të vërteta. Sipas NPO Energomash, një motor rakete shpërthimi do të rrisë shtytjen me 10% kur djeg të njëjtën sasi karburanti si në një motor konvencional, dhe impulsi specifik i shtytjes duhet të rritet me 10-15%.
Por rezultati kryesor është se mundësia e organizimit të djegies së shpërthimit në një motor rakete me lëndë të lëngshme është vërtetuar praktikisht. Sidoqoftë, ka ende një rrugë të gjatë për të bërë përpara se të përdorni këtë teknologji në avionë të vërtetë. Një aspekt tjetër i rëndësishëm është se një përparësi tjetër botërore në fushën e teknologjive të larta tani i është caktuar vendit tonë: për herë të parë në botë, një motor rakete shpërthyese me madhësi të plotë u nis në Rusi, dhe ky fakt do të mbetet në historinë e Shkencë dhe Teknologji. botuar