Testet e motorit të shpërthimit
Fondacioni i Kërkimeve të Avancuara
Shoqata e Kërkimit dhe Prodhimit Energomash testoi një dhomë model të një motori rakete me shpërthim të lëngshëm, shtytja e të cilit ishte dy tonë. Për këtë në një intervistë " gazeta ruse"Tha projektuesi kryesor i" Energomash "Pyotr Lyovochkin. Sipas tij, ky model punonte me vajguri dhe gaz oksigjen.
Shpërthimi është djegia e një lënde në të cilën përhapet pjesa e përparme e djegies shpejtësi më të shpejtë tingull. Në këtë rast, një valë goditëse përhapet përmes substancës, e ndjekur nga reaksion kimik me çlirimin e një sasie të madhe nxehtësie. Në motorët modernë të raketave, djegia e karburantit ndodh me një shpejtësi nënsonike; ky proces quhet deflagrim.
Motorët e shpërthimit sot ato ndahen në dy lloje kryesore: pulsuese dhe rrotulluese. Këto të fundit quhen edhe spin. V motorët me impuls ndodhin shpërthime të shkurtra kur digjen pjesë të vogla të përzierjes karburant-ajër. Në djegien rrotulluese, përzierja digjet vazhdimisht pa u ndalur.
Në termocentrale të tilla, përdoret një dhomë djegie unazore në të cilën përzierja e karburantit furnizohet në seri përmes valvulave të vendosura në mënyrë radiale. Në termocentrale të tilla, shpërthimi nuk lagësht - vala e shpërthimit "përshkon" dhomën unazore të djegies, përzierja e karburantit pas saj ka kohë të rinovohet. Motori rrotullues u studiua për herë të parë në BRSS në vitet 1950.
Motorët e shpërthimit janë të aftë të funksionojnë në një gamë të gjerë shpejtësish fluturimi - nga zero në pesë numra Mach (0-6,2 mijë kilometra në orë). Besohet se të tilla termocentralet mund të lëshojë fuqi e madhe konsumojnë më pak karburant sesa motorët e zakonshëm të avionëve. Në të njëjtën kohë, dizajni i motorëve të shpërthimit është relativisht i thjeshtë: atyre u mungon një kompresor dhe shumë pjesë lëvizëse.
Motori i ri rus i shpërthimit të lëndëve djegëse të lëngëta po zhvillohet së bashku nga disa institute, duke përfshirë Institutin e Aviacionit të Moskës, Institutin e Hidrodinamikës Lavrentiev, Qendrën Keldysh, Instituti Qendror Aviation Motors me emrin Baranov dhe Fakultetin e Mekanikës dhe Matematikës të Universitetit Shtetëror të Moskës. Zhvillimi mbikëqyret nga Fondacioni i Kërkimeve të Avancuara.
Sipas Lyovochkin, gjatë provave, presioni në dhomën e djegies së motorit të shpërthimit ishte 40 atmosfera. Në të njëjtën kohë, njësia funksiononte në mënyrë të besueshme pa sisteme komplekse ftohjeje. Një nga detyrat e provave ishte konfirmimi i mundësisë së djegies së shpërthimit të një përzierjeje karburanti oksigjen-vajguri. Më herët u raportua se frekuenca e shpërthimit në motorin e ri rus është 20 kilohertz.
Testet e para të një motori rakete me shpërthim të lëngshëm në verën e vitit 2016. Nuk dihet nëse motori është testuar përsëri që atëherë.
Në fund të dhjetorit 2016 kompani amerikane Aerojet Rocketdyne Laboratori Kombëtar i Teknologjisë së Energjisë në SHBA ka kontratë për zhvillimin e një termocentrali të ri me turbina me gaz bazuar në një motor shpërthyes rrotullues. Puna që do të rezultojë në një prototip instalim i ri, planifikuar të përfundojë deri në mesin e vitit 2019.
Nga vlerësim paraprak, motori me turbina me gaz i tipit të ri do të ketë të paktën pesë për qind performanca më e mirë sesa instalimet e tilla konvencionale. Në të njëjtën kohë, vetë instalimet mund të bëhen më kompakte.
Vasily Sychev
Motorët e shpërthimit do të zëvendësojnë bërthamën e turbinave me gaz / Foto: finobzor.ru
Në fakt, në vend të një flake ballore konstante në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me një shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja termodinamike, rritet. Efikasiteti i motorit sipas rendit të madhësisë, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies.
Është interesante se në vitin 1940, fizikani sovjetik Ya.B. Zeldovich propozoi idenë e një motori shpërthimi në artikullin "On përdorimin e energjisë djegia e shpërthimit". Që atëherë, shumë shkencëtarë nga vende të ndryshme, pastaj Shtetet e Bashkuara, pastaj Gjermania, pastaj bashkatdhetarët tanë dolën përpara.
Në verë, në gusht 2016, shkencëtarët rusë arritën të krijojnë motorin e parë të avionit të lëngshëm me madhësi të plotë në botë që funksionon në parimin e djegies së karburantit me shpërthim. Vendi ynë më në fund ka vendosur një prioritet botëror në zhvillimin e teknologjisë më të fundit gjatë shumë viteve të pas-perestrojkës.
Pse është kaq mirë motor i ri? Një motor reaktiv përdor energjinë e çliruar kur përzierja digjet me një presion konstant dhe një front të vazhdueshëm flakë. Përzierja e gazit e karburantit dhe oksiduesit gjatë djegies rrit ndjeshëm temperaturën dhe kolona e flakës që del nga hunda krijon shtytje jet.
Motori i shpërthimit / Foto: sdelanounas.ru
Gjatë djegies së shpërthimit, produktet e reaksionit nuk kanë kohë të dekompozohen, sepse ky proces është 100 herë më i shpejtë se deflargimi dhe presioni rritet me shpejtësi, por vëllimi mbetet i pandryshuar. Lëshimi i një sasie kaq të madhe energjie në fakt mund të shkatërrojë motorin e një makine, prandaj ky proces shpesh shoqërohet me një shpërthim.
Në fakt, në vend të një flake ballore konstante në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me një shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja termodinamike, rrit efikasitetin e motorit me një renditje madhësie, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies. Prandaj, specialistët me kaq zell filluan ta zhvillojnë këtë ide.Në një motor rakete konvencionale me lëndë djegëse të lëngshme, i cili në thelb është një djegës i madh, gjëja kryesore nuk është dhoma e djegies dhe gryka, por njësia e turbopompës së karburantit (TNA), e cila krijon presion i tillë që karburanti depërton në dhomë. Për shembull, në motorin rus të raketës RD-170 për automjetet lëshuese Energia, presioni në dhomën e djegies është 250 atm dhe pompa që furnizon oksiduesin në zonën e djegies duhet të krijojë një presion prej 600 atm.
Në një motor shpërthyes, presioni krijohet nga vetë shpërthimi, i cili është një valë kompresimi udhëtuese në përzierjen e karburantit, në të cilën presioni pa asnjë TPA është tashmë 20 herë më i lartë dhe njësitë e pompës turbo janë të tepërta. Për ta bërë të qartë, American Shuttle ka një presion të dhomës së djegies prej 200 atm, dhe një motor shpërthyes në kushte të tilla ka nevojë për vetëm 10 atm për të furnizuar përzierjen - është si një pompë biçiklete dhe HEC Sayano-Shushenskaya.
Në këtë rast, një motor i bazuar në shpërthim jo vetëm që është më i thjeshtë dhe më i lirë për një renditje të madhësisë, por është shumë më i fuqishëm dhe më ekonomik se një motor rakete konvencional me lëndë djegëse të lëngshme. Në rrugën drejt zbatimit të projektit të motorit të shpërthimit, problemi të përballimit të valës së shpërthimit u ngrit. Ky fenomen nuk është thjesht një valë shpërthimi, e cila ka shpejtësinë e zërit, dhe një valë shpërthyese që përhapet me një shpejtësi prej 2500 m/s, nuk ka stabilizim të frontit të flakës në të, përzierja rinovohet për çdo pulsim dhe vala riniset.
Më parë, inxhinierët rusë dhe francezë zhvilluan dhe ndërtuan motorë reaktivë pulsues, por jo në parimin e shpërthimit, por në bazë të pulsimit të djegies konvencionale. Karakteristikat e këtyre PUVRD-ve ishin të ulëta dhe kur ndërtuesit e motorëve zhvilluan pompa, turbina dhe kompresorë, erdhi shekulli. motorët reaktiv dhe motori i raketës, dhe ato pulsuese mbetën në kufijtë e përparimit. Mendjet e ndritura të shkencës u përpoqën të kombinonin djegien e shpërthimit me një PUVRD, por frekuenca e pulsimeve të një fronti djegieje konvencionale nuk është më shumë se 250 në sekondë, dhe pjesa e përparme e shpërthimit ka një shpejtësi deri në 2500 m / s dhe frekuencën e saj të pulsimit. arrin disa mijëra në sekondë. Dukej e pamundur të zbatohej në praktikë një shkallë e tillë e rinovimit të përzierjes dhe në të njëjtën kohë të fillonte shpërthimin.
Në SHBA, ishte e mundur të ndërtohej një motor i tillë pulsues i shpërthimit dhe të testohej në ajër, megjithatë, ai funksionoi vetëm për 10 sekonda, por përparësia mbeti me projektuesit amerikanë. Por tashmë në vitet '60 të shekullit të kaluar, shkencëtari sovjetik B.V. Voitsekhovsky, dhe praktikisht në të njëjtën kohë, një amerikan nga Universiteti i Miçiganit, J. Nichols, lindi me idenë për të lidhur një valë shpërthimi në dhomën e djegies.
Imazhi: sdelanounas.ru
Si funksionon një motor rakete me shpërthim?
Të tillë motor rrotullues përbëhej nga një dhomë unaze djegieje me grykë të vendosura përgjatë rrezes së saj për furnizimin me karburant. Vala e shpërthimit shkon si një ketër në një rrotë rreth perimetrit, përzierja e karburantit ngjesh dhe digjet, duke i shtyrë produktet e djegies përmes grykës. Në një motor rrotullues, marrim një frekuencë rrotullimi të një valë prej disa mijëra në sekondë, puna e tij është e ngjashme me procesin e punës në një motor me motor të lëngshëm, vetëm në mënyrë më efikase për shkak të shpërthimit të përzierjes së karburantit.
Në BRSS dhe SHBA, dhe më vonë në Rusi, po punohet për të krijuar një motor shpërthyes rrotullues me një valë të vazhdueshme, për të kuptuar proceset që ndodhin brenda, për të cilat u krijua një shkencë e tërë e kinetikës fiziko-kimike. Për të llogaritur kushtet e një valë të pamposhtur, nevojiteshin kompjuterë të fuqishëm, të cilët u krijuan vetëm kohët e fundit.
Në Rusi, shumë institute kërkimore dhe zyra projektimi po punojnë në projektin e një motori të tillë rrotullues, duke përfshirë kompaninë e ndërtimit të motorëve të industrisë hapësinore. Fondi i Kërkimit të Avancuar erdhi në ndihmë në zhvillimin e një motori të tillë, sepse financimi nga Ministria e Mbrojtjes është i pamundur të arrihet - vetëm u jep atyre një rezultat të garantuar.
Sidoqoftë, gjatë provave në Khimki në Energomash, u regjistrua një gjendje e qëndrueshme e shpërthimit të vazhdueshëm të rrotullimit - 8 mijë rrotullime në sekondë në një përzierje oksigjeni-vajguri. Në këtë rast, valët e shpërthimit balancuan valët e dridhjeve, dhe veshjet mbrojtëse nga nxehtësia i rezistuan temperaturave të larta.
Por mos u bëni lajka, sepse ky është vetëm një motor demonstrues që ka punuar për një kohë shumë të shkurtër dhe ende nuk është thënë asgjë për karakteristikat e tij. Por gjëja kryesore është se mundësia e krijimit të djegies së shpërthimit është vërtetuar dhe në Rusi është krijuar një motor rrotullues me madhësi të plotë, i cili do të mbetet përgjithmonë në historinë e shkencës.
MOSKË, botimi "Made by ne".
12
Në fakt, në vend të një flake ballore konstante në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me një shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja termodinamike, rrit efikasitetin e motorit me një renditje madhësie, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies.
Është interesante se në vitin 1940, fizikani sovjetik Ya.B. Zeldovich propozoi idenë e një motori shpërthimi në artikullin "Për përdorimin e energjisë së djegies së shpërthimit". Që atëherë, shumë shkencëtarë nga vende të ndryshme kanë punuar për një ide premtuese, tani Shtetet e Bashkuara, tani Gjermania, tani bashkatdhetarët tanë kanë dalë përpara.
Në verë, në gusht 2016, shkencëtarët rusë arritën të krijojnë motorin e parë të avionit të lëngshëm me madhësi të plotë në botë që funksionon në parimin e djegies së karburantit me shpërthim. Vendi ynë më në fund ka vendosur një prioritet botëror në zhvillimin e teknologjisë më të fundit gjatë shumë viteve të pas-perestrojkës.
Pse motori i ri është kaq i mirë? Një motor reaktiv përdor energjinë e çliruar kur përzierja digjet me një presion konstant dhe një front të vazhdueshëm flakë. Gjatë djegies, përzierja e gazit e karburantit dhe oksiduesit rrit ndjeshëm temperaturën dhe kolona e flakës që del nga gryka krijon një shtytje jet.
Gjatë djegies së shpërthimit, produktet e reaksionit nuk kanë kohë të dekompozohen, sepse ky proces është 100 herë më i shpejtë se deflargimi dhe presioni rritet me shpejtësi, por vëllimi mbetet i pandryshuar. Lëshimi i një sasie kaq të madhe energjie në fakt mund të shkatërrojë motorin e një makine, prandaj ky proces shpesh shoqërohet me një shpërthim.
Në fakt, në vend të një flake ballore konstante në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me një shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja e termodinamikës rrit efikasitetin e motorit me një renditje të madhësisë, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies. Prandaj, specialistët me kaq zell filluan ta zhvillojnë këtë ide.Në një motor rakete konvencionale me lëndë djegëse të lëngshme, i cili në thelb është një djegës i madh, gjëja kryesore nuk është dhoma e djegies dhe gryka, por njësia e turbopompës së karburantit (TNA), e cila krijon presion i tillë që karburanti depërton në dhomë. Për shembull, në motorin rus të raketës RD-170 për automjetet lëshuese Energia, presioni në dhomën e djegies është 250 atm dhe pompa që furnizon oksiduesin në zonën e djegies duhet të krijojë një presion prej 600 atm.
Në një motor shpërthyes, presioni krijohet nga vetë shpërthimi, i cili është një valë kompresimi udhëtuese në përzierjen e karburantit, në të cilën presioni pa asnjë TPA është tashmë 20 herë më i lartë dhe njësitë e pompës turbo janë të tepërta. Për ta bërë të qartë, American Shuttle ka një presion të dhomës së djegies prej 200 atm, dhe një motor shpërthyes në kushte të tilla ka nevojë vetëm për 10 atm për të furnizuar përzierjen - është si një pompë biçiklete dhe HEC Sayano-Shushenskaya.
Në këtë rast, një motor i bazuar në shpërthim jo vetëm që është më i thjeshtë dhe më i lirë për një renditje të madhësisë, por është shumë më i fuqishëm dhe më ekonomik se një motor rakete konvencional me lëndë djegëse të lëngshme. Në rrugën drejt zbatimit të projektit të motorit të shpërthimit, problemi të përballimit të valës së shpërthimit u ngrit. Ky fenomen nuk është thjesht një valë shpërthimi, e cila ka shpejtësinë e zërit, dhe një valë shpërthyese që përhapet me një shpejtësi prej 2500 m/s, nuk ka stabilizim të frontit të flakës në të, përzierja rinovohet për çdo pulsim dhe vala riniset.
Më parë, inxhinierët rusë dhe francezë zhvilluan dhe ndërtuan motorë reaktivë pulsues, por jo në parimin e shpërthimit, por në bazë të pulsimit të djegies konvencionale. Karakteristikat e këtyre PUVRD-ve ishin të ulëta, dhe kur ndërtuesit e motorëve zhvilluan pompa, turbina dhe kompresorë, erdhi epoka e motorëve reaktivë dhe motorëve të raketave me lëndë të lëngshme, dhe ato pulsuese mbetën në kufijtë e përparimit. Mendjet e ndritura të shkencës u përpoqën të kombinonin djegien e shpërthimit me një PUVRD, por frekuenca e pulsimeve të një fronti djegieje konvencionale nuk është më shumë se 250 në sekondë, dhe pjesa e përparme e shpërthimit ka një shpejtësi deri në 2500 m / s dhe frekuencën e saj të pulsimit. arrin disa mijëra në sekondë. Dukej e pamundur të zbatohej në praktikë një shkallë e tillë e rinovimit të përzierjes dhe në të njëjtën kohë të fillonte shpërthimin.
Në SHBA, ishte e mundur të ndërtohej një motor i tillë pulsues i shpërthimit dhe të testohej në ajër, megjithatë, ai funksionoi vetëm për 10 sekonda, por përparësia mbeti me projektuesit amerikanë. Por tashmë në vitet '60 të shekullit të kaluar, shkencëtari sovjetik B.V. Voitsekhovsky, dhe praktikisht në të njëjtën kohë, një amerikan nga Universiteti i Miçiganit, J. Nichols, lindi me idenë për të lidhur një valë shpërthimi në dhomën e djegies.
Si funksionon një motor rakete me shpërthim?
Një motor i tillë rrotullues përbëhej nga një dhomë unaze djegieje me grykë të vendosura përgjatë rrezes së tij për furnizimin me karburant. Vala e shpërthimit shkon si një ketër në një rrotë rreth perimetrit, përzierja e karburantit ngjesh dhe digjet, duke i shtyrë produktet e djegies përmes grykës. Në një motor rrotullues, marrim një frekuencë rrotullimi të një valë prej disa mijëra në sekondë, puna e tij është e ngjashme me procesin e punës në një motor me motor të lëngshëm, vetëm në mënyrë më efikase për shkak të shpërthimit të përzierjes së karburantit.
Në BRSS dhe SHBA, dhe më vonë në Rusi, po punohet për të krijuar një motor shpërthyes rrotullues me një valë të vazhdueshme, për të kuptuar proceset që ndodhin brenda, për të cilat u krijua një shkencë e tërë e kinetikës fiziko-kimike. Për të llogaritur kushtet e një valë të pamposhtur, nevojiteshin kompjuterë të fuqishëm, të cilët u krijuan vetëm kohët e fundit.
Në Rusi, shumë institute kërkimore dhe zyra projektimi po punojnë në projektin e një motori të tillë rrotullues, duke përfshirë kompaninë e ndërtimit të motorëve të industrisë hapësinore NPO Energomash. Fondi i Kërkimit të Avancuar erdhi në ndihmë në zhvillimin e një motori të tillë, sepse financimi nga Ministria e Mbrojtjes është i pamundur të arrihet - vetëm u jep atyre një rezultat të garantuar.
Sidoqoftë, gjatë provave në Khimki në Energomash, u regjistrua një gjendje e qëndrueshme e shpërthimit të vazhdueshëm të rrotullimit - 8 mijë rrotullime në sekondë në një përzierje oksigjeni-vajguri. Në këtë rast, valët e shpërthimit balancuan valët e dridhjeve, dhe veshjet mbrojtëse nga nxehtësia i rezistuan temperaturave të larta.
Por mos u bëni lajka, sepse ky është vetëm një motor demonstrues që ka punuar për një kohë shumë të shkurtër dhe ende nuk është thënë asgjë për karakteristikat e tij. Por gjëja kryesore është se mundësia e krijimit të djegies së shpërthimit është vërtetuar dhe në Rusi është krijuar një motor rrotullues me madhësi të plotë, i cili do të mbetet përgjithmonë në historinë e shkencës.
Në fakt, në vend të një flake ballore konstante në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me një shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja termodinamike, rrit efikasitetin e motorit me një renditje madhësie, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies.
Është interesante se në vitin 1940, fizikani sovjetik Ya.B. Zeldovich propozoi idenë e një motori shpërthimi në artikullin "Për përdorimin e energjisë së djegies së shpërthimit". Që atëherë, shumë shkencëtarë nga vende të ndryshme kanë punuar për një ide premtuese, tani Shtetet e Bashkuara, tani Gjermania, tani bashkatdhetarët tanë kanë dalë përpara.
Në verë, në gusht 2016, shkencëtarët rusë arritën të krijojnë motorin e parë të avionit të lëngshëm me madhësi të plotë në botë që funksionon në parimin e djegies së karburantit me shpërthim. Vendi ynë më në fund ka vendosur një prioritet botëror në zhvillimin e teknologjisë më të fundit gjatë shumë viteve të pas-perestrojkës.
Pse motori i ri është kaq i mirë? Një motor reaktiv përdor energjinë e çliruar kur përzierja digjet me një presion konstant dhe një front të vazhdueshëm flakë. Gjatë djegies, përzierja e gazit e karburantit dhe oksiduesit rrit ndjeshëm temperaturën dhe kolona e flakës që del nga gryka krijon një shtytje jet.
Gjatë djegies së shpërthimit, produktet e reaksionit nuk kanë kohë të dekompozohen, sepse ky proces është 100 herë më i shpejtë se deflargimi dhe presioni rritet me shpejtësi, por vëllimi mbetet i pandryshuar. Lëshimi i një sasie kaq të madhe energjie në fakt mund të shkatërrojë motorin e një makine, prandaj ky proces shpesh shoqërohet me një shpërthim.
Në fakt, në vend të një flake ballore konstante në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me një shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja termodinamike, rrit efikasitetin e motorit me një renditje madhësie, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies. Prandaj, specialistët me kaq zell filluan ta zhvillojnë këtë ide.
Në një motor rakete konvencional me lëndë djegëse të lëngshme, i cili është, në fakt, një djegës i madh, gjëja kryesore nuk është dhoma e djegies dhe gryka, por njësia e turbopompës së karburantit (TNA), e cila krijon një presion të tillë që karburanti depërton në dhoma. Për shembull, në motorin rus të raketës RD-170 për automjetet lëshuese Energia, presioni në dhomën e djegies është 250 atm dhe pompa që furnizon oksiduesin në zonën e djegies duhet të krijojë një presion prej 600 atm.
Në një motor shpërthyes, presioni krijohet nga vetë shpërthimi, i cili është një valë kompresimi udhëtuese në përzierjen e karburantit, në të cilën presioni pa asnjë TPA është tashmë 20 herë më i lartë dhe njësitë e pompës turbo janë të tepërta. Për ta bërë të qartë, "Shuttle" amerikan ka një presion të dhomës së djegies prej 200 atm, dhe një motor shpërthyes në kushte të tilla ka nevojë vetëm për 10 atm për të furnizuar përzierjen - është si një pompë biçiklete dhe HEC Sayano-Shushenskaya.
Në këtë rast, një motor i bazuar në shpërthim nuk është vetëm më i thjeshtë dhe më i lirë me një renditje madhësie, por shumë më i fuqishëm dhe më ekonomik se një motor rakete konvencionale me lëndë djegëse të lëngshme.
Në rrugën drejt zbatimit të projektit të motorit të shpërthimit, u ngrit problemi i përballimit të valës së shpërthimit. Ky fenomen nuk është thjesht një valë shpërthimi, e cila ka shpejtësinë e zërit, dhe një valë shpërthyese që përhapet me një shpejtësi prej 2500 m/s, nuk ka stabilizim të frontit të flakës në të, përzierja rinovohet për çdo pulsim dhe vala riniset.
Më parë, inxhinierët rusë dhe francezë zhvilluan dhe ndërtuan motorë reaktivë pulsues, por jo në parimin e shpërthimit, por në bazë të pulsimit të djegies konvencionale. Karakteristikat e këtyre PUVRD-ve ishin të ulëta, dhe kur ndërtuesit e motorëve zhvilluan pompa, turbina dhe kompresorë, erdhi epoka e motorëve reaktivë dhe motorëve të raketave me lëndë të lëngshme, dhe ato pulsuese mbetën në kufijtë e përparimit. Mendjet e ndritura të shkencës u përpoqën të kombinonin djegien e shpërthimit me një PUVRD, por frekuenca e pulsimeve të një fronti djegieje konvencionale nuk është më shumë se 250 në sekondë, dhe pjesa e përparme e shpërthimit ka një shpejtësi deri në 2500 m / s dhe frekuencën e saj të pulsimit. arrin disa mijëra në sekondë. Dukej e pamundur të zbatohej në praktikë një shkallë e tillë e rinovimit të përzierjes dhe në të njëjtën kohë të fillonte shpërthimin.
Në SHBA, ishte e mundur të ndërtohej një motor i tillë pulsues i shpërthimit dhe të testohej në ajër, megjithatë, ai funksionoi vetëm për 10 sekonda, por përparësia mbeti me projektuesit amerikanë. Por tashmë në vitet '60 të shekullit të kaluar, shkencëtari sovjetik B.V. Voitsekhovsky, dhe praktikisht në të njëjtën kohë, një amerikan nga Universiteti i Miçiganit, J. Nichols, lindi me idenë për të lidhur një valë shpërthimi në dhomën e djegies.
Si funksionon një motor rakete me shpërthim?
Një motor i tillë rrotullues përbëhej nga një dhomë unaze djegieje me grykë të vendosura përgjatë rrezes së tij për furnizimin me karburant. Vala e shpërthimit shkon si një ketër në një rrotë rreth perimetrit, përzierja e karburantit ngjesh dhe digjet, duke i shtyrë produktet e djegies përmes grykës. Në një motor rrotullues, marrim një frekuencë rrotullimi të një valë prej disa mijëra në sekondë, puna e tij është e ngjashme me procesin e punës në një motor me motor të lëngshëm, vetëm në mënyrë më efikase për shkak të shpërthimit të përzierjes së karburantit.
Në BRSS dhe SHBA, dhe më vonë në Rusi, po punohet për të krijuar një motor shpërthimi rrotullues me një valë të vazhdueshme për të kuptuar proceset që ndodhin brenda, dhe për këtë u krijua një shkencë e tërë - kinetika fiziko-kimike. Për të llogaritur kushtet e një valë të pamposhtur, nevojiteshin kompjuterë të fuqishëm, të cilët u krijuan vetëm kohët e fundit.
Në Rusi, shumë institute kërkimore dhe zyra projektimi po punojnë në projektin e një motori të tillë rrotullues, duke përfshirë kompaninë e ndërtimit të motorëve të industrisë hapësinore NPO Energomash. Fondi i Kërkimit të Avancuar erdhi në ndihmë në zhvillimin e një motori të tillë, sepse financimi nga Ministria e Mbrojtjes është i pamundur të arrihet - vetëm u jep atyre një rezultat të garantuar.
Sidoqoftë, gjatë provave në Khimki në Energomash, u regjistrua një gjendje e qëndrueshme e shpërthimit të vazhdueshëm të rrotullimit - 8 mijë rrotullime në sekondë në një përzierje oksigjeni-vajguri. Në këtë rast, valët e shpërthimit balancuan valët e dridhjeve, dhe veshjet mbrojtëse nga nxehtësia i rezistuan temperaturave të larta.
Por mos u bëni lajka, sepse ky është vetëm një motor demonstrues që ka punuar për një kohë shumë të shkurtër dhe ende nuk është thënë asgjë për karakteristikat e tij. Por gjëja kryesore është se mundësia e krijimit të djegies së shpërthimit është vërtetuar dhe në Rusi është krijuar një motor rrotullues me madhësi të plotë, i cili do të mbetet përgjithmonë në historinë e shkencës.
Video: "Energomash" ishte i pari në botë që testoi një motor rakete me motor të lëngshëm me shpërthim
Çfarë fshihet në të vërtetë pas raporteve të motorit të parë të raketës shpërthyese në botë të testuar në Rusi
Në fund të gushtit 2016, agjencitë botërore të lajmeve përhapën lajmin: në një nga stendat e NPO Energomash në Khimki afër Moskës, lëngu i parë në botë me madhësi të plotë. motor rakete(LRE) duke përdorur djegien e karburantit me shpërthim. Për këtë ngjarje, shkenca dhe teknologjia vendase ka shkuar për 70 vjet. Ideja e një motori shpërthyes u propozua nga fizikani sovjetik Ya. B. Zeldovich në një artikull "Për përdorimin e energjisë së djegies së shpërthimit" botuar në "Journal of Technical Physics" në vitin 1940. Që atëherë, eksperimentet kërkimore dhe praktike të zbatimit kanë vazhduar në mbarë botën. teknologji premtuese... Në këtë garë mendjesh, fillimisht Gjermania, më pas Shtetet e Bashkuara, më pas BRSS u larguan përpara. Dhe tani Rusia ka siguruar një prioritet të rëndësishëm në historinë botërore të teknologjisë. V vitet e fundit Vendi ynë nuk mburret shpesh me diçka të tillë.
Cilat janë avantazhet e një motori shpërthyes? Në motorët tradicionalë të raketave me lëndë djegëse të lëngshme, si në të vërtetë, në motorët e avionëve konvencionalë me piston ose turbojet, përdoret energjia që çlirohet gjatë djegies së karburantit. Në këtë rast, një front i palëvizshëm i flakës formohet në dhomën e djegies së motorit të raketës me lëndë të lëngshme, në të cilën djegia ndodh me një presion konstant. Ky proces normal i djegies quhet deflagrim. Si rezultat i ndërveprimit të karburantit dhe oksiduesit, temperatura përzierje gazi kolona e zjarrtë e produkteve të djegies ngrihet ndjeshëm dhe del nga hunda, të cilat formojnë shtytjen e avionit.
Shpërthimi është gjithashtu djegie, por ndodh 100 herë më shpejt sesa me djegien e karburantit konvencional. Ky proces është aq i shpejtë saqë shpërthimi shpesh ngatërrohet me një shpërthim, veçanërisht pasi çlirohet aq shumë energji sa, për shembull, motori i makinës kur ky fenomen ndodh në cilindrat e tij, ai me të vërtetë mund të shembet. Sidoqoftë, shpërthimi nuk është një shpërthim, por një lloj djegie aq i shpejtë sa që produktet e reagimit nuk kanë kohë as të zgjerohen; prandaj, ky proces, ndryshe nga deflagrimi, vazhdon me një vëllim konstant dhe një presion në rritje të mprehtë.
Në praktikë, duket kështu: në vend të një fronti të palëvizshëm të flakës 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 një përzierjeje të karburantit dhe oksiduesit, dhe ky proces është shumë më efikas nga pikëpamja termodinamike sesa djegia e karburantit konvencional. Efikasiteti i djegies së shpërthimit është 25-30% më i lartë, domethënë, kur digjet e njëjta sasi karburanti, fitohet më shumë shtytje dhe për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies, motori i shpërthimit është teorikisht një renditje me madhësi më të lartë se motorët e raketave konvencionale për sa i përket fuqisë së marrë nga një njësi vëllimi.
Vetëm kjo mjaftoi për të tërhequr vëmendjen më të ngushtë të specialistëve ndaj kësaj ideje. Në fund të fundit, stanjacioni që ka lindur tani në zhvillimin e kozmonautikës botërore, e cila ka ngecur në orbitën afër tokës për gjysmë shekulli, lidhet kryesisht me krizën në shtytjen e raketave. Nga rruga, ka edhe një krizë në aviacion, i cili nuk është në gjendje të kalojë pragun e tre shpejtësive të zërit. Kjo krizë mund të krahasohet me situatën në avionët pistoni në fund të viteve 1930. Helika dhe motori djegia e brendshme shteruan potencialin e tyre dhe vetëm pamja e motorëve reaktiv bëri të mundur arritjen e cilësisë së lartë nivel të ri lartësitë, shpejtësitë dhe diapazoni i fluturimeve.
Modelet 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. Është 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 me pilot në Hënë, është e nevojshme të ndërtohen mjete lëshimi gjigante, dhe kjo është shumë e vështirë dhe jashtëzakonisht e shtrenjtë, të paktën për Rusinë. Një përpjekje për të kapërcyer krizën me ndihmën e motorëve bërthamorë u ndesh problemet ekologjike... Shfaqja e motorëve të raketave me lëndë djegëse të lëngshme me shpërthim, ndoshta, është shumë herët për t'u krahasuar me kalimin e aviacionit në shtytje reaktiv, por ato janë mjaft të afta të përshpejtojnë procesin e eksplorimit të hapësirës. Për më tepër, ky lloj motori reaktiv ka një avantazh tjetër shumë të rëndësishëm.
GRES në miniaturë
Një motor konvencional rakete është, në parim, një djegës i madh. Për të rritur shtytjen e tij dhe karakteristikat 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 se sa realizohet gjatë procesit të djegies, përndryshe rryma e karburantit thjesht nuk mund të depërtojë në dhomë. Prandaj, njësia më komplekse dhe më e shtrenjtë në një motor me shtytje të lëngët nuk është një dhomë me një hundë, e cila është në pamje të qartë, por një njësi turbopompë 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 lëshues super të rëndë sovjetik Energia nga e njëjta 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. Për të drejtuar këtë pompë përdoret një turbinë 189 MW! Vetëm imagjinoni këtë: një rrotë turbine me diametër 0,4 m zhvillon një fuqi katër herë më shumë se akullthyesi bërthamor "Arktika" me dy reaktorët bërthamorë! Në të njëjtën kohë, ANT është një kompleks pajisje mekanike, boshti i të cilit bën 230 rrotullime në sekondë dhe duhet të punojë në një mjedis me oksigjen të lëngshëm, ku më e vogla as një shkëndijë, por një kokërr rërë në tubacion çon në një shpërthim. Teknologjitë për krijimin e një ANT të tillë janë njohuritë kryesore të Energomash, zotërimi i të cilave lejon Kompani ruse dhe sot shesin motorët e tyre për t'u përdorur në automjetet lëshuese amerikane Atlas V dhe Antares. Alternativat Motorët rusë ende jo në SHBA.
Për një motor shpërthyes, 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 18-20 herë 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 së motorit të lëngshëm shtytës të American Shuttle (200 atm), mjafton të furnizoni karburant nën një presion prej ... 10 atm. Njësia e kërkuar për këtë, në krahasim me TNA-në e një motori klasik me lëndë të lëngshme, është si një pompë biçiklete pranë SDPP-së Sayano-Shushenskaya.
Kjo do të thotë, motori i shpërthimit jo vetëm që do të jetë më i fuqishëm dhe më ekonomik se një motor konvencional me lëndë djegëse të lëngshme, por edhe një rend i madhësisë më i thjeshtë dhe më i lirë. Pra, pse kjo thjeshtësi nuk u është dhënë projektuesve për 70 vjet?
Pulsi i progresit
Problemi kryesor me të cilin përballeshin inxhinierët ishte mënyra se si të përballeshin me valën e shpërthimit. Nuk bëhet fjalë vetëm për ta bërë motorin më të fortë në mënyrë që të mund të përballojë ngarkesa të rritura... Shpërthimi nuk është thjesht një valë shpërthimi, por diçka më dinake. Vala e shpërthimit përhapet me shpejtësinë e zërit, dhe vala e shpërthimit me një shpejtësi supersonike - deri në 2500 m / s. Nuk formon një front të qëndrueshëm flakë, prandaj funksionimi i një motori të tillë është pulsues: pas çdo shpërthimi, është e nevojshme të përditësohet përzierje e karburantit dhe më pas nis një valë të re në të.
Përpjekjet për të krijuar një motor reaktiv pulsues u bënë shumë kohë përpara idesë së shpërthimit. Pikërisht në përdorimin e motorëve reaktivë pulsues ata u përpoqën të gjenin një alternativë motorët me piston në vitet 1930. Thjeshtësia u tërhoq përsëri: ndryshe nga një turbinë avioni për një motor pulsues me avion ajri (PUVRD), as një kompresor që rrotullohej me një shpejtësi prej 40,000 rpm nuk ishte i nevojshëm për të pompuar ajrin në mitrën e pangopshme të dhomës së djegies, as që funksiononte në një temperaturë gazi. turbina me mbi 1000˚С. Në PUVRD, presioni në dhomën e djegies krijoi pulsime në djegien e karburantit.
Patentat e para për një motor reaktiv 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 operacional i PUVRD u patentua në 1906 nga inxhinieri rus V.V. Karavodin, i cili ndërtoi një instalacion model një vit më vonë. Për shkak të një sërë mangësish, instalimi Karavodin nuk gjeti zbatim në praktikë. PUVRD-ja e parë që operoi në një avion 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 të lundrimit sovjetik 10X.
Sigurisht, këta motorë nuk po shpërthyen ende, pasi përdornin pulsimet e djegies konvencionale. Frekuenca e këtyre pulsimeve ishte e ulët, gjë që gjeneroi një tingull karakteristik të mitralozit gjatë funksionimit. Karakteristikat specifike të PuVRD për shkak të modaliteti i ndërprerë puna ishte mesatarisht e ulët dhe pasi projektuesit deri në fund të viteve 1940 u përballën me kompleksitetin e krijimit të kompresorëve, pompave dhe turbinave, motorët turbojet dhe motorët e raketave u bënë mbretërit e qiellit dhe PUVRD mbeti në periferi të përparimit teknologjik.
Është kurioze që PUVRD-të e para u krijuan nga stilistë gjermanë dhe sovjetikë 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 shprehën edhe 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 e shpërthimit 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 pjesa e përparme e shpërthimit lëviz me një shpejtësi prej 1500-2500 m / s, kështu që frekuenca e pulsimeve duhet të jetë mijëra në sekondë. Ishte e vështirë të zbatohej një shkallë e tillë e rinovimit të përzierjes dhe fillimit të shpërthimit në praktikë.
Megjithatë, përpjekjet për të krijuar motorë shpërthimi pulsues të zbatueshëm vazhduan. Puna e specialistëve të Forcave Ajrore të Shteteve të Bashkuara në këtë drejtim arriti kulmin me krijimin e një motori demonstrues, i cili më 31 janar 2008 për herë të parë u ngrit në qiell me një avion eksperimental Long-EZ. Në fluturimin historik, motori punoi ... 10 sekonda në një lartësi prej 30 metrash. Megjithatë, prioritet në këtë rast mbeti me Shtetet e Bashkuara dhe avioni me të drejtë zuri një vend në Muzeun Kombëtar të Forcave Ajrore të Shteteve të Bashkuara.
Ndërkohë, një skemë tjetër, shumë më premtuese e një motori shpërthimi është shpikur prej kohësh.
Si një ketër në një rrotë
Ideja për të bashkuar një valë shpërthimi dhe për ta bërë atë të funksionojë në dhomën e djegies si një ketër në një rrotë, lindi te shkencëtarët në fillim të viteve 1960. Fenomeni i shpërthimit rrotullues (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 rrotullues, ose rrotullues, i shpërthimit është strukturalisht një dhomë djegie unazore, në të cilën karburanti furnizohet me anë të injektorëve të vendosur në mënyrë radiale. Vala e shpërthimit brenda dhomës nuk lëviz në drejtim aksial, si në PUVRD, por në një rreth, duke ngjeshur dhe djegur përzierjen e karburantit përpara saj dhe përfundimisht duke i shtyrë produktet e djegies nga hunda në të njëjtën mënyrë si vidhosja e një mulli mishi e shtyn mishin e grirë jashtë. Në vend të frekuencës së pulsimit, marrim frekuencën e rrotullimit të valës së shpërthimit, e cila mund të arrijë disa mijëra në sekondë, d.m.th., në praktikë, motori nuk funksionon si një motor pulsues, por si një motor rakete konvencionale me lëndë djegëse të lëngshme. me djegie të palëvizshme, por shumë më efikase, pasi në të vërtetë ndodh shpërthimi i përzierjes së karburantit në të. ...
Në BRSS, si në SHBA, puna për një motor shpërthyes rrotullues ka vazhduar që nga fillimi i viteve 1960, por përsëri, megjithë thjeshtësinë në dukje të idesë, zbatimi i tij kërkonte zgjidhjen e pyetjeve teorike të çuditshme. Si ta organizoni procesin në mënyrë që vala të mos laget? Ishte e nevojshme të kuptoheshin proceset më komplekse fizike dhe kimike që ndodhin në mjedis gazi... 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 se ato që ndodhin gjatë gjenerimit të një rreze lazer. Kjo është arsyeja pse lazeri ka punuar për një kohë të gjatë, por motori i shpërthimit jo. 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 vetë-qëndrueshme, kërkoheshin 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.
Në Shtetet e Bashkuara të Amerikës po kryhet punë aktive në këtë drejtim. Ky hulumtim është kryer nga Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Për shembull, laboratori kërkimor i Marinës së SHBA-së po zhvillon turbina gazi me shpërthim rrotullues për Marinën. Marina amerikane përdor 430 njësitë e turbinave me gaz në 129 anije, ata konsumojnë 3 miliardë dollarë karburant në vit. Futja e një shpërthimi më ekonomik motorët me turbina me gaz(GTE) do të kursejë shuma të mëdha parash.
Në Rusi, dhjetëra institute kërkimore dhe zyra projektimi kanë punuar dhe vazhdojnë të punojnë në motorët e shpërthimit. Midis tyre është NPO Energomash, një kompani lider në ndërtimin e motorëve në industrinë ruse të hapësirës, me shumë prej ndërmarrjeve të së cilës bashkëpunon Banka VTB. Zhvillimi i një motori rakete me shpërthim 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) ishte e nevojshme. Ishte FPI që veçoi fondet e nevojshme për krijimin në vitin 2014 të një laboratori të specializuar “Detonation LRE”. Në fund të fundit, megjithë 70 vjet kërkime, kjo teknologji mbetet ende "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 ende shumë larg prej saj.
Zbutja e mendjemprehtësisë
Do të doja të besoja se pas gjithë asaj që u tha më sipër, puna titanike që shfaqet midis rreshtave të një raporti të shkurtër për testet që u zhvilluan në Energomash në Khimki në korrik-gusht 2016, bëhet e kuptueshme: valë me një frekuencë 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 balanconin dridhjet dhe ngarkesat e goditjes së njëra-tjetrës. Veshjet mbrojtëse ndaj nxehtësisë të zhvilluara posaçërisht në Qendrën Keldysh ndihmuan për të përballuar ngarkesat me temperaturë të lartë. Motori i rezistoi disa nisjeve nën ngarkesa ekstreme vibrimi 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 injektorët e karburantit, i cili bëri të mundur marrjen e një përzierjeje të konsistencës së nevojshme për shfaqjen e shpërthimit”.
Sigurisht, nuk duhet ekzagjeruar rëndësia e suksesit të arritur. U krijua vetëm një motor demonstrues, i cili funksionoi për një kohë relativisht të shkurtër dhe rreth tij karakteristikat reale nuk raportohet asgjë. Sipas NPO Energomash, një motor rakete me shpërthim do të rrisë shtytjen me 10% kur djeg të njëjtën sasi karburanti si në motor konvencional, dhe impulsi specifik i shtytjes duhet të rritet me 10-15%.
Por rezultati kryesor konsiston në faktin se është vërtetuar praktikisht mundësia e organizimit të djegies së shpërthimit në një motor rakete me lëndë djegëse të lëngshme. Megjithatë, ka ende shumë për të bërë përpara se të përdoret kjo teknologji në aeroplanët e vërtetë. Një tjetër aspekt i rëndësishëmështë një tjetër prioritet botëror në këtë fushë teknologjisë së lartë tani e tutje, ajo i është caktuar vendit tonë: për herë të parë në botë, një motor rakete shpërthyese me madhësi të plotë u lëshua në Rusi dhe ky fakt do të mbetet në historinë e shkencës dhe teknologjisë.