Motorët rrotullues të shpërthimit - një perspektivë ekonomike. Motorët e shpërthimit: përparimi dhe perspektivat

Në realitet, në vend të një flake të vazhdueshme ballore në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, që nxiton me shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja e termodinamikës, 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 ka vendosur më në fund një prioritet botëror në zhvillimin e teknologjisë më të fundit për shumë vite pas perestrojkës.

Pse është kaq mirë motor i ri? Një motor reaktiv përdor energjinë e çliruar nga djegia e një përzierjeje me presion konstant dhe një front të vazhdueshëm flakë. përzierje gazi nga karburanti dhe oksiduesi, gjatë djegies, rrit ndjeshëm temperaturën dhe kolona e flakës që del nga hunda krijon shtytje jet.

Gjatë djegies së shpërthimit, produktet e reaksionit nuk kanë kohë të shemben, sepse ky proces është 100 herë më i shpejtë se deflagrimi dhe presioni rritet me shpejtësi, ndërsa vëllimi mbetet i pandryshuar. Lëshimi i një sasie kaq të madhe energjie në fakt mund të shkatërrojë një motor makine, prandaj një proces i tillë shpesh shoqërohet me një shpërthim.

Në realitet, në vend të një flake të vazhdueshme ballore në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, që nxiton me shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthehen, ky proces, nga pikëpamja e termodinamikës rrit efikasitetin e motorit me një renditje të madhësisë, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies. Prandaj, ekspertët u vendosën me kaq zell për zhvillimin e kësaj ideje.Në një motor rakete konvencionale, 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 një presion të 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 përfaqëson një valë kompresimi udhëtuese në përzierjen e karburantit, në të cilën presioni pa asnjë TNA është tashmë 20 herë më i madh dhe njësitë e turbopompës janë të tepërta. Për ta bërë të qartë, American Shuttle ka një presion në dhomën e djegies prej 200 atm, dhe motori i shpërthimit në kushte të tilla ka nevojë për vetëm 10 atm për të furnizuar përzierjen - kjo është si një pompë biçikletash dhe hidrocentrali Sayano-Shushenskaya.

Në këtë rast, një motor me bazë shpërthimi nuk është vetëm më i thjeshtë dhe më i lirë për nga një renditje madhësie, por shumë më i fuqishëm dhe më ekonomik se një motor rakete konvencionale me lëndë djegëse të lëngshme. Problemi i bashkëkontrollit me një valë shpërthimi u ngrit gjatë rrugës. për zbatimin e projektit të motorit të shpërthimit. Ky fenomen nuk është thjesht një valë shpërthimi, e cila ka shpejtësinë e zërit, por një valë shpërthyese që përhapet me një shpejtësi prej 2500 m/s, nuk ka stabilizim të pjesës së përparme të flakës në të, për çdo pulsim përzierja përditësohet dhe vala fillon përsëri.

Më parë, inxhinierët rusë dhe francezë zhvilluan dhe ndërtuan motorë reaktivë pulsues, por jo në parimin e shpërthimit, por në bazë të pulsimit të zakonshëm të djegies. Karakteristikat e këtyre PuVRD-ve ishin të ulëta dhe kur ndërtuesit e motorëve zhvilluan pompa, turbina dhe kompresorë, epoka e motorëve reaktivë dhe LRE-ve erdhi, dhe ato pulsuese mbetën në kufijtë e përparimit. Krerët e ndritur 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 vihej 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 provohej 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, pothuajse në të njëjtën kohë, një amerikan nga Universiteti i Miçiganit, J. Nichols, dolën me idenë për të lidhur një valë shpërthimi në dhomën e djegies.

Si funksionon një motor rakete shpërthyese

Të tillë motor rrotullues përbëhej nga një dhomë djegëse unazore me grykë të vendosura përgjatë rrezes së saj për të furnizuar karburantin. Vala e shpërthimit shkon si një ketër në një rrotë rreth perimetrit, përzierja e karburantit ngjeshet dhe digjet, duke i shtyrë produktet e djegies përmes grykës. Në një motor rrotullues, marrim një frekuencë të rrotullimit të valës prej disa mijëra në sekondë, funksionimi i tij është i ngjashëm me procesin e punës në një motor rakete, 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 fizike dhe 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 për projektin e një motori të tillë rrotullues, duke përfshirë kompaninë e ndërtimit të motorëve të industrisë hapësinore NPO Energomash. Fondacioni i Kërkimeve të Avancuara erdhi për të ndihmuar në zhvillimin e një motori të tillë, sepse është e pamundur të marrësh fonde nga Ministria e Mbrojtjes - atyre u duhet vetëm një rezultat i 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 të njëjtën kohë, valët e shpërthimit balancuan valët e vibrimit dhe veshjet mbrojtëse të nxehtësisë 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 realitet, në vend të një flake të vazhdueshme ballore në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, që nxiton me shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi shpërthejnë karburanti dhe oksiduesi, 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 të djegies së shpërthimit". Që atëherë, shumë shkencëtarë nga vende të ndryshme kanë punuar për një ide premtuese, ose Shtetet e Bashkuara, pastaj Gjermania, ose bashkatdhetarët tanë.

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 ka vendosur më në fund një prioritet botëror në zhvillimin e teknologjisë më të fundit për shumë vite pas perestrojkës.

Pse motori i ri është kaq i mirë? Një motor reaktiv përdor energjinë e çliruar nga djegia e një përzierjeje me 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 hunda krijon një shtytje jet.

Gjatë djegies së shpërthimit, produktet e reaksionit nuk kanë kohë të shemben, sepse ky proces është 100 herë më i shpejtë se deflagrimi dhe presioni rritet me shpejtësi, ndërsa vëllimi mbetet i pandryshuar. Lëshimi i një sasie kaq të madhe energjie në fakt mund të shkatërrojë një motor makine, prandaj një proces i tillë shpesh shoqërohet me një shpërthim.

Në realitet, në vend të një flake të vazhdueshme ballore në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, që nxiton me shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi shpërthejnë karburanti dhe oksiduesi, ky proces, nga pikëpamja termodinamike, rrit efikasitetin e motorit me një renditje madhësie, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies. Prandaj, ekspertët me kaq zell filluan ta zhvillojnë këtë ide.

Në një LRE konvencionale, e cila në fakt është një djegës i madh, gjëja kryesore nuk është dhoma e djegies dhe gryka, por njësia e turbopompës së karburantit (FPU), e cila krijon një presion të 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 përfaqëson një valë kompresimi udhëtuese në përzierjen e karburantit, në të cilën presioni pa asnjë TNA është tashmë 20 herë më i madh dhe njësitë e turbopompës janë të tepërta. Për ta bërë të qartë, American Shuttle ka një presion në dhomën e djegies prej 200 atm, dhe motori i shpërthimit në kushte të tilla ka nevojë për vetëm 10 atm për të furnizuar përzierjen - kjo është si një pompë biçikletash dhe hidrocentrali Sayano-Shushenskaya.

Në këtë rast, një motor me bazë shpërthimi nuk është vetëm më i thjeshtë dhe më i lirë për nga një renditje madhësie, por shumë më i fuqishëm dhe ekonomik se një motor rakete konvencionale.

Rrugës së zbatimit të projektit të motorrit të shpërthimit, lindi problemi i bashkëpronësisë me valën e shpërthimit. Ky fenomen nuk është thjesht një valë shpërthimi, e cila ka shpejtësinë e zërit, por një valë shpërthyese që përhapet me një shpejtësi prej 2500 m/s, nuk ka stabilizim të pjesës së përparme të flakës në të, për çdo pulsim përzierja përditësohet dhe vala fillon përsëri.

Më parë, inxhinierët rusë dhe francezë zhvilluan dhe ndërtuan motorë reaktivë pulsues, por jo në parimin e shpërthimit, por në bazë të pulsimit të zakonshëm të djegies. Karakteristikat e këtyre PuVRD-ve ishin të ulëta dhe kur ndërtuesit e motorëve zhvilluan pompa, turbina dhe kompresorë, epoka e motorëve reaktivë dhe LRE-ve erdhi, dhe ato pulsuese mbetën në kufijtë e përparimit. Krerët e ndritur 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 vihej 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 provohej 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, pothuajse në të njëjtën kohë, një amerikan nga Universiteti i Miçiganit, J. Nichols, dolën me idenë për të lidhur një valë shpërthimi në dhomën e djegies.

Si funksionon një motor rakete shpërthyese

Një motor i tillë rrotullues përbëhej nga një dhomë djegie unazore me grykë të vendosura përgjatë rrezes së tij për të furnizuar karburantin. Vala e shpërthimit shkon si një ketër në një rrotë rreth perimetrit, përzierja e karburantit ngjeshet dhe digjet, duke i shtyrë produktet e djegies përmes grykës. Në një motor rrotullues, marrim një frekuencë të rrotullimit të valës prej disa mijëra në sekondë, funksionimi i tij është i ngjashëm me procesin e punës në një motor rakete, 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, dhe për këtë u krijua një shkencë e tërë - kinetika fizike dhe 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 për projektin e një motori të tillë rrotullues, duke përfshirë kompaninë e ndërtimit të motorëve të industrisë hapësinore NPO Energomash. Fondacioni i Kërkimeve të Avancuara erdhi për të ndihmuar në zhvillimin e një motori të tillë, sepse është e pamundur të marrësh fonde nga Ministria e Mbrojtjes - atyre u duhet vetëm një rezultat i 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 të njëjtën kohë, valët e shpërthimit balancuan valët e vibrimit dhe veshjet mbrojtëse të nxehtësisë 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

Futen motorët e shpërthimit mënyrë normale të cilat përdorin djegien me shpërthim të karburantit. Vetë motori mund të jetë (teorikisht) çdo gjë - motor me djegie të brendshme, avion, apo edhe me avull. Në teori. Megjithatë, deri më tani, të gjithë motorët e njohur komercialisht të pranueshëm të mënyrave të tilla të djegies së karburantit, të quajtur zakonisht "shpërthim", nuk janë përdorur për shkak të papranueshmërisë së tyre ... mmm .... komerciale ..

Një burim:

Cili është përdorimi i djegies së shpërthimit në motorë? Duke thjeshtuar dhe përgjithësuar jashtëzakonisht, diçka si kjo:

Përparësitë

1. Zëvendësimi i djegies konvencionale me shpërthim për shkak të veçorive të dinamikës së gazit të frontit të valës së goditjes rrit kompletimin teorik maksimal të arritshëm të djegies së përzierjes, gjë që bën të mundur rritjen e efikasitetit të motorit dhe uljen e konsumit me rreth 5-20%. Kjo është e vërtetë për të gjitha llojet e motorëve, si motorët me djegie të brendshme ashtu edhe motorët jet.

2. Shpejtësia e djegies së porcionit përzierje e karburantit rritet me rreth 10-100 herë, që do të thotë se teorikisht është e mundur të rritet kapaciteti i litrit për një motor me djegie të brendshme (ose shtytje specifike për kilogram të masës për motorët reaktiv) përafërsisht të njëjtin numër herë. Ky faktor është gjithashtu i rëndësishëm për të gjitha llojet e motorëve.

3. Faktori është i rëndësishëm vetëm për motorët reaktivë të të gjitha llojeve: meqenëse proceset e djegies ndodhin në dhomën e djegies me shpejtësi supersonike, dhe temperaturat dhe presionet në dhomën e djegies rriten shumë herë, ekziston një mundësi e shkëlqyer teorike për të shumëzuar shpejtësia e shkarkimit rrymë jet nga hunda. E cila nga ana tjetër çon në një rritje proporcionale të shtytjes, impulsit specifik, efikasitetit dhe / ose një ulje të masës së motorit dhe karburantit të kërkuar.

Të tre këta faktorë janë shumë të rëndësishëm, por nuk kanë natyrë revolucionare, por, si të thuash, evolucionare. Revolucionar është faktori i katërt dhe i pestë, dhe vlen vetëm për motorët e avionëve:

4. Vetëm përdorimi i teknologjive të shpërthimit bën të mundur krijimin e një motori reaktiv universal me rrjedhje të drejtpërdrejtë (dhe, për rrjedhojë, në një oksidues atmosferik!) me masë, madhësi dhe shtytje të pranueshme, për zhvillimin praktik dhe në shkallë të gjerë të gamës së deri në shpejtësi super- dhe hipersonike prej 0-20 Mach.

5. Vetëm teknologjitë e shpërthimit bëjnë të mundur shtrydhjen nga motorët kimikë të raketave (avulli oksidues i karburantit) parametrat e shpejtësisë të nevojshme për aplikimin e tyre të gjerë në fluturimet ndërplanetare.

Pikat 4 dhe 5. teorikisht na zbulojnë a) rrugë e lirë në hapësirën e afërt, dhe b) rrugën drejt lëshimeve të drejtuara drejt planetëve më të afërt, pa qenë nevoja të prodhohen mjete lëshimi monstruoze super të rënda që peshojnë mbi 3500 tonë.

Disavantazhet e motorëve të shpërthimit rrjedhin nga avantazhet e tyre:

Një burim:

1. Shpejtësia e djegies është aq e lartë sa që më shpesh këta motorë mund të bëhen të punojnë vetëm në mënyrë ciklike: hyrje-djeg-jashtë. E cila të paktën tre herë zvogëlon fuqinë maksimale të arritshme të litrit dhe / ose shtytje, ndonjëherë duke e privuar vetë idenë nga kuptimi.

2. Temperaturat, presionet dhe ritmet e rritjes së tyre në dhomën e djegies së motorëve të shpërthimit janë të tilla që përjashtojnë përdorimin e drejtpërdrejtë të shumicës së materialeve të njohura për ne. Të gjithë ata janë shumë të dobët për të ndërtuar një motor të thjeshtë, të lirë dhe efikas. Kërkohet ose një familje e tërë materialesh thelbësisht të reja, ose përdorimi i truket e projektimit që ende nuk janë përpunuar. Ne nuk kemi materiale, dhe ndërlikimi i dizajnit, përsëri, shpesh e bën të gjithë idenë të pakuptimtë.

Megjithatë, ekziston një fushë në të cilën motorët e shpërthimit janë të domosdoshëm. Ky është një hipertingull atmosferik ekonomikisht i qëndrueshëm me një gamë shpejtësie prej 2-20 Max. Prandaj, beteja është në tre fronte:

1. Krijo një diagram motori me shpërthim i vazhdueshëm në dhomën e djegies. Që kërkon superkompjutera dhe qasje teorike jo të parëndësishme për të llogaritur hemodinamikën e tyre. Në këtë fushë, xhaketat e mallkuara me tegela, si gjithmonë, morën drejtimin dhe për herë të parë në botë treguan teorikisht se një delegim i vazhdueshëm është përgjithësisht i mundur. Shpikje, zbulim, patentë - të gjitha gjërat. Dhe ata filluan të bëjnë një strukturë praktike nga tubat e ndryshkur dhe vajguri.

2. Krijimi zgjidhje konstruktive duke mundësuar përdorimin materiale klasike. Mallkoni xhaketat e mbushura me tegela me arinj të dehur, dhe këtu ata ishin të parët që dolën dhe bënë një motor laboratorik me shumë dhoma, i cili tashmë ka punuar në mënyrë arbitrare për një kohë të gjatë. Shtytja është si ajo e motorit Su27, dhe pesha është e tillë që 1 (një!) gjysh e mban në duar. Por duke qenë se vodka ishte djegur, motori doli të ishte pulsues për momentin. Nga ana tjetër, bastardi funksionon aq pastër sa mund të ndizet edhe në kuzhinë (ku xhaketat e mbushura me tegela e lanë në fakt mes vodkës dhe balalaikës)

3. Krijimi i supermaterialeve për motorët e ardhshëm. Kjo zonë është më e ngushta dhe më e fshehta. Nuk kam informacion për përparimet në të.

Bazuar në sa më sipër, merrni parasysh perspektivat e shpërthimit, motor me djegie të brendshme pistoni. Siç e dini, rritja e presionit në dhomën e djegies me dimensione klasike, gjatë shpërthimit në motorin me djegie të brendshme, shpejtësi më të shpejtë tingull. Duke mbetur në të njëjtin dizajn, nuk ka asnjë mënyrë për të bërë një piston mekanik, dhe madje edhe me masa të konsiderueshme të lidhura, të lëvizë në një cilindër me përafërsisht të njëjtat shpejtësi. Koha e paraqitjes klasike gjithashtu nuk mund të funksionojë me shpejtësi të tilla. Prandaj, një konvertim i drejtpërdrejtë i një ICE klasik në një shpërthim është i pakuptimtë nga pikëpamja praktike. Motori duhet të ridizajnohet. Por sapo fillojmë ta bëjmë këtë, rezulton se pistoni në këtë dizajn është thjesht detaje shtesë. Prandaj, IMHO, një shpërthim pistoni ICE është një anakronizëm.

Motorët e raketave me shpërthim janë testuar me sukses në Rusi. Petr Levochkin, projektuesi kryesor i NPO Energomash me emrin akademik V.P. Glushko, foli në një intervistë me RG nëse është e mundur të krijohen armë hipersonike në bazë të tyre 19 Janar 2018, 10:48

U kryen teste të suksesshme të të ashtuquajturve motorë raketash detonimi, të cilat dhanë rezultate shumë interesante. Puna zhvillimore në këtë drejtim do të vazhdojë.

Shpërthimi është një shpërthim. A mund të bëhet i menaxhueshëm? A është e mundur të krijohen armë hipersonike në bazë të motorëve të tillë? Cilët motorë raketash do t'i çojnë automjetet e pabanuara dhe të drejtuara në hapësirën e afërt? Kjo ishte biseda jonë me Zëvendës Drejtorin e Përgjithshëm - Kryeprojektues i "NPO Energomash me emrin Akademik V.P. Glushko" Petr Levochkin.

Petr Sergeevich, çfarë mundësish hapin motorët e rinj?

Petr Levochkin: Nëse flasim për afat të shkurtër, sot po punojmë për motorë për raketa të tilla si Angara A5V dhe Soyuz-5, si dhe të tjera që janë në fazën e para-projektimit dhe janë të panjohura për publikun e gjerë. Në përgjithësi, motorët tanë janë krijuar për të ngritur një raketë nga sipërfaqja e një trupi qiellor. Dhe mund të jetë çdo - tokësor, hënor, marsian. Pra, nëse zbatohen programet hënore apo marsiane, ne patjetër do të marrim pjesë në to.

Cili është efikasiteti i motorëve modernë të raketave dhe a ka mënyra për t'i përmirësuar ato?

Petr Levochkin: Nëse flasim për parametrat energjetik dhe termodinamik të motorëve, atëherë mund të themi se motorët tanë, si dhe motorët më të mirë të raketave kimike të huaja sot, kanë arritur një përsosmëri të caktuar. Për shembull, plotësia e djegies së karburantit arrin 98.5 përqind. Kjo do të thotë, pothuajse e gjithë energjia kimike e karburantit në motor shndërrohet në energji termike të avionit të gazit që del nga hunda.

Motorët mund të përmirësohen në shumë mënyra. Kjo përfshin përdorimin e komponentëve të karburantit që kërkojnë më shumë energji, prezantimin e modeleve të reja të qarkut dhe një rritje të presionit në dhomën e djegies. Një drejtim tjetër është përdorimi i teknologjive të reja, duke përfshirë aditivët, për të ulur intensitetin e punës dhe, si rezultat, për të ulur koston. motor rakete. E gjithë kjo çon në një ulje të kostos së ngarkesës së prodhimit.

Sidoqoftë, me një ekzaminim më të afërt, bëhet e qartë se rritja e karakteristikave energjetike të motorëve në mënyrën tradicionale është e paefektshme.

Përdorimi i një shpërthimi të kontrolluar të lëndës djegëse mund t'i japë një rakete një shpejtësi tetë herë më të madhe se shpejtësia e zërit

Pse?

Petr Levochkin: Rritja e presionit dhe konsumit të karburantit në dhomën e djegies do të rrisë natyrshëm shtytje të motorit. Por kjo do të kërkojë një rritje në trashësinë e mureve të dhomës dhe pompave. Si rezultat, kompleksiteti i strukturës dhe masa e saj rriten, dhe fitimi i energjisë rezulton të jetë jo aq i madh. Loja nuk do të kushtojë qirinjën.

Kjo do të thotë, motorët e raketave kanë shteruar burimin e zhvillimit të tyre?

Petr Levochkin: Jo në të vërtetë. duke folur gjuha teknike, ato mund të përmirësohen duke rritur efikasitetin e proceseve brenda motorike. Ekzistojnë cikle të shndërrimit termodinamik të energjisë kimike në energjinë e një avioni që rrjedh, të cilat janë shumë më efikase se djegia klasike. karburant raketash. Ky është cikli i djegies së shpërthimit dhe cikli i Humphrey afër tij.

Vetë efekti i shpërthimit të karburantit u zbulua nga bashkatdhetari ynë - më vonë Akademiku Yakov Borisovich Zeldovich në vitin 1940. Realizimi i këtij efekti në praktikë premtoi perspektiva shumë të mëdha në shkencën e raketave. Nuk është për t'u habitur që gjermanët në të njëjtat vite hetuan në mënyrë aktive procesin e shpërthimit të djegies. Por ata nuk përparuan më tej sesa eksperimente jo plotësisht të suksesshme.

Llogaritjet teorike kanë treguar se djegia e shpërthimit është 25 për qind më efikase se cikli izobarik, i cili korrespondon me djegien e karburantit me presion konstant, i cili zbatohet në dhomat e motorëve modernë me lëndë djegëse të lëngshme.

Dhe çfarë ofron avantazhet e djegies së shpërthimit në krahasim me atë klasike?

Petr Levochkin: Procesi klasik i djegies është nënsonik. Shpërthimi - supersonik. Shpejtësia e reagimit në një vëllim të vogël çon në një lëshim të madh të nxehtësisë - është disa mijëra herë më e lartë se në djegien nënsonike, e zbatuar në motorët klasikë të raketave me të njëjtën masë karburanti që digjet. Dhe për ne inxhinierët e motorëve, kjo do të thotë se me një motor shpërthyes shumë më të vogël dhe me një masë të vogël karburanti, ju mund të merrni të njëjtën shtytje si në motorët moderne të raketave të lëngshme të mëdha.

Nuk është sekret që motorët me djegie të karburantit me shpërthim po zhvillohen edhe jashtë vendit. Cilat janë pozicionet tona? Ne dorëzohemi, shkojmë në nivelin e tyre apo jemi në krye?

Petr Levochkin: Ne nuk jemi inferiorë - kjo është e sigurt. Por nuk mund të them që ne jemi në krye. Tema eshte mjaft e mbyllur. Një nga sekretet kryesore teknologjike është se si të sigurohet që karburanti dhe oksiduesi i një motori rakete të mos digjet, por të shpërthejë, pa shkatërruar dhomën e djegies. Kjo është, në fakt, për të bërë një shpërthim të vërtetë të kontrollueshëm dhe të menaxhueshëm. Për referencë: shpërthimi është djegia e karburantit në pjesën e përparme të një valë goditëse supersonike. Ka shpërthim pulsues, kur vala goditëse lëviz përgjatë boshtit të dhomës dhe njëri zëvendëson tjetrin, si dhe shpërthim i vazhdueshëm (spin), kur valët goditëse në dhomë lëvizin në formë rrethi.

Me sa dimë, studimet eksperimentale të djegies së shpërthimit janë kryer me pjesëmarrjen e specialistëve tuaj. Çfarë rezultatesh janë marrë?

Petr Levochkin: U punua për të krijuar një dhomë model për një motor rakete me shpërthim të lëngshëm. Një bashkëpunim i madh i qendrave kryesore shkencore të Rusisë punoi për projektin nën patronazhin e Fondacionit për Studime të Avancuara. Midis tyre, Instituti i Hidrodinamikës. M.A. Lavrentiev, MAI, "Qendra Keldysh", Instituti Qendror ndërtimi i tyre i motorëve të aviacionit. P.I. Baranov, Fakulteti i Mekanikës dhe Matematikës, Universiteti Shtetëror i Moskës. Ne propozuam përdorimin e vajgurit si lëndë djegëse dhe oksigjenin e gaztë si agjent oksidues. Në procesin e studimeve teorike dhe eksperimentale, u konfirmua mundësia e krijimit të një motori rakete shpërthyese bazuar në përbërës të tillë. Bazuar në të dhënat e marra, ne kemi zhvilluar, prodhuar dhe testuar me sukses një dhomë model shpërthimi me një shtytje prej 2 tonësh dhe një presion në dhomën e djegies prej rreth 40 atm.

Kjo detyrë u zgjidh për herë të parë jo vetëm në Rusi, por edhe në botë. Pra, sigurisht që kishte probleme. Së pari, ato lidhen me sigurimin e një shpërthimi të qëndrueshëm të oksigjenit me vajguri, dhe së dyti, me sigurimin e ftohjes së besueshme të murit të zjarrit të dhomës pa ftohje perde dhe një sërë problemesh të tjera, thelbi i të cilave është i qartë vetëm për specialistët.

A mund të përdoret një motor shpërthyes në raketa hipersonike?

Petr Levochkin: Është edhe e mundur edhe e nevojshme. Nëse vetëm për shkak se djegia e karburantit në të është supersonike. Dhe në ata motorë në të cilët ata tani po përpiqen të krijojnë avionë hipersonikë të kontrolluar, djegia është nënsonike. Dhe kjo krijon shumë probleme. Në fund të fundit, nëse djegia në motor është nënsonike, dhe motori fluturon, të themi, me një shpejtësi prej 5 Mach (një Mach e barabartë me shpejtësinë zë), është e nevojshme të ngadalësoni rrjedhën e ajrit që vjen në modalitetin e zërit. Prandaj, e gjithë energjia e këtij ngadalësimi shndërrohet në nxehtësi, gjë që çon në mbinxehje shtesë të strukturës.

Dhe në një motor shpërthyes, procesi i djegies ndodh me një shpejtësi prej të paktën dy herë e gjysmë më të lartë se shpejtësia e zërit. Dhe, në përputhje me rrethanat, ne mund të rrisim shpejtësinë e avionit me këtë shumë. Kjo do të thotë, ne tashmë po flasim jo për pesë, por për tetë lëkundje. Kjo është shpejtësia e arritshme aktualisht e avionëve me motorë hipersonikë, të cilët do të përdorin parimin e djegies së shpërthimit.

Është shqyrtuar problemi i zhvillimit të motorëve të shpërthimit të impulsit. Kryesor qendrave shkencore kërkime kryesore mbi motorët e gjeneratës së re. Janë marrë parasysh drejtimet dhe tendencat kryesore në zhvillimin e dizajnit të motorëve të shpërthimit. Janë paraqitur llojet kryesore të motorëve të tillë: impuls, shumë tub impuls, impuls me një rezonator me frekuencë të lartë. Dallimi në metodën e krijimit të shtytjes tregohet në krahasim me një motor klasik reaktiv të pajisur me një hundë Laval. Është përshkruar koncepti i një muri tërheqës dhe një moduli tërheqës. Tregohet se motorët e shpërthimit me puls po përmirësohen në drejtim të rritjes së shkallës së përsëritjes së pulsit dhe ky drejtim ka të drejtën e jetës në fushën e mjeteve ajrore pa pilot të lehta dhe të lira, si dhe në zhvillimin e amplifikatorëve të ndryshëm të shtytjes së ejektorit. . Tregohen vështirësitë kryesore të një natyre themelore në modelimin e një fluksi turbulent detonimi duke përdorur paketat llogaritëse të bazuara në përdorimin e modeleve të turbulencës diferenciale dhe mesatares kohore të ekuacioneve Navier-Stokes.

motori i shpërthimit

motori i shpërthimit të impulsit

1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Historia e studimeve eksperimentale të presionit të poshtëm // Hulumtimi Bazë. - 2011. - Nr 12 (3). - S. 670-674.

2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Luhatjet e presionit të poshtëm // Hulumtimi themelor. - 2012. - Nr 3. - S. 204-207.

3. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Veçoritë e aplikimit të modeleve të turbulencës në llogaritjen e rrjedhave në shtigjet supersonike të motorëve të avancuar me avion ajri // Motori. - 2012. - Nr. 1. - F. 20–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. Mbi klasifikimin e regjimeve të rrjedhës në një kanal me zgjerim të papritur // Termofizikë dhe Aeromekanikë. - 2012. - Nr. 2. - S. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. Në lëkundjet e rrjedhës me frekuencë të ulët të presionit të poshtëm // Hulumtim themelor. - 2013. - Nr.4 (3). – S. 545–549.

6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Hulumtimi dhe analiza e spastrimeve "të ftohta" të modulit tërheqës të një motori shpërthimi pulsues me frekuencë të lartë // Buletini i MAI. - T.14. - Nr. 4 - M .: Shtëpia botuese MAI-Print, 2007. - S. 36–42.

7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspektivat për përdorimin e teknologjive të shpërthimit pulsues në motor turbojet. OAO NPO Saturn NTC im. A. Lyulki, Moskë, Rusi. Instituti i Aviacionit në Moskë (GTU). - Moskë, Rusi. ISSN 1727-7337. Inxhinieria dhe Teknologjia e Hapësirës Ajrore, 2011. - Nr. 9 (86).

Projektet e Shpërthimit të SHBA-ve të përfshira në Programin e Zhvillimit motorë premtues IHPTET. Bashkëpunimi përfshin pothuajse të gjitha qendrat kërkimore duke punuar në fushën e ndërtimit të motorëve. Vetëm NASA ndan deri në 130 milionë dollarë në vit për këto qëllime. Kjo dëshmon rëndësinë e hulumtimit në këtë drejtim.

Pasqyrë e punës në fushën e motorëve të shpërthimit

Strategjia e tregut e prodhuesve kryesorë në botë synon jo vetëm zhvillimin e motorëve të rinj të shpërthimit të avionëve, por edhe modernizimin e atyre ekzistues duke zëvendësuar dhomën tradicionale të djegies në to me një shpërthim. Përveç kësaj, motorët e shpërthimit mund të bëhen elementi përbërës bimë të kombinuara lloje të ndryshme, për shembull, të përdoret si një djegës pasardhës i një motori turbofan, si motorë me nxjerrje ngritjeje në avionët VTOL (një shembull në Fig. 1 është një projekt transporti Boeing VTOL).

Në SHBA, shumë qendra kërkimore dhe universitete po zhvillojnë motorë shpërthimi: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield and Valcartier, Uniyersite de Poitiers, Universiteti i Teksasit në Arlington, Uniyersite de Poitiers, Universiteti McGill, Universiteti Shtetëror i Pensilvanisë, Universiteti Princeton.

Pozicioni kryesor në zhvillimin e motorëve të shpërthimit është i zënë nga qendra e specializuar e Seattle Aerosciences Center (SAC), e blerë në 2001 nga Pratt dhe Whitney nga Adroit Systems. Pjesa më e madhe e punës së qendrës financohet nga Forcat Ajrore dhe NASA nga buxheti i programit ndërinstitucional Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), që synon krijimin e teknologjive të reja për motorët reaktivë të llojeve të ndryshme.

Oriz. 1. Patenta US 6,793,174 B2 nga Boeing, 2004

Në total, që nga viti 1992, specialistët e SAC kanë kryer më shumë se 500 teste në stol të mostrave eksperimentale. Puna në motorët e shpërthimit pulsues (PDE) me konsumin e oksigjenit atmosferik kryhet nga Qendra SAC me urdhër të Marinës së SHBA. Duke pasur parasysh kompleksitetin e programit, specialistët e Marinës përfshinin pothuajse të gjitha organizatat e përfshira në motorët e shpërthimit në zbatimin e tij. Përveç kësaj Pratt dhe Whitney, Qendra e Kërkimit të Teknologjive të Bashkuara (UTRC) dhe Boeing Phantom Works janë të përfshirë në punë.

Aktualisht në vendin tonë mbi këtë çështje aktuale teorikisht, funksionojnë universitetet dhe institutet e mëposhtme të Akademisë së Shkencave Ruse (RAS): Instituti i Fizikës Kimike RAS (ICP), Instituti i Inxhinierisë Mekanike RAS, Instituti temperaturat e larta RAS (IVTAN), Instituti i Hidrodinamikës në Novosibirsk. Lavrentiev (ISIL), Instituti i Mekanikës Teorike dhe të Aplikuar. Khristianovich (ITMP), Instituti Fiziko-Teknik. Ioffe, Universiteti Shtetëror i Moskës (MGU), Instituti Shtetëror i Aviacionit të Moskës (MAI), Universiteti Shtetëror i Novosibirsk, Universiteti Shtetëror Cheboksary, Universiteti Shtetëror i Saratovit, etj.

Udhëzimet e punës në motorët e shpërthimit të pulsit

Drejtimi nr. 1 - Motori klasik i shpërthimit me puls (PDE). dhoma tipike e djegies motor reaktiv përbëhet nga grykë për përzierjen e karburantit me një oksidues, një pajisje për ndezjen e përzierjes së karburantit dhe vetë tubin e flakës, në të cilin ndodhin reaksionet redoks (djegie). Tubi i flakës përfundon me një hundë. Si rregull, kjo është një hundë Laval, e cila ka një pjesë konike, një seksion minimal kritik në të cilin shpejtësia e produkteve të djegies është e barabartë me shpejtësinë lokale të zërit, një pjesë zgjeruese në të cilën presioni statik i produkteve të djegies është reduktuar në një presion prej mjedisi, sa më shumë që të jetë e mundur. Është shumë e përafërt të vlerësohet shtytja e motorit si zona e seksionit kritik të grykës, e shumëzuar me diferencën e presionit në dhomën e djegies dhe mjedisin. Prandaj, shtytja është më e lartë, aq më i lartë është presioni në dhomën e djegies.

Shtytja e një motori të shpërthimit të pulsit përcaktohet nga faktorë të tjerë - transferimi i një impulsi nga një valë shpërthimi në murin e shtytjes. Gryka në këtë rast nuk nevojitet fare. Motorët e shpërthimit të pulsit kanë vendin e tyre - avionë të lirë dhe të disponueshëm. Në këtë vend, ata po zhvillohen me sukses në drejtim të rritjes së shkallës së përsëritjes së pulsit.

Pamja klasike e IDD-së është një dhomë djegëse cilindrike, e cila ka një mur të sheshtë ose të profilizuar posaçërisht, i quajtur "muri draft" (Fig. 2). Thjeshtësia e pajisjes IDD është avantazhi i saj i pamohueshëm. Siç tregon analiza e botimeve të disponueshme, pavarësisht nga shumëllojshmëria e skemave të propozuara të PDE, të gjitha ato karakterizohen nga përdorimi i tubave të shpërthimit me gjatësi të konsiderueshme si pajisje rezonante dhe përdorimi i valvulave që sigurojnë furnizim periodik të lëngut të punës.

Duhet të theksohet se PDE, e krijuar në bazë të tubave tradicionalë të shpërthimit, megjithë efikasitetin e lartë termodinamik në një pulsim të vetëm, ka disavantazhet karakteristike të motorëve klasikë pulsues me ajër, përkatësisht:

Frekuenca e ulët (deri në 10 Hz) e pulsimeve, e cila përcakton nivelin relativisht të ulët të efikasitetit mesatar të tërheqjes;

Ngarkesa të larta termike dhe vibruese.

Oriz. 2. diagrami i qarkut motori i shpërthimit të pulsit (PDE)

Drejtimi nr. 2 - IDD me shumë tuba. Tendenca kryesore në zhvillimin e IDD është kalimi në një skemë me shumë tuba (Fig. 3). Në motorë të tillë, frekuenca e funksionimit të një tubi të vetëm mbetet e ulët, por për shkak të alternimit të pulseve në tuba të ndryshëm, zhvilluesit shpresojnë të marrin karakteristika specifike të pranueshme. Një skemë e tillë duket të jetë mjaft e zbatueshme nëse zgjidhet problemi i dridhjeve dhe asimetrisë së shtytjes, si dhe problemi i presionit të poshtëm, në veçanti, lëkundjet e mundshme me frekuencë të ulët në rajonin e poshtëm midis tubave.

Oriz. 3. Motori i shpërthimit të pulsit (PDE) i skemës tradicionale me një paketë tubash shpërthimi si rezonatorë

Drejtimi nr. 3 - IDD me rezonator me frekuencë të lartë. Ekziston gjithashtu një drejtim alternativ - një skemë e reklamuar gjerësisht së fundmi me module tërheqëse (Fig. 4) që kanë një rezonator të profilizuar posaçërisht me frekuencë të lartë. Puna në këtë drejtim po kryhet në QKT im. A. Lyulka dhe në MAI. Skema dallohet nga mungesa e ndonjë valvola mekanike dhe pajisjet e ndezjes me ndërprerje.

Moduli tërheqës i IDD-së i skemës së propozuar përbëhet nga një reaktor dhe një rezonator. Reaktori shërben për të përgatitur përzierje karburant-ajër deri te djegia e shpërthimit, molekulat e dekompozimit përzierje e djegshme në përbërës reaktivë. Një diagram skematik i një cikli të funksionimit të një motori të tillë është treguar qartë në fig. 5.

Duke ndërvepruar me sipërfaqen e poshtme të rezonatorit si me një pengesë, vala e shpërthimit në procesin e përplasjes transferon tek ajo një impuls nga forcat e mbipresionit.

IDD me rezonatorë me frekuencë të lartë kanë të drejtën e suksesit. Në veçanti, ata mund të pretendojnë të modernizojnë pas djegësit dhe të rafinojnë motorët e thjeshtë turbojet, të projektuar përsëri për UAV-të e lirë. Si shembull, përpjekjet e MAI dhe CIAM për të modernizuar motorin turbojet MD-120 në këtë mënyrë duke zëvendësuar dhomën e djegies me një reaktor aktivizimi të përzierjes së karburantit dhe duke instaluar module tërheqëse me rezonatorë me frekuencë të lartë pas turbinës. Deri më tani, nuk ka qenë e mundur të krijohet një dizajn i zbatueshëm, sepse. gjatë profilizimit të rezonatorëve, autorët përdorin teorinë lineare të valëve të kompresimit, d.m.th. llogaritjet kryhen në përafrimin akustik. Dinamika e valëve të shpërthimit dhe valëve të kompresimit përshkruhet nga një aparat matematikor krejtësisht i ndryshëm. Përdorimi i paketave standarde numerike për llogaritjen e rezonatorëve me frekuencë të lartë ka një kufizim themelor. Gjithçka modele moderne turbulencat bazohen në mesataren e ekuacioneve Navier-Stokes (ekuacionet bazë të dinamikës së gazit) me kalimin e kohës. Përveç kësaj, supozimi i Boussinesq është prezantuar se tensori i stresit të fërkimit turbulent është proporcional me gradientin e shpejtësisë. Të dy supozimet nuk janë të kënaqura në rrjedhat turbulente me valë goditëse nëse frekuencat karakteristike janë të krahasueshme me frekuencën e pulsimit turbulent. Fatkeqësisht, kemi të bëjmë vetëm me një rast të tillë, ndaj këtu është e nevojshme ose të ndërtohet një model më shumë nivel të lartë, ose simulim numerik i drejtpërdrejtë bazuar në ekuacionet e plota Navier-Stokes pa përdorimin e modeleve të turbulencës (një detyrë që është e padurueshme në fazën aktuale).

Oriz. 4. Skema e PDD me rezonator me frekuencë të lartë

Oriz. Fig. 5. Skema e PDE me rezonator me frekuencë të lartë: SZS - avion supersonik; SW - valë goditëse; Ф - fokus rezonator; DW - vala e shpërthimit; VR - vala e rrallimit; SHW - valë goditëse e reflektuar

IDD po ​​përmirësohet në drejtim të rritjes së shkallës së përsëritjes së pulsit. Ky drejtim ka të drejtën e tij të jetës në fushën e mjeteve ajrore të lehta dhe të lira pa pilot, si dhe në zhvillimin e përforcuesve të ndryshëm të shtytjes së ejektorit.

Uskov V.N., Doktor i Shkencave Teknike, Profesor i Departamentit të Hidroaeromekanikës të Universitetit Shtetëror të Shën Petersburgut, Fakulteti i Matematikës dhe Mekanikës, Shën Petersburg;

Emelyanov V.N., Doktor i Shkencave Teknike, Profesor, Shef i Departamentit të Dinamikës së Gazit Plazmatik dhe Inxhinierisë së Ngrohjes, BSTU "VOENMEH" me emrin A.I. D.F. Ustinov, Shën Petersburg.

Vepra u prit nga redaktorët më 14 tetor 2013.

Lidhje bibliografike