Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Детонационный двигатель России

Детонационный двигатель России

Совсем недавно, российским учёным удалось создать впервые в мире полноразмерный жидкостный реактивный двигатель, работающий на принципе детонационного сгорания топлива. Наша страна наконец-то за многие постперестроечные годы установила мировой приоритет в освоении новейшей техники.

Чем же так хорош новый двигатель? В реактивном двигателе применяется энергия, выделяемая при сжигании смеси при постоянном давлении и неизменным пламенном фронте. Газовая смесь из топлива и окислителя при горении резко повышает температуру и столб пламени, вырывающийся из сопла, создаёт реактивную тягу.

При детонационном горении продукты реакции не успевают разрушиться, потому что этот процесс в 100 раз быстрее дефларгации и давлении при этом стремительно увеличивается, а объём остаётся неизменным. Выделение такого большого количества энергии действительно может разрушить двигатель автомобиля, поэтому такой процесс часто ассоциируется со взрывом.

В действительности вместо постоянного фронтального пламени в зоне сгорания, образуется детонационная волна, несущаяся со сверхзвуковой скоростью. В такой волне сжатия детонируют топливо и окислитель, этот процесс, с точки зрения термодинамики повышает КПД двигателя на порядок, благодаря компактности зоны сгорания. Поэтому специалисты так рьяно и приступили к разработке этой идеи.

В обычном ЖРД, по сути, являющейся большой горелкой, главное не камера сгорания и сопло, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), создающий такое давление, чтобы топливо проникло в камеру. К примеру, в российском ЖРД РД-170 для ракет-носителей «Энергия» давление в камере сгорания 250 атм и насосу, подающему окислитель в зону сгорания приходиться создавать давление в 600 атм.

В детонационном двигателе давление создаётся самой детонацией, представляющую бегущую волну сжатия в смеси топлива, в которой давление без всякого ТНА уже в 20 раз больше и турбонасосные агрегаты являются лишними. Чтобы было понятно, у американского «Шаттла» давление в камере сгорания 200 атм, а детонационному двигателю в таких условиях надо всего лишь 10 атм для подачи смеси – это как велосипедный насос и Саяно-Шушенская ГЭС.

Двигатель на основе детонации в таком случае не только более простой и дешёвый на целый порядок, но гораздо мощнее и экономичнее, чем обычный ЖРД.

На пути внедрения проекта детонационного двигателя встала проблема совладения с волной детонации. Это явление непросто взрывная волна, которая имеет скорость звука, а детонационная, распространяющаяся со скоростью 2500 м/сек, в ней нет стабилизации фронта пламени, за каждую пульсацию обновляется смесь и волна вновь запускается.

Ранее русские и французские инженеры разрабатывали и строили реактивные пульсирующие двигатели, но не на принципе детонации, а на основе пульсации обычного горения. Характеристики таких ПуВРД были низкими и когда двигателестроители разработали насосы, турбины и компрессоры, наступил век реактивных двигателей и ЖРД, а пульсирующие остались на обочине прогресса. Светлые головы науки пытались объединить детонационное горение с ПуВРД, но частота пульсаций обычного фронта горения составляет не более 250 в секунду, а фронт детонации обладает скоростью до 2500 м/сек и частота его пульсаций достигает несколько тысяч в секунду. Казалось невозможным воплотить на практике такую скорость обновления смеси и при этом инициировать детонацию.

В СЩА удалось построить такой детонационный пульсирующий двигатель и испытать его в воздухе, правда, проработал он всего 10 секунд, но приоритет остался за американскими конструкторами. Но уже в 60-х годах прошлого века советскому учёному Б.В. Войцеховскому и практически в то же время и американцу из университета в Мичигане Дж. Николсу пришла идея закольцевать в камере сгорания волну детонации.

Такой ротационный двигатель состоял из кольцевой камеры сгорания с форсунками, размещёнными по её радиусу для подачи топлива. Волна детонации бегает как белка в колесе по окружности, топливная смесь сжимается и выгорает, выталкивая продукты сгорания через сопло. В спиновом двигателе получаем частоту вращения волны в несколько тысяч в секунду, работа его подобна рабочему процессу в ЖРД, только более эффективно, благодаря детонации смеси топлива.

В СССР и США, а позже в России ведутся работы по созданию ротационного детонационного двигателя с незатухающей волной, пониманию процессов, происходящих внутри, для чего была создана целая наука физико-химическая кинетика. Для расчёта условий незатухающей волны нужны были мощные ЭВМ, которые создали лишь в последнее время.

В России над проектом такого спинового двигателя работают многие НИИ и КБ, среди которых двигателестроительная компания космической промышленности НПО «Энергомаш». На помощь в разработке такого двигателя пришёл Фонд перспективных исследований, ведь финансирование от Министерства обороны добиться невозможно – им подавай только гарантированный результат.

Читать еще:  Что разъедает нагар в двигателе

Тем не мене на испытаниях в Химках на «Энергомаше» был зафиксирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации – 8 тысяч оборотов в секунду на смеси «кислород – керосин». При этом детонационные волны уравновешивали волны вибрации, а теплозащитные покрытия выдержали высокие температуры.

Но не стоит обольщаться, ведь это лишь двигатель-демонстратор, проработавший весьма непродолжительное время и о характеристиках его ещё пока ничего не сказано. Но основное в том, что доказана возможность создания детонационного горения и создан полноразмерный двигатель именно в России, что останется в истории навсегда.

Спиновые детонационные двигатели помогут экономить топливо

Научно-исследовательская лаборатория (NRL) ВМС США намерена разработать ротационный, или спиновый, детонационный двигатель (Rotating Detonation Engine, RDE), который в перспективе сможет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки. Как сообщает NRL, новые двигатели позволят военным снизить потребление топлива, одновременно повысив энергетическую отдачу силовых установок.

В настоящее время ВМС США используют 430 газотурбинных двигателей (ГТД) на 129 кораблях. Ежегодно они потребляют топлива на два миллиарда долларов. По оценке NRL, благодаря RDE военные смогут экономить на топливе до 400 миллионов долларов в год. RDE смогут вырабатывать на десять процентов больше энергии, чем обычные ГТД. Прототип RDE уже создан, однако когда такие двигатели начнут поступать на флот, пока неизвестно.

В основу RDE легли наработки NRL, полученные при создании пульсирующего детонационного двигателя (Pulse Detonation Engine, PDE). Работа таких силовых установок основана на устойчивом детонационном горении топливной смеси.

В случае с пульсирующими двигателями детонационная волна распространяется в топливной смеси быстрее скорости звука; за время химического горения смеси давление в камере сгорания не успевает значительно измениться, но затем возрастает в разы скачкообразно. После этого начинается расширение продуктов сгорания в сопле с образованием реактивной струи. Последняя на кораблях будет вращать лопасти газовой турбины.

Одним из преимуществ детонационных двигателей является прогрев топливной смеси вплоть до возгорания при прохождении через нее фронта ударной волны. Последующее возгорание топливной смеси также происходит в режиме детонации, благодаря чему удается получить устойчивый цикл работы двигателя. Одним из препятствий создания RDE является несовершенство материалов, не способных обеспечить большой ресурс силовой установки.

В ротационном детонационном двигателе, в отличие от пульсирующего, образуется вращающаяся детонационная волна; она как бы «обегает» по кругу кольцеобразную камеру сгорания. Такой принцип позволяет значительно снизить шумность силовой установки в целом, повысить топливную эффективность (в частности, за счет меньше потребности в топливе для инициации нового детонационного цикла), а также добиться непрерывности детонации — предыдущий цикл взрывного горения не мешает последующему.

Сами RDE могут быть сконструированы без каких-либо движущихся частей, благодаря чему обеспечивается простота их обслуживания и относительная дешевизна производства по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания других типов. RDE пока планируется использовать для модернизации силовых установок уже стоящих на вооружении ВМС США кораблей.

Следует отметить, что помимо NRL разработкой ротационного детонационного двигателя занимается Техасский университет в Арлингтоне. Создаваемая им силовая установка получила название двигателя непрерывной детонации. Новые двигатели в будущем могут быть использованы не только на кораблях, но и на самолетах.

В марте 2011 года управляющий директор НПО «Сатурн» Илья Федоров рассказал, что Научно-технический центр имени Люльки (входит в НПО) занимается созданием пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Тип двигателя Федоров не уточнил. В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей: клапанные, бесклапанные и детонационные.

Импульсные детонационные двигатели как будущее ракет и авиации

Прямоточный испульсный детонационный двигатель. Графика «Горение и взрыв»

Существующие двигательные установки для авиации и ракет показывают весьма высокие характеристики, но вплотную приблизились к пределу своих возможностей. Для дальнейшего повышения параметров тяги, создающего задел для развития авиационной ракетно-космической отрасли, необходимы другие двигатели, в т.ч. с новыми принципами работы. Большие надежды возлагаются на т.н. детонационные двигатели. Подобные системы импульсного класса уже испытываются в лабораториях и на летательных аппаратах.

Физические принципы

В существующих и эксплуатируемых двигателях на жидком топливе используется дозвуковое горение или дефлаграция. Химическая реакция с участием топлива и окислителя образует фронт, перемещающийся по камере сгорания с дозвуковой скоростью. Такое горение ограничивает количество и скорость реактивных газов, истекающих из сопла. Соответственно, ограничивается и максимальная тяга.

Альтернативой является детонационное горение. В этом случае фронт реакции перемещается со сверхзвуковой скоростью, образуя ударную волну. Подобный режим горения увеличивает выход газообразных продуктов и обеспечивает повышенную тягу.

Читать еще:  Что такое гравитационный двигатель

Детонационный двигатель может быть выполнен в двух вариантах. Одновременно разрабатываются импульсные или пульсирующие двигатели (ИДД / ПДД) и ротационные / вращающиеся. Их отличие заключается в принципах горения. Ротационный двигатель поддерживает постоянную реакцию, а импульсный работает за счет последовательных «взрывов» смеси топлива и окислителя.

Импульсы образуют тягу

В теории, по своей конструкции ИДД не сложнее традиционного прямоточного воздушно-реактивного или жидкостного ракетного двигателя. Он включает камеру сгорания и сопловой аппарат, а также средства подачи топлива и окислителя. При этом накладываются особые ограничения на прочность и стойкость конструкции, связанные с особенностями работы двигателя.

Опытный самолет Long-EZ с ИДД. Фото National Museum of USAF
Во время работы форсунки подают в камеру сгорания топливо; окислитель подводится из атмосферы помощи воздухозаборного устройства. После образования смеси происходит воспламенение. За счет правильного подбора компонентов топлива и пропорций смеси, оптимального способа воспламенения и конфигурации камеры образуется ударная волна, движущаяся в направлении сопла двигателя. Текущий уровень технологий позволяет получить скорость волны до 2,5-3 км/с с соответствующим повышением тяги.

ИДД использует пульсирующий принцип работы. Это означает, что после детонации и выхода реактивных газов камера сгорания продувается, вновь наполняется смесью – и следует новый «взрыв». Для получения высокой и стабильной тяги этот цикл должен осуществляться с большой частотой, от десятков до тысяч раз в секунду.

Сложности и преимущества

Главным преимуществом ИДД является теоретическая возможность получения повышенных характеристик, обеспечивающих превосходство над существующими и перспективными ПВРД и ЖРД. Так, при той же тяге импульсный двигатель получается компактнее и легче. Соответственно, в тех же габаритах можно создать более мощную установку. Кроме того, такой двигатель проще по своей конструкции, поскольку не нуждается в части приборного оснащения.

ИДД работоспособен в широком диапазоне скоростей, от нулевых (при старте ракеты) до гиперзвуковых. Он может найти применение в ракетно-космических системах и в авиации – в гражданских и военных областях. Во всех случаях его характерные особенности позволяют получить те или иные преимущества перед традиционными системами. В зависимости от потребностей, возможно создание ракетного ИДД, использующего окислитель из бака, или воздушно-реактивного, принимающего кислород из атмосферы.

Впрочем, имеются существенные недостатки и затруднения. Так, для освоения нового направления приходится проводить различные достаточно сложные исследования и опыты на стыке разных наук и дисциплин. Специфический принцип работы предъявляет особые требования к конструкции двигателя и ее материалам. Ценой высокой тяги оказываются повышенные нагрузки, способные повредить или разрушить конструкцию двигателя.

ИДД для Long-EZ. Фото National Museum of USAF
Сложной задачей является обеспечение высокой скорости подачи топлива и окислителя, соответствующей необходимой частоте детонаций, а также выполнение продувки перед подачей топлива. Кроме того, отдельной инженерной проблемой является запуск ударной волны при каждом цикле работы.

Следует отметить, что к настоящему времени ИДД, несмотря на все усилия ученых и конструкторов, не готовы к выходу за пределы лабораторий и полигонов. Конструкции и технологии нуждаются в дальнейшей отработке. Поэтому пока не приходится говорить о внедрении новых двигателей в практику.

История технологии

Любопытно, что принцип импульсного детонационного двигателя впервые был предложен не учеными, но писателями-фантастами. К примеру, подлодка «Пионер» из романа Г. Адамова «Тайна двух океанов» использовала ИДД на водородно-кислородной газовой смеси. Схожие идеи фигурировали и в других художественных произведениях.

Научные изыскания по теме детонационных двигателей начались чуть позже, в сороковых годах, причем пионерами направления были советские ученые. В дальнейшем в разных странах неоднократно предпринимались попытки создания опытного ИДД, но их успех серьезно ограничивало отсутствие необходимых технологий и материалов.

31 января 2008 г. агентство DARPA министерства обороны США и Лаборатория ВВС начали испытания первой летающей лаборатории с ИДД воздушно-реактивного типа. Оригинальный двигатель установили на доработанном самолете Long-EZ от фирмы Scale Composites. Силовая установка включала четыре трубчатые камеры сгорания с подачей жидкого топлива и забором воздуха из атмосферы. При частоте детонаций 80 Гц развивалась тяга ок. 90 кгс, чего хватало только для легкого летательного аппарата.

Российский ротационный детонационный двигатель «Ифрит». Фото НПО «Энергомаш»
Эти испытания показали принципиальную пригодность ИДД для применения в авиации, а также продемонстрировали необходимость совершенствования конструкций и повышения их характеристик. В том же 2008 г. опытный самолет отправили в музей, а DARPA и смежные организации продолжили работу. Сообщалось о возможности применения ИДД в перспективных ракетных комплексах – но пока они не разработаны.

Читать еще:  2434 что за двигатель

В нашей стране тематика ИДД изучалась на уровне теории и практике. К примеру, в 2017 г. в журнале «Горение и взрыв» появилась статья об испытаниях детонационного прямоточного двигателя на газообразном водороде. Также продолжаются работы по ротационным детонационным двигателям. Создан и испытан РДД на жидком топливе, пригодный для использования на ракетах. Прорабатывается вопрос использования таких технологий в авиационных двигателях. В этом случае детонационная камера сгорания интегрируется в состав турбореактивного двигателя.

Перспективы технологии

Детонационные двигатели представляют большой интерес с точки зрения применения в разных областях и сферах. За счет ожидаемого прироста основных характеристик они могут, как минимум, потеснить системы существующих классов. Однако сложность теоретической и практической разработки пока не позволяет им дойти до использования на практике.

Впрочем, в последние годы наблюдаются положительные тенденции. Детонационные двигатели в целом, в т.ч. импульсные, все чаще появляются в новостях из лабораторий. Развитие этого направления продолжается, и в будущем сможет дать желаемые результаты, хотя сроки появления перспективных образцов, их характеристики и области применения пока остаются под вопросом. Однако сообщения последних лет позволяют смотреть в будущее с оптимизмом.

В США состоялись первые испытания «взрывного» ракетного двигателя

В США разработали и испытали ротационный детонационный двигатель, работающий на водороде и кислороде, который некогда считался невозможным. Появление детонационных двигателей позволит снизить массу верхних ступеней ракет, увеличит дальность полетов и эффективность расходования топлива — она у них в 10 раз выше. В работах над новым типом ракетных двигателей американцы пока догоняющие — российское НПО «Энергомаш» испытало первый в мире детонационный двигатель «Ифрит» еще 2 года назад.

Специалисты Университета Центральной Флориды первыми представили экспериментальные доказательства безопасной и функциональной детонации водорода и кислорода в ротационном детонационным ракетном двигателе, пишет Techxplore. В таком типе двигателя горение топлива происходит в результате постоянных взрывов в камере сгорания.

Детонация в камере сгорания создает взрывную волну, которая распространяется со скоростью 7200 — 9000 км/ч, то есть в пять с лишним раз быстрее скорости звука. Такая система позволяет повысить термодинамическую эффективность ракетного двигателя, сокращая расход топлива по сравнению с традиционными типами двигателей. Это значит, что стоимость запуска ракет можно будет заметно снизить.

Впервые идею детонационного ракетного двигателя, работающего на жидком топливе, предложили советские инженеры еще в 1960-х годах. Если в обычных РЖД реактивная струя создается за счет ровного горения топливной смеси, то в детонационном ее образует множество взрывов, взрывная волна от которых закручивается в камере сгорания по спирали с гиперзвуковой скоростью. Сложность создания детонационного двигателя — в необходимости постоянно поддерживать в камере сгорания точный баланс топлива и окислителя, необходимые для взрывов.

«Нам пришлось настроить размеры струй топлива, чтобы повысить смешиваемость водорода с кислородом, — пояснил инженер Карим Ахмед. — Для того чтобы ротационный взрыв не прекращался. Потому что если состав смеси чуть-чуть изменится, начнется дефлаграция, то есть медленное горение, а не детонация».

Американцы стали первыми, кто испытал детонационный двигатель на водороде и кислороде, но они не были первыми, кому удалось собрать первый работающий детонационный двигатель. Еще в 2014 году НПО «Энергомаш» сообщило о создании детонационного ракетного двигателя «Ифрит». Через два года был успешно испытан первый в мире опытный экземпляр, работающий на смеси керосина и кислорода. При давлении всего в 40 атмосфер удалось добиться тяги в две тонны.

Американские инженеры, работающие над своей версией детонационного двигателя, отстают от российских разработок примерно на 5-6 лет.

Детонационные двигатели более эффективны по сравнению с традиционными — при сгорании равной массы топлива их полезная работа будет примерно в 10 раз больше. Они также проще в обслуживании и значительно дешевле классических РЖД, основную стоимость которых создает турбонасосная установка — чем она мощнее, чем большее давление может создавать в камере сгорания, тем она сама дороже и дороже весь двигатель. В детонационных двигателях давление в камере сгорания образует не турбонасосный агрегат, а сама взрывная волна.

Плазменный двигатель взамен устаревших химических разрабатывает бывший астронавт Франклин Чанг-Диас. Его стартап предлагает построить космический корабль размером с МКС и экипажем примерно из шести человек. Питать плазменный двигатель будет ядерный реактор, какие ставят на атомные подводные лодки.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector