Sw-motors.ru

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

Что такое воздушно реактивный двигатель

Что такое воздушно реактивный двигатель

  • ЖАНРЫ 360
  • АВТОРЫ 276 159
  • КНИГИ 650 323
  • СЕРИИ 24 804
  • ПОЛЬЗОВАТЕЛИ 608 783

Последние полтора десятилетия ознаменованы бурным развитием реактивной техники. Идеи, которые в течение многих лет были уделом лишь одиночек-изобретателей и ученых, энтузиастов реактивной техники, стали стремительно воплощаться в жизнь. Реактивные двигатели различных типов и конструкций нашли широкое применение в авиации и артиллерии. Это дало возможность за короткое время достигнуть таких замечательных успехов, главным образом в борьбе за скорость и высоту полета, о которых раньше можно было только мечтать. Но это только начало. Впереди еще более замечательные перспективы, еще более увлекательная борьба за новые достижения.

В настоящее время один за другим отметаются различные «пределы» и «потолки» в развитии авиации и артиллерии, которые выдвигались в прошлом некоторыми учеными. Уже оставлен позади таинственный «звуковой порог», или «звуковой барьер», который еще совсем недавно волновал авиаторов. Ныне реактивные самолеты летают на недосягаемых ранее высотах. Ракеты поднимаются на высоты, измеряемые сотнями километров, залетают в самые верхние слои атмосферы, в ионосферу, достигают границ океана мирового пространства. Теперь уже решается задача создания искусственного спутника Земли, второй Луны — первого искусственного небесного тела; рассматриваются проекты посылки ракет на Луну.

Невиданные возможности открывает стремительно развивающаяся реактивная техника, и неудивительно, что к ней проявляют самый живой интерес широкие круги советских людей.

С каждым днем множится количество типов различных реактивных двигателей, находящих применение в авиации и артиллерии. Появляются новые двигатели, обладающие замечательными характеристиками. Различна судьба этих двигателей. Одни из них появляются на свет для того, чтобы лишь немного расширить область применения реактивной техники или улучшить достигнутые ею результаты; другие занимают ведущее положение, на долгие годы становясь основными, главными двигателями. Наконец, третьи сначала вовсе не находят применения. Это — двигатели будущего, двигатели еще невиданных скоростей полета, при которых они не только получат право на существование, но по своим характеристикам оставят далеко позади те двигатели, которые сегодня занимают ведущее положение в авиации.

Семья реактивных двигателей многочисленна. Но все они делятся на две группы в зависимости от того, нужен ли для работы двигателя атмосферный воздух или не нужен.

Одна группа реактивных двигателей для своей работы не нуждается в атмосферном воздухе. Двигатели, принадлежащие к этой группе, могут работать на очень больших высотах, где воздух крайне разрежен, под водой и в безвоздушном пространстве.

Такие двигатели обычно называются ракетными. К ним относятся и пороховые двигатели реактивных снарядов-мин, которыми вели огонь наши прославленные гвардейские реактивные минометы «катюши», и изобретенные К. Э. Циолковским жидкостные ракетные двигатели — двигатели сверхдальних и высотных ракет, ракетных самолетов и космических кораблей, и гидрореактивные двигатели подводных торпед.

Но в настоящей книге речь идет не о ракетных двигателях. Им посвящены другие книги[1].

Настоящая книга посвящена реактивным двигателям, которые относятся к другой группе. Это так называемые воздушно-реактивные двигатели. Они не могут работать без воздуха, вне атмосферы; для них воздух жизненно необходим, так как в нем содержится кислород, без которого в двигателе не может сгорать топливо.

Воздушно-реактивными двигателями являются турбореактивные двигатели, которые применяются на современных реактивных самолетах, и пульсирующие двигатели, применяющиеся на беспилотных самолетах-снарядах и на некоторых вертолетах, и прямоточные двигатели — двигатели сверхзвукового полета, двигатели завтрашнего дня в авиации.

О всех этих воздушно-реактивных двигателях и будет идти речь в настоящей книге. В ней будет рассказано, как закатилась слава поршневого авиационного двигателя, занимавшего монопольное положение в авиации с момента ее рождения до последних лет; как с развитием авиации был достигнут такой рубеж, когда возникла острая необходимость в новом авиационном двигателе, способном обеспечить полет со скоростями, близкими к скорости звука, а потом и перешагнуть через эту невидимую «звуковую» границу; о том, как появился такой двигатель — реактивный и как с его помощью авиация за короткое время достигла невиданных успехов, о технической революции, произведенной в авиации реактивным двигателем.

В книге будет рассказано также о том, какие интересные и сложные физические процессы происходят при работе воздушно-реактивных двигателей и как ученые и инженеры овладевают и управляют этими процессами, вписывая блестящие страницы в историю борьбы за овладение силами природы и покорение их человеком; о том, как устроены различные воздушно-реактивные двигатели, каковы их характеристики и их место в авиации настоящего и будущего; о тех замечательных перспективах, которые открываются перед реактивной авиацией будущего, и о том, как ученые и конструкторы борются сегодня за то, чтобы возможное стало действительным.

Автору хочется верить, что среди тех, кто прочтет эту небольшую книгу, может быть, впервые знакомящую их с новой, замечательной отраслью науки и техники, найдутся читатели, которые заинтересуются ею, станут читать все новые и новые книги об этой технике и, может быть, решат связать с ней свою жизнь.

Закат славы поршневого авиационного двигателя

Ноябрь 1935 года. Известный советский летчик Владимир Коккинаки поднимает свою стальную птицу на высоту 14 575 ж, установив этим новый мировой рекорд высоты. Безотказно работает двигатель его самолета на огромной высоте, в крайне разреженном воздухе, в условиях, в которых не пришлось еще побывать ни одному другому двигателю в мире.

Июнь 1937 года. Весь мир, затаив дыхание, следит за небывалым полетом краснозвездного самолета Валерия Чкалова через Северный полюс из Советского Союза в Америку (рис. 1). 63 часа летит самолет над неисследованными просторами ледяных полей Арктики, сквозь туман и снег, сквозь штормы и непогоду. И все это время неутомимо, как часы, работает двигатель самолета, радуя экипаж своим мощным, ровным гулом.

— Замечательный мотор! — говорит Чкалов после посадки.

Тысячи километров без посадки пролетели советские самолеты в известных дальних перелетах Чкалова, Громова, Коккинаки, Гризодубовой и других советских летчиков. Эти победы советской авиации были бы невозможны без совершенных, мощных и экономичных авиационных двигателей, созданных отечественной авиационной промышленностью.

В годы Великой Отечественной войны советская авиация покрыла себя неувядаемой славой в борьбе за свободу и независимость нашей Родины. Десятки тысяч самолетов Военно-воздушных сил нашей страны громили тогда в воздухе фашистских стервятников. На этих самолетах были установлены поршневые авиационные двигатели различных типов, построенные на советских авиационных заводах.

Неудивительно, что поршневой авиационный двигатель стяжал себе большую славу и обеспечил авиации столько замечательных побед. В результате полувекового развития этот двигатель стал высокосовершенной машиной.

Рис. 1. Маршруты дальних перелетов В. П. Чкалова

Представьте себе, что вы находитесь на зеленом ковре Тушинского аэродрома в один из традиционных дней авиации еще в предвоенный период.

Вот над вашей головой стремительно пронесся истребитель, наполнив воздух густым, могучим ревом. Мгновение — и высоко в небе вы видите только серебристую точку, которая вскоре сливается с общим голубым фоном. Там, в бездонной глубине неба, в четком строю проплывают какие-то большие самолеты. Это летят воздушные «линкоры» — тяжелые бомбардировщики. Даже большая высота не скрывает огромных размеров этих многотонных машин.

См., например, книгу К. А. Гильзина «От ракеты до космического корабля», Оборонгиз, 1954.

Читать еще:  Электрическая схема двигатель 243

В России испытали пульсирующий детонационный двигатель

В России испытали пульсирующий детонационный двигатель

  • Су-35С

Су-35СФото: КнААЗ

Опытно-конструкторское бюро имени Люльки разработало, изготовило и испытало опытный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Как сообщает ИТАР-ТАСС , средняя измеренная тяга двигателя составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы ─ более десяти минут. До конца текущего года ОКБ намерено изготовить и испытать полноразмерный пульсирующий детонационный двигатель.

По словам главного конструктора ОКБ имени Люльки Александра Тарасова, в ходе испытаний моделировались режимы работы, характерные для турбореактивного и прямоточного двигателей. Измеренные величины удельной тяги и удельного расхода топлива оказались на 30-50 процентов лучше, чем у обычных воздушно-реактивных двигателей. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.

На основе проведенных исследований, полученных при испытании данных, а также схемно-конструкторского анализа ОКБ имени Люльки намерено предложить разработку целого семейства пульсирующих детонационных авиационных двигателей. В частности, могут быть созданы двигатели с коротким ресурсом работы для беспилотных летательных аппаратов и ракет и самолетные двигатели с крейсерским сверхзвуковым режимом полета.

В перспективе на основе новых технологий могут быть созданы двигатели для ракетно-космических систем и комбинированных силовых установок самолетов, способных выполнять полеты в атмосфере и за ее пределами.

По оценке конструкторского бюро, новые двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5-2 раза. Кроме того, при использовании таких силовых установок дальность полета или масса авиационных средств поражения могут увеличиться на 30-50 процентов. При этом удельный вес новых двигателей будет в 1,5-2 раза меньше аналогичного показателя обычных реактивных силовых установок.

О том, что в России ведутся работы по созданию пульсирующего детонационного двигателя, сообщалось в марте 2011 года. Об этом заявил тогда Илья Федоров, управляющий директор научно-производственного объединения «Сатурн», в состав которого входит ОКБ имени Люльки. О каком именно типа детонационного двигателя шла речь, Федоров не уточнил.

В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей ─ клапанные, бесклапанные и детонационные. Принцип работы этих силовых установок заключается в периодической подаче в камеру сгорания топлива и окислителя, где происходит воспламенение топливной смеси и истечение продуктов сгорания из сопла с образованием реактивной тяги. Отличие от обычных реактивных двигателей заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был изобретен еще в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. Пульсирующий двигатель считается простым и дешевым в изготовлении, однако из-за особенностей горения топлива ─ малонадежным. Впервые новый тип двигателя был использован серийно во время Второй мировой войны на немецких крылатых ракетах Фау-1. На них устанавливался двигатель Argus As-014 компании Argus-Werken.

В настоящее время несколько крупных оборонных фирм мира занимаются исследованиями в области создания высокоэффективных пульсирующих реактивных двигателей. В частности, работы ведут французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney. В 2012 году Научно-исследовательская лаборатория ВМС США объявила о намерении разработать спиновый детонационный двигатель, который должен будет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки.

Спиновые детонационные двигатели отличаются от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно ─ фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель Полезная модель относится к авиационной и ракетной технике и может быть использована в двигательных установках воздушно-космических самолетов, крылатых ракет и других гиперзвуковых летательных аппаратов.

Гиперзвуковой прямоточный двигатель, содержит воздухозаборник, прямоточную камеру сгорания, форсунки и сопло, на внешней поверхности стенки воздухозаборника и прямоточной камеры сгорания через слой электроизоляции располагается токопроводящая подложка катода, на которую нанесен эмиссионный слой с низкой работой выхода электронов, а на внешней поверхности стенки сопла через слой электроизоляции установлена токопроводящая подложка анода, которая в области входного отверстия сопла находится в электрическом контакте с токовыводом анода, электрически через потребитель электрической энергии связанном с токопроводящей подложкой катода, при этом токопроводящая подложка анода через слой электроизоляции находится в тепловом контакте с охлаждающим элементом, содержащем каналы для циркуляции охлаждающей жидкости, а на внешнюю поверхность токопроводящей подложки анода нанесен слой восприятия электронов.

Технический эффект, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели заключается в снижении температуры стенок воздухозаборника и камеры сгорания за счет дополнительного отвода тепловой энергии электронами при термоэлектронной эмиссии от стенок воздухозаборника и камеры сгорания. Это приводит к возможности увеличения температуры воздуха в воздухозаборнике и к увеличению скорости реакций горения и полноты сгорания топливо-воздушной смеси в камере сгорания. При этом увеличивается надежность ГПВРД и улучшаются его технические характеристики, например, скорость полета ГЛА.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель Полезная модель относится к авиации и ракетной технике и может быть использована в двигательных установках воздушно — космических самолетов, крылатых ракет и других гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА).

Для обеспечения длительного полета ГЛА в атмосфере необходим гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД). Однако, при больших скоростях полета, превышающих скорость звука в шесть и более раз, резко увеличиваются тепловые потоки в стенку воздухозаборника и камеры сгорания. Это повышает температуру стенок воздухозаборника и камера сгорания ГПВРД до значений, при которых прочностные свойства материалов конструкции ГПВРД существенно ухудшаются. Поэтому в условиях повышенных тепловых потоков требуются новые конструктивные решения и новые физические принципы поддержания температуры стенки на уровне, при котором сохраняются прочностные свойства материалов конструкции ГПВРД.

Известен гиперзвуковой прямоточный двигатель по патенту РФ 2121070, который выполнен двухконтурным, содержит внутренний дозвуковой и внешний сверхзвуковой контуры. Проточная часть сверхзвукового контура образована корпусами дозвукового и сверхзвукового контуров. Дозвуковой контур состоит из диффузора с дозвуковой скоростью на выходе, коллекторов подачи топлива и воды и реактора, в котором углеводородное топливо предварительно подвергается реакции конверсии с водой, с выделением продуктов реакции с высоким содержанием свободного водорода, поступающих в сверхзвуковой контур.

Известен гиперзвуковой прямоточный двигатель по патенту РФ 2116490, содержащий прямоточную камеру сгорания и систему подачи жидкого топлива, отличающийся тем, что соосно прямоточной камере сгорания установлено центральное тело с расположенным в нем турбонасосным агрегатом, состоящим из установленных на общем валу осевой газовой турбины и группы высоконапорных центробежных насосов с параллельным подводом топлива. Вокруг крыльчаток центробежных насосов расположены концентрические топливные коллекторы, в которых со сдвигом шага выполнены пояса струйных жидкостных форсунок.

Недостатками указанных устройств является высокая температура стенок воздухозаборника и камеры сгорания, что приводит к ограничению на скорость полета ГЛА из-за аэродинамического нагрева воздухозаборника, а также ограничение на температуру топливо-воздушной смеси в камере сгорания при горении, что снижает тяговую эффективность и надежность ГПВРД при высоком расходе топлива.

Ближайшим по технической сущности к заявляемой полезной модели, принимаемому за прототип, является устройство, приведенное на рис. 3.1 (а) стр. 115 в книге «Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. (Основы теории)» (Р.И. Курзинер. — М.: Машиностроение, 1989. — 264 с). Данное устройство ГПВРД представляет собой тело с протоком, содержащее воздухозаборник внешнего сжатия, прямоточную камеру сгорания, сопло внешнего расширения и форсунки для впрыска топлива в камеру сгорания.

Читать еще:  Что такое энерция двигателя

Прототип работает следующим образом. При входе гиперзвукового потока воздуха в воздухозаборник происходит его торможение до сверхзвуковой скорости (1.1 2 . При этом на борту ГЛА генерируется электрическая энергия, которую можно направить на обеспечение бортовых систем.

На фиг. 1 представлен заявляемый ГПВРД в разрезе.

Представленный ГПВРД имеет в своем составе воздухозаборник 1, прямоточную камеру сгорания 2, сопло 3, форсунки 4. На внешней поверхности воздухозаборника и камеры сгорания ГЛА установлена токопроводящая подложка катода (ТПК) 5, выполненная из жаропрочного электропроводящего материала, например, ниобия. Корпус ГЛА отделен от ТПК 5 слоем электроизоляции 6. На ТПК 5 нанесен эмиссионный слой 7, характеризующийся низкой работой выхода электронов, например,

гексаборид лантала (LaB6) или диоксид тория (TrO2). Эмиссионный слой 1 и ТПК 5 образуют многослойный электрод — катод. Эмиссионный слой 7 устойчив к химически агрессивной среде и имеют высокую температуру плавления. Эмиссионный слой 7 и ТПК 5 устанавливаются в высокотемпературной области ГПВРД, а именно: в области воздухозаборника и камеры сгорания. На внешней поверхности стенки сопла располагается токопроводящая подложка а нода (ТПА) 9 из жаропрочного материала. На внешнюю поверхность ТПА 9 нанесен слой восприятия электронов (СВЭ) 8 из материала с низкой работой выхода электронов. СВЭ 8 и ТПА 9 — образуют элемент (анод), воспринимающий электроны из набегающего сверхзвукового потока. СВЭ 8 и ТПА 9 располагается через изоляцию 10 от эмиссионного слоя 7 и ТПК 5 для исключения электрического пробоя между катодом и анодом. В области входного отверстия сопла располагается токовывод анода 11, предназначенный для отвода электронов от ТПА 9 к бортовому потребителю электрической энергии 12. При этом расположение токовывода анода 11 обуславливает протекание электрического тока вдоль стенок сопла 3 в направлении от выходного отверстия к входному, что приводит к созданию магнитного поля направленного перпендикулярно скорости потока. В результате, к электронам эмиссии, находящимся в сверхзвуковом потоке, прикладывается сила Лоренца, направляющая эти электроны в сторону СВЭ 8, наподобие того, как это происходит в МГД — генераторе. В электрической цепи между катодом и анодом располагается потребитель электрической энергии 12, в котором электроны эмиссии, при движении от анода к катоду, совершают полезную работу. Таким образом, происходит охлаждение «горячих» электронов эмиссии и на борту ГЛА генерируется электрическая энергия. Для поддержания направленного движения электронов от анода к катоду посредством обеспечения заданного перепада температур между катодом и анодом анод через слой изоляции 13 находится в тепловом контакте с

охлаждающим элементом 14 с каналами для циркуляции хладагента, например, топлива.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При полете ГЛА с ГПВРД в воздухозаборнике 1 происходит торможение, сжатие и увеличение температуры набегающего воздушного потока. В камере сгорания 2 происходит смешение, воспламенение и горение топливо-воздушной смеси. В результате эмиссионный слой 7 и ТПК 5 (катод) нагреваются до температур от 1600-2100 K, при которых происходит интенсивный процесс эмиссии электронов. Выходя из эмиссионного слоя электроны забирают с собой тепловую энергию. Известно, что тепловые потоки электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии могут превышать 1.5 МВт/м и могут быть существенно выше тепловых потоков излучения. Таким образом, электронами дополнительно отводится тепло от стенок воздухозаборника, что приводит к снижению температуры стенок воздухозаборника и камеры сгорания. Это также позволяет иметь в воздухозаборнике воздух с более высокой температурой. При попадании более горячего воздуха в камеру сгорания химические реакции горения протекают с большими скоростями и с большей полнотой сгорания, обеспечивая тем самым более высокие технические характеристики ГПВРД при сохранении температуре стенки, при которой сохраняются на высоком уровне прочностные свойства материалов конструкции, например, ниобия.

Эмитированные с эмиссионного слоя электроны уносятся проходящим сверхзвуковым потоком воздуха. В камере сгорания происходит впрыск топлива через форсунки 4 с дальнейшим его воспламенением и горением.

При этом стенки камеры сгорания 2 также нагреваются до температур, при которых эмиссионный слой 5 эмитирует электроны, которые уносятся сверхзвуковым потоком реагирующей газовой смеси. Далее электроны из потока воспринимаются СВЭ 8, откуда они попадают на ТПА 9. В ТПА 9 электроны движутся к токовыводу 11, электрически контактирующему с ТПА 9, располагающемуся в области входного отверстия сопла ГПВРД. Это обусловливает движение возникающего электрического тока вдоль ТПА 9 в направлении от выходного отверстия сопла 3 к входному отверстию сопла 3 (выходному отверстию камеры сгорания 2). При этом вблизи стенок сопла 3, где движутся электроны эмиссии, возникает магнитное поле направленное перпендикулярно вектору скорости электронов эмиссии, как это указано на фиг. 1. Это приводит к возникновению силы Лоренца, направленной к СВЭ 8, что аналогично принципам работы МГД — генератора. Тем самым происходит изменение направления движения электронов эмиссии в сторону СВЭ 8, что способствует восприятию анодом всех электронов эмиссии из сверхзвукового потока продуктов реакции горения топливо-воздушной смеси. От ТПА 8 электроны направляются на потребитель электрической энергии 12, где совершают полезную работу в электрической нагрузке. При этом происходит их охлаждение. Таким образом, генерируемая электрическая энергия является частью энергии топлива, затраченной на преодоление силы лобового сопротивления и отнятой от энергии, выделенной при горении топливо-воздушной смеси в камере сгорания ГПВРД. Одновременно в охлаждающем элементе 14, находящемся в тепловом контакте с ТПА 8, через слой электроизоляции 13 циркулирует хладагент, например, топливо. В результате происходит отвод избыточного тепла от анода и поддерживается разность температур, необходимая для возвратного направленного движения электронов от анода к катоду.

Технический эффект, получаемый в результате применения заявляемой полезной модели, заключается в том, что снижается температура стенок воздухозаборника и камеры сгорания при более высоких температурах сверхзвукового потока воздуха в воздухозаборнике и топливо-воздушной смеси в камере сгорания ГПВРД. Это приводит к повышению надежности ГПВРД, потому что снижается вероятность прогара и теплового разрушения стенок. Одновременно увеличиваются такие технические характеристики ГЛА с ГПВРД как скорость полета, поскольку появляется возможность увеличить температуру воздуха в воздухозаборнике и топливо-воздушной смеси в камере сгорания. Увеличение температуры топливо-воздушной смеси в камере сгорания приводит к увеличению скорости протекания реакций горения топливо-воздушной смеси. Все это происходит при сохранении приемлемой температуры стенок воздухозаборника и камеры сгорания (порядка 2100 K), при которой обеспечивается высокая плотность тока эмиссии и плотность тепловых потоков электронного охлаждения при сохранении прочностных свойств используемых жаропрочных конструкционных материалов, например, ниобия. Одновременно на борту генерируется электрическая энергия, которую можно направить на обеспечение электрической энергией бортовых систем.

Таким образом, благодаря новой совокупности отличительных признаков решаются поставленные задачи, и достигается указанный выше технический результат.

Предлагаемый ГПВРД отражает более высокий уровень науки и техники, обладает повышенной надежностью и улучшенными техническими характеристиками и обеспечивает получение на борту ГЛА дополнительной электроэнергии.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, прямоточную камеру сгорания, форсунки и сопло, отличающийся тем, что на внешней поверхности стенки воздухозаборника и прямоточной камеры сгорания через слой электроизоляции располагается токопроводящая подложка катода, на которую нанесен эмиссионный слой с низкой работой выхода электронов, а на внешней поверхности стенки сопла через слой электроизоляции установлена токопроводящая подложка анода, которая в области входного отверстия сопла находится в электрическом контакте с токовыводом анода, электрически через потребитель электрической энергии связанным с токопроводящей подложкой катода, при этом токопроводящая подложка анода через слой электроизоляции находится в тепловом контакте с охлаждающим элементом, содержащим каналы для циркуляции охлаждающей жидкости, а на внешнюю поверхность токопроводящей подложки анода нанесен слой восприятия электронов.

Читать еще:  Электрический двигатель схема пылесос

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Взгляд в будущее авиации и ракетостроения: рассказ об импульсных детонационных двигателях

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. 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.

Прямоточный импульсный детонационный двигатель. Графика “Горение и взрыв”

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

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.

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.

  • Наша продукция
  • Презентации по направлениям
  • Инжиниринг
  • Консалтинг
  • Металлообработка
  • Моделирование
  • Разработки

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector