Детонационные двигатели что это

Детонационный двигатель

Детонационный двигатель.

Технология находится в процессе разработки!

Детонационный двигатель более простой и дешевле в изготовлении, на порядок мощнее и экономичнее обычного реактивного двигателя, по сравнению с ним обладает более высоким КПД.

Детонационный двигатель, сущность, строение и принцип работы:

Обычный реактивный двигатель устроен следующим образом.

В детонационном (импульсном или пульсирующем) двигателе горение происходит путем детонации. Детонация — это процесс горения, но которое происходит в сотни раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. При детонационном горении образуется детонационная ударная волна, несущая со сверхзвуковой скоростью. Она составляет порядка 2500 м/сек. Давление в результате детонационного горения стремительно возрастает, а объем камеры сгорания остается неизменным. Продукты горения вырываются с огромной скоростью через сопло. Частота пульсаций детонационной волны достигает несколько тысяч в секунду. В детонационной волне нет стабилизации фронта пламени, на каждую пульсацию обновляется топливная смесь и волна запускается вновь.

Преимущества детонационного двигателя:

– детонационный двигатель более простой в изготовлении. Отсутствует необходимость в использовании турбонасосных агрегатов,

– имеет более высокий КПД,

дешевле в изготовлении,

– нет необходимости создавать высокое давление подачи топливной смеси и окислителя, высокое давление создается за счет самой детонации,

– детонационное горение в 100 раз быстрее, чем обычное горение топлива.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

как работает российский спиновый непрерывно импульсный ротационный пульсирующий детонационный жидкостный ракетный реактивный двигатель принцип работы последние новости россия википедия энергомаш видео испытан в россии 2017 2018 рогозин
принцип действия устройство испытания импульсного ракетного детонационного двигателя будущее российского двигателестроения
двигатель детонационное сгорание
какие страны разрабатывают фролов импульсные детонационные двигатели скачать с незатухающей детонационной волной cdw внутреннего сгорания

Источник

Российский детонационный двигатель прошел первый этап испытаний

Пульсирующий прямоточный детонационный двигатель

Объединенная двигателестроительная корпорация завершила первый этап испытаний прямоточного пульсирующего детонационного двигателя. Согласно сообщению госкорпорации «Ростех», на некоторых режимах работы двигатель показал 50-процентное увеличение удельной тяги по сравнению с силовыми установками традиционных схем. С какими именно двигателями проводилось сравнение показателей, не уточняется.

Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу расходится ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества тепла. В современных авиационных и ракетных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью; такой процесс называется дефлаграцией.

Детонационные двигатели сегодня делятся на два основных типа: импульсные (пульсирующие) и ротационные. Последние еще называют спиновыми. В импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси. В ротационных же горение смеси происходит постоянно без остановки, причем фронт горения «бежит» по кольцевой камере сгорания без перерыва.

Российский пульсирующий детонационный двигатель разрабатывается ОКБ имени Люльки, которое сформировало отдельное направление по изучению и разработки подобных силовых установок. По оценке разработчиков, применение детонационных двигателей на летательных аппаратах позволит в 1,3 — 1,5 раза увеличить их дальность полета и максимальную массу полезной нагрузки.

В ОКБ имени Люльки полагают, что детонационные двигатели можно будет устанавливать на орбитальные самолеты, гиперзвуковые летательные аппараты, а также ракеты.

Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от нуля до пяти чисел Маха (0-6,2 тысячи километров в час). Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствует компрессор и многие движущиеся части.

В конце декабря 2016 года американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планировалось завершить к середине 2019 года, однако сроки окончания проекта были перенесены.

Источник

Детонационный двигатель — будущее российского двигателестроения

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.

Интересно, что ещё в 1940 году советский физик Я.Б. Зельдович предложил идею детонационного двигателя в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания». С тех пор над перспективной идеей работали многие учёные из разных стран, вперёд выходили то США, то Германия, то наши соотечественники.

Летом, в августе 2016 года 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.

Читайте также:  Мойка двигателя паром мэи

Как работает детонационный ЖРД

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.

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 спиновой двигатель именно в России, что останется в истории науки навсегда.

Источник

Шесть махов для одного самолета: есть ли будущее у детонационного двигателя

Виктор Кузовков

Давно ни для кого не секрет, что современная авиация приблизилась к порогу своих возможностей. Последней революции в авиастроении, причем, только в военном, стало появление технологий высокой скрытности в электромагнитном диапазоне, или стелс-технологий. Однако с тех пор прошло уже более трех десятилетий, и все это время авиация развивалась, буквально по крохе выскребая последний ресурс из старых технологий.

Но похоже, что в ближайшие годы ситуация может измениться. Как стало известно буквально на днях, российский разработчик авиадвигателей, ОДК-УМПО (структурное подразделение Ростеха), а конкретнее, входящее в его состав ОКБ им. А.М. Люльки провело успешные испытания демонстратора двигателя нового поколения. На стендах предприятия был испытан прототип прямоточного пульсирующего детонационного двигателя (ППДД), и в их ходе были подтверждены возможности достижения некоторых характеристик, которые значительно превосходят существующие аналоги.

Вообще, детонационные двигатели известны науке и инженерам довольно давно. Так, например, еще в годы Второй мировой войны немецкие авиаконструкторы оснастили такими двигателями знаменитый самолет-снаряд «Фау-1», с помощью которого Гитлер пытался «поставить на колени» Великобританию. Правда, тогда немецких конструкторов привлекли не выдающиеся характеристики двигателя, а, как ни странно, его дешевизна. Для воюющей на два фронта Германии вопрос цены одноразового самолета, не имеющего, к тому же, какой-то особой точности и применявшегося действительно массово, был принципиально важен.

Характеристики этой новинки были не очень хороши, но для тех условий достаточны – «Фау-1» разгонялся до 800 километров в час (скорость зависела от того, сколько топлива самолет-снаряд уже успел потратить), и его перехват обычными истребителями тех лет, даже отличными британскими «Спитфайрами» и более поздними «Темпестами», был весьма проблематичен. Правда, были и существенные недостатки, которые заставили авиаконструкторов почти забыть об этом типе двигателей после войны. И прежде всего, экспоненциально возрастающая сложность по мере совершенствования характеристик такого двигателя – практически непрерывно идущая детонация топливно-воздушной смеси не очень способствует надежной работе такого двигателя. То, что еще худо-бедно годилось для одноразового полета продолжительностью не больше двух часов, при том уровне технологий оказывалось совершенно несостоятельным для требований военно-воздушных сил, заинтересованных в создании не только мощных, но и надежных двигателей для пилотируемой авиации.

Основным, принципиальным отличием любого типа детонационных двигателей от реактивных, является способ получения удельного импульса – в одном случае он получается за счет детонации топливно-воздушной смеси, а в другом за счет классического её сгорания. Химическая реакция горения топливно-воздушной смеси, чисто технически не может распространяться со скоростью, превышающей скорость звука. Тогда как детонация (то есть, взрыв), перемещает фронт горения со сверхзвуковой скоростью, создавая ударную волну.

В настоящий момент реальным считается достижение в импульсных детонационных двигателях ударной волны, распространяющейся со скоростью до 3 километров секунду. Это, если очень грубо, примерно в девять раз быстрее скорости звука. То есть, потенциально создание детонационного двигателя может привести и к созданию гиперзвуковой авиации, скорость которой в теории может достигать гиперзвуковых величин, то есть, превышать 5-6 чисел Маха. Существующие варианты реактивных двигателей, увы, ничего подобного достичь не могут, и их скоростной максимум уже достигнут на некоторых перехватчиках (в частности, на МиГ-25) и самолетах-разведчиках, например, американском Lockheed SR-71. Скорость эта равняется трем числам Маха, или примерно 1 километр в секунду.

В настоящий момент исследования в области детонационных двигателей ведутся буквально во всем авиационном мире. Параллельно разрабатываются два типа таких двигателей – импульсный и роторный. Принцип работы импульсного двигателя построен на череде импульсов, когда сначала в двигатель подается воздух и топливо, потом происходит детонация этой смеси, потом продувка, после чего весь цикл повторяется. Таких импульсов может быть от нескольких десятков до нескольких сотен в секунду, так что можно себе представить, в каких условиях работает двигатель.

Роторный вариант детонационного двигателя работает несколько иначе – детонация там идет постоянно, по кругу подрывая топливно-воздушную смесь и создавая постоянный импульс. Этот вариант считается более продвинутым, но и более сложным. Просто представьте, что в одной части камеры сгорания идет взрывная реакция, а в другой, одновременно с этим, происходит отвод отработанных газов и новое заполнение топливно-воздушной смесью.

По имеющимся данным, американцы сосредоточили свои исследования именно в области роторных детонационных двигателей. Российские же конструкторы за журавлем в небе пока не гонятся и создают прямоточный импульсный детонационный двигатель. Во всяком случае, именно такой демонстратор был представлен в ОКБ имени А. М. Люльки. Правда, сделаем поправку на секретность – сказанное выше не означает ни того, что в России не разрабатывают роторный вариант, ни того, что в США не интересуются импульсным. Скорее, речь можно вести о разных приоритетах, финансировании и достигнутых результатах.

Так или иначе, в настоящий момент мы уже точно можем говорить о том, что в РФ создан демонстратор технологий, который, пусть и с некоторой натяжкой, можно назвать прототипом прямоточного импульсного детонационного двигателя. Да, пока он весьма слаб – до 1600 кгс. Для сравнения, тяга так называемого «двигателя второго этапа» для Су-57 должна составить, на форсаже, порядка 18 000 кгс. Но тут важно то, что продемонстрированы сразу две вещи – высокая эффективность такого типа двигателей и, что немаловажно, достаточный научный и технологический уровень российской оборонной промышленности, позволяющий создавать и, в перспективе, серийно производить двигатели такого типа. Что же касается мощности, то это, как говорится, дело наживное…

Экспертами активно обсуждается важное следствие разработки детонационных двигателей, а именно вероятное повышение скоростей авиации. И это, безусловно, важно, хотя сразу можно сказать, что потенциал тут несколько ограничен – сама атмосфера препятствует безумному разгону летательных аппаратов, а выход в безвоздушное или сильно разреженное пространство лишает кислорода любой двигатель, в том числе и детонационный. То есть, сладкие грезы о том, как истребители и перехватчики будут выходить в космос и оттуда атаковать супостата мы все-таки оставим детям и фантастам. Хотя прогнозировать рост скорости истребительной авиации до примерно пяти Махов и увеличение практического потолка километров до тридцати мы, наверное, все-таки можем. А это уже очень серьезно, уже хотя бы потому, что появление подобных самолетов потребует гигантских затрат на тотальное перевооружение практически всей системы ПВО в мире – эффективно бороться с ними не сможет ни современная авиация, ни большинство существующих зенитно-ракетных комплексов.

Читайте также:  Двигатель к7м 8 клапанный

При этом почти не обращается внимания на другой аспект – вероятную замену (там, где это возможно) существующих авиационных двигателей на детонационные. И не с целью повысить скорость или тяговооруженность, а банально с целью экономии. Дело в том, что топливная эффективность такого двигателя значительно выше, то есть, он расходует топливо гораздо эффективнее, чем существующие образцы. Грубо говоря, новый двигатель позволит пролететь на одной заправке на 30-50 процентов дальше, чем тот, что установлен на нем сейчас. А это очень важное качество, которое будет с восторгом встречено как в военной, так и в гражданской авиации. Да и разработчики беспилотников скажут двигателистам большое спасибо.

Разумеется, в этом вопросе не так все просто, как всем нам хотелось бы. Это и упоминавшаяся сложность эксплуатации детонационных двигателей, и некоторые ограничения, накладываемые самой природой процесса – например, для запуска прямоточного импульсного детонационного двигателя летательный аппарат нужно предварительно разогнать хотя бы до 100 м/с, а это предполагает наличие какой-то вспомогательной силовой установки. Есть и другие сложности, понятные, вероятно, только экспертам.

И все-таки это очень позитивное известие. Увы, так уж сложилось, что именно война зачастую становится основным двигателем прогресса. Или подготовка в войне… Вот и сейчас есть некоторая вероятность, что гонка сверхдержав в области детонационных авиационных двигателей со временем либо сделает дешевле перелеты из Москвы на Камчатку, либо и вовсе сделает доступным гражданский сверхзвук или гиперзвук. И мы, хоть и будем по-прежнему бояться тотального взаимного уничтожения, все-таки сможем смотаться на выходные в Петропавловск – родственников навестить или рыбку половить…

Источник

Взрывной эффект (детонационные двигатели)

В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО “Энергомаш” в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет. Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье “Об энергетическом использовании детонационного сгорания”, опубликованной в “Журнале технической физики” еще в 1940 году. С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот важный приоритет в мировой истории техники закрепила за собой Россия. В последние годы чем-то подобным нашей стране удается похвастать не часто.

Испытание детонационного жидкостного ракетного двигателя
Источник: Пресс-служба ФПИ

Испытание детонационного жидкостного ракетного двигателя / Фото: Пресс-служба ФПИ

В чем же состоят преимущества детонационного двигателя? В традиционных ЖРД, как, впрочем, и в обычных поршневых или турбореактивных авиадвигателях, используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания ЖРД при этом образуется стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия горючего и окислителя температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу.

На практике это выглядит следующим образом: вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси внутри камеры сгорания формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация смеси горючего и окислителя, а это процесс с термодинамической точки зрения куда более эффективный, чем обычное сжигание топлива. КПД детонационного сгорания на 25-30% больше, то есть при сжигании одинакового количества топлива получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационный двигатель по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.

Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Ведь тот застой, который сейчас возник в развитии мировой космонавтики, на полвека застрявшей на околоземной орбите, в первую очередь связан с кризисом ракетного двигателестроения. В кризисе, кстати, находится и авиация, не способная перешагнуть порог трех скоростей звука. Этот кризис можно сравнить с ситуацией в поршневой авиации в конце 1930-х годов. Винт и двигатель внутреннего сгорания исчерпали свой потенциал, и только появление реактивных двигателей позволило выйти на качественно новый уровень высот, скоростей и дальности полетов.

Принцип действия детонационного ЖРД
Источник: Инфографика: Пресс-служба ФПИ

Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей. Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах — на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты-носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России. Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на экологические проблемы. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество.

Обычный ЖРД — это, в принципе, большая горелка. Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания. При этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.

К примеру, у самого мощного в мире ЖРД РД-170, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты-носителя “Энергия” тем же НПО “Энергия”, давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много. Но давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 МВт! Только представьте себе это: колесо турбины диаметром 0,4 м развивает мощность, в четыре раза большую, чем атомный ледокол “Арктика” с двумя ядерными реакторами! При этом ТНА — это сложное механическое устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, а работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу-хау “Энергомаша”, обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах-носителях Atlas V и Antares. Альтернативы российским двигателям в США пока нет.

Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.

Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского “Шаттла” (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением. 10 атм. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД — все равно что велосипедный насос рядом Саяно-Шушенской ГРЭС.

То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Так почему же эта простота в течение 70 лет не давалась в руки конструкторам?

Создание полноразмерного детонационного ЖРД закрепило за Россией важный приоритет в мировой истории науки и техники
Источник: Пресс-служба ФПИ

Главная проблема, которая встала перед инженерами, — как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация — это не просто взрывная волна, а кое-что похитрее. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью — до 2500 м/с. Она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер: после каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.

Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией. Именно в применении пульсирующих реактивных двигателей пытались найти альтернативу поршневым моторам в 1930-е годы. Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000?С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива.

Для практической реализации идеи детонационного ЖРД потребовалось 70 лет напряженного труда ученых и конструкторов
Источник: Пресс-служба ФПИ

Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия). Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В.В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике. Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для “оружия возмездия” — крылатой бомбы “Фау-1”. Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.

Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе. Удельные характеристики ПуВРД из-за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940-х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.

Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.() Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500?2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.

Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя-демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long-EZ. В историческом полете двигатель проработал. 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.()Между тем уже давно была придумана другая, гораздо более перспективная схема детонационного двигателя.

Как белка в колесе

Мысль закольцевать детонационную волну и заставить ее бегать в камере сгорания как белка в колесе родилась у ученых в начале1960-х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.() Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

В СССР, как и в США, работы над ротационным детонационным двигателем шли с начала 1960-хгодов, но опять же при кажущейся простоте идеи ее реализация потребовала решения головоломных теоретических вопросов. Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико-химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне, на стыке химии и квантовой физики. Процессы эти более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер уже давно работает, а детонационный двигатель — нет. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку — физико-химическую кинетику, которой 50 лет назад еще не существовало. А для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся, потребовались мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонации.

Активные работы в этом направлении ведутся в Соединенных Штатах. Этими исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, NASA. К примеру, в научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.

В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО “Энергомаш” — ведущая двигателестроительная компания российской космической промышленности, со многим предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но для того чтобы вершина айсберга этой работы засверкала под солнцем в виде успешного испытания, потребовалось организационное и финансовое участие небезызвестного Фонда перспективных исследований (ФПИ). Именно ФПИ выделил необходимые средства для создания в 2014 году специализированной лаборатории “Детонационные ЖРД”. Ведь несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России “слишком перспективной”, чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко.

Хочется верить, что после всего сказанного выше становится понятна та титаническая работа, которая проглядывает между строк краткого сообщения об испытаниях, прошедших на “Энергомаше” в Химках в июле — августе 2016 года: “Впервые в мире был зарегистрирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации поперечных детонационных волн частотой около 20 кГц (частота вращения волны — 8 тысяч оборотов в секунду) на топливной паре “кислород — керосин”. Удалось добиться получения нескольких детонационных волн, уравновешивавших вибрационные и ударные нагрузки друг друга. Специально разработанные в центре имени М. В. Келдыша теплозащитные покрытия помогли справиться с высокими температурными нагрузками. Двигатель выдержал несколько пусков в условиях экстремальных вибронагрузок и сверхвысоких температур при отсутствии охлаждения пристеночного слоя. Особую роль в этом успехе сыграло создание математических моделей и топливных форсунок, позволявших получать смесь необходимой для возникновения детонации консистенции”.

Разумеется, не стоит преувеличивать значение достигнутого успеха. Создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал относительно недолго, и о его реальных характеристиках ничего не сообщается. По информации НПО “Энергомаш”, детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс тяги должен увеличиться на 10–15%.() Но главный результат состоит в том, что практически подтверждена возможность организации детонационного горения в ЖРД. Однако путь до использования этой технологии в составе реальных летательных аппаратов предстоит еще долгий. Другой важный аспект заключается в том, что еще один мировой приоритет в области высоких технологий отныне закреплен за нашей страной: впервые в мире полноразмерный детонационный ЖРД заработал именно в России, и этот факт останется в истории науки и техники.

Источник

Ответы на популярные вопросы