Детонационные двигатели в сша

Новый прорыв в создании детонационного двигателя, работающего на водороде и кислороде

В последние годы самым популярным детонационным двигателем является CRDE. Его также называют вращающимся детонационным двигателем (RDE) или двигателем непрерывной детонационной волны (CDWE). Это имеет очевидные преимущества по сравнению с обычными двигателями или двумя другими двигателями на основе детонации. Таким образом, ожидается, что реализация данного научного решения приведет к технической революции в современных авиационных и аэрокосмических силовых установках.

Непрерывно вращающийся детонационный двигатель (CRDE) в последнее время находится в центре внимания в области аэрокосмического движения. Он имеет несколько преимуществ, включая однократное инициирование, высокую тепловую эффективность и простую структуру. Благодаря этим характеристикам ожидается, что он принесет революционные усовершенствования в авиационные и аэрокосмические двигательные установки, и в настоящее время привлекает большое внимание во всем мире.

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. Вращающиеся детонации непрерывны, взрывы Маха 5 поддерживаются подачей водорода и кислорода в систему в нужных количествах и вращаются вокруг внутренней части ракетного двигателя.

Переход от дефлаграции к детонационной волне

В настоящее время внимание исследователей в области силовых установок со всего мира обратилось к историческому прошлому двигателя детонации, термодинамическому анализу, инициированию детонации и устройству перехода от дефлаграции к детонационной волне в качестве основной темы исследований в области детонационного горения. Другое обзорное исследование модели вращающегося детонационного двигателя и его применения в аэрокосмической и турбомашинной технике, а также эксплуатационные характеристики также включены в эту область. К ним относятся исследования из США, России, Японии и Китая, Германии и Малайзии. За последние несколько десятилетий число научных публикаций значительно возросло. Основным притяжением детонационного горения было генерирование ударной волны, за которой следует волна горения.

Хотя конструкция RDE аналогична двигателю импульсной детонации (PDE), RDE лучше, потому что волны вращаются вокруг камеры, а PDE требует продувки камер после каждого импульса.

Детонационные двигатели более эффективны традиционных реактивных силовых установок — при сгорании равной массы топлива их полезная работа будет 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 дороже и дороже весь двигатель. В детонационных двигателях давление в камере сгорания образует не турбонасосный агрегат, а сама взрывная волна.

Читайте также:  Звук треска из двигателя

В таком 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 молоток и механический молот.

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

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.

Источник

Импульсные детонационные двигатели как будущее ракет и авиации

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.

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.

Читайте также:  Двигатель от infiniti i35

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.

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.

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.

Читайте также:  Индикаторная диаграммы двигателя дизеля

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.

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.

Источник

Ответы на популярные вопросы