Детонационный двигатель в космонавтике

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.

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.

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.

Читайте также:  Моменты затяжек двигателя смд

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

Детонационные двигатели. Успехи и перспективы

В конце января появились сообщения о новых успехах российской науки и техники. Из официальных источников стало известно, что один из отечественных проектов перспективного реактивного двигателя детонационного типа уже прошел стадию испытаний. Это приближает момент полного завершения всех требуемых работ, по результатам которых космические или военные ракеты российской разработки смогут получить новые силовые установки с повышенными характеристиками. Более того, новые принципы работы двигателей могут найти применение не только в сфере ракет, но и в других областях.

В последних числах января вице-премьер Дмитрий Рогозин рассказал отечественной прессе о последних успехах научно-исследовательских организаций. Среди прочих тем он затронул процесс создания реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Перспективный двигатель с детонационным горением уже был доведен до испытаний. По словам вице-премьера, применение новых принципов работы силовой установки позволяет получить значительный прирост характеристик. В сравнении с конструкциями традиционной архитектуры наблюдается рост тяги порядка 30%.

Современные ракетные двигатели разных классов и типов, эксплуатируемые в различных областях, используют т.н. изобарический цикл или дефлаграционное горение. В их камерах сгорания поддерживается постоянное давление, при котором происходит медленное горение топлива. Двигатель на дефлаграционных принципах не нуждается в особо прочных агрегатах, однако ограничен в максимальных показателях. Повышение основных характеристик, начиная с определенного уровня, оказывается неоправданно сложным.

Альтернатива двигателю с изобарическим циклом в контексте повышения характеристик – система с т.н. детонационным горением. В таком случае реакция окисления горючего происходит за ударной волной, с высокой скоростью перемещающейся по камере сгорания. Это предъявляет особые требования к конструкции двигателя, но при этом дает очевидные преимущества. С точки зрения эффективности сгорания топлива детонационное горение на 25% лучше дефлаграционного. Также отличается от горения с постоянным давлением увеличенной мощностью тепловыделения с единицы площади поверхности фронта реакции. В теории, возможно повышение этого параметра на три-четыре порядка. Как следствие, скорость реактивных газов можно увеличить в 20-25 раз.

Таким образом, детонационный двигатель, отличаясь повышенным коэффициентом полезного действия, способен развивать большую тягу при меньшем расходе топлива. Его преимущества перед традиционными конструкциями очевидны, однако до недавнего времени прогресс в этой области оставлял желать лучшего. Принципы детонационного реактивного двигателя были сформулированы еще в 1940 году советским физиком Я.Б. Зельдовичем, но готовые изделия подобного рода все еще не дошли до эксплуатации. Главные причины отсутствия реальных успехов – проблемы с созданием достаточно прочной конструкции, а также сложность запуска и последующего поддержания ударной волны при применении существующих топлив.

Один из последних отечественных проектов в области детонационных ракетных двигателей стартовал в 2014 году и разрабатывается в НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко. Согласно доступным данным, целью проекта с шифром «Ифрит» являлось изучение основных принципов новой техники с последующим созданием жидкостного ракетного двигателя, использующего керосин и газообразный кислород. В основу нового двигателя, названного по имени огненных демонов из арабского фольклора, укладывался принцип спинового детонационного горения. Таким образом, в соответствии с основной идеей проекта, ударная волна должна непрерывно перемещаться по кругу внутри камеры сгорания.

Головным разработчиком нового проекта стало НПО «Энергомаш», а точнее созданная на его базе специальная лаборатория. Кроме того, к работам привлекли несколько других научно-исследовательских и проектных организаций. Программа получила поддержку Фонда перспективных исследований. Совместными усилиями все участники проекта «Ифрит» смогли сформировать оптимальный облик перспективного двигателя, а также создать модельную камеру сгорания с новыми принципами работы.

Для изучения перспектив всего направления и новых идей несколько лет назад была построена т.н. модельная детонационная камера сгорания, соответствующая требованиям проекта. Такой опытный двигатель с сокращенной комплектацией должен был использовать в качестве горючего жидкий керосин. В качестве окислителя предлагался газообразный кислород. В августе 2016 года начались испытания опытной камеры. Важно, что впервые в истории проект подобного рода удалось довести до стадии стендовых проверок. Ранее отечественные и зарубежные детонационные ракетные двигатели разрабатывались, но не испытывались.

В ходе испытаний модельного образца удалось получить весьма интересные результаты, показывающие правильность использованных подходов. Так, за счет использования правильных материалов и технологий получилось довести давление внутри камеры сгорания до 40 атмосфер. Тяга опытного изделия достигла 2 т.

В рамках проекта «Ифрит» были получены определенные результаты, но отечественный детонационный двигатель на жидком топливе пока еще далек от полноценного практического применения. Перед внедрением такого оборудования в новые проекты техники конструкторам и ученым предстоит решить целый ряд самых серьезных задач. Только после этого ракетно-космическая отрасль или оборонная промышленность смогут приступить к реализации потенциала новой техники на практике.

Читайте также:  Коробка передач зил пятиступенчатая

В середине января «Российская газета» опубликовала интервью с главным конструктором НПО «Энергомаш» Петром Левочкиным, темой которого стало текущее положение дел и перспективы детонационных двигателей. Представитель предприятия-разработчика напомнил об основных положениях проекта, а также затронул тему достигнутых успехов. Кроме того, он рассказал о возможных сферах применения «Ифрита» и подобных ему конструкций.

К примеру, детонационные двигатели могут использоваться в гиперзвуковых летательных аппаратах. П. Левочкин напомнил, что двигатели, сейчас предлагаемые для применения на такой технике, используют дозвуковое горение. При гиперзвуковой скорости аппарата полета поступающий в двигатель воздух необходимо затормозить до звукового режима. Однако энергия торможения должна приводить к дополнительным тепловым нагрузкам на планер. В детонационных двигателях скорость горения топлива достигает, как минимум, М=2,5. Благодаря этому появляется возможность повысить скорость полета летательного аппарата. Подобная машина с двигателем детонационного типа сможет разгоняться до скоростей, в восемь раз превышающих скорость звука.

Впрочем, реальные перспективы ракетных двигателей детонационного типа пока не слишком велики. По словам П. Левочкина, мы «только приоткрыли дверь в область детонационного горения». Ученым и конструкторам предстоит изучить множество вопросов, и только после этого можно будет заниматься созданием конструкций с практическим потенциалом. Из-за этого космической отрасли еще долго предстоит использовать жидкостные двигатели традиционной конструкции, что, однако, не отменяет возможности их дальнейшего совершенствования.

Интересен тот факт, что детонационный принцип горения находит применение не только в сфере ракетных двигателей. Уже существует отечественный проект авиационной системы с камерой сгорания детонационного типа, работающей по импульсному принципу. Опытный образец такого рода был доведен до испытаний, и в будущем может дать старт новому направлению. Новые двигатели с детонационным горением могут найти применение в самых разных сферах и частично заменить газотурбинные или турбореактивные двигатели традиционных конструкций.

Отечественный проект детонационного авиационного двигателя разрабатывается в ОКБ им. А.М. Люльки. Информация об этом проекте впервые была представлена на прошлогоднем международном военно-техническом форуме «Армия-2017». На стенде предприятия-разработчика присутствовали материалы по различным двигателям, как серийным, так и находящимся на стадии разработки. Среди последних был перспективный детонационный образец.

Суть нового предложения заключается в применении нестандартной камеры сгорания, способной осуществлять импульсное детонационное горение топлива в воздушной атмосфере. При этом частота «взрывов» внутри двигателя должна достигать 15-20 кГц. В перспективе возможно дополнительное увеличение этого параметра, в результате чего шум двигателя уйдет за пределы диапазона, воспринимаемого человеческим ухом. Такие особенности двигателя могут представлять определенный интерес.

Однако главные преимущества новой силовой установки связаны с повышенными характеристиками. Стендовые испытания опытных изделий показали, что они примерно на 30% превосходят традиционные газотурбинные двигатели по удельным показателям. Ко времени первой публичной демонстрации материалов по двигателю ОКБ им. А.М. Люльки смогло получить и достаточно высокие эксплуатационные характеристики. Опытный двигатель нового типа смог без перерыва проработать 10 минут. Суммарная наработка этого изделия на стенде на тот момент превысила 100 часов.

Представители предприятия-разработчика указывали, что уже сейчас можно создать новый детонационный двигатель с тягой 2-2,5 т, пригодный для установки на легкие самолеты или беспилотные летательные аппараты. В конструкции такого двигателя предлагается использовать т.н. резонаторные устройства, отвечающие за правильный ход горения топлива. Важным преимуществом нового проекта является принципиальная возможность установки таких устройств в любом месте планера.

Специалисты ОКБ им. А.М. Люльки работают над авиационными двигателями с импульсным детонационным горением более трех десятилетий, но пока проект не выходит из научно-исследовательской стадии и не имеет реальных перспектив. Главная причина – отсутствие заказа и необходимого финансирования. Если проект получит необходимую поддержку, то уже в обозримом будущем может быть создан образец двигателя, пригодный для использования на различной технике.

К настоящему времени российские ученые и конструкторы успели показать весьма примечательные результаты в области реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Существует сразу несколько проектов, пригодных для применения в ракетно-космической и гиперзвуковой областях. Кроме того, новые двигатели могут применяться и в «традиционной» авиации. Некоторые проекты пока находятся на ранних стадиях и еще не готовы к проверкам и другим работам, тогда как в иных направлениях уже были получены самые примечательные результаты.

Исследуя тематику реактивных двигателей с детонационным горением, российские специалисты смогли создать стендовый модельный образец камеры сгорания с желаемыми характеристиками. Опытное изделие «Ифрит» уже прошло испытания, в ходе которых было собрано большое количество разнообразной информации. С помощью полученных данных развитие направления будет продолжаться.

Освоение нового направления и перевод идей в практически применимую форму займет немало времени, и по этой причине в обозримом будущем космические и армейские ракеты в обозримом будущем будут комплектоваться только традиционными жидкостными двигателями. Тем не менее, работы уже вышли из чисто теоретической стадии, и теперь каждый тестовый запуск опытного двигателя приближает момент строительства полноценных ракет с новыми силовыми установками.

Источник

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Для запуска космического корабля требуется много топлива. Но новый тип двигателя, называемый вращающимся детонационным двигателем, обещает превратить ракеты не только в более экономичные, но и более легкие и менее сложные в изготовлении. Есть только одна проблема: сейчас этот двигатель слишком непредсказуем, чтобы использовать его в реальной ракете.

Непрерывно вращающийся детонационный двигатель (CRDE) находится в центре внимания аэрокосмического сообщества. Он имеет несколько преимуществ, включая однократное инициирование, высокую скорость сгорания, высокую термическую 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.

Министерство обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Читайте также:  История возникновения дизельного двигателя

Исследователи из Вашингтонского университета разработали математическую модель, которая описывает, как работают детонационные двигатели. С помощью этой информации инженеры могут впервые разработать тесты для улучшения таких двигателей и повышения их устойчивости работы.

Учеными установлено, что при детонационном сгорании газы расширяются со сверхзвуковой скоростью. Это теоретически более эффективно, чем обычное (дефлаграционное) сгорание, на целых 25%. Такое повышение эффективности обеспечивает значительное повышение тяги и экономию топлива.

Новый вращающийся детонационный двигатель может революционизировать пуски ракет, если его сделать достаточно стабильным. Это большое «если» и то, что ученые надеются исследовать, используя новую математическую модель физики, играющую роль в непредсказуемых вращающихся детонациях.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Немного классической теории

Горение может осуществляться в двух разных режимах: дефлаграция (обычное горение) и детонация. Когда состояние предварительно смешанных горючих смесей изменяется, будут получены различные режимы горения.

Во время процесса дефлаграции скорость волны горения составляет порядка метров в секунду, давление несколько падает, а удельный объем значительно увеличивается. Таким образом, дефлаграция обычно рассматривается как приблизительно изобарное сгорание. При детонации его скорость распространения может достигать порядка километров в секунду. В процессе сгорания волна сгорания тесно связана с ударной волной, давление и температура резко возрастают, а удельный объем несколько уменьшается. Таким образом, детонация часто рассматривается как приблизительно изохорное горение. Очевидно, что тепловыделение детонации происходит быстрее, энтропийное увеличение детонации меньше, а термический КПД детонации выше, чем у дефлаграции.

Министерство обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Поскольку цикл детонации имеет более высокий тепловой КПД, чем обычный цикл сгорания с постоянным давлением, то ожидается, что высокоэффективная силовая установка может быть реализована с использованием детонационных волн. Вращающийся детонационный двигатель (RDE) использует непрерывную детонацию, распространяющуюся в кольцевой камере сгорания. Поскольку детонационные волны распространяются со сверхзвуковой скоростью только в нижней области RDE, камера сгорания может быть сокращена. Однако камера сгорания нуждается в системе охлаждения из-за высокого теплового потока возле ее стенок.

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

История вопроса

Детонационное сгорание является потенциальным для двигателей аэрокосмических систем, предлагая высокую эффективность и низкую конструкционную сложность. Для сравнения, дефлаграцию обычно легче контролировать, и поэтому она доминирует как в экспериментальных, так и в реальных применениях на двигателях. Ранее исследования в области детонационных двигателей были ограничены из-за отсутствия необходимых инструментов, необходимых для проектирования и анализа таких систем. Тем не менее, применение детонационных двигателей для движения является очень перспективным, уже доказавшим свою компактность, обеспечивая при этом высокоэффективную генерацию тяги. Эта сверхзвуковая тяга может использоваться независимо как ракетный двигатель или как часть газотурбинной системы. Интерес к разработке технологии RDE возрос, и проблемы использования более термодинамически эффективного цикла стали более понятными.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Этот тип двигателя характеризуется одной или несколькими детонационными волнами, содержащимися в кольцевой камере с открытым концом. Смесь топлива и окислителя подается в один конец камеры, и детонационная волна потребляет эти реагенты азимутально, вытесняя реагенты из открытого конца кольцевого пространства. В некоторых источниках этот тип двигателя также называют двигателем непрерывной детонационной волны (CDWE) или двигателем спиновой детонации.

Особенности рабочего процесса

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

При работе ударная волна врезается в молекулы кислорода и молекулы топлива с такой силой, что они сжимаются, возбуждаются и детонируют. Каждая последующая детонация поддерживает движение ударной волны, и двигатель поддерживает эти детонации, питая камеру тщательно рассчитанными впрысками топлива и кислорода.

Это позволяет двигателю сжигать топливо с гораздо большей скоростью по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания. Эта более высокая скорость горения создает большую тягу, благодаря которой эти двигатели будут разгонять летательные аппараты к гиперзвуковым скоростям.

Есть проблемы, но они решаемы

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Кроме того, трудно найти баланс между шириной канала детонации и непредсказуемым выбросом неиспользованного топлива. Неизрасходованное топливо может взорваться за пределами реактора и вызвать проблемы, и его минимизация важна, но не может быть достигнута за счет оптимальной формы и размера реактора.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Источник

Ответы на популярные вопросы