Silnik rakietowy z detonacją impulsową. Komory spalania z ciągłą detonacją. Centrum IDG. Detonacyjne silniki rakietowe to przyszłość lotów międzyplanetarnych

Problem rozwoju rotacji silniki detonacyjne. Przedstawiono główne typy takich silników: obrotowy silnik detonacyjny Nicholsa, silnik Wojciechowskiego. Rozważono główne kierunki i trendy w rozwoju konstrukcji silników detonacyjnych. Wykazano, że współczesne koncepcje silnika detonacyjnego nie mogą w zasadzie doprowadzić do stworzenia wykonalnej konstrukcji przewyższającej właściwościami istniejące silniki odrzutowe. Powodem jest chęć projektantów do połączenia generowania fal, spalania paliwa oraz wyrzucania paliwa i utleniacza w jeden mechanizm. W wyniku samoorganizacji struktur fali uderzeniowej spalanie detonacyjne odbywa się w minimalnej, a nie maksymalnej objętości. Rezultatem faktycznie osiągniętym dzisiaj jest spalanie detonacyjne w objętości nieprzekraczającej 15% objętości komory spalania. Wyjścia upatruje się w innym podejściu – najpierw powstaje optymalna konfiguracja fal uderzeniowych, a dopiero potem do tego układu wprowadzane są składniki paliwa i organizowane jest optymalne spalanie detonacyjne w dużej objętości.

silnik detonacyjny

obrotowy silnik detonacyjny

Silnik Wojciechowskiego

detonacja okrężna

detonacja wirowa

impulsowy silnik detonacyjny

1. BV Voitsekhovsky, VV Mitrofanov i ME Topchiyan, Struktura frontu detonacji w gazach. - Nowosybirsk: Wydawnictwo Akademii Nauk ZSRR, 1963.

2. Uskov V.N., Bulat P.V. O problemie zaprojektowania idealnego dyfuzora do kompresji przepływu naddźwiękowego // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 6 (część 1). - S. 178-184.

3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Historia badania nieregularnego odbicia fali uderzeniowej od osi symetrii naddźwiękowego strumienia z utworzeniem dysku Macha // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 9 (część 2). - S. 414-420.

4. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Uzasadnienie zastosowania stacjonarnego modelu konfiguracji Macha do obliczeń dysku Macha w naddźwiękowym odrzutowcu // Badania podstawowe. - 2012 r. - nr 11 (część 1). – S. 168–175.

5. Shchelkin KI Niestabilność spalania i detonacji gazów // Uspekhi fizicheskikh nauk. - 1965 r. - T. 87, nr. 2.– S. 273–302.

6. Nichols JA, Wilkmson HR, Morrison RB Przerywana detonacja jako mechanizm generujący zaufanie // Napęd odrzutowy. - 1957. - nr 21. - s. 534-541.

Obrotowe silniki detonacyjne

Cechą wspólną wszystkich typów silników detonacyjnych (RDE) jest to, że układ zasilania paliwem jest połączony z układem spalania paliwa w fali detonacyjnej, ale wtedy wszystko działa jak w konwencjonalnym silniku odrzutowym – rura płomieniowa i dysza. To właśnie ten fakt zapoczątkował taką działalność w zakresie modernizacji silniki z turbiną gazową(GTE). Atrakcyjna wydaje się wymiana samej głowicy mieszającej i układu zapłonu mieszanki w silniku z turbiną gazową. W tym celu konieczne jest zapewnienie ciągłości spalanie detonacyjne, na przykład, uruchamiając falę detonacyjną w okręgu. Nichols jako jeden z pierwszych zaproponował taki schemat w 1957 r., a następnie rozwinął go i przeprowadził serię eksperymentów z wirującą falą detonacyjną w połowie lat 60. (ryc. 1).

Dopasowując średnicę komory i grubość szczeliny pierścieniowej, dla każdego rodzaju mieszanki paliwowej, można dobrać taką geometrię, aby detonacja była stabilna. W praktyce zależność między szczeliną a średnicą silnika okazuje się niedopuszczalna i konieczne jest sterowanie prędkością propagacji fali poprzez sterowanie dopływem paliwa, co omówiono poniżej.

Podobnie jak w przypadku silników z detonacją impulsową, okrągła fala detonacyjna jest w stanie wyrzucić utleniacz, umożliwiając użycie RDE przy zerowej prędkości. Fakt ten doprowadził do lawiny eksperymentalnych i obliczeniowych badań RDE z pierścieniową komorą spalania i spontanicznym wyrzutem. mieszanka paliwowo-powietrzna, aby wymienić tutaj, co nie ma sensu. Wszystkie są zbudowane w przybliżeniu według tego samego schematu (ryc. 2), przypominającego schemat silnika Nicholsa (ryc. 1).

Ryż. 1. Schemat organizacji ciągłej detonacji kołowej w szczelinie pierścieniowej: 1 - fala detonacyjna; 2 - warstwa „świeżej” mieszanki paliwowej; 3 - przerwa kontaktowa; 4 - ukośna fala uderzeniowa rozchodząca się w dół; D to kierunek fali detonacyjnej

Ryż. 2. Typowy obwód RDE: V - prędkość swobodnego przepływu; V4 - natężenie przepływu na wylocie dyszy; a - zestawy świeżego paliwa, b - czoło fali detonacyjnej; c - dołączona ukośna fala uderzeniowa; d - produkty spalania; p(r) - rozkład ciśnienia na ściance kanału

Rozsądną alternatywą dla schematu Nicholsa może być instalacja wielu wtryskiwaczy utleniających paliwo, które wtryskiwałyby mieszankę paliwowo-powietrzną w obszar bezpośrednio przed falą detonacyjną zgodnie z pewnym prawem przy zadanym ciśnieniu (rys. 3). Regulując ciśnienie i szybkość dostarczania paliwa do obszaru spalania za falą detonacyjną, można wpływać na szybkość jej propagacji w górę. Ten kierunek jest obiecujący, ale głównym problemem przy projektowaniu takich RDE jest to, że szeroko stosowany uproszczony model przepływu w detonacyjnym froncie spalania w ogóle nie odpowiada rzeczywistości.

Ryż. 3. RDE z kontrolowanym doprowadzeniem paliwa do strefy spalania. Silnik rotacyjny Wojciechowskiego

Główne nadzieje na świecie wiążą się z działającymi według schematu silnikami detonacyjnymi silnik rotacyjny Wojcechowski. W 1963 B.V. Voitsekhovsky, analogicznie do detonacji spinowej, opracował schemat ciągłego spalania gazu za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w pierścieniowym kanale (ryc. 4).

Ryż. Rys. 4. Schemat ciągłego spalania gazu Wojciechowskiego za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych krążących w kanale pierścieniowym: 1 - świeża mieszanka; 2 - podwójnie sprężona mieszanka za potrójną konfiguracją fal uderzeniowych, obszar detonacji

W ta sprawa stacjonarny proces hydrodynamiczny ze spalaniem gazu za falą uderzeniową różni się od schematu detonacji Chapmana-Jougueta i Zel'dovicha-Neumanna. Taki proces jest dość stabilny, jego czas trwania zależy od rezerwy mieszanki paliwowej iw znanych eksperymentach wynosi kilkadziesiąt sekund.

Schemat silnika detonacyjnego Wojciechowskiego posłużył jako pierwowzór dla licznych badań silników detonacyjnych rotacyjnych i spinowych rozpoczętych w ciągu ostatnich 5 lat. Ten schemat stanowi ponad 85% wszystkich badań. Wszystkie mają jedną organiczną wadę - strefa detonacji zajmuje zbyt mało całkowitej strefy spalania, zwykle nie więcej niż 15%. W rezultacie konkretne wskaźniki silniki są gorsze niż tradycyjne silniki.

O przyczynach niepowodzeń z realizacją schematu Wojciechowskiego

Większość prac nad silnikami o ciągłej detonacji związana jest z rozwojem koncepcji Wojciechowskiego. Pomimo ponad 40-letniej historii badań, wyniki faktycznie pozostały na poziomie z 1964 roku. Udział spalania detonacyjnego nie przekracza 15% objętości komory spalania. Reszta to powolne spalanie w warunkach dalekich od optymalnych.

Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy jest brak praktycznej metodyki obliczeń. Ponieważ przepływ jest trójwymiarowy, a w obliczeniach uwzględniono tylko prawa zachowania pędu na fali uderzeniowej w kierunku prostopadłym do frontu detonacji modelu, wyniki obliczeń nachylenia fal uderzeniowych do przepływu produktów spalania różnią się od obserwowanych eksperymentalnie o ponad 30%. Rezultat jest taki, że pomimo wielu lat badań różne systemy zasilania paliwem i eksperymentów nad zmianą proporcji składników paliwa, jedyne co zostało zrobione to stworzenie modeli, w których zachodzi spalanie detonacyjne i jest utrzymywane przez 10-15 s. Nie ma mowy o zwiększaniu wydajności ani o przewadze nad istniejącymi silnikami na paliwo ciekłe i turbinami gazowymi.

Analiza dostępnych schematów RDE przeprowadzona przez autorów projektu wykazała, że wszystkie oferowane obecnie schematy RDE są w zasadzie niedziałające. Spalanie detonacyjne zachodzi i jest skutecznie podtrzymywane, ale tylko w ograniczonym zakresie. W dalszej części tomu mamy do czynienia ze zwykłym powolnym spalaniem, zresztą za nieoptymalnym układem fal uderzeniowych, co prowadzi do znacznych strat w ciśnieniu całkowitym. Ponadto ciśnienie jest również kilkukrotnie niższe niż jest to konieczne dla idealnych warunków spalania przy stechiometrycznym stosunku składników mieszanki paliwowej. W rezultacie jednostkowe zużycie paliwa na jednostkę ciągu jest o 30-40% wyższe niż w przypadku silników konwencjonalnych.

Ale najbardziej główny problem jest samą zasadą organizowania ciągłej detonacji. Jak wykazały badania ciągłej detonacji kołowej, przeprowadzone jeszcze w latach 60., front spalania detonacyjnego jest złożoną strukturą fali uderzeniowej, składającą się z co najmniej dwóch potrójnych konfiguracji (mniej więcej potrójnych konfiguracji fal uderzeniowych. Taka struktura z dołączoną strefą detonacji, jak każdy układ termodynamiczny z informacja zwrotna, pozostawiony sam sobie, ma tendencję do zajmowania stanowiska odpowiadającego minimalny poziom energia. W rezultacie konfiguracje potrójne i obszar spalania detonacyjnego są do siebie dopasowane, tak że front detonacji porusza się wzdłuż szczeliny pierścieniowej z minimalną możliwą do tego objętością spalania detonacyjnego. Jest to wprost przeciwne do celu, jaki projektanci silników wyznaczyli dla spalania detonacyjnego.

Do tworzenia wydajny silnik RDE musi rozwiązać problem stworzenia optymalnej potrójnej konfiguracji fal uderzeniowych i zorganizowania w niej strefy spalania detonacyjnego. Optymalne struktury fali uderzeniowej muszą być w stanie tworzyć się w różnych formach urządzenia techniczne np. w optymalnych dyfuzorach naddźwiękowych wlotów powietrza. Głównym zadaniem jest maksymalne możliwe zwiększenie udziału spalania detonacyjnego w objętości komory spalania z niedopuszczalnych dziś 15% do co najmniej 85%. Istniejące konstrukcje silników oparte na schematach Nicholsa i Wojciechowskiego nie są w stanie zapewnić tego zadania.

Recenzenci:

Uskov V.N., doktor nauk technicznych, profesor Wydziału Hydroaeromechaniki w Petersburgu Uniwersytet stanowy, Wydział Matematyki i Mechaniki, St. Petersburg;

Emelyanov V.N., doktor nauk technicznych, profesor, kierownik Katedry Dynamiki Gazu Plazmowego i Techniki Cieplnej, BSTU „VOENMEH” im. A.I. D.F. Ustinow, Petersburg.

Praca wpłynęła do redakcji 14 października 2013 r.

Link bibliograficzny

Bulat P.V., Prodan N.V. PRZEGLĄD PROJEKTÓW SILNIKÓW DETONUJĄCYCH. OBROTOWE SILNIKI DETONUJĄCE // Badania podstawowe. - 2013. - Nr 10-8. - s. 1672-1675;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (data dostępu: 29.07.2019). Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Historii Naturalnej”

Silniki detonacyjne nazywane są silnikami w trybie normalnym, w których stosuje się spalanie detonacyjne paliwa. Sam silnik może być (teoretycznie) czymkolwiek - silnikiem spalinowym, odrzutowym, a nawet parowym. W teorii. Jednak do tej pory wszystkie znane komercyjnie akceptowalne silniki o takich trybach spalania paliwa, zwanych potocznie „wybuchowymi”, nie były stosowane ze względu na ich… mmm…. komercyjną niedopuszczalność..

Źródło:

Co daje zastosowanie spalanie detonacyjne w silnikach? Rażąco upraszczając i uogólniając, coś takiego:

Zalety

1. Zastąpienie konwencjonalnego spalania detonacją ze względu na specyfikę dynamiki gazu czoła fali uderzeniowej zwiększa teoretyczną maksymalną osiągalną kompletność spalania mieszanki, co umożliwia zwiększenie Sprawność silnika i zmniejszyć zużycie o około 5-20%. Dotyczy to wszystkich typów silników, zarówno silników spalinowych, jak i silników odrzutowych.

2. Szybkość spalania porcji mieszanki paliwowej wzrasta około 10-100 razy, co oznacza, że teoretycznie możliwe jest zwiększenie litrowej mocy silnika spalinowego (lub ciągu właściwego na kilogram masy dla silniki odrzutowe) mniej więcej tyle samo razy. Ten czynnik ma również znaczenie dla wszystkich typów silników.

3. Współczynnik ma znaczenie tylko dla silników odrzutowych wszystkich typów: ponieważ procesy spalania zachodzą w komorze spalania z prędkościami naddźwiękowymi, a temperatury i ciśnienia w komorze spalania wzrastają wielokrotnie, istnieje doskonała teoretyczna możliwość pomnożenia natężenie przepływu strumienia z dyszy. Co z kolei prowadzi do proporcjonalnego wzrostu ciągu, impulsu właściwego, sprawności i/lub zmniejszenia masy silnika i wymaganego paliwa.

Wszystkie te trzy czynniki są bardzo ważne, ale nie są rewolucyjne, ale, że tak powiem, z natury ewolucyjne. Rewolucyjny jest czwartym i piątym czynnikiem i dotyczy tylko silników odrzutowych:

4. Tylko zastosowanie technologii detonacyjnych umożliwia stworzenie uniwersalnego silnika odrzutowego o przepływie bezpośrednim (a zatem na utleniaczu atmosferycznym!) o dopuszczalnej masie, wielkości i ciągu, w celu praktycznego i wielkoskalowego rozwoju zasięgu do, naddźwiękowych i hipersonicznych prędkości 0-20 Mach.

5. Tylko technologie detonacyjne umożliwiają wyciśnięcie chemicznych silników rakietowych (pary paliwowo-utleniającej) parametry prędkości dla nich wymagane szerokie zastosowanie w lotach międzyplanetarnych.

Pozycje 4 i 5. teoretycznie ujawniają nam a) tania droga w bliski kosmos, oraz b) drogę do załogowych startów na najbliższe planety, bez konieczności konstruowania monstrualnych superciężkich pojazdów nośnych ważących ponad 3500 ton.

Wady silników detonacyjnych wynikają z ich zalet:

Źródło:

1. Szybkość spalania jest tak duża, że najczęściej silniki te można zmusić do pracy tylko cyklicznej: wypalanie wlotu. Co najmniej trzykrotnie zmniejsza maksymalną osiągalną litrową moc i / lub ciąg, czasami pozbawiając samą ideę sensu.

2. Temperatury, ciśnienia i tempo ich wzrostu w komorze spalania silników detonacyjnych są takie, że wykluczają bezpośrednie użycie większości znanych nam materiałów. Wszystkie są zbyt słabe, aby zbudować prosty, tani i wydajny silnik. Wymagana jest albo cała rodzina zasadniczo nowych materiałów, albo zastosowanie sztuczek projektowych, które nie zostały jeszcze opracowane. Nie mamy materiałów, a komplikacja projektu często sprawia, że cały pomysł nie ma sensu.

Istnieje jednak dziedzina, w której silniki detonacyjne są niezastąpione. Jest to ekonomicznie opłacalny hiperdźwięk atmosferyczny o zakresie prędkości 2-20 Max. Dlatego walka toczy się na trzech frontach:

1. Stworzenie schematu silnika z ciągłą detonacją w komorze spalania. Co wymaga superkomputerów i nietrywialnych podejść teoretycznych do obliczenia ich hemodynamiki. Na tym polu przeklęte pikowane kurtki jak zwykle objęły prowadzenie i po raz pierwszy na świecie teoretycznie pokazały, że ciągła delegacja jest generalnie możliwa. Wynalazek, odkrycie, patent – wszystko. I zaczęli robić praktyczną konstrukcję z zardzewiałych rur i nafty.

2. Stworzenie konstruktywne rozwiązania zrobienie możliwe zastosowania klasyczne materiały. Przeklnijcie pikowane kurtki z pijanymi misiami, a tutaj jako pierwsi wymyślili i wykonali laboratoryjny wielokomorowy silnik, który działa już dowolnie długo. Ciąg jest jak w silniku Su27, a waga jest taka, że 1 (jeden!) dziadek trzyma go w dłoniach. Ponieważ jednak wódka była przypalona, okazało się, że silnik chwilowo pulsuje. Z drugiej strony drań pracuje tak czysto, że da się go nawet włączyć w kuchni (gdzie pikowane kurtki faktycznie go popijały między wódką a bałałajką)

3. Tworzenie supermateriałów do przyszłych silników. Ten obszar jest najciaśniejszy i najbardziej tajny. Nie mam informacji o przełomach w nim.

Na podstawie powyższego należy rozważyć perspektywy detonacji, tłokowy silnik spalinowy. Jak wiadomo, ciśnienie wzrasta w komorze spalania klasyczne rozmiary, podczas detonacji w silniku spalinowym większa prędkość dźwięk. Pozostając w tej samej konstrukcji, nie ma możliwości, aby tłok mechaniczny, nawet przy znacznych związanych masach, poruszał się w cylindrze z mniej więcej takimi samymi prędkościami. Taktowanie klasycznego układu również nie może działać z takimi prędkościami. Dlatego bezpośrednia konwersja klasycznego ICE na detonacyjny nie ma sensu z praktycznego punktu widzenia. Silnik wymaga przeprojektowania. Ale gdy tylko zaczniemy to robić, okazuje się, że tłok w tej konstrukcji jest po prostu dodatkowe szczegóły. Dlatego IMHO tłok detonacja LÓD to jest anachronizm.

Eksperymentalne Biuro Projektowe Lyulka opracowało, wyprodukowało i przetestowało prototyp pulsacyjnego silnika detonacyjnego rezonatora z dwustopniowym spalaniem mieszanki nafty i powietrza. Według ITAR-TASS średni zmierzony ciąg silnika wynosił około stu kilogramów, a czas ciągłej pracy wynosił ponad dziesięć minut. Do końca tego roku Biuro Konstrukcyjne zamierza wyprodukować i przetestować pełnowymiarowy pulsacyjny silnik detonacyjny.

Według Aleksandra Tarasowa, głównego projektanta Biura Projektowego Lyulka, podczas testów tryby pracy charakterystyczne dla silnika turboodrzutowego i silniki odrzutowe. Zmierzone wartości ciągu właściwego i konkretne zużycie paliwa okazały się o 30-50 procent lepsze niż konwencjonalne silniki odrzutowe. Podczas eksperymentów nowy silnik był wielokrotnie włączany i wyłączany, a także kontrola trakcji.

Na podstawie przeprowadzonych badań, danych uzyskanych podczas testów, a także analizy projektu obwodu, Biuro Projektowe Lyulka zamierza zaproponować opracowanie całej rodziny silników lotniczych o impulsowym zapłonie. W szczególności mogą być tworzone silniki o krótkiej żywotności do bezzałogowych statków powietrznych i rakiet oraz silniki lotnicze z przelotowym naddźwiękowym trybem lotu.

W przyszłości w oparciu o nowe technologie silniki rakietowo-kosmiczne i kombinowane elektrownie samolot zdolny do wchodzenia i wychodzenia z atmosfery.

Według biura projektowego nowe silniki zwiększą stosunek ciągu do masy samolotu 1,5-2 razy. Ponadto przy użyciu takich elektrowni zasięg lotu lub masa uzbrojenia samolotu może wzrosnąć o 30-50 procent. Jednocześnie ciężar właściwy nowych silników będzie 1,5-2 razy mniejszy niż w przypadku konwencjonalnych elektrowni odrzutowych.

O tym, że w Rosji trwają prace nad stworzeniem pulsującego silnika detonacyjnego, poinformowano w marcu 2011 roku. Stwierdził to wówczas Ilya Fedorov, dyrektor zarządzający stowarzyszenia badawczo-produkcyjnego Saturn, w skład którego wchodzi Biuro Projektowe Lyulka. Jaki typ silnika detonacyjnego był omawiany, Fiodorow nie określił.

Obecnie znane są trzy typy silników pulsacyjnych - zaworowe, bezzaworowe i detonacyjne. Zasada działania tych elektrowni polega na okresowym dostarczaniu paliwa i utleniacza do komory spalania, w której dochodzi do zapłonu mieszanki paliwowej i wypłynięcia produktów spalania z dyszy z formacją ciąg odrzutowy. Różnica w stosunku do konwencjonalnych silników odrzutowych polega na spalaniu detonacyjnym mieszanki paliwowej, w którym front spalania rozchodzi się szybciej niż prędkość dźwięku.

Pulsujący silnik odrzutowy został wynaleziony pod koniec XIX wieku przez szwedzkiego inżyniera Martina Wiberga. Pulsujący silnik jest uważany za prosty i tani w produkcji, ale ze względu na charakterystykę spalania paliwa jest zawodny. Pierwszy nowy typ Silnik był używany seryjnie podczas II wojny światowej w niemieckich pociskach manewrujących V-1. Wyposażone były w silnik Argus As-014 firmy Argus-Werken.

Obecnie kilka dużych firm obronnych na świecie prowadzi badania w zakresie wysokowydajnych pulsacyjnych silników odrzutowych. W szczególności prace prowadzą francuska firma SNECMA i amerykańska General Electric i Pratt & Whitney. W 2012 roku Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych ogłosiło zamiar opracowania silnika detonacyjnego wirowego, który zastąpiłby konwencjonalne elektrownie z turbiną gazową na statkach.

Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (NRL) zamierza opracować rotacyjny, czyli wirowy silnik detonacyjny (Rotating Detonation Engine, RDE), który w przyszłości będzie mógł zastąpić konwencjonalne elektrownie z turbiną gazową na statkach. Według NRL nowe silniki pozwolą wojsku na zmniejszenie zużycia paliwa przy jednoczesnym zwiększeniu efektywności energetycznej elektrowni.
Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych eksploatuje obecnie 430 silników z turbiną gazową (GTE) na 129 statkach. Co roku zużywają paliwo warte dwa miliardy dolarów. NRL szacuje, że RDE może zaoszczędzić wojsku do 400 milionów dolarów rocznie na paliwie. RDE będzie w stanie wygenerować o dziesięć procent więcej mocy niż konwencjonalne silniki z turbiną gazową. Prototyp RDE już powstał, ale kiedy takie silniki zaczną wchodzić do floty, wciąż nie wiadomo.
RDE oparto na rozwoju NRL uzyskanym podczas tworzenia pulsacyjnego silnika detonacyjnego (Pulse Detonation Engine, PDE). Działanie takich elektrowni opiera się na stabilnym spalaniu detonacyjnym mieszanki paliwowej.

Silniki detonacyjne wirujące różnią się od pulsacyjnych tym, że spalanie detonacyjne mieszanki paliwowej w nich zachodzi w sposób ciągły ─ przód spalania porusza się w pierścieniowej komorze spalania, w której mieszanka paliwowa stale aktualizowane.

Publikacja „Kurier Wojskowo-Przemysłowy” podaje wspaniałe wieści z dziedziny przełomowych technologii rakietowych. Detonacyjny silnik rakietowy został przetestowany w Rosji - poinformował w piątek wicepremier Dmitrij Rogozin na swoim profilu na Facebooku.

„Tak zwane detonacyjne silniki rakietowe opracowane w ramach programu Advanced Research Foundation przeszły pomyślnie testy” – cytuje wicepremier Interfax-AVN.

Uważa się, że detonacyjny silnik rakietowy jest jednym ze sposobów realizacji koncepcji tzw. hiperdźwięku motorycznego, czyli stworzenia samolotu hipersonicznego zdolnego do własny silnik osiągają prędkość 4 - 6 Machów (Max - prędkość dźwięku).

Portal russia-reborn.ru udostępnia wywiad z jednym z czołowych wyspecjalizowanych inżynierów silników w Rosji na temat detonacyjnych silników rakietowych.

Wywiad z Petrem Lewoczkinem, głównym projektantem NPO Energomash im. akademik V.P. Głuszko.

Powstają silniki do pocisków hipersonicznych przyszłości
Przeprowadzono udane testy tzw. detonacyjnych silników rakietowych, które dały bardzo ciekawe wyniki. Prace rozwojowe w tym kierunku będą kontynuowane.

Detonacja to eksplozja. Czy da się to opanować? Czy na bazie takich silników można stworzyć broń hipersoniczną? Jaki rodzaj silniki rakietowe wystrzeli niezamieszkałe i załogowe pojazdy w przestrzeń kosmiczną? Oto nasza rozmowa z zastępcą dyrektora generalnego - głównym projektantem NPO Energomash im. akademik V.P. Głuszko” Petra Lewoczkina.

Petr Sergeevich, jakie możliwości otwierają nowe silniki?

Petr Levochkin: Jeśli mówimy o perspektywie krótkoterminowej, dzisiaj pracujemy nad silnikami do takich rakiet, jak Angara A5V i Sojuz-5, a także innych, które są na etapie wstępnego projektowania i są nieznane ogółowi społeczeństwa. Ogólnie rzecz biorąc, nasze silniki są zaprojektowane do podnoszenia rakiety z powierzchni ciała niebieskiego. I może to być dowolny - ziemski, księżycowy, marsjański. Jeśli więc programy księżycowe czy marsjańskie zostaną zrealizowane, na pewno weźmiemy w nich udział.

Jaka jest sprawność nowoczesnych silników rakietowych i czy istnieją sposoby na ich poprawę?

Petr Levochkin: Jeśli mówimy o parametrach energetycznych i termodynamicznych silników, to możemy powiedzieć, że zarówno nasze, jak i najlepsze obecnie zagraniczne chemiczne silniki rakietowe osiągnęły pewną doskonałość. Na przykład kompletność spalania paliwa sięga 98,5 proc. Oznacza to, że prawie cała energia chemiczna paliwa w silniku jest przekształcana w energię cieplną strumienia gazu wychodzącego z dyszy.

Silniki można ulepszać na wiele sposobów. Obejmuje to zastosowanie bardziej energochłonnych komponentów paliwowych, wprowadzenie nowych konstrukcji obwodów oraz zwiększenie ciśnienia w komorze spalania. Kolejnym kierunkiem jest wykorzystanie nowych, w tym addytywnych, technologii w celu zmniejszenia pracochłonności, aw efekcie obniżenia kosztów silnika rakietowego. Wszystko to prowadzi do obniżenia kosztów produkcji ładunek.

Jednak po bliższym zbadaniu staje się jasne, że wzrost charakterystyki energetycznej silników tradycyjny sposób nieskuteczny.

Użycie kontrolowanej eksplozji paliwa może nadać rakiecie prędkość ośmiokrotnie większą od prędkości dźwięku
Czemu?

Petr Levochkin: Zwiększenie ciśnienia i zużycia paliwa w komorze spalania w naturalny sposób zwiększy siłę ciągu silnika. Będzie to jednak wymagało zwiększenia grubości ścianek komory i pomp. W efekcie wzrasta złożoność konstrukcji i jej masa, a zysk energetyczny okazuje się niewielki. Gra nie będzie kosztować świeczki.

Oznacza to, że silniki rakietowe wyczerpały zasoby swojego rozwoju?

Piotr Lewoczkin: Raczej nie. W języku technicznym można je poprawić poprzez zwiększenie sprawności procesów wewnątrzruchowych. Istnieją cykle termodynamicznej konwersji energii chemicznej na energię wypływającego strumienia, które są znacznie wydajniejsze niż klasyczne spalanie paliwa rakietowego. Jest to cykl spalania detonacyjnego i zbliżony do niego cykl Humphreya.

Sam efekt detonacji paliwa odkrył nasz rodak - późniejszy akademik Jakow Borysowicz Zeldowicz już w 1940 roku. Realizacja tego efektu w praktyce zapowiadała bardzo duże perspektywy w nauce o rakietach. Nic dziwnego, że Niemcy w tych samych latach aktywnie badali proces detonacji spalania. Ale nie posunęli się dalej niż nie do końca udane eksperymenty.

Obliczenia teoretyczne wykazały, że spalanie detonacyjne jest o 25 proc. wydajniejsze od cyklu izobarycznego, co odpowiada spalaniu paliwa pod stałym ciśnieniem, jakie jest realizowane w komorach nowoczesnych silników na paliwo ciekłe.

A jakie są zalety spalania detonacyjnego w porównaniu z klasycznym?

Petr Levochkin: Klasyczny proces spalania jest poddźwiękowy. Detonacja - naddźwiękowa. Szybkość reakcji w małej objętości prowadzi do wydzielania ogromnego ciepła - jest ono kilka tysięcy razy większe niż w spalaniu poddźwiękowym, realizowanym w klasycznych silnikach rakietowych przy tej samej masie spalanego paliwa. A dla nas, inżynierów silników, oznacza to, że przy znacznie mniejszym silniku detonacyjnym i przy niewielkiej masie paliwa można uzyskać taki sam ciąg, jak w nowoczesnych ogromnych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe.

Nie jest tajemnicą, że silniki z detonacyjnym spalaniem paliwa są opracowywane również za granicą. Jakie są nasze stanowiska? Ustępujemy, idziemy na ich poziom czy jesteśmy w czołówce?

Petr Levochkin: Nie jesteśmy gorsi, to na pewno. Ale też nie mogę powiedzieć, że jesteśmy w czołówce. Temat raczej zamknięty. Jednym z głównych sekretów technologicznych jest zapewnienie, aby paliwo i utleniacz silnika rakietowego nie paliły się, ale eksplodowały, nie niszcząc komory spalania. W rzeczywistości oznacza to, że prawdziwa eksplozja może być kontrolowana i zarządzana. Dla porównania: detonacja to spalanie paliwa przed naddźwiękową falą uderzeniową. Występuje detonacja pulsacyjna, gdy fala uderzeniowa porusza się wzdłuż osi komory i jedna zastępuje drugą, oraz detonacja ciągła (wirowa), gdy fale uderzeniowe w komorze poruszają się po okręgu.

O ile nam wiadomo, przeprowadzono badania eksperymentalne spalania detonacyjnego z udziałem Państwa specjalistów. Jakie wyniki uzyskano?

Petr Levochkin: Wykonano prace nad stworzeniem modelowej komory dla silnika rakietowego z detonacją cieczy. Pod patronatem Fundacji Studiów Zaawansowanych duża współpraca wiodąca ośrodki naukowe Rosja. Wśród nich Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Lavrentiev, MAI, „Centrum Keldysz”, Centralny Instytut budowanie ich silników lotniczych. LICZBA PI. Baranowa z Wydziału Mechaniki i Matematyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Zaproponowaliśmy użycie nafty jako paliwa i gazowego tlenu jako środka utleniającego. W toku badań teoretycznych i eksperymentalnych potwierdzono możliwość stworzenia detonacyjnego silnika rakietowego w oparciu o takie komponenty. Na podstawie uzyskanych danych opracowaliśmy, wyprodukowaliśmy i pomyślnie przetestowaliśmy modelową komorę detonacyjną o ciągu 2 ton i ciśnieniu w komorze spalania około 40 atm.

To zadanie zostało rozwiązane po raz pierwszy nie tylko w Rosji, ale także na świecie. Więc oczywiście były problemy. Po pierwsze wiążą się one z zapewnieniem stabilnej detonacji tlenu za pomocą nafty, po drugie z zapewnieniem niezawodnego chłodzenia ściany ogniowej komory bez chłodzenia kurtynowego i szeregiem innych problemów, których istota jest jasna tylko dla specjaliści.

„Tak zwane detonacyjne silniki rakietowe opracowane w ramach programu Advanced Research Foundation przeszły pomyślnie testy” – cytuje wicepremier Interfax-AVN.

Uważa się, że detonacyjny silnik rakietowy jest jednym ze sposobów realizacji koncepcji tzw. hiperdźwięku motorycznego, czyli stworzenia samolotu hipersonicznego zdolnego do osiągania prędkości rzędu 4–6 Mach (Mach to prędkość dźwięku). dzięki własnemu silnikowi.

Portal russia-reborn.ru udostępnia wywiad z jednym z czołowych wyspecjalizowanych inżynierów silników w Rosji na temat detonacyjnych silników rakietowych.

Wywiad z Petrem Levochkinem, głównym projektantem NPO Energomash imienia akademika wiceprezesa Głuszki.

Detonacja to eksplozja. Czy da się to opanować? Czy na bazie takich silników można stworzyć broń hipersoniczną? Jakie silniki rakietowe wyniosą niezamieszkane i załogowe pojazdy w bliski kosmos? To była nasza rozmowa z zastępcą dyrektora generalnego - głównym projektantem „NPO Energomash imienia akademika V.P. Głuszki” Piotra Lewoczkina.

Petr Sergeevich, jakie możliwości otwierają nowe silniki?

Petr Levochkin: Jeśli mówimy o perspektywie krótkoterminowej, dzisiaj pracujemy nad silnikami do takich pocisków jak Angara A5V i Sojuz-5, a także innych, które są na etapie wstępnego projektowania i są nieznane ogółowi społeczeństwa. Ogólnie rzecz biorąc, nasze silniki są zaprojektowane do podnoszenia rakiety z powierzchni ciała niebieskiego. I może to być dowolny - ziemski, księżycowy, marsjański. Jeśli więc programy księżycowe czy marsjańskie zostaną zrealizowane, na pewno weźmiemy w nich udział.

Jaka jest sprawność nowoczesnych silników rakietowych i czy istnieją sposoby na ich poprawę?

Jednak po bliższym przyjrzeniu się staje się jasne, że zwiększanie charakterystyk energetycznych silników w tradycyjny sposób jest nieefektywne.

Użycie kontrolowanej eksplozji paliwa może nadać rakiecie prędkość ośmiokrotnie większą od prędkości dźwięku
Czemu?

Oznacza to, że silniki rakietowe wyczerpały zasoby swojego rozwoju?

A jakie są zalety spalania detonacyjnego w porównaniu z klasycznym?

Nie jest tajemnicą, że silniki z detonacyjnym spalaniem paliwa są opracowywane również za granicą. Jakie są nasze stanowiska? Ustępujemy, idziemy na ich poziom czy jesteśmy w czołówce?

Petr Levochkin: Nie jesteśmy gorsi - to na pewno. Ale też nie mogę powiedzieć, że jesteśmy w czołówce. Temat raczej zamknięty. Jednym z głównych sekretów technologicznych jest zapewnienie, aby paliwo i utleniacz silnika rakietowego nie paliły się, ale eksplodowały, nie niszcząc komory spalania. W rzeczywistości oznacza to, że prawdziwa eksplozja może być kontrolowana i zarządzana. Dla porównania: detonacja to spalanie paliwa przed naddźwiękową falą uderzeniową. Występuje detonacja pulsacyjna, gdy fala uderzeniowa porusza się wzdłuż osi komory i jedna zastępuje drugą, oraz detonacja ciągła (wirowa), gdy fale uderzeniowe w komorze poruszają się po okręgu.

O ile nam wiadomo, przeprowadzono badania eksperymentalne spalania detonacyjnego z udziałem Państwa specjalistów. Jakie wyniki uzyskano?

Petr Levochkin: Wykonano prace nad stworzeniem modelowej komory dla silnika rakietowego z detonacją cieczy. Nad projektem pod patronatem Foundation for Advanced Study pracowała duża współpraca czołowych ośrodków naukowych Rosji. Wśród nich Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Lavrentiev, MAI, „Keldysh Center”, Centralny Instytut Silników Lotniczych. LICZBA PI. Baranowa z Wydziału Mechaniki i Matematyki Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego. Zaproponowaliśmy użycie nafty jako paliwa i gazowego tlenu jako środka utleniającego. W toku badań teoretycznych i eksperymentalnych potwierdzono możliwość stworzenia detonacyjnego silnika rakietowego w oparciu o takie komponenty. Na podstawie uzyskanych danych opracowaliśmy, wyprodukowaliśmy i pomyślnie przetestowaliśmy modelową komorę detonacyjną o ciągu 2 ton i ciśnieniu w komorze spalania około 40 atm.

Czy silnik detonacyjny może być używany w pociskach hipersonicznych?

Petr Levochkin: Jest to zarówno możliwe, jak i konieczne. Choćby dlatego, że spalanie w nim paliwa jest naddźwiękowe. A w tych silnikach, na których teraz próbują stworzyć kontrolowany samolot hipersoniczny, spalanie jest poddźwiękowe. A to stwarza wiele problemów. W końcu, jeśli spalanie w silniku jest poddźwiękowe, a silnik leci, powiedzmy, z prędkością Mach 5 (jeden Mach równa prędkości dźwięk), konieczne jest spowolnienie nadchodzącego przepływu powietrza do trybu dźwiękowego. W związku z tym cała energia tego opóźnienia jest przekształcana w ciepło, co prowadzi do dodatkowego przegrzania konstrukcji.

A w silniku detonacyjnym proces spalania zachodzi z prędkością co najmniej dwa i pół razy większą niż prędkość dźwięku. W związku z tym możemy zwiększyć prędkość samolotu o tę kwotę. Oznacza to, że mówimy już nie o pięciu, ale o ośmiu huśtawkach. To obecnie osiągalna prędkość samolotów z silnikami hipersonicznymi, które będą wykorzystywać zasadę spalania detonacyjnego.

Petr Levochkin: To jest skomplikowany problem. Właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego. Wciąż pozostaje wiele nieodkrytych obszarów poza nawiasami naszego badania. Dziś wspólnie z RSC Energia próbujemy ustalić, jak w przyszłości może wyglądać silnik jako całość z komorą detonacyjną w odniesieniu do górnych stopni.

Na jakich silnikach człowiek poleci na odległe planety?

Petr Levochkin: Moim zdaniem jeszcze długo będziemy latać na tradycyjnych LRE, udoskonalając je. Chociaż oczywiście rozwijają się też inne rodzaje silników rakietowych, na przykład elektryczne silniki rakietowe (są one znacznie wydajniejsze niż silniki rakietowe - ich impuls właściwy jest 10 razy większy). Niestety, dzisiejsze silniki i rakiety nośne nie pozwalają nam mówić o rzeczywistości masowych lotów międzyplanetarnych, a tym bardziej międzygalaktycznych. Jak dotąd wszystko tutaj jest na poziomie fantazji: silniki fotonowe, teleportacja, lewitacja, fale grawitacyjne. Chociaż z drugiej strony, nieco ponad sto lat temu, pisma Juliusza Verne'a były postrzegane jako czysta fikcja. Być może rewolucyjny przełom w obszarze, w którym pracujemy, jest już niedaleko. w tym na terenie praktyczne stworzenie pociski wykorzystujące energię wybuchu.

Dossier „RG”:
„Stowarzyszenie Naukowo-Produkcyjne Energomasz” zostało założone przez Walentyna Pietrowicza Głuszkę w 1929 roku. Teraz nosi jego imię. Tutaj opracowują i produkują silniki rakietowe na paliwo ciekłe do I, w niektórych przypadkach II stopni rakiet nośnych. NPO opracowała ponad 60 różnych silników odrzutowych na paliwo ciekłe. Pierwszy satelita został wystrzelony na silnikach Energomash, pierwszy człowiek poleciał w kosmos, wystrzelono pierwszy pojazd samobieżny Lunochod-1. Obecnie ponad dziewięćdziesiąt procent rakiet nośnych w Rosji startuje z silnikami zaprojektowanymi i wyprodukowanymi przez NPO Energomash.

Link bibliograficzny

Przeczytaj także