Roztočiť motor. Detonačné raketové motory testované v Rusku. - má vyššiu účinnosť

V skutočnosti sa namiesto neustáleho čelného plameňa v spaľovacej zóne vytvára detonačná vlna, ktorá sa rúti nadzvukovou rýchlosťou. Pri takejto kompresnej vlne dochádza k detonácii paliva a okysličovadla, tento proces z hľadiska termodynamiky rádovo zvyšuje účinnosť motora v dôsledku kompaktnosti spaľovacej zóny.

Zaujímavé je, že ešte v roku 1940 sovietsky fyzik Ya.B. Zel'dovich navrhol myšlienku detonačného motora v článku „O energetickom využití detonačného spaľovania“. Odvtedy na sľubnom nápade pracovalo mnoho vedcov z rôznych krajín, ozvali sa buď Spojené štáty, potom Nemecko, alebo naši krajania.

V lete, v auguste 2016, sa ruským vedcom podarilo vytvoriť prvý prúdový motor na kvapalné palivo v plnej veľkosti na svete, ktorý funguje na princípe detonačného spaľovania paliva. Naša krajina konečne stanovila svetovú prioritu vo vývoji najnovších technológií na mnoho rokov po perestrojke.

Prečo je nový motor taký dobrý? Prúdový motor využíva energiu uvoľnenú spaľovaním zmesi pri konštantnom tlaku a konštantnom čele plameňa. Počas spaľovania plynná zmes paliva a okysličovadla prudko zvyšuje teplotu a stĺpec plameňa unikajúci z dýzy vytvára prúdový ťah.

Pri detonačnom spaľovaní sa reakčné produkty nestihnú zrútiť, pretože tento proces je 100-krát rýchlejší ako deflagrácia a tlak sa rýchlo zvyšuje, pričom objem zostáva nezmenený. Uvoľnenie takého množstva energie môže skutočne zničiť motor auta, preto je takýto proces často spojený s výbuchom.

V skutočnosti sa namiesto neustáleho čelného plameňa v spaľovacej zóne vytvára detonačná vlna, ktorá sa rúti nadzvukovou rýchlosťou. Pri takejto kompresnej vlne dochádza k detonácii paliva a okysličovadla, tento proces z hľadiska termodynamiky rádovo zvyšuje účinnosť motora v dôsledku kompaktnosti spaľovacej zóny. Preto odborníci tak horlivo začali rozvíjať túto myšlienku.

V bežnom LRE, čo je v skutočnosti veľký horák, nie je hlavnou vecou spaľovacia komora a tryska, ale jednotka turbočerpadla paliva (FPU), ktorá vytvára taký tlak, že palivo preniká do komory. Napríklad v ruskom raketovom motore RD-170 pre nosné rakety Energia je tlak v spaľovacej komore 250 atm a čerpadlo, ktoré dodáva okysličovadlo do spaľovacej zóny, musí vytvoriť tlak 600 atm.

V detonačnom motore sa tlak vytvára samotnou detonáciou, čo predstavuje postupujúcu kompresnú vlnu v palivovej zmesi, v ktorej je tlak bez akejkoľvek TNA už 20x väčší a turbočerpadlové agregáty sú nadbytočné. Aby bolo jasné, americký Shuttle má tlak v spaľovacej komore 200 atm a detonačný motor v takýchto podmienkach potrebuje na zásobovanie zmesi iba 10 atm - to je ako pumpa na bicykel a vodná elektráreň Sayano-Shushenskaya.

V tomto prípade je detonačný motor nielen rádovo jednoduchší a lacnejší, ale oveľa výkonnejší a hospodárnejší ako bežný raketový motor.

Na ceste k realizácii projektu detonačného motora sa objavil problém spoluvlastníctva s detonačnou vlnou. Tento jav nie je len nárazová vlna, ktorá má rýchlosť zvuku, ale detonačná vlna šíriaca sa rýchlosťou 2500 m/s, nedochádza v nej k stabilizácii čela plameňa, pri každej pulzácii sa zmes aktualizuje a vlna začína znova.

Predtým ruskí a francúzski inžinieri vyvinuli a postavili pulzujúce prúdové motory, ale nie na princípe detonácie, ale na základe obyčajnej pulzácie spaľovania. Charakteristiky takýchto PuVRD boli nízke a keď konštruktéri motorov vyvinuli čerpadlá, turbíny a kompresory, prišla doba prúdových motorov a LRE a tie pulzujúce zostali na okraji pokroku. Bystré hlavy vedy sa pokúsili skombinovať detonačné spaľovanie s PUVRD, ale frekvencia pulzácií konvenčného čela spaľovania nie je väčšia ako 250 za sekundu a detonačný front má rýchlosť až 2500 m/s a jeho frekvenciu pulzácií dosahuje niekoľko tisíc za sekundu. Zdalo sa nemožné uviesť do praxe takú rýchlosť obnovy zmesi a zároveň spustiť detonáciu.

V USA sa podarilo takýto detonačný pulzujúci motor zostrojiť a otestovať vo vzduchu, fungoval však len 10 sekúnd, no prednosť zostali na amerických konštruktéroch. Ale už v 60. rokoch minulého storočia sovietsky vedec B.V. Voitsekhovsky a takmer v rovnakom čase aj Američan z Michiganskej univerzity J. Nichols prišli s nápadom vytvoriť slučku detonačnej vlny v spaľovacej komore.

Ako funguje detonačný raketový motor

Takýto rotačný motor pozostával z prstencovej spaľovacej komory s dýzami umiestnenými pozdĺž jej polomeru na dodávku paliva. Detonačná vlna beží ako veverička v kolese po obvode, palivová zmes sa stláča a vyhorí, pričom splodiny horenia vytláča cez dýzu. V rotačnom motore získame frekvenciu rotácie vĺn niekoľko tisíc za sekundu, jeho činnosť je podobná pracovnému procesu v raketovom motore, len je efektívnejšia v dôsledku detonácie palivovej zmesi.

V ZSSR a USA a neskôr v Rusku sa pracuje na vytvorení rotačného detonačného motora s nepretržitou vlnou na pochopenie procesov prebiehajúcich vo vnútri, a preto bola vytvorená celá veda - fyzikálna a chemická kinetika. Na výpočet podmienok netlmenej vlny boli potrebné výkonné počítače, ktoré vznikli len nedávno.
V Rusku na projekte takéhoto rotačného motora pracuje mnoho výskumných ústavov a dizajnérskych kancelárií, vrátane spoločnosti zaoberajúcej sa výrobou motorov vesmírneho priemyslu NPO Energomash. Pri vývoji takéhoto motora prišla pomôcť nadácia Advanced Research Foundation, pretože získať financie z ministerstva obrany je nemožné – potrebujú len garantovaný výsledok.

Počas testov v Khimki v Energomaši sa však zaznamenal ustálený stav nepretržitej rotácie - 8 000 otáčok za sekundu na zmesi kyslíka a petroleja. Detonačné vlny zároveň vyrovnávali vibračné vlny a tepelne tieniace nátery odolávali vysokým teplotám.

Ale nelichotte si, pretože ide len o demonštračný motor, ktorý fungoval veľmi krátko a o jeho vlastnostiach sa ešte nepovedalo nič. Ale hlavná vec je, že možnosť vytvorenia detonačného spaľovania bola preukázaná a v Rusku bol vytvorený rotačný motor plnej veľkosti, ktorý navždy zostane v histórii vedy.

Video: Energomash ako prvý na svete otestoval detonačný raketový motor na kvapalné palivo

Čo je v skutočnosti za správami o prvom detonačnom raketovom motore na svete testovanom v Rusku?

Koncom augusta 2016 obletela svetové tlačové agentúry správa: na jednom zo stánkov NPO Energomash v Chimki pri Moskve bol spustený prvý raketový motor na svete v plnej veľkosti (LRE) využívajúci detonačné spaľovanie paliva. Domáca veda a technika na toto podujatie chodí už 70 rokov. Myšlienku detonačného motora navrhol sovietsky fyzik Ya. Odvtedy na celom svete prebiehajú výskumy a experimenty na praktickej implementácii sľubnej technológie. V týchto pretekoch vpred ťahalo Nemecko, potom USA a potom ZSSR. A teraz si Rusko zabezpečilo dôležitú prioritu vo svetovej histórii technológie. Niečím podobným sa naša krajina v posledných rokoch často nemôže pochváliť.

Na hrebeni vlny

Skúška detonačného raketového motora na kvapalné palivo


Aké sú výhody detonačného motora? V tradičných raketových motoroch, ako aj v bežných piestových alebo prúdových leteckých motoroch, sa využíva energia, ktorá sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva. V tomto prípade sa v spaľovacej komore LRE vytvorí stacionárne čelo plameňa, v ktorom horenie prebieha pri konštantnom tlaku. Tento proces normálneho spaľovania sa nazýva deflagrácia. V dôsledku vzájomného pôsobenia paliva a okysličovadla prudko stúpa teplota plynnej zmesi a z trysky uniká ohnivý stĺp splodín, ktoré tvoria prúdový ťah.

Detonácia je tiež horenie, ale vyskytuje sa 100-krát rýchlejšie ako pri klasickom spaľovaní paliva. Tento proces prebieha tak rýchlo, že detonácia sa často zamieňa s výbuchom, najmä preto, že sa v tomto prípade uvoľní toľko energie, že napríklad motor automobilu, keď sa tento jav vyskytne vo valcoch, môže skutočne skolabovať. Detonácia však nie je výbuch, ale typ horenia tak rýchly, že produkty reakcie ani nestihnú expandovať, takže tento proces na rozdiel od deflagrácie prebieha pri konštantnom objeme a prudko rastúcom tlaku.

V praxi to vyzerá takto: namiesto stacionárneho čela plameňa v palivovej zmesi vo vnútri spaľovacej komory vzniká detonačná vlna, ktorá sa pohybuje nadzvukovou rýchlosťou. Pri tejto kompresnej vlne dochádza k detonácii zmesi paliva a okysličovadla a z termodynamického hľadiska je tento proces oveľa efektívnejší ako klasické spaľovanie paliva. Účinnosť detonačného spaľovania je o 25–30 % vyššia, to znamená, že pri spaľovaní rovnakého množstva paliva sa získa väčší ťah a vďaka kompaktnosti spaľovacej zóny je detonačný motor z hľadiska výkonu odoberaného na jednotku objemu teoreticky rádovo prevyšuje konvenčné raketové motory.

To samo osebe stačilo na to, aby na túto myšlienku upozornilo špecialistov. Koniec koncov, stagnácia, ktorá teraz vznikla vo vývoji svetovej kozmonautiky, ktorá na polstoročie uviazla na obežnej dráhe blízko Zeme, je spojená predovšetkým s krízou konštrukcie raketových motorov. Mimochodom, v kríze je aj letectvo, ktoré nedokáže prekročiť prah troch rýchlostí zvuku. Túto krízu možno prirovnať k situácii v piestovom letectve na konci 30. rokov 20. storočia. Vrtuľa a spaľovací motor vyčerpali svoj potenciál a až nástup prúdových motorov umožnil dosiahnuť kvalitatívne novú úroveň výšok, rýchlostí a dosahov letov.

Detonačný raketový motor

Konštrukcie klasických raketových motorov za posledné desaťročia boli vylízané k dokonalosti a prakticky sa dostali na hranicu svojich možností. Ich špecifické vlastnosti je možné v budúcnosti zvýšiť len vo veľmi malých medziach – o niekoľko percent. Svetová kozmonautika je preto nútená ísť rozsiahlou cestou vývoja: na lety s ľudskou posádkou na Mesiac je potrebné postaviť obrie nosné rakety, a to je prinajmenšom pre Rusko veľmi náročné a šialene drahé. Pokus prekonať krízu pomocou jadrových motorov narazil na environmentálne problémy. Možno je príliš skoro porovnávať vzhľad detonačných raketových motorov s prechodom letectva na prúdový pohon, ale sú celkom schopné urýchliť proces prieskumu vesmíru. Okrem toho má tento typ prúdových motorov ďalšiu veľmi dôležitú výhodu.

GRES v miniatúre

Bežný LRE je v princípe veľký horák. Pre zvýšenie jeho ťahu a špecifických charakteristík je potrebné zvýšiť tlak v spaľovacej komore. V tomto prípade musí byť palivo, ktoré je vstrekované do komory cez dýzy, dodávané pod vyšším tlakom, ako je realizované počas spaľovacieho procesu, inak prúd paliva jednoducho nemôže preniknúť do komory. Najkomplexnejšou a najdrahšou jednotkou v raketovom motore preto vôbec nie je komora s dýzou, ktorá je plne viditeľná, ale jednotka palivového turbočerpadla (TPU), ukrytá v hĺbke rakety medzi zložitosťou potrubí.

Napríklad najsilnejší raketový motor na kvapalné palivo RD-170 na svete, ktorý pre prvý stupeň sovietskej superťažkej nosnej rakety Energia vytvoril ten istý NPO Energia, má tlak v spaľovacej komore 250 atmosfér. Toto je veľa. Ale tlak na výstupe z kyslíkového čerpadla pumpujúceho okysličovadlo do spaľovacej komory dosahuje 600 atm. Toto čerpadlo je poháňané turbínou s výkonom 189 MW! Len si to predstavte: turbínové koleso s priemerom 0,4 m vyvinie štyrikrát väčší výkon ako jadrový ľadoborec Arktika s dvoma jadrovými reaktormi! TNA je zároveň komplexné mechanické zariadenie, ktorého hriadeľ robí 230 otáčok za sekundu a musí pracovať v prostredí tekutého kyslíka, kde v potrubí nie je ani najmenšia iskra, ale zrnko piesku. vedie k výbuchu. Technológia na vytvorenie takejto TNA je hlavným know-how spoločnosti Energomash, ktorej vlastníctvo dnes umožňuje ruskej spoločnosti predávať svoje motory na inštaláciu na americké nosné rakety Atlas V a Antares. V USA zatiaľ neexistujú žiadne alternatívy k ruským motorom.

Pre detonačný motor nie sú takéto ťažkosti potrebné, pretože samotná detonácia poskytuje tlak na efektívnejšie spaľovanie, čo je kompresná vlna prebiehajúca v palivovej zmesi. Počas detonácie sa tlak zvýši 18–20 krát bez akejkoľvek TNA.

Na dosiahnutie podmienok v spaľovacej komore detonačného motora ekvivalentných napríklad podmienkam v spaľovacej komore LRE amerického raketoplánu (200 atm) stačí dodať palivo pod tlakom ... 10 atm. Jednotka, ktorá je na to potrebná, je v porovnaní s TNA klasického raketového motora ako pumpa na bicykel v blízkosti štátnej okresnej elektrárne Sayano-Shushenskaya.

To znamená, že detonačný motor bude nielen výkonnejší a úspornejší ako bežný raketový motor, ale aj rádovo jednoduchší a lacnejší. Prečo teda nebola táto jednoduchosť daná dizajnérom 70 rokov?

Pulz pokroku

Hlavným problémom, ktorému inžinieri čelili, bolo, ako sa vyrovnať s detonačnou vlnou. Nejde len o to, aby bol motor silnejší, aby vydržal zvýšené zaťaženie. Detonácia nie je len nárazová vlna, ale niečo jemnejšie. Nárazová vlna sa šíri rýchlosťou zvuku a detonačná vlna sa šíri nadzvukovou rýchlosťou – až 2500 m/s. Netvorí stabilné čelo plameňa, takže prevádzka takéhoto motora pulzuje: po každej detonácii je potrebné obnoviť palivovú zmes a potom v nej spustiť novú vlnu.

Pokusy o vytvorenie pulzujúceho prúdového motora sa uskutočnili dlho pred myšlienkou detonácie. Práve v aplikácii pulzujúcich prúdových motorov sa v 30. rokoch snažili nájsť alternatívu k piestovým motorom. Jednoduchosť opäť priťahovala: na rozdiel od leteckej turbíny, pulzný vzduchový prúdový motor (PuVRD) nepotreboval kompresor otáčajúci sa rýchlosťou 40 000 otáčok za minútu, aby vtlačil vzduch do nenásytného útrob spaľovacej komory, ani nepracoval pri teplote plynu nad 1 000 °C turbína. V PuVRD vytváral tlak v spaľovacej komore pulzácie pri spaľovaní paliva.

Prvé patenty na pulzujúci prúdový motor získali nezávisle v roku 1865 Charles de Louvrier (Francúzsko) a v roku 1867 Nikolaj Afanasjevič Teleshov (Rusko). Prvý funkčný dizajn PuVRD bol patentovaný v roku 1906 ruským inžinierom V.V. Karavodin, ktorý o rok neskôr postavil modelový závod. Pre množstvo nedostatkov nenašlo zariadenie Karavodin uplatnenie v praxi. Prvým PUVRD, ktorý fungoval na skutočnom lietadle, bol nemecký Argus As 014 na základe patentu z roku 1931 mníchovského vynálezcu Paula Schmidta. Argus bol vytvorený pre "odvetnú zbraň" - okrídlenú bombu V-1. Podobný vývoj vytvoril v roku 1942 sovietsky konštruktér Vladimir Chelomey pre prvú sovietsku riadenú strelu 10X.

Samozrejme, tieto motory ešte neboli detonačné, keďže využívali konvenčné spaľovacie impulzy. Frekvencia týchto pulzácií bola nízka, čo spôsobilo charakteristický zvuk guľometu počas prevádzky. Špecifické vlastnosti PuVRD v dôsledku prerušovanej prevádzky boli v priemere nízke a po tom, čo sa konštruktéri do konca štyridsiatych rokov minulého storočia vyrovnali s ťažkosťami pri vytváraní kompresorov, čerpadiel a turbín, stali sa turboprúdové motory a LRE kráľmi na oblohe a PuVRD zostal na periféria technického pokroku .

Je zvláštne, že nemeckí a sovietski dizajnéri vytvorili prvý PuVRD nezávisle od seba. Mimochodom, myšlienka detonačného motora v roku 1940 prišla na myseľ nielen Zeldovičovi. V tom istom čase vyslovili rovnaké myšlienky Von Neumann (USA) a Werner Döring (Nemecko), takže v medzinárodnej vede sa model na použitie detonačného spaľovania nazýval ZND.

Myšlienka spojiť PUVRD s detonačným spaľovaním bola veľmi lákavá. Predná časť obyčajného plameňa sa však šíri rýchlosťou 60–100 m/s a frekvencia jeho pulzácií v PUVRD nepresahuje 250 za sekundu. A detonačný front sa pohybuje rýchlosťou 1500‒2500 m/s, takže frekvencia pulzácií by mala byť tisíce za sekundu. Takúto rýchlosť obnovy zmesi a iniciácie detonácie bolo ťažké zaviesť v praxi.

Napriek tomu pokusy o vytvorenie funkčných pulzujúcich detonačných motorov pokračovali. Práca špecialistov amerického letectva v tomto smere vyvrcholila vytvorením demonštračného motora, ktorý sa 31. januára 2008 prvýkrát vzniesol k oblohe na experimentálnom lietadle Long-EZ. Pri historickom lete motor pracoval ... 10 sekúnd vo výške 30 metrov. Prioritou však v tomto prípade zostali Spojené štáty americké a lietadlo právom zaujalo svoje miesto v Národnom múzeu amerického letectva.

Medzitým bola už dávno vynájdená ďalšia, oveľa sľubnejšia schéma detonačného motora.

Ako veverička v kolese

Nápad vytvoriť slučku detonačnej vlny a nechať ju bežať v spaľovacej komore ako veverička v kolese zrodili vedci začiatkom 60. rokov minulého storočia. Fenomén spinovej (rotačnej) detonácie teoreticky predpovedal sovietsky fyzik z Novosibirska B. V. Voitsekhovsky v roku 1960. Takmer súčasne s ním, v roku 1961, rovnakú myšlienku vyslovil aj Američan J. Nicholls z University of Michigan.

Rotačný alebo rotačný detonačný motor je konštrukčne prstencovou spaľovacou komorou, do ktorej je palivo privádzané pomocou radiálne usporiadaných dýz. Detonačná vlna vo vnútri komory sa nepohybuje v axiálnom smere ako pri PuVRD, ale v kruhu, pričom stláča a vyhorí palivovú zmes pred sebou a v konečnom dôsledku vytlačí splodiny horenia von z dýzy v rovnakým spôsobom ako skrutka mlynčeka na mäso vytláča mleté ​​mäso von. Namiesto frekvencie pulzácií dostaneme frekvenciu rotácie detonačnej vlny, ktorá môže dosiahnuť niekoľko tisíc za sekundu, to znamená, že v praxi motor nepracuje ako pulzujúci motor, ale ako bežný raketový motor so stacionárnym spaľovanie, ale oveľa efektívnejšie, pretože v skutočnosti detonuje palivovú zmes.

V ZSSR, ako aj v USA, sa pracovalo na rotačnom detonačnom motore už od začiatku 60. rokov 20. storočia, no aj napriek zdanlivej jednoduchosti nápadu si jeho realizácia opäť vyžiadala riešenie záhadných teoretických problémov. Ako zorganizovať proces, aby vlna nevymrela? Bolo potrebné pochopiť najzložitejšie fyzikálne a chemické procesy prebiehajúce v plynnom prostredí. Tu už výpočet neprebiehal na molekulárnej, ale na atómovej úrovni, na rozhraní chémie a kvantovej fyziky. Tieto procesy sú zložitejšie ako tie, ktoré sa vyskytujú pri generovaní laserového lúča. To je dôvod, prečo laser funguje už dlho, ale detonačný motor nie. Na pochopenie týchto procesov bolo potrebné vytvoriť novú základnú vedu – fyzikálno-chemickú kinetiku, ktorá pred 50 rokmi neexistovala. A na praktický výpočet podmienok, za ktorých detonačná vlna nezmizne, ale stane sa sebestačná, boli potrebné výkonné počítače, ktoré sa objavili až v posledných rokoch. Toto je základ, ktorý musel byť položený na základoch praktického úspechu pri krotení detonácie.

Aktívna práca v tomto smere sa vykonáva v Spojených štátoch. Tieto štúdie vykonáva Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Napríklad americké námorné výskumné laboratórium vyvíja pre flotilu rotačné detonačné plynové turbíny. Americké námorníctvo používa 430 jednotiek s plynovou turbínou na 129 lodiach, ktoré ročne spotrebujú palivo v hodnote 3 miliárd dolárov. Zavedenie úspornejších motorov s detonačnou plynovou turbínou (GTE) ušetrí obrovské množstvo peňazí.

V Rusku na detonačných motoroch pracovali a pracujú desiatky výskumných ústavov a konštrukčných kancelárií. Medzi nimi je NPO Energomash, popredná spoločnosť zaoberajúca sa výrobou motorov v ruskom vesmírnom priemysle, s mnohými podnikmi VTB Bank spolupracuje. Na vývoji detonačného raketového motora sa pracovalo viac ako jeden rok, ale aby sa špička ľadovca tohto diela zaskvela pod slnkom v podobe úspešného testu, vyžadovala si organizačnú a finančnú spoluúčasť notoricky známa nadácia Advanced Research Foundation (FPI). Práve FPI pridelila potrebné finančné prostriedky na vytvorenie špecializovaného laboratória „Detonation LRE“ v roku 2014. Napriek 70 rokom výskumu je táto technológia v Rusku stále „príliš sľubná“ na to, aby ju mohli financovať zákazníci ako ministerstvo obrany, ktorí spravidla potrebujú zaručený praktický výsledok. A to je ešte veľmi ďaleko.

Skrotenie zlej ženy

Chcel by som veriť, že po všetkom, čo bolo povedané vyššie, sa ozrejmí titánska práca, ktorá nakukuje medzi riadkami krátkeho posolstva o testoch, ktoré sa uskutočnili v Energomaši v Chimki v júli až auguste 2016: „Po prvýkrát v r. svet, ustálený režim nepretržitej rotácie detonácie priečnych detonačných vĺn s frekvenciou asi 20 kHz (frekvencia rotácie vĺn - 8 tisíc otáčok za sekundu) na palivovom páre "kyslík - petrolej". Bolo možné získať niekoľko detonačných vĺn, ktoré navzájom vyrovnávali vibrácie a nárazové zaťaženie. Tepelne tienenie špeciálne vyvinuté v Keldysh Center pomáhalo vyrovnať sa s vysokým teplotným zaťažením. Motor vydržal niekoľko štartov v podmienkach extrémneho zaťaženia vibráciami a ultravysokých teplôt bez ochladzovania priľahlej vrstvy. Osobitnú úlohu v tomto úspechu zohralo vytvorenie matematických modelov a palivových vstrekovačov, ktoré umožnili získať zmes konzistencie potrebnej na začiatok detonácie.

Samozrejme, význam dosiahnutého úspechu netreba preháňať. Vznikol len demonštračný motor, ktorý fungoval relatívne krátko a o jeho skutočných vlastnostiach sa nič neuvádza. Podľa NPO Energomash detonačný raketový motor zvýši ťah o 10 % pri spaľovaní rovnakého množstva paliva ako v klasickom motore a špecifický ťahový impulz by sa mal zvýšiť o 10–15 %.

Vytvorenie prvého detonačného raketového motora plnej veľkosti na svete zabezpečilo Rusku dôležitú prioritu vo svetovej histórii vedy a techniky.

Ale hlavným výsledkom je, že možnosť organizácie detonačného spaľovania v raketovom motore na kvapalné palivo bola prakticky potvrdená. Pred použitím tejto technológie v skutočných lietadlách je však ešte dlhá cesta. Ďalším dôležitým aspektom je, že našej krajine je teraz pridelená ďalšia svetová priorita v oblasti špičkových technológií: po prvýkrát na svete bol v Rusku spustený detonačný raketový motor plnej veľkosti a táto skutočnosť zostane v histórii veda a technika.

Na praktickú realizáciu myšlienky detonačného raketového motora bolo potrebných 70 rokov tvrdej práce vedcov a konštruktérov.

Foto: Foundation for Advanced Study

Celkové hodnotenie materiálu: 5

PODOBNÉ MATERIÁLY (PODĽA ZNAČIEK):

Grafén transparentná, magnetická a filtrujúca voda Videozáznam otec Alexander Poniatov a AMPEX

Ekológia spotreby.Veda a technika: Koncom augusta 2016 obletela správa svetovými tlačovými agentúrami: na jednom zo stánkov NPO Energomash v Chimki pri Moskve prvý raketový motor na kvapalné palivo (LRE) na svete v plnej veľkosti. pomocou detonačného spaľovania paliva sa začalo.

Koncom augusta 2016 svet obletela správa: na jednom zo stánkov NPO Energomash v Chimki pri Moskve bol spustený prvý raketový motor na kvapalné palivo (LPRE) na svete využívajúci detonačné spaľovanie paliva. . Domáca veda a technika na toto podujatie chodí už 70 rokov.

Myšlienku detonačného motora navrhol sovietsky fyzik Ya. Odvtedy na celom svete prebiehajú výskumy a experimenty na praktickej implementácii sľubnej technológie. V týchto pretekoch vpred ťahalo Nemecko, potom USA a potom ZSSR. A teraz si Rusko zabezpečilo dôležitú prioritu vo svetovej histórii technológie. Niečím podobným sa naša krajina v posledných rokoch často nemôže pochváliť.

Na hrebeni vlny

Aké sú výhody detonačného motora? V tradičných raketových motoroch, ako aj v bežných piestových alebo prúdových leteckých motoroch, sa využíva energia, ktorá sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva. V tomto prípade sa v spaľovacej komore LRE vytvorí stacionárne čelo plameňa, v ktorom horenie prebieha pri konštantnom tlaku. Tento proces normálneho spaľovania sa nazýva deflagrácia. V dôsledku vzájomného pôsobenia paliva a okysličovadla prudko stúpa teplota plynnej zmesi a z trysky uniká ohnivý stĺp splodín, ktoré tvoria prúdový ťah.

Detonácia je tiež horenie, ale vyskytuje sa 100-krát rýchlejšie ako pri klasickom spaľovaní paliva. Tento proces prebieha tak rýchlo, že detonácia sa často zamieňa s výbuchom, najmä preto, že sa v tomto prípade uvoľní toľko energie, že napríklad motor automobilu, keď sa tento jav vyskytne vo valcoch, môže skutočne skolabovať. Detonácia však nie je výbuch, ale typ horenia tak rýchly, že produkty reakcie ani nestihnú expandovať, takže tento proces na rozdiel od deflagrácie prebieha pri konštantnom objeme a prudko rastúcom tlaku.

V praxi to vyzerá takto: namiesto stacionárneho čela plameňa v palivovej zmesi vo vnútri spaľovacej komory vzniká detonačná vlna, ktorá sa pohybuje nadzvukovou rýchlosťou. Pri tejto kompresnej vlne dochádza k detonácii zmesi paliva a okysličovadla a z termodynamického hľadiska je tento proces oveľa efektívnejší ako klasické spaľovanie paliva. Účinnosť detonačného spaľovania je o 25–30 % vyššia, to znamená, že pri spaľovaní rovnakého množstva paliva sa získa väčší ťah a vďaka kompaktnosti spaľovacej zóny je detonačný motor z hľadiska výkonu odoberaného na jednotku objemu teoreticky rádovo prevyšuje konvenčné raketové motory.

To samo osebe stačilo na to, aby na túto myšlienku upozornilo špecialistov. Koniec koncov, stagnácia, ktorá teraz vznikla vo vývoji svetovej kozmonautiky, ktorá na polstoročie uviazla na obežnej dráhe blízko Zeme, je spojená predovšetkým s krízou konštrukcie raketových motorov. Mimochodom, v kríze je aj letectvo, ktoré nedokáže prekročiť prah troch rýchlostí zvuku. Túto krízu možno prirovnať k situácii v piestovom letectve na konci 30. rokov 20. storočia. Vrtuľa a spaľovací motor vyčerpali svoj potenciál a až nástup prúdových motorov umožnil dosiahnuť kvalitatívne novú úroveň výšok, rýchlostí a dosahov letov.

Konštrukcie klasických raketových motorov za posledné desaťročia boli vylízané k dokonalosti a prakticky sa dostali na hranicu svojich možností. Ich špecifické vlastnosti je možné v budúcnosti zvýšiť len vo veľmi malých medziach – o niekoľko percent. Svetová kozmonautika je preto nútená ísť rozsiahlou cestou vývoja: na lety s ľudskou posádkou na Mesiac je potrebné postaviť obrie nosné rakety, a to je prinajmenšom pre Rusko veľmi náročné a šialene drahé. Pokus prekonať krízu pomocou jadrových motorov narazil na environmentálne problémy. Možno je príliš skoro porovnávať vzhľad detonačných raketových motorov s prechodom letectva na prúdový pohon, ale sú celkom schopné urýchliť proces prieskumu vesmíru. Okrem toho má tento typ prúdových motorov ďalšiu veľmi dôležitú výhodu.
GRES v miniatúre

Bežný LRE je v princípe veľký horák. Pre zvýšenie jeho ťahu a špecifických charakteristík je potrebné zvýšiť tlak v spaľovacej komore. V tomto prípade musí byť palivo, ktoré je vstrekované do komory cez dýzy, dodávané pod vyšším tlakom, ako je realizované počas spaľovacieho procesu, inak prúd paliva jednoducho nemôže preniknúť do komory. Najkomplexnejšou a najdrahšou jednotkou v raketovom motore preto vôbec nie je komora s dýzou, ktorá je plne viditeľná, ale jednotka palivového turbočerpadla (TPU), ukrytá v hĺbke rakety medzi zložitosťou potrubí.

Napríklad najsilnejší raketový motor na kvapalné palivo RD-170 na svete, ktorý pre prvý stupeň sovietskej superťažkej nosnej rakety Energia vytvoril ten istý NPO Energia, má tlak v spaľovacej komore 250 atmosfér. Toto je veľa. Ale tlak na výstupe z kyslíkového čerpadla pumpujúceho okysličovadlo do spaľovacej komory dosahuje 600 atm. Toto čerpadlo je poháňané turbínou s výkonom 189 MW! Len si to predstavte: turbínové koleso s priemerom 0,4 m vyvinie štyrikrát väčší výkon ako jadrový ľadoborec Arktika s dvoma jadrovými reaktormi! TNA je zároveň komplexné mechanické zariadenie, ktorého hriadeľ robí 230 otáčok za sekundu a musí pracovať v prostredí tekutého kyslíka, kde v potrubí nie je ani najmenšia iskra, ale zrnko piesku. vedie k výbuchu. Technológia na vytvorenie takejto TNA je hlavným know-how spoločnosti Energomash, ktorej vlastníctvo dnes umožňuje ruskej spoločnosti predávať svoje motory na inštaláciu na americké nosné rakety Atlas V a Antares. V USA zatiaľ neexistujú žiadne alternatívy k ruským motorom.

Pre detonačný motor nie sú takéto ťažkosti potrebné, pretože samotná detonácia poskytuje tlak na efektívnejšie spaľovanie, čo je kompresná vlna prebiehajúca v palivovej zmesi. Počas detonácie sa tlak zvýši 18–20 krát bez akejkoľvek TNA.

Na dosiahnutie podmienok v spaľovacej komore detonačného motora ekvivalentných napríklad podmienkam v spaľovacej komore LRE amerického raketoplánu (200 atm) stačí dodať palivo pod tlakom ... 10 atm. Jednotka, ktorá je na to potrebná, je v porovnaní s TNA klasického raketového motora ako pumpa na bicykel v blízkosti štátnej okresnej elektrárne Sayano-Shushenskaya.

To znamená, že detonačný motor bude nielen výkonnejší a úspornejší ako bežný raketový motor, ale aj rádovo jednoduchší a lacnejší. Prečo teda nebola táto jednoduchosť daná dizajnérom 70 rokov?
Hlavným problémom, ktorému inžinieri čelili, bolo, ako sa vyrovnať s detonačnou vlnou. Nejde len o to, aby bol motor silnejší, aby vydržal zvýšené zaťaženie. Detonácia nie je len nárazová vlna, ale niečo jemnejšie. Nárazová vlna sa šíri rýchlosťou zvuku a detonačná vlna sa šíri nadzvukovou rýchlosťou – až 2500 m/s. Netvorí stabilné čelo plameňa, takže prevádzka takéhoto motora pulzuje: po každej detonácii je potrebné obnoviť palivovú zmes a potom v nej spustiť novú vlnu.

Pokusy o vytvorenie pulzujúceho prúdového motora sa uskutočnili dlho pred myšlienkou detonácie. Práve v aplikácii pulzujúcich prúdových motorov sa v 30. rokoch snažili nájsť alternatívu k piestovým motorom. Jednoduchosť opäť priťahovala: na rozdiel od leteckej turbíny, pulzný vzduchový prúdový motor (PuVRD) nepotreboval kompresor otáčajúci sa rýchlosťou 40 000 otáčok za minútu, aby vtlačil vzduch do nenásytného útrob spaľovacej komory, ani nepracoval pri teplote plynu nad 1 000 °C turbína. V PuVRD vytváral tlak v spaľovacej komore pulzácie pri spaľovaní paliva.

Prvé patenty na pulzujúci prúdový motor získali nezávisle v roku 1865 Charles de Louvrier (Francúzsko) a v roku 1867 Nikolaj Afanasjevič Teleshov (Rusko). Prvý funkčný dizajn PuVRD bol patentovaný v roku 1906 ruským inžinierom V.V. Karavodin, ktorý o rok neskôr postavil modelový závod. Pre množstvo nedostatkov nenašlo zariadenie Karavodin uplatnenie v praxi. Prvým PUVRD, ktorý fungoval na skutočnom lietadle, bol nemecký Argus As 014 na základe patentu z roku 1931 mníchovského vynálezcu Paula Schmidta. Argus bol vytvorený pre "odvetnú zbraň" - okrídlenú bombu V-1. Podobný vývoj vytvoril v roku 1942 sovietsky konštruktér Vladimir Chelomey pre prvú sovietsku riadenú strelu 10X.

Samozrejme, tieto motory ešte neboli detonačné, keďže využívali konvenčné spaľovacie impulzy. Frekvencia týchto pulzácií bola nízka, čo spôsobilo charakteristický zvuk guľometu počas prevádzky. Špecifické vlastnosti PuVRD v dôsledku prerušovanej prevádzky boli v priemere nízke a po tom, čo sa konštruktéri do konca štyridsiatych rokov minulého storočia vyrovnali s ťažkosťami pri vytváraní kompresorov, čerpadiel a turbín, stali sa turboprúdové motory a LRE kráľmi na oblohe a PuVRD zostal na periféria technického pokroku .

Je zvláštne, že nemeckí a sovietski dizajnéri vytvorili prvý PuVRD nezávisle od seba. Mimochodom, myšlienka detonačného motora v roku 1940 prišla na myseľ nielen Zeldovičovi. V tom istom čase vyslovili rovnaké myšlienky Von Neumann (USA) a Werner Döring (Nemecko), takže v medzinárodnej vede sa model na použitie detonačného spaľovania nazýval ZND.

Myšlienka spojiť PUVRD s detonačným spaľovaním bola veľmi lákavá. Predná časť obyčajného plameňa sa však šíri rýchlosťou 60–100 m/s a frekvencia jeho pulzácií v PUVRD nepresahuje 250 za sekundu. A detonačný front sa pohybuje rýchlosťou 1500‒2500 m/s, takže frekvencia pulzácií by mala byť tisíce za sekundu. Takúto rýchlosť obnovy zmesi a iniciácie detonácie bolo ťažké zaviesť v praxi.

Napriek tomu pokusy o vytvorenie funkčných pulzujúcich detonačných motorov pokračovali. Práca špecialistov amerického letectva v tomto smere vyvrcholila vytvorením demonštračného motora, ktorý sa 31. januára 2008 prvýkrát vzniesol k oblohe na experimentálnom lietadle Long-EZ. Pri historickom lete motor pracoval... 10 sekúnd vo výške 30 metrov. Prioritou však v tomto prípade zostali Spojené štáty americké a lietadlo právom zaujalo svoje miesto v Národnom múzeu amerického letectva.

Medzitým bola už dávno vymyslená iná, oveľa sľubnejšia schéma.

Ako veverička v kolese

Nápad vytvoriť slučku detonačnej vlny a nechať ju bežať v spaľovacej komore ako veverička v kolese zrodili vedci začiatkom 60. rokov minulého storočia. Fenomén spinovej (rotačnej) detonácie teoreticky predpovedal sovietsky fyzik z Novosibirska B. V. Voitsekhovsky v roku 1960. Takmer súčasne s ním, v roku 1961, rovnakú myšlienku vyslovil aj Američan J. Nicholls z University of Michigan.

Rotačný alebo rotačný detonačný motor je konštrukčne prstencovou spaľovacou komorou, do ktorej je palivo privádzané pomocou radiálne usporiadaných dýz. Detonačná vlna vo vnútri komory sa nepohybuje v axiálnom smere ako pri PuVRD, ale v kruhu, pričom stláča a vyhorí palivovú zmes pred sebou a v konečnom dôsledku vytlačí splodiny horenia von z dýzy v rovnakým spôsobom ako skrutka mlynčeka na mäso vytláča mleté ​​mäso von. Namiesto frekvencie pulzácií dostaneme frekvenciu rotácie detonačnej vlny, ktorá môže dosiahnuť niekoľko tisíc za sekundu, to znamená, že v praxi motor nepracuje ako pulzujúci motor, ale ako bežný raketový motor so stacionárnym spaľovanie, ale oveľa efektívnejšie, pretože v skutočnosti detonuje palivovú zmes.

V ZSSR, ako aj v USA, sa pracovalo na rotačnom detonačnom motore už od začiatku 60. rokov 20. storočia, no aj napriek zdanlivej jednoduchosti nápadu si jeho realizácia opäť vyžiadala riešenie záhadných teoretických problémov. Ako zorganizovať proces, aby vlna nevymrela? Bolo potrebné pochopiť najzložitejšie fyzikálne a chemické procesy prebiehajúce v plynnom prostredí. Tu už výpočet neprebiehal na molekulárnej, ale na atómovej úrovni, na rozhraní chémie a kvantovej fyziky. Tieto procesy sú zložitejšie ako tie, ktoré sa vyskytujú pri generovaní laserového lúča. To je dôvod, prečo laser funguje už dlho, ale detonačný motor nie. Na pochopenie týchto procesov bolo potrebné vytvoriť novú základnú vedu – fyzikálno-chemickú kinetiku, ktorá pred 50 rokmi neexistovala. A na praktický výpočet podmienok, za ktorých detonačná vlna nezmizne, ale stane sa sebestačná, boli potrebné výkonné počítače, ktoré sa objavili až v posledných rokoch. Toto je základ, ktorý musel byť položený na základoch praktického úspechu pri krotení detonácie.

Aktívna práca v tomto smere sa vykonáva v Spojených štátoch. Tieto štúdie vykonáva Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Napríklad americké námorné výskumné laboratórium vyvíja pre flotilu rotačné detonačné plynové turbíny. Americké námorníctvo používa 430 jednotiek s plynovou turbínou na 129 lodiach, ktoré ročne spotrebujú palivo v hodnote 3 miliárd dolárov. Zavedenie úspornejších motorov s detonačnou plynovou turbínou (GTE) ušetrí obrovské množstvo peňazí.

V Rusku na detonačných motoroch pracovali a pracujú desiatky výskumných ústavov a konštrukčných kancelárií. Medzi nimi je NPO Energomash, popredná spoločnosť zaoberajúca sa výrobou motorov v ruskom vesmírnom priemysle, s mnohými podnikmi VTB Bank spolupracuje. Na vývoji detonačného raketového motora sa pracovalo viac ako jeden rok, ale aby sa špička ľadovca tohto diela zaskvela pod slnkom v podobe úspešného testu, vyžadovala si organizačnú a finančnú spoluúčasť notoricky známa nadácia Advanced Research Foundation (FPI). Práve FPI pridelila potrebné finančné prostriedky na vytvorenie špecializovaného laboratória „Detonation LRE“ v roku 2014. Napriek 70 rokom výskumu je táto technológia v Rusku stále „príliš sľubná“ na to, aby ju mohli financovať zákazníci ako ministerstvo obrany, ktorí spravidla potrebujú zaručený praktický výsledok. A to je ešte veľmi ďaleko.

Skrotenie zlej ženy

Chcel by som veriť, že po všetkom, čo bolo povedané vyššie, sa ozrejmí titánska práca, ktorá nakukuje medzi riadkami krátkeho posolstva o testoch, ktoré sa uskutočnili v Energomaši v Chimki v júli až auguste 2016: „Po prvýkrát v r. svet, ustálený režim nepretržitej rotácie detonácie priečnych detonačných vĺn s frekvenciou asi 20 kHz (frekvencia rotácie vĺn - 8 tisíc otáčok za sekundu) na palivovom páre "kyslík - petrolej". Bolo možné získať niekoľko detonačných vĺn, ktoré navzájom vyrovnávali vibrácie a nárazové zaťaženie. Tepelne tienenie špeciálne vyvinuté v Keldysh Center pomáhalo vyrovnať sa s vysokým teplotným zaťažením. Motor vydržal niekoľko štartov v podmienkach extrémneho zaťaženia vibráciami a ultravysokých teplôt bez ochladzovania priľahlej vrstvy. Osobitnú úlohu v tomto úspechu zohralo vytvorenie matematických modelov a palivových vstrekovačov, ktoré umožnili získať zmes konzistencie potrebnej na začiatok detonácie.

Samozrejme, význam dosiahnutého úspechu netreba preháňať. Vznikol len demonštračný motor, ktorý fungoval relatívne krátko a o jeho skutočných vlastnostiach sa nič neuvádza. Podľa NPO Energomash detonačný raketový motor zvýši ťah o 10 % pri spaľovaní rovnakého množstva paliva ako v klasickom motore a špecifický ťahový impulz by sa mal zvýšiť o 10–15 %.

Ale hlavným výsledkom je, že možnosť organizácie detonačného spaľovania v raketovom motore na kvapalné palivo bola prakticky potvrdená. Pred použitím tejto technológie v skutočných lietadlách je však ešte dlhá cesta. Ďalším dôležitým aspektom je, že našej krajine je teraz pridelená ďalšia svetová priorita v oblasti špičkových technológií: po prvýkrát na svete bol v Rusku spustený detonačný raketový motor plnej veľkosti a táto skutočnosť zostane v histórii veda a technika. publikovaný

Publikácia „Vojensko-priemyselný kuriér“ prináša skvelé správy z oblasti prelomových raketových technológií. V Rusku bol testovaný detonačný raketový motor, uviedol v piatok na svojej facebookovej stránke vicepremiér Dmitrij Rogozin.

„Takzvané detonačné raketové motory vyvinuté v rámci programu Advanced Research Foundation boli úspešne testované,“ cituje Interfax-AVN podpredsedu vlády.


Predpokladá sa, že detonačný raketový motor je jedným zo spôsobov, ako implementovať koncepciu takzvaného motorového hyperzvuku, to znamená vytvorenie hypersonického lietadla schopného dosiahnuť rýchlosť 4–6 Mach (Mach je rýchlosť zvuku) kvôli ich vlastnému motoru.

Portál russia-reborn.ru poskytuje rozhovor s jedným z popredných špecializovaných motorových inžinierov v Rusku o detonačných raketových motoroch.

Rozhovor s Petrom Levochkinom, hlavným dizajnérom NPO Energomash im. Akademik V.P. Glushko.

Vznikajú motory pre hypersonické rakety budúcnosti
Boli vykonané úspešné testy takzvaných detonačných raketových motorov, ktoré poskytli veľmi zaujímavé výsledky. Vývojové práce v tomto smere budú pokračovať.

Detonácia je výbuch. Dá sa to zvládnuť? Je možné na základe takýchto motorov vytvoriť hypersonické zbrane? Aké raketové motory vynesú neobývané vozidlá s ľudskou posádkou do blízkeho vesmíru? Toto je náš rozhovor so zástupcom generálneho riaditeľa - hlavným projektantom NPO Energomash im. Akademik V.P. Glushko“ od Petra Levochkina.

Petr Sergejevič, aké príležitosti otvárajú nové motory?

Petr Levochkin: Ak hovoríme o krátkodobom horizonte, dnes pracujeme na motoroch pre také rakety ako Angara A5V a Sojuz-5, ako aj ďalšie, ktoré sú v štádiu predbežného návrhu a širokej verejnosti sú neznáme. Vo všeobecnosti sú naše motory navrhnuté tak, aby zdvihli raketu z povrchu nebeského telesa. A môže byť akýkoľvek – pozemský, mesačný, marťanský. Ak sa teda zrealizujú lunárne alebo marťanské programy, určite sa ich zúčastníme.

Aká je účinnosť moderných raketových motorov a existujú spôsoby, ako ich zlepšiť?

Petr Levochkin: Ak hovoríme o energetických a termodynamických parametroch motorov, tak môžeme povedať, že naše, ale aj najlepšie zahraničné chemické raketové motory súčasnosti dotiahli určitú dokonalosť. Napríklad úplnosť spaľovania paliva dosahuje 98,5 percenta. To znamená, že takmer všetka chemická energia paliva v motore sa premení na tepelnú energiu prúdu plynu vychádzajúceho z dýzy.

Motory sa dajú vylepšiť mnohými spôsobmi. To zahŕňa použitie energeticky náročnejších komponentov paliva, zavedenie nových konštrukcií okruhov a zvýšenie tlaku v spaľovacej komore. Ďalším smerom je použitie nových, vrátane aditívnych technológií s cieľom znížiť náročnosť práce a v dôsledku toho znížiť náklady na raketový motor. To všetko vedie k zníženiu nákladov na výstupné užitočné zaťaženie.

Pri bližšom skúmaní sa však ukazuje, že zvyšovanie energetických charakteristík motorov tradičným spôsobom je neúčinné.

Použitie riadeného výbuchu pohonnej látky by mohlo poskytnúť rakete rýchlosť osemkrát vyššiu ako rýchlosť zvuku
prečo?

Petr Levochkin: Zvýšenie tlaku a spotreby paliva v spaľovacom priestore zákonite zvýši ťah motora. To si však bude vyžadovať zvýšenie hrúbky stien komory a čerpadiel. V dôsledku toho sa zvyšuje zložitosť štruktúry a jej hmotnosť a energetický zisk nie je taký veľký. Hra nebude stáť sviečku.


To znamená, že raketové motory vyčerpali zdroje svojho vývoja?

Petr Levochkin: Ani nie. V technickom jazyku sa dajú zlepšiť zvýšením efektivity vnútromotorických procesov. Existujú cykly termodynamickej premeny chemickej energie na energiu vytekajúceho prúdu, ktoré sú oveľa efektívnejšie ako klasické spaľovanie raketového paliva. Ide o detonačný spaľovací cyklus a jemu blízky Humphreyov cyklus.

Samotný efekt detonácie paliva objavil náš krajan – neskorší akademik Jakov Borisovič Zeldovič ešte v roku 1940. Realizácia tohto efektu v praxi sľubovala veľmi veľké vyhliadky v raketovej vede. Nie je prekvapujúce, že Nemci v tých istých rokoch aktívne skúmali detonačný proces spaľovania. Ale nepostúpili ďalej ako nie celkom úspešné experimenty.

Teoretické výpočty ukázali, že detonačné spaľovanie je o 25 percent efektívnejšie ako izobarický cyklus, čo zodpovedá spaľovaniu paliva pri konštantnom tlaku, ktoré sa realizuje v komorách moderných motorov na kvapalné palivo.

A aké sú výhody detonačného spaľovania v porovnaní s klasickým?

Petr Levochkin: Klasický proces spaľovania je podzvukový. Detonácia - nadzvuková. Rýchlosť reakcie v malom objeme vedie k obrovskému uvoľneniu tepla - je niekoľkotisíckrát vyššia ako pri podzvukovom spaľovaní, realizovanom v klasických raketových motoroch s rovnakou hmotnosťou horiaceho paliva. A pre nás motorových inžinierov to znamená, že s oveľa menším detonačným motorom a malým množstvom paliva môžete získať rovnaký ťah ako v moderných obrovských raketových motoroch na kvapalné palivo.

Nie je žiadnym tajomstvom, že motory s detonačným spaľovaním paliva sa vyvíjajú aj v zahraničí. Aké sú naše pozície? Ustúpime, pôjdeme na ich úroveň alebo sme vo vedení?

Petr Levochkin: Nie sme menejcenní, to je jasné. Ale nemôžem povedať, že sme vo vedení. Téma je pomerne uzavretá. Jedným z hlavných technologických tajomstiev je, ako zabezpečiť, aby palivo a okysličovadlo raketového motora nehorelo, ale explodovalo, bez zničenia spaľovacej komory. To znamená, aby bol skutočný výbuch ovládateľný a zvládnuteľný. Pre informáciu: detonácia je spaľovanie paliva v prednej časti nadzvukovej rázovej vlny. Ide o pulznú detonáciu, kedy sa rázová vlna pohybuje pozdĺž osi komory a jedna nahrádza druhú, ako aj o kontinuálnu (spinovú) detonáciu, kedy sa rázové vlny v komore pohybujú po kruhu.

Pokiaľ vieme, experimentálne štúdie detonačného spaľovania boli vykonané za účasti vašich špecialistov. Aké výsledky sa dosiahli?

Petr Levochkin: Pracovalo sa na vytvorení modelovej komory pre raketový motor na detonáciu kvapaliny. Na projekte pracovala veľká spolupráca popredných vedeckých centier Ruska pod patronátom Nadácie pre pokročilé štúdium. Medzi nimi aj Ústav hydrodynamiky. M.A. Lavrentiev, MAI, "Keldysh Center", Centrálny inštitút leteckých motorov pomenovaný po A.I. P.I. Baranov, Fakulta mechaniky a matematiky Moskovskej štátnej univerzity. Navrhli sme použiť ako palivo petrolej a ako oxidačné činidlo plynný kyslík. V procese teoretických a experimentálnych štúdií bola potvrdená možnosť vytvorenia detonačného raketového motora založeného na takýchto komponentoch. Na základe získaných údajov sme vyvinuli, vyrobili a úspešne otestovali modelovú detonačnú komoru s ťahom 2 tony a tlakom v spaľovacej komore cca 40 atm.

Táto úloha bola vyriešená prvýkrát nielen v Rusku, ale aj vo svete. Takže, samozrejme, boli problémy. Jednak sú spojené so zabezpečením stabilnej detonácie kyslíka petrolejom a jednak so zabezpečením spoľahlivého chladenia požiarnej steny komory bez clonového chladenia a množstva ďalších problémov, ktorých podstata je jasná len špecialistov.

1

Zvažuje sa problém vývoja impulzných detonačných motorov. Uvádzajú sa hlavné výskumné centrá vykonávajúce výskum motorov novej generácie. Zvažujú sa hlavné smery a trendy vo vývoji konštrukcie detonačných motorov. Uvádzame hlavné typy takýchto motorov: impulzný, impulzný viacrúrkový, impulzný s vysokofrekvenčným rezonátorom. Rozdiel v spôsobe vytvárania ťahu sa ukazuje v porovnaní s klasickým prúdovým motorom vybaveným Lavalovou tryskou. Je popísaný koncept trakčnej steny a trakčného modulu. Ukazuje sa, že impulzné detonačné motory sa zdokonaľujú v smere zvyšovania frekvencie opakovania impulzov a tento smer má právo na život v oblasti ľahkých a lacných bezpilotných lietadiel, ako aj vo vývoji rôznych zosilňovačov ťahu ejektorov. . Uvádzajú sa hlavné ťažkosti základného charakteru pri modelovaní detonačného turbulentného prúdenia pomocou výpočtových balíkov založených na použití modelov diferenciálnej turbulencie a časového spriemerovania Navier-Stokesových rovníc.

detonačný motor

impulzný detonačný motor

1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. História experimentálnych štúdií spodného tlaku // Základný výskum. - 2011. - č. 12 (3). - S. 670-674.

2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Kolísanie spodného tlaku // Základný výskum. - 2012. - č. 3. - S. 204–207.

3. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Zvláštnosti aplikácie modelov turbulencie pri výpočte tokov v nadzvukových dráhach pokročilých vzduchových prúdových motorov // Motor. - 2012. - č. 1. - S. 20.–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. O klasifikácii režimov prúdenia v kanáli s náhlou expanziou // Termofyzika a aeromechanika. - 2012. - č. 2. - S. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. O nízkofrekvenčných osciláciách prietoku spodného tlaku // Základný výskum. - 2013. - č. 4 (3). – S. 545–549.

6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Výskum a analýza „studených“ výplachov trakčného modulu vysokofrekvenčného pulzujúceho detonačného motora // Bulletin MAI. - T.14. - č. 4 - M .: Vydavateľstvo MAI-Print, 2007. - S. 36–42.

7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspektívy využitia technológií pulznej detonácie v prúdových motoroch. OAO NPO Saturn NTC im. A. Lyulki, Moskva, Rusko. Moskovský letecký inštitút (GTU). - Moskva, Rusko. ISSN 1727-7337. Aerospace Engineering and Technology, 2011. - č. 9 (86).

Detonačné projekty v USA sú zahrnuté v programe vývoja pokročilého motora IHPTET. Spolupráca zahŕňa takmer všetky výskumné centrá pracujúce v oblasti konštrukcie motorov. Samotná NASA na tieto účely vyčlení až 130 miliónov dolárov ročne. To dokazuje relevantnosť výskumu v tomto smere.

Prehľad prác v oblasti detonačných motorov

Trhová stratégia popredných svetových výrobcov je zameraná nielen na vývoj nových prúdových detonačných motorov, ale aj na modernizáciu existujúcich výmenou tradičnej spaľovacej komory za detonačnú. Okrem toho sa detonačné motory môžu stať integrálnym prvkom kombinovaných inštalácií rôznych typov, napríklad môžu byť použité ako prídavné spaľovanie turbodúchadlového motora, ako zdvíhacie ejektorové motory v lietadlách VTOL (príklad na obr. 1 je Boeing VTOL dopravný projekt).

V USA mnohé výskumné centrá a univerzity vyvíjajú detonačné motory: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defence Research Establishments, Suffield a Valcartier, Uniyersite de Poitiers, Texaská univerzita v Arlingtone, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princetonská univerzita.

Vedúce postavenie vo vývoji detonačných motorov zaujíma špecializované centrum Seattle Aerosciences Center (SAC), ktoré v roku 2001 kúpili Pratt a Whitney od Adroit Systems. Väčšinu práce centra financujú letectvo a NASA z rozpočtu medzirezortného programu Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), zameraného na vytváranie nových technológií pre prúdové motory rôznych typov.

Ryža. 1. Patent US 6,793,174 B2 od Boeing, 2004

Celkovo od roku 1992 špecialisti SAC vykonali viac ako 500 testov experimentálnych vzoriek na skúšobnej stolici. Práce na impulzných detonačných motoroch (PDE) so spotrebou atmosférického kyslíka vykonáva Centrum SAC na objednávku amerického námorníctva. Vzhľadom na zložitosť programu špecialisti námorníctva zapojili do jeho implementácie takmer všetky organizácie zapojené do detonačných motorov. Okrem Pratta a Whitney sa na práci podieľajú United Technologies Research Center (UTRC) a Boeing Phantom Works.

V súčasnosti sa týmto aktuálnym problémom u nás teoreticky zaoberajú univerzity a ústavy Ruskej akadémie vied (RAS): Ústav chemickej fyziky Ruskej akadémie vied (ICP), Ústav strojného inžinierstva Ruská akadémia vied, Ústav vysokých teplôt Ruskej akadémie vied (IVTAN), Novosibirský inštitút hydrodynamiky. Lavrentiev (ISIL), Ústav teoretickej a aplikovanej mechaniky. Khristianovich (ITMP), fyzikálno-technický inštitút. Ioffe, Moskovská štátna univerzita (MGU), Moskovský štátny letecký inštitút (MAI), Štátna univerzita v Novosibirsku, Štátna univerzita Čeboksary, Štátna univerzita Saratov atď.

Pokyny pre prácu na pulzných detonačných motoroch

Smer č.1 - Klasický pulzný detonačný motor (PDE). Spaľovaciu komoru typického prúdového motora tvoria dýzy na miešanie paliva s okysličovadlom, zariadenie na zapálenie palivovej zmesi a samotná plameňová trubica, v ktorej prebiehajú redoxné reakcie (spaľovanie). Plameňová trubica končí dýzou. Spravidla ide o Lavalovu dýzu, ktorá má zbiehajúcu sa časť, minimálnu kritickú časť, v ktorej sa rýchlosť produktov spaľovania rovná miestnej rýchlosti zvuku, rozširujúcu sa časť, v ktorej je statický tlak produktov spaľovania znížený na tlak v prostredí, pokiaľ je to možné. Odhadnúť ťah motora ako plochu kritického úseku dýzy, vynásobenú rozdielom tlaku v spaľovacej komore a prostredí, je veľmi hrubé. Preto je ťah väčší, čím vyšší je tlak v spaľovacej komore.

Ťah pulzného detonačného motora určujú ďalšie faktory - prenos impulzu detonačnou vlnou na ťahovú stenu. Tryska v tomto prípade nie je vôbec potrebná. Pulzné detonačné motory majú svoje vlastné miesto - lacné a jednorazové lietadlá. V tomto výklenku sa úspešne rozvíjajú v smere zvyšovania frekvencie opakovania pulzu.

Klasický vzhľad IDD je valcová spaľovacia komora, ktorá má plochú alebo špeciálne profilovanú stenu, nazývanú „stena ťahu“ (obr. 2). Jednoduchosť zariadenia IDD je jeho nepopierateľnou výhodou. Ako ukazuje analýza dostupných publikácií, napriek rôznorodosti navrhovaných schém PDE, všetky sa vyznačujú použitím detonačných trubíc značnej dĺžky ako rezonančných zariadení a použitím ventilov, ktoré zabezpečujú periodický prívod pracovnej tekutiny.

Treba poznamenať, že PDE, vytvorený na báze tradičných detonačných trubíc, má napriek vysokej termodynamickej účinnosti pri jedinej pulzácii nevýhody charakteristické pre klasické pulzujúce vzduchové prúdové motory, a to:

Nízka frekvencia (do 10 Hz) pulzácií, ktorá určuje relatívne nízku úroveň priemernej trakčnej účinnosti;

Vysoké tepelné a vibračné zaťaženie.

Ryža. 2. Schematický diagram impulzného detonačného motora (PDE)

Smer č. 2 - Multipipe IDD. Hlavným trendom vo vývoji IDD je prechod na viacrúrkovú schému (obr. 3). V takýchto motoroch zostáva frekvencia prevádzky jednej trubice nízka, ale v dôsledku striedania impulzov v rôznych trubiciach vývojári dúfajú, že získajú prijateľné špecifické vlastnosti. Takáto schéma sa zdá byť celkom uskutočniteľná, ak sa vyrieši problém vibrácií a asymetrie ťahu, ako aj problém spodného tlaku, najmä možné nízkofrekvenčné oscilácie v spodnej oblasti medzi rúrkami.

Ryža. 3. Pulzný detonačný motor (PDE) tradičnej schémy s balíkom detonačných trubíc ako rezonátorov

Smer č.3 - IDD s vysokofrekvenčným rezonátorom. Existuje aj alternatívny smer - nedávno široko inzerovaná schéma s trakčnými modulmi (obr. 4) so ​​špeciálne profilovaným vysokofrekvenčným rezonátorom. V tomto smere sa pracuje v NTC im. A. Lyulka a v MAI. Schéma sa vyznačuje absenciou akýchkoľvek mechanických ventilov a zariadení s prerušovaným zapaľovaním.

Trakčný modul IDD navrhovanej schémy pozostáva z reaktora a rezonátora. Reaktor slúži na prípravu zmesi paliva a vzduchu na detonačné spaľovanie, pričom dochádza k rozkladu molekúl horľavej zmesi na chemicky aktívne zložky. Schematický diagram jedného cyklu prevádzky takéhoto motora je jasne znázornený na obr. 5.

Pri interakcii so spodným povrchom rezonátora ako s prekážkou naň detonačná vlna v procese zrážky prenáša impulz z pretlakových síl.

IDD s vysokofrekvenčnými rezonátormi majú právo na úspech. Najmä môžu tvrdiť, že modernizujú prídavné spaľovanie a zdokonaľujú jednoduché prúdové motory, opäť určené pre lacné UAV. Ako príklad možno uviesť pokusy MAI a CIAM o modernizáciu prúdového motora MD-120 týmto spôsobom nahradením spaľovacej komory reaktorom na aktiváciu palivovej zmesi a inštaláciou trakčných modulov s vysokofrekvenčnými rezonátormi za turbínu. Doteraz nebolo možné vytvoriť funkčný dizajn, pretože. pri profilovaní rezonátorov autori využívajú lineárnu teóriu kompresných vĺn, t.j. výpočty sa vykonávajú v akustickej aproximácii. Dynamiku detonačných vĺn a kompresných vĺn popisuje úplne iný matematický aparát. Použitie štandardných numerických balíkov na výpočet vysokofrekvenčných rezonátorov má zásadné obmedzenie. Všetky moderné modely turbulencie sú založené na spriemerovaní Navier-Stokesových rovníc (základných rovníc dynamiky plynov) v priebehu času. Okrem toho sa zavádza Boussinesqov predpoklad, že tenzor turbulentného trecieho napätia je úmerný gradientu rýchlosti. Oba predpoklady nie sú splnené pri turbulentnom prúdení s rázovými vlnami, ak sú charakteristické frekvencie porovnateľné s frekvenciou turbulentných pulzácií. Žiaľ, my máme do činenia práve s takýmto prípadom, takže tu je potrebné buď postaviť model vyššej úrovne, alebo priamo numerickú simuláciu založenú na úplných Navier-Stokesových rovniciach bez použitia modelov turbulencie (úloha, ktorá je pri súčasné štádium).

Ryža. 4. Schéma PDD s vysokofrekvenčným rezonátorom

Ryža. Obr. 5. Schéma PDE s vysokofrekvenčným rezonátorom: SZS - nadzvukový prúd; SW - rázová vlna; Ф - zaostrenie rezonátora; DW - detonačná vlna; VR - vlna zriedenia; SHW - odrazená rázová vlna

IDD sa zlepšujú v smere zvyšovania frekvencie opakovania pulzu. Tento smer má svoje právo na život v oblasti ľahkých a lacných bezpilotných lietadiel, ako aj vo vývoji rôznych ejektorových posilňovačov ťahu.

Recenzenti:

Uskov V.N., doktor technických vied, profesor Katedry hydroaeromechaniky Štátnej univerzity v Petrohrade, Fakulta matematiky a mechaniky, Petrohrad;

Emelyanov V.N., doktor technických vied, profesor, vedúci Katedry dynamiky plazmového plynu a tepelného inžinierstva, BSTU "VOENMEH" pomenovaný po A.I. D.F. Ustinov, Petrohrad.

Dielo sa do redakcie dostalo 14.10.2013.

Bibliografický odkaz

Bulat P.V., Prodan N.V. RECENZIA PROJEKTOV DETONAČNÝCH MOTOROV. PULZNÉ MOTORY // Základný výskum. - 2013. - č.10-8. - S. 1667-1671;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (dátum prístupu: 29.07.2019). Dávame do pozornosti časopisy vydávané vydavateľstvom "Academy of Natural History"