Motori rrotullues. Rusia ka testuar motorët e raketave me shpërthim.

Në realitet, në vend të një flake të vazhdueshme ballore në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthen, ky proces, nga pikëpamja e termodinamikës, rritet. Efikasiteti i motorit sipas rendit të madhësisë, për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies.

Është interesante që në vitin 1940, fizikani sovjetik Ya.B. Zeldovich propozoi idenë e një motori shpërthimi në artikullin "Për përdorimin energjik të djegies së shpërthimit". Që atëherë, shumë shkencëtarë nga vende të ndryshme, pastaj SHBA, pastaj Gjermania, pastaj bashkatdhetarët tanë dolën përpara.

Në verën e gushtit 2016, shkencëtarët rusë arritën të krijojnë, për herë të parë në botë, një motor reaktiv të lëngshëm me madhësi të plotë që funksionon në parimin e djegies së karburantit me shpërthim. Gjatë shumë viteve të pas-perestrojkës, vendi ynë më në fund ka vendosur një prioritet global në zhvillimin e teknologjisë më të fundit.

Pse është kaq mirë motor i ri? Një motor reaktiv përdor energjinë e çliruar kur përzierja digjet me presion konstant dhe një front të vazhdueshëm flakë. Një përzierje gazi e karburantit dhe oksiduesit gjatë djegies rrit ndjeshëm temperaturën dhe një kolonë flakë që del nga hunda krijon shtytje jet.

Gjatë djegies së shpërthimit, produktet e reaksionit nuk kanë kohë të shemben, sepse ky proces është 100 herë më i shpejtë se deflargimi dhe presioni rritet me shpejtësi, ndërsa vëllimi mbetet i pandryshuar. Lëshimi i një sasie kaq të madhe energjie në fakt mund të shkatërrojë një motor makine, prandaj një proces i tillë shpesh shoqërohet me një shpërthim.

Në realitet, në vend të një flake të vazhdueshme ballore në zonën e djegies, formohet një valë shpërthimi, e cila udhëton me shpejtësi supersonike. Në një valë të tillë kompresimi, karburanti dhe oksiduesi shpërthejnë, nga pikëpamja termodinamike, rritja e efikasitetit të motorit për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies. Kjo është arsyeja pse ekspertët me kaq padurim filluan ta zhvillojnë këtë ide.

Në një motor rakete konvencional me lëndë djegëse të lëngshme, i cili në thelb është një djegës i madh, gjëja kryesore nuk është dhoma e djegies dhe gryka, por njësia e turbopompës së karburantit (TNA), e cila krijon një presion të tillë që karburanti depërton në dhomë. Për shembull, në motorin rus të raketës RD-170 për automjetet lëshuese Energia, presioni në dhomën e djegies është 250 atm dhe pompa që furnizon oksiduesin në zonën e djegies duhet të krijojë një presion prej 600 atm.

Në një motor shpërthyes, presioni krijohet nga vetë shpërthimi, i cili përfaqëson një valë kompresimi udhëtuese në përzierjen e karburantit, në të cilën presioni pa asnjë TNA është tashmë 20 herë më i lartë dhe njësitë e turbopompës janë të tepërta. Për ta bërë të qartë, American Shuttle ka një presion në dhomën e djegies prej 200 atm, dhe në kushte të tilla motorit të shpërthimit i nevojiten vetëm 10 atm për të furnizuar përzierjen - kjo është si një pompë biçikletash dhe hidrocentrali Sayano-Shushenskaya.

Një motor i bazuar në shpërthim në këtë rast nuk është vetëm më i thjeshtë dhe më i lirë me një renditje madhësie, por shumë më i fuqishëm dhe ekonomik se një motor rakete konvencionale me lëndë djegëse të lëngshme.

Gjatë rrugës për zbatimin e projektit të motorit të shpërthimit, u ngrit problemi i përballimit të valës së shpërthimit. Ky fenomen nuk është i thjeshtë: një valë shpërthimi, e cila ka shpejtësinë e zërit, por një valë shpërthimi, që përhapet me një shpejtësi prej 2500 m/sek, nuk ka stabilizim të pjesës së përparme të flakës, për çdo pulsim përzierja rinovohet dhe vala fillon përsëri.

Më parë, inxhinierët rusë dhe francezë zhvilluan dhe ndërtuan motorë reaktivë pulsues, por jo në parimin e shpërthimit, por në bazë të pulsimit të djegies konvencionale. Karakteristikat e motorëve të tillë PURE ishin të ulëta dhe kur ndërtuesit e motorëve zhvilluan pompa, turbina dhe kompresorë, filloi epoka e motorëve reaktivë dhe motorëve të lëngshëm shtytës, dhe motorët pulsues mbetën në kufijtë e përparimit. Krerët e ndritur të shkencës u përpoqën të kombinonin djegien e shpërthimit me një PURD, por frekuenca e pulsimit të një fronti djegieje konvencionale nuk është më shumë se 250 në sekondë, dhe fronti i shpërthimit ka një shpejtësi deri në 2500 m/sek dhe frekuencën e tij. pulsimet arrijnë disa mijëra në sekondë. Dukej e pamundur të vihej në praktikë një shkallë e tillë e rinovimit të përzierjes dhe në të njëjtën kohë të fillonte shpërthimin.

Në SHBA ata arritën të ndërtonin një motor të tillë pulsues me shpërthim dhe ta testonin në ajër, megjithëse funksionoi vetëm për 10 sekonda, por prioriteti mbeti me projektuesit amerikanë. Por tashmë në vitet '60 të shekullit të kaluar, shkencëtari sovjetik B.V. Wojciechowski dhe, pothuajse në të njëjtën kohë, një amerikan nga Universiteti i Miçiganit, J. Nichols, dolën me idenë për të vendosur një valë shpërthimi në dhomën e djegies.

Si funksionon një motor rakete shpërthyese?

Të tillë motor rrotullues përbëhej nga një dhomë unaze djegieje me grykë të vendosura përgjatë rrezes së saj për të furnizuar karburantin. Vala e shpërthimit shkon si një ketër në një rrotë në një rreth, përzierja e karburantit ngjesh dhe digjet, duke i shtyrë produktet e djegies përmes grykës. Në një motor rrotullues, ne marrim një frekuencë të rrotullimit të valës prej disa mijëra në sekondë, funksionimi i tij është i ngjashëm me procesin e punës në një motor rakete me motor të lëngshëm, vetëm në mënyrë më efikase, falë shpërthimit të përzierjes së karburantit.

Në BRSS dhe SHBA, dhe më vonë në Rusi, po punohet për të krijuar një motor shpërthyes rrotullues me një valë të vazhdueshme për të kuptuar proceset që ndodhin brenda dhe për këtë u krijua një shkencë e tërë - kinetika fizike dhe kimike. Për të llogaritur kushtet e një vale të vazhdueshme, nevojiteshin kompjuterë të fuqishëm, të cilët u krijuan vetëm kohët e fundit.
Në Rusi, shumë institute kërkimore dhe zyra projektimi po punojnë në projektin e një motori të tillë rrotullues, duke përfshirë kompaninë e ndërtimit të motorëve të industrisë hapësinore NPO Energomash. Fondacioni i Kërkimeve të Avancuara erdhi për të ndihmuar në zhvillimin e një motori të tillë, sepse është e pamundur të marrësh fonde nga Ministria e Mbrojtjes - atyre u duhet vetëm një rezultat i garantuar.

Sidoqoftë, gjatë provave në Khimki në Energomash, u regjistrua një gjendje e qëndrueshme e shpërthimit të vazhdueshëm të rrotullimit - 8 mijë rrotullime në sekondë në një përzierje oksigjeni-vajguri. Në të njëjtën kohë, valët e shpërthimit balancuan valët e dridhjeve dhe veshjet mbrojtëse nga nxehtësia i rezistuan temperaturave të larta.

Por mos e gënjeni veten, sepse ky është vetëm një motor demonstrues që ka punuar për një kohë shumë të shkurtër dhe ende nuk është thënë asgjë për karakteristikat e tij. Por gjëja kryesore është se mundësia e krijimit të djegies së shpërthimit është vërtetuar dhe në Rusi është krijuar një motor rrotullues me madhësi të plotë, i cili do të mbetet përgjithmonë në historinë e shkencës.

Video: Energomash ishte i pari në botë që testoi një motor rakete të lëngshme shpërthyese

Çfarë fshihet në të vërtetë pas raportimeve të motorit të parë të raketës me shpërthim në botë, të testuar në Rusi?

Në fund të gushtit 2016, lajmet u përhapën në të gjithë agjencitë e lajmeve botërore: në një nga stendat e NPO Energomash në Khimki afër Moskës, lëngu i parë në botë me madhësi të plotë. motor rakete(LPRE) duke përdorur djegien e karburantit me shpërthim - . Shkenca dhe teknologjia ruse kanë lëvizur drejt kësaj ngjarje për 70 vjet. Ideja e një motori shpërthyes u propozua nga fizikani sovjetik Ya B. Zeldovich në artikullin "Mbi përdorimin energjetik të djegies së shpërthimit", botuar në Journal of Technical Physics në vitin 1940. Që atëherë, kërkime dhe eksperimente janë kryer në të gjithë botën zbatim praktik teknologji premtuese. Në këtë garë mendjesh, Gjermania, SHBA-ja dhe BRSS u larguan përpara. Dhe tani Rusia ka siguruar një prioritet të rëndësishëm në historinë botërore të teknologjisë. NË vitet e fundit Nuk ndodh shpesh që vendi ynë të mburret me diçka të tillë.

Në kreshtën e një dallge

Testimi i një motori rakete të lëngët me shpërthim

Cilat janë avantazhet e një motori shpërthyes? Në motorët tradicionalë shtytës të lëngshëm, si dhe në piston konvencional ose motorët e avionëve turbojet, përdoret energjia që lirohet kur digjet karburanti. Në këtë rast, një front i palëvizshëm i flakës formohet në dhomën e djegies së motorit të raketës me lëndë të lëngshme, djegia në të cilën ndodh me një presion konstant. Ky proces i djegies normale quhet deflagrim. Si rezultat i ndërveprimit të karburantit dhe oksiduesit, temperatura e përzierjes së gazit rritet ndjeshëm dhe një kolonë e zjarrtë e produkteve të djegies shpërthen nga hunda, të cilat formojnë shtytje jet.

Shpërthimi është gjithashtu djegie, por ndodh 100 herë më shpejt sesa me djegien e karburantit konvencional. Ky proces shkon aq shpejt saqë shpërthimi shpesh ngatërrohet me një shpërthim, veçanërisht pasi ai çliron aq shumë energji sa, për shembull, motori i makinës kur ndodh ky fenomen, cilindrat e tij mund të shemben. Sidoqoftë, shpërthimi nuk është një shpërthim, por një lloj djegie aq i shpejtë sa që produktet e reagimit nuk kanë as kohë për t'u zgjeruar, kështu që ky proces, ndryshe nga deflagrimi, ndodh me një vëllim konstant dhe një presion në rritje të mprehtë.

Në praktikë, kjo duket kështu: në vend të një fronti flakë të palëvizshme brenda përzierje e karburantit Brenda dhomës së djegies formohet një valë shpërthimi, e cila lëviz me shpejtësi supersonike. Në këtë valë kompresimi, ndodh shpërthimi i përzierjes së karburantit dhe oksiduesit, dhe ky proces, nga pikëpamja termodinamike, është shumë më efikas se djegia konvencionale e karburantit. Efikasiteti i djegies së shpërthimit është 25-30% më i lartë, d.m.th., kur digjet e njëjta sasi karburanti, fitohet më shumë shtytje, dhe për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies, një motor shpërthyes është teorikisht një rend i madhësisë më i lartë se ai konvencional. motorët e raketave me lëndë djegëse të lëngshme për sa i përket fuqisë për njësi vëllimi.

Vetëm kjo mjaftoi për të tërhequr vëmendjen më të ngushtë të specialistëve ndaj kësaj ideje. Në fund të fundit, stanjacioni që ka lindur tani në zhvillimin e astronautikës botërore, i mbërthyer në orbitën e ulët të Tokës për gjysmë shekulli, lidhet kryesisht me krizën në ndërtimin e motorit të raketave. Meqë ra fjala, edhe aviacioni është në krizë, i paaftë për të kaluar pragun e tre shpejtësive të zërit. Kjo krizë mund të krahasohet me situatën në avionët pistoni në fund të viteve 1930. Helika dhe motori djegia e brendshme shteruan potencialin e tyre dhe vetëm ardhja e motorëve reaktiv bëri të mundur arritjen e cilësisë së lartë nivel i ri lartësitë, shpejtësitë dhe diapazoni i fluturimit.

Motor rakete detonimi

Gjatë dekadave të fundit, modelet e motorëve klasikë të raketave me lëndë djegëse të lëngëta janë lustruar në përsosmëri dhe pothuajse kanë arritur kufirin e aftësive të tyre. Është e mundur të rriten karakteristikat e tyre specifike në të ardhmen vetëm brenda kufijve shumë të vegjël - me disa përqind. Prandaj, astronautika botërore është e detyruar të ndjekë një rrugë të gjerë zhvillimi: për fluturimet me pilot në Hënë është e nevojshme të ndërtohen automjete gjigante lëshimi, dhe kjo është shumë e vështirë dhe tepër e shtrenjtë, të paktën për Rusinë. Një përpjekje për të kapërcyer krizën me ndihmën motorët bërthamorë hasi në probleme mjedisore. Mund të jetë shumë herët për të krahasuar pamjen e motorëve të raketave shpërthyese me kalimin e aviacionit në shtytje reaktiv, por ata janë mjaft të aftë për të përshpejtuar procesin e eksplorimit të hapësirës. Për më tepër, ky lloj motori reaktiv ka një avantazh tjetër shumë të rëndësishëm.

GRES në miniaturë

Një motor konvencional rakete është, në parim, një djegës i madh. Për të rritur shtytjen e tij dhe karakteristikat specifike, është e nevojshme të rritet presioni në dhomën e djegies. Në këtë rast, karburanti që injektohet në dhomë përmes grykave duhet të furnizohet me një presion më të lartë se sa realizohet gjatë procesit të djegies, përndryshe rryma e karburantit thjesht nuk do të jetë në gjendje të depërtojë në dhomë. Prandaj, njësia më komplekse dhe më e shtrenjtë në një motor rakete me shtytje të lëngshme nuk është një dhomë me një hundë, e cila është në pamje të qartë, por një njësi turbopompike e karburantit (TNA), e fshehur në zorrët e raketës midis një ndërlikimi tubacionesh. .

Për shembull, motori më i fuqishëm i raketave me lëndë të lëngshme në botë RD-170, i krijuar për fazën e parë të mjetit lëshues super të rëndë sovjetik Energia nga e njëjta NPO Energia, ka një presion në dhomën e djegies prej 250 atmosferash. Eshte shume. Por presioni në daljen e pompës së oksigjenit që pompon oksiduesin në dhomën e djegies arrin 600 atm. Për të drejtuar këtë pompë përdoret një turbinë 189 MW! Vetëm imagjinoni këtë: një rrotë turbine me diametër 0,4 m zhvillon një fuqi katër herë më të madhe se akullthyesi bërthamor Arktika me dy reaktorë bërthamorë! Në të njëjtën kohë, një TNA është një pajisje komplekse mekanike, boshti i së cilës bën 230 rrotullime në sekondë dhe duhet të punojë në një mjedis me oksigjen të lëngshëm, ku në tubacion është edhe shkëndija më e vogël, madje as një kokërr rërë. çon në një shpërthim. Teknologjitë për krijimin e një ANT të tillë janë njohuritë kryesore të Energomash, zotërimi i të cilave lejon Kompani ruse dhe sot shesin motorët e tyre për instalim në automjetet e lëshimit amerikan Atlas V dhe Antares. Alternativat Motorët rusë ende jo në SHBA.

Për një motor shpërthyes, komplikime të tilla nuk nevojiten, pasi presioni për djegie më efikase sigurohet nga vetë shpërthimi, i cili është një valë kompresimi që udhëton në përzierjen e karburantit. Gjatë shpërthimit, presioni rritet 18-20 herë pa asnjë TNA.

Për të përftuar kushte në dhomën e djegies së një motori shpërthyes që janë ekuivalente, për shembull, me kushtet në dhomën e djegies së motorit të raketës American Shuttle (200 atm), mjafton të furnizoni karburant nën presion... 10 atm. Njësia e kërkuar për këtë, në krahasim me ANT-në e një motori klasik rakete me lëndë të lëngshme, është e njëjtë me një pompë biçikletash pranë Termocentralit Shtetëror të Qarkut Sayano-Shushenskaya.

Pulsi i progresit

problemi kryesor, e cila u përball me inxhinierët - si të përballen me valën e shpërthimit. Çështja nuk është vetëm ta bëjmë motorin më të fortë në mënyrë që të përballojë ngarkesa të rritura. Shpërthimi nuk është thjesht një valë shpërthimi, por diçka më dinake. Vala e shpërthimit udhëton me shpejtësinë e zërit, dhe vala e shpërthimit udhëton me shpejtësi supersonike - deri në 2500 m/s. Nuk formon një front të qëndrueshëm flakë, kështu që funksionimi i një motori të tillë është pulsues: pas çdo shpërthimi, është e nevojshme të rifreskoni përzierjen e karburantit dhe më pas të nisni një valë të re në të.

Përpjekjet për të krijuar një motor reaktiv pulsues u bënë shumë kohë përpara idesë së shpërthimit. Pikërisht në përdorimin e motorëve reaktivë pulsues ata u përpoqën të gjenin një alternativë motorët me piston në vitet 1930. Përsëri, thjeshtësia ishte tërheqëse: në kontrast me një turbinë avioni për ajër pulsues motor reaktiv(PuVRD) nuk kishte nevojë për një kompresor që rrotullohej me një shpejtësi prej 40,000 rrotullimesh në minutë për të pompuar ajrin në barkun e pangopur të dhomës së djegies, ose një turbinë që funksiononte në temperatura të gazit mbi 1000˚C. Në PuVRD, presioni në dhomën e djegies krijoi pulsime në djegien e karburantit.

Patentat e para për një motor pulsues me frymëmarrje u morën në mënyrë të pavarur në 1865 nga Charles de Louvrier (Francë) dhe në 1867 nga Nikolai Afanasyevich Teleshov (Rusi). Dizajni i parë i zbatueshëm i PuVRD u patentua në 1906 nga inxhinieri rus V.V. Karavodin, i cili ndërtoi një instalacion model një vit më vonë. Për shkak të një sërë mangësish, instalimi i Karavodinit nuk u përdor në praktikë. I pari PURD që operoi në një avion të vërtetë ishte gjermani Argus As 014, i bazuar në një patentë të vitit 1931 nga shpikësi i Mynihut Paul Schmidt. Argus u krijua për "armën e hakmarrjes" - bombën me krahë V-1. Një zhvillim i ngjashëm u krijua në 1942 nga projektuesi sovjetik Vladimir Chelomey për raketën e parë të lundrimit sovjetik 10X.

Sigurisht, këta motorë nuk ishin ende motorë shpërthyes, pasi përdornin pulsimet e djegies konvencionale. Frekuenca e këtyre pulsimeve ishte e ulët, gjë që shkaktoi një tingull karakteristik të mitralozit gjatë operimit. Për shkak të mënyrës së ndërprerë të funksionimit, karakteristikat specifike të PURE-ve ishin mesatarisht të ulëta, dhe pasi projektuesit deri në fund të viteve 1940 kishin kapërcyer vështirësitë e krijimit të kompresorëve, pompave dhe turbinave, motorët turbojet dhe motorët shtytës të lëngshëm u bënë mbretërit e qiellit. , dhe PUREs mbetën në periferi të progresit teknik .

Është kurioze që PuVRD-të e para u krijuan nga stilistë gjermanë dhe sovjetikë të pavarur nga njëri-tjetri. Nga rruga, ideja e një motori shpërthimi në 1940 erdhi në mendje jo vetëm për Zeldovich. Në të njëjtën kohë, të njëjtat mendime shpreheshin nga Von Neumann (SHBA) dhe Werner Doering (Gjermani), kështu që në shkencën ndërkombëtare modeli i përdorimit të djegies së shpërthimit u quajt ZND.

Ideja e kombinimit të PURD me djegien e shpërthimit ishte shumë joshëse. Por pjesa e përparme e një flake të zakonshme përhapet me një shpejtësi prej 60-100 m/s dhe frekuenca e pulsimeve të saj në PuVRD nuk i kalon 250 në sekondë. Dhe pjesa e përparme e shpërthimit lëviz me një shpejtësi prej 1500 – 2500 m/s, kështu që frekuenca e pulsimit duhet të jetë mijëra në sekondë. Ishte e vështirë të zbatohej një shkallë e tillë e rinovimit të përzierjes dhe fillimit të shpërthimit në praktikë.

Megjithatë, përpjekjet për të krijuar motorë shpërthimi pulsues të zbatueshëm vazhduan. Puna e specialistëve të Forcave Ajrore Amerikane në këtë drejtim arriti kulmin me krijimin e një motori demonstrues, i cili u ngrit për herë të parë në qiell më 31 janar 2008 me një avion eksperimental Long-EZ. Në fluturimin historik motori ka punuar... për 10 sekonda në lartësinë 30 metra. Sidoqoftë, përparësia në këtë rast mbeti me Shtetet e Bashkuara, dhe avioni me të drejtë zuri vendin e tij në Muzeun Kombëtar të Forcave Ajrore të Shteteve të Bashkuara.

Ndërkohë, një dizajn tjetër, shumë më premtues i një motori shpërthimi u shpik shumë kohë më parë.

Si një ketër në një rrotë

Ideja për të rrethuar një valë shpërthyese dhe për ta bërë atë të qarkullojë në dhomën e djegies si një ketër në një rrotë lindi mes shkencëtarëve në fillim të viteve 1960. Fenomeni i shpërthimit rrotullues (rrotullues) u parashikua teorikisht nga fizikani sovjetik nga Novosibirsk B.V. Voitsekhovsky në 1960. Pothuajse njëkohësisht me të, në vitin 1961, të njëjtën ide e shpreh edhe amerikani J. Nicholls nga Universiteti i Miçiganit.

Një motor shpërthyes rrotullues ose rrotullues është strukturalisht një dhomë djegie unazore, në të cilën karburanti furnizohet duke përdorur grykë të vendosur në mënyrë radiale. Vala e shpërthimit brenda dhomës nuk lëviz në drejtim aksial, si në PuVRD, por në një rreth, duke ngjeshur dhe djegur përzierjen e karburantit përpara saj dhe përfundimisht duke i shtyrë produktet e djegies nga hunda në të njëjtën mënyrë si vidha e një mulli mishi e shtyn mishin e grirë jashtë. Në vend të frekuencës së pulsimit, marrim frekuencën e rrotullimit të valës së shpërthimit, e cila mund të arrijë disa mijëra në sekondë, domethënë, praktikisht motori nuk funksionon si një motor pulsues, por si një motor rakete konvencionale me lëndë djegëse të lëngshme me djegie të palëvizshme, por shumë më efikase, pasi në të vërtetë ndodh shpërthimi i përzierjes së karburantit në të.

Në BRSS, si në SHBA, puna për një motor shpërthyes rrotullues kishte vazhduar që nga fillimi i viteve 1960, por përsëri, megjithë thjeshtësinë e dukshme të idesë, zbatimi i tij kërkonte zgjidhjen e çështjeve teorike të çuditshme. Si ta organizoni procesin në mënyrë që vala të mos shuhet? Ishte e nevojshme të kuptoheshin proceset më komplekse fizike dhe kimike që ndodhin në një mjedis të gaztë. Këtu llogaritja nuk u krye më në nivelin molekular, por në nivelin atomik, në kryqëzimin e kimisë dhe fizikës kuantike. Këto procese janë më komplekse se ato që ndodhin gjatë gjenerimit të një rreze lazer. Kjo është arsyeja pse lazeri ka punuar për një kohë të gjatë, por motori i shpërthimit jo. Për të kuptuar këto procese, ishte e nevojshme të krijohej një shkencë e re themelore - kinetika fiziko-kimike, e cila nuk ekzistonte 50 vjet më parë. Dhe për llogaritjen praktike të kushteve në të cilat vala e shpërthimit nuk do të shuhet, por do të bëhet e vetë-qëndrueshme, kërkoheshin kompjuterë të fuqishëm, të cilët u shfaqën vetëm vitet e fundit. Ky është themeli që duhej hedhur për suksesin praktik në zbutjen e shpërthimit.

Puna aktive në këtë drejtim është duke u zhvilluar në Shtetet e Bashkuara. Këto studime janë kryer nga Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Për shembull, Laboratori Kërkimor i Marinës së SHBA-së po zhvillon njësi turbinash gazi me shpërthim rrotullues për flotën. Marina amerikane operon 430 njësi turbinash me gaz në 129 anije, duke konsumuar tre miliardë dollarë karburant në vit. Futja e një shpërthimi më ekonomik motorët me turbina me gaz(GTD) do t'ju lejojë të kurseni shuma të mëdha parash.

Në Rusi, dhjetëra institute kërkimore dhe zyra projektimi kanë punuar dhe vazhdojnë të punojnë në motorët e shpërthimit. Midis tyre është NPO Energomash, një kompani lider në ndërtimin e motorëve në industrinë ruse të hapësirës, me shumë prej ndërmarrjeve të së cilës bashkëpunon Banka VTB. Zhvillimi i motorit të raketave me karburant të lëngshëm shpërthyes është kryer për shumë vite, por në mënyrë që maja e ajsbergut të kësaj pune të shkëlqejë në diell në formën e një testi të suksesshëm, pjesëmarrja organizative dhe financiare e kërkohej fondacioni i mirënjohur i Kërkimeve të Avancuara (APF). Ishte FPI që ndau fondet e nevojshme për krijimin në vitin 2014 të një laboratori të specializuar “Motorët e raketave të lëngshme Detonimi”. Në fund të fundit, megjithë 70 vjet kërkime, kjo teknologji mbetet ende "shumë premtuese" në Rusi për t'u financuar nga klientë si Ministria e Mbrojtjes, të cilët, si rregull, kanë nevojë për një rezultat praktik të garantuar. Dhe ka ende një rrugë shumë të gjatë për të bërë.

Zbutja e mendjemprehtësisë

Do të doja të besoja se pas gjithë asaj që u tha më sipër, vepra titanike që shfaqet midis rreshtave bëhet e qartë. mesazh i shkurter në lidhje me testet që u zhvilluan në Energomash në Khimki në korrik - gusht 2016: "Për herë të parë në botë, një mënyrë e qëndrueshme e shpërthimit të vazhdueshëm rrotullues të valëve tërthore të shpërthimit me një frekuencë prej rreth 20 kHz (frekuenca e rrotullimit të valës - 8 mijë rrotullime në sekondë) në avullin e karburantit u regjistrua "oksigjen - vajguri". Ishte e mundur të përftoheshin disa valë shpërthimi që balanconin dridhjet dhe ngarkesat e goditjes së njëra-tjetrës. Veshjet mbrojtëse ndaj nxehtësisë të zhvilluara posaçërisht në Qendrën M.V Keldysh ndihmuan në përballimin e ngarkesave me temperaturë të lartë. Motori i rezistoi disa ndezjeve në kushte të ngarkesave ekstreme të dridhjeve dhe temperaturave ultra të larta në mungesë të ftohjes së shtresës së murit. Një rol të veçantë në këtë sukses luajti krijimi i modeleve matematikore dhe injektorët e karburantit, i cili bëri të mundur marrjen e një përzierjeje të konsistencës së nevojshme për shpërthimin.”

Natyrisht, nuk duhet ekzagjeruar rëndësia e suksesit të arritur. U krijua vetëm një motor demonstrues, i cili funksionoi për një kohë relativisht të shkurtër dhe nuk raportohet asgjë për karakteristikat e tij reale. Sipas NPO Energomash, një motor rakete me lëndë djegëse të lëngshme shpërthyese do të rrisë shtytjen me 10% kur djeg të njëjtën sasi karburanti si në motor normal, dhe impulsi specifik i shtytjes duhet të rritet me 10-15%.

Krijimi i motorit të parë të raketave me përmasa të plota në botë i siguroi Rusisë një prioritet të rëndësishëm në historinë botërore të shkencës dhe teknologjisë.

Por rezultati kryesor është se është vërtetuar praktikisht mundësia e organizimit të djegies së shpërthimit në motorët me lëndë të lëngshme. Megjithatë, ka ende shumë për të bërë përpara se të përdoret kjo teknologji në avionët e vërtetë. Një tjetër aspekt i rëndësishëmështë një tjetër prioritet global në këtë fushë Teknologji e larte tani i është caktuar vendit tonë: për herë të parë në botë, në Rusi filloi të funksionojë një motor rakete me lëndë djegëse të lëngshme me shpërthim me madhësi të plotë, dhe ky fakt do të mbetet në historinë e shkencës dhe teknologjisë.

Zbatimi praktik i idesë së një motori rakete me lëndë të lëngshme shpërthyese kërkonte 70 vjet punë të palodhur nga shkencëtarët dhe projektuesit.

Foto: Fondacioni për Studim të Avancuar

Vlerësimi i përgjithshëm i materialit: 5

MATERIALE TË NGJASHME (SIPAS TAG):

Grafeni është transparent, magnetik dhe filtrues uji Babai i videos Alexander Ponyatov dhe AMPEX

Ekologjia e konsumit: Shkenca dhe teknologjia: Në fund të gushtit 2016, lajmet u përhapën në të gjithë botën: në një nga stendat e NPO Energomash në Khimki afër Moskës, motori i parë i raketave të lëngëta me madhësi të plotë (LPRE) në botë që përdor shpërthimin. filloi të funksionojë djegia e karburantit.

Në fund të gushtit 2016, lajmi u përhap nëpër agjencitë e lajmeve në mbarë botën: në një nga stendat e NPO Energomash në Khimki afër Moskës, filloi të funksionojë motori i parë i raketave të lëngëta me madhësi të plotë (LPRE) në botë që përdor djegien e karburantit me shpërthim. Shkenca dhe teknologjia ruse kanë lëvizur drejt kësaj ngjarje për 70 vjet.

Ideja e një motori shpërthyes u propozua nga fizikani sovjetik Ya B. Zeldovich në artikullin "Mbi përdorimin energjetik të djegies së shpërthimit", botuar në Journal of Technical Physics në vitin 1940. Që atëherë, kërkime dhe eksperimente janë kryer në të gjithë botën për zbatimin praktik të teknologjisë premtuese. Në këtë garë mendjesh, Gjermania, SHBA-ja dhe BRSS u larguan përpara. Dhe tani Rusia ka siguruar një prioritet të rëndësishëm në historinë botërore të teknologjisë. Vitet e fundit, vendi ynë nuk ka mundur shpesh të mburret me diçka të tillë.

Në kreshtën e një dallge

Cilat janë avantazhet e një motori shpërthyes? Në motorët tradicionalë me shtytës të lëngshëm, si dhe në motorët e avionëve konvencionalë me piston ose turbojet, përdoret energjia që lirohet kur digjet karburanti. Në këtë rast, një front i palëvizshëm i flakës formohet në dhomën e djegies së motorit të raketës me lëndë të lëngshme, djegia në të cilën ndodh me një presion konstant. Ky proces i djegies normale quhet deflagrim. Si rezultat i ndërveprimit të karburantit dhe oksiduesit, temperatura e përzierjes së gazit rritet ndjeshëm dhe një kolonë e zjarrtë e produkteve të djegies shpërthen nga hunda, të cilat formojnë shtytje jet.

Shpërthimi është gjithashtu djegie, por ndodh 100 herë më shpejt sesa me djegien e karburantit konvencional. Ky proces shkon aq shpejt sa shpërthimi shpesh ngatërrohet me një shpërthim, veçanërisht pasi ai lëshon aq shumë energji sa, për shembull, një motor makine mund të shembet kur ky fenomen ndodh në cilindrat e tij. Sidoqoftë, shpërthimi nuk është një shpërthim, por një lloj djegie aq i shpejtë sa që produktet e reagimit nuk kanë as kohë për t'u zgjeruar, kështu që ky proces, ndryshe nga deflagrimi, ndodh me një vëllim konstant dhe një presion në rritje të mprehtë.

Në praktikë, kjo duket si kjo: në vend të një fronti të palëvizshëm të flakës, një valë shpërthimi formohet në përzierjen e karburantit brenda dhomës së djegies, e cila lëviz me shpejtësi supersonike. Në këtë valë kompresimi, ndodh shpërthimi i përzierjes së karburantit dhe oksiduesit, dhe ky proces, nga pikëpamja termodinamike, është shumë më efikas se djegia konvencionale e karburantit. Efikasiteti i djegies së shpërthimit është 25-30% më i lartë, d.m.th., kur digjet e njëjta sasi karburanti, fitohet më shumë shtytje, dhe për shkak të kompaktësisë së zonës së djegies, një motor shpërthyes është teorikisht një rend i madhësisë më i lartë se ai konvencional. motorët e raketave me lëndë djegëse të lëngshme për sa i përket fuqisë për njësi vëllimi.

Vetëm kjo mjaftoi për të tërhequr vëmendjen më të ngushtë të specialistëve ndaj kësaj ideje. Në fund të fundit, stanjacioni që ka lindur tani në zhvillimin e astronautikës botërore, i mbërthyer në orbitën e ulët të Tokës për gjysmë shekulli, lidhet kryesisht me krizën në ndërtimin e motorit të raketave. Meqë ra fjala, edhe aviacioni është në krizë, i paaftë për të kaluar pragun e tre shpejtësive të zërit. Kjo krizë mund të krahasohet me situatën në avionët pistoni në fund të viteve 1930. Helika dhe motori me djegie të brendshme kanë shteruar potencialin e tyre dhe vetëm ardhja e motorëve reaktiv bëri të mundur arritjen e një niveli cilësisht të ri të lartësisë, shpejtësisë dhe gamës së fluturimit.

Gjatë dekadave të fundit, modelet e motorëve klasikë të raketave me lëndë djegëse të lëngëta janë lustruar në përsosmëri dhe pothuajse kanë arritur kufirin e aftësive të tyre. Është e mundur të rriten karakteristikat e tyre specifike në të ardhmen vetëm brenda kufijve shumë të vegjël - me disa përqind. Prandaj, astronautika botërore është e detyruar të ndjekë një rrugë të gjerë zhvillimi: për fluturimet me pilot në Hënë është e nevojshme të ndërtohen automjete gjigante lëshimi, dhe kjo është shumë e vështirë dhe tepër e shtrenjtë, të paktën për Rusinë. Një përpjekje për të kapërcyer krizën me ndihmën e motorëve bërthamorë hasi në probleme mjedisore. Mund të jetë shumë herët për të krahasuar pamjen e motorëve të raketave shpërthyese me kalimin e aviacionit në shtytje reaktiv, por ata janë mjaft të aftë për të përshpejtuar procesin e eksplorimit të hapësirës. Për më tepër, ky lloj motori reaktiv ka një avantazh tjetër shumë të rëndësishëm.
GRES në miniaturë

Për shembull, motori më i fuqishëm i raketave me lëndë të lëngshme në botë RD-170, i krijuar për fazën e parë të mjetit lëshues super të rëndë sovjetik Energia nga e njëjta NPO Energia, ka një presion në dhomën e djegies prej 250 atmosferash. Eshte shume. Por presioni në daljen e pompës së oksigjenit që pompon oksiduesin në dhomën e djegies arrin 600 atm. Për të drejtuar këtë pompë përdoret një turbinë 189 MW! Vetëm imagjinoni këtë: një rrotë turbine me diametër 0,4 m zhvillon një fuqi katër herë më të madhe se akullthyesi bërthamor Arktika me dy reaktorë bërthamorë! Në të njëjtën kohë, një TNA është një pajisje komplekse mekanike, boshti i së cilës bën 230 rrotullime në sekondë dhe duhet të punojë në një mjedis me oksigjen të lëngshëm, ku në tubacion është edhe shkëndija më e vogël, madje as një kokërr rërë. çon në një shpërthim. Teknologjia për krijimin e një pompe të tillë karburanti është njohuria kryesore e Energomash, zotërimi i së cilës i lejon kompanisë ruse të shesë motorët e saj sot për instalim në automjetet e lëshimit amerikan Atlas V dhe Antares. Nuk ka ende asnjë alternativë për motorët rusë në SHBA.

Kjo do të thotë, një motor shpërthyes jo vetëm që do të jetë më i fuqishëm dhe më ekonomik se një motor rakete konvencional me lëndë djegëse të lëngshme, por edhe një rend i madhësisë më i thjeshtë dhe më i lirë. Pra, pse kjo thjeshtësi nuk iu dha projektuesve për 70 vjet?
Problemi kryesor me të cilin u përballën inxhinierët ishte mënyra e përballimit të valës së shpërthimit. Çështja nuk është vetëm ta bëjmë motorin më të fortë në mënyrë që të përballojë ngarkesat e shtuara. Shpërthimi nuk është thjesht një valë shpërthimi, por diçka më dinake. Vala e shpërthimit udhëton me shpejtësinë e zërit, dhe vala e shpërthimit udhëton me shpejtësi supersonike - deri në 2500 m/s. Nuk formon një front të qëndrueshëm flakë, kështu që funksionimi i një motori të tillë është pulsues: pas çdo shpërthimi, është e nevojshme të rifreskoni përzierjen e karburantit dhe më pas të nisni një valë të re në të.

Përpjekjet për të krijuar një motor reaktiv pulsues u bënë shumë kohë përpara idesë së shpërthimit. Pikërisht në përdorimin e motorëve reaktivë pulsues ata u përpoqën të gjenin një alternativë ndaj motorëve me piston në vitet 1930. Përsëri, thjeshtësia ishte tërheqëse: ndryshe nga një turbinë avioni, një motor pulsues me frymëmarrje ajri (PJRE) nuk kërkonte një kompresor që rrotullohej me një shpejtësi prej 40,000 rpm për të pompuar ajrin në barkun e pangopshëm të dhomës së djegies dhe as të punonte me gaz. temperatura mbi 1000˚C turbina. Në PuVRD, presioni në dhomën e djegies krijoi pulsime në djegien e karburantit.

Ndërkohë, një skemë tjetër, shumë më premtuese ishte shpikur prej kohësh

Si një ketër në një rrotë

Puna aktive në këtë drejtim është duke u zhvilluar në Shtetet e Bashkuara. Këto studime kryhen nga Pratt & Whitney, General Electric dhe NASA. Për shembull, Laboratori Kërkimor i Marinës së SHBA-së po zhvillon njësi turbinash gazi me shpërthim rrotullues për flotën. Marina amerikane operon 430 njësi turbinash me gaz në 129 anije, duke konsumuar tre miliardë dollarë karburant në vit. Futja e motorëve më ekonomikë me turbina me gaz shpërthyes (GTE) do të kursejë shuma të mëdha parash.

Në Rusi, dhjetëra institute kërkimore dhe zyra projektimi kanë punuar dhe vazhdojnë të punojnë në motorët e shpërthimit. Midis tyre është NPO Energomash, një kompani lider në ndërtimin e motorëve në industrinë ruse të hapësirës, me shumë prej ndërmarrjeve të së cilës bashkëpunon Banka VTB. Zhvillimi i motorit të raketave me karburant të lëngshëm shpërthyes është kryer për shumë vite, por në mënyrë që maja e ajsbergut të kësaj pune të shkëlqejë në diell në formën e një testi të suksesshëm, pjesëmarrja organizative dhe financiare e kërkohej fondacioni i mirënjohur i Kërkimeve të Avancuara (APF). Ishte FPI ajo që ndau fondet e nevojshme për krijimin në vitin 2014 të një laboratori të specializuar “Motorët e raketave të lëngshme Detonation”. Në fund të fundit, megjithë 70 vjet kërkime, kjo teknologji mbetet ende "shumë premtuese" në Rusi për t'u financuar nga klientë si Ministria e Mbrojtjes, të cilët, si rregull, kanë nevojë për një rezultat praktik të garantuar. Dhe ka ende një rrugë shumë të gjatë për të bërë.

Zbutja e mendjemprehtësisë

Do të doja të besoja se pas gjithë asaj që u tha më lart, puna titanike që shfaqet midis rreshtave të raportit të shkurtër mbi testet që u zhvilluan në Energomash në Khimki në korrik - gusht 2016 bëhet e qartë: "Për herë të parë në në botë, një mënyrë e qëndrueshme e shpërthimit të vazhdueshëm të rrotullimit të valëve tërthore të shpërthimit me një frekuencë prej rreth 20 kHz (frekuenca e rrotullimit të valës - 8 mijë rrotullime në sekondë) në çiftin e karburantit "oksigjen - vajguri". Ishte e mundur të përftoheshin disa valë shpërthimi që balanconin dridhjet dhe ngarkesat e goditjes së njëra-tjetrës. Veshjet mbrojtëse ndaj nxehtësisë të zhvilluara posaçërisht në Qendrën M.V Keldysh ndihmuan në përballimin e ngarkesave me temperaturë të lartë. Motori i rezistoi disa ndezjeve në kushte të ngarkesave ekstreme të dridhjeve dhe temperaturave ultra të larta në mungesë të ftohjes së shtresës së murit. Një rol të veçantë në këtë sukses luajti krijimi i modeleve matematikore dhe injektorëve të karburantit, të cilët bënë të mundur marrjen e një përzierjeje të konsistencës së nevojshme për shpërthimin.

Natyrisht, nuk duhet ekzagjeruar rëndësia e suksesit të arritur. U krijua vetëm një motor demonstrues, i cili funksionoi për një kohë relativisht të shkurtër dhe nuk raportohet asgjë për karakteristikat e tij reale. Sipas NPO Energomash, një motor rakete me lëndë djegëse të lëngshme shpërthyese do të rrisë shtytjen me 10% kur djeg të njëjtën sasi karburanti si në një motor konvencional, dhe impulsi specifik i shtytjes duhet të rritet me 10-15%.

Por rezultati kryesor është se është vërtetuar praktikisht mundësia e organizimit të djegies së shpërthimit në motorët me lëndë të lëngshme. Megjithatë, ka ende shumë për të bërë përpara se të përdoret kjo teknologji në avionët e vërtetë. Një aspekt tjetër i rëndësishëm është se një tjetër prioritet botëror në fushën e teknologjisë së lartë i është caktuar tashmë vendit tonë: për herë të parë në botë, në Rusi u lançua një motor rakete me lëndë djegëse të lëngët me shpërthim të përmasave të plota dhe ky fakt do të mbetet në historia e shkencës dhe teknologjisë. botuar

Publikimi Military-Industrial Courier raporton lajme të shkëlqyera nga fusha e teknologjive të raketave përparimtare. Një motor rakete shpërthyese është testuar në Rusi, tha zëvendëskryeministri Dmitry Rogozin në faqen e tij në Facebook të premten.

"Të ashtuquajturat motorë raketash detonimi të zhvilluara në kuadër të programit të Fondacionit të Kërkimit të Avancuar janë testuar me sukses," citon Interfax-AVN Zëvendëskryeministrin.

Besohet se një motor rakete me shpërthim është një nga mënyrat për të zbatuar konceptin e të ashtuquajturit hipertingull motorik, domethënë krijimi i avionëve hipersonikë të aftë për të motorin e vet arrijnë shpejtësi 4 - 6 Mach (Mach është shpejtësia e zërit).

Portali russia-reborn.ru ofron një intervistë me një nga specialistët kryesorë të specializuar të motorëve në Rusi në lidhje me motorët e raketave me shpërthim.

Intervistë me Petr Levochkin, projektuesi kryesor i NPO Energomash me emrin. Akademiku V.P. Glushko”.

Motorët po krijohen për raketat hipersonike të së ardhmes
Të ashtuquajturat motorë raketash detonimi janë testuar me sukses, duke dhënë rezultate shumë interesante. Puna zhvillimore në këtë drejtim do të vazhdojë.

Shpërthimi është një shpërthim. A mund të bëhet i menaxhueshëm? A është e mundur të krijohen armë hipersonike bazuar në motorë të tillë? Cilët motorë raketash do të lëshojnë mjete të pabanuara dhe me njerëz në hapësirën e afërt? Ne biseduam për këtë me Zëvendës Drejtorin e Përgjithshëm - Kryeprojektues i OJF-së Energomash me emrin. Akademiku V.P. Glushko” nga Pyotr Levochkin.

Petr Sergeevich, çfarë mundësish hapin motorët e rinj?

Petr Levochkin: Nëse flasim për të ardhmen e afërt, sot po punojmë për motorë për raketa si Angara A5V dhe Soyuz-5, si dhe të tjera që janë në fazën e para-projektimit dhe të panjohura për publikun e gjerë. Në përgjithësi, motorët tanë janë krijuar për të hequr një raketë nga sipërfaqja e një trupi qiellor. Dhe mund të jetë çdo gjë - tokësore, hënore, marsiane. Pra, nëse zbatohen programe hënore ose marsiane, ne patjetër do të marrim pjesë në to.

Cili është efikasiteti i motorëve modernë të raketave dhe a ka mënyra për t'i përmirësuar ato?

Petr Levochkin: Nëse flasim për parametrat energjetik dhe termodinamik të motorëve, atëherë mund të themi se motorët tanë, si dhe motorët më të mirë të raketave kimike të huaja sot, kanë arritur një përsosmëri të caktuar. Për shembull, plotësia e djegies së karburantit arrin 98.5 përqind. Kjo do të thotë, pothuajse e gjithë energjia kimike e karburantit në motor shndërrohet në energji termike të rrjedhës së gazit që rrjedh nga hunda.

Motorët mund të përmirësohen në drejtime të ndryshme. Kjo përfshin përdorimin e komponentëve të karburantit që kërkojnë më shumë energji, futjen e zgjidhjeve të reja të qarkut dhe një rritje të presionit në dhomën e djegies. Një drejtim tjetër është përdorimi i teknologjive të reja, përfshirë aditivët, për të zvogëluar intensitetin e punës dhe, si pasojë, për të ulur koston e motorit të raketës. E gjithë kjo çon në një ulje të kostos së ngarkesës së nisur.

Megjithatë, me një ekzaminim më të afërt, bëhet e qartë se rritja e performancës energjetike të motorëve mënyrë tradicionale joefektive.

Përdorimi i një shpërthimi të kontrolluar të shtytësit mund t'i japë një rakete shpejtësi tetë herë më të madhe se shpejtësia e zërit
Pse?

Petr Levochkin: Rritja e presionit dhe rrjedhës së karburantit në dhomën e djegies do të rrisë natyrshëm shtytjen e motorit. Por kjo do të kërkojë rritjen e trashësisë së mureve të dhomës dhe pompave. Si rezultat, kompleksiteti i strukturës dhe masa e saj rriten, fitimi i energjisë nuk është aq i madh. Loja nuk do t'ia vlejë qiriun.

Kjo do të thotë, motorët e raketave kanë shteruar burimin e tyre të zhvillimit?

Petr Levochkin: Jo saktësisht. Në aspektin teknik, ato mund të përmirësohen duke rritur efikasitetin e proceseve intramotorike. Ekzistojnë cikle të shndërrimit termodinamik të energjisë kimike në energjinë e avionit që del, të cilat janë shumë më efikase se djegia klasike e karburantit të raketës. Ky është cikli i djegies së shpërthimit dhe cikli i Humphrey-t i lidhur ngushtë.

Vetë efekti i shpërthimit të karburantit u zbulua nga bashkatdhetari ynë, akademiku i mëvonshëm Yakov Borisovich Zeldovich, në vitin 1940. Zbatimi i këtij efekti në praktikë premtoi perspektiva shumë të mëdha në shkencën e raketave. Nuk është për t'u habitur që në ato vite gjermanët studiuan në mënyrë aktive procesin e djegies së shpërthimit. Por ata nuk përparuan përtej eksperimenteve jo plotësisht të suksesshme.

Llogaritjet teorike kanë treguar se djegia e shpërthimit është 25 për qind më efikase sesa cikli izobarik që korrespondon me djegien e karburantit me presion konstant, i cili zbatohet në dhomat e motorëve modernë me lëndë të lëngshme.

Cilat janë avantazhet e djegies së shpërthimit në krahasim me djegien klasike?

Petr Levochkin: Procesi klasik i djegies është nënsonik. Shpërthimi - supersonik. Shpejtësia e reagimit në një vëllim të vogël çon në lëshim të madh të nxehtësisë - është disa mijëra herë më e lartë se gjatë djegies nënsonike, e zbatuar në motorët klasikë të raketave me të njëjtën masë të karburantit që digjet. Dhe për ne, inxhinierët e motorëve, kjo do të thotë se me dimensione dukshëm më të vogla të motorit të shpërthimit dhe me një masë të ulët karburanti, ne mund të marrim të njëjtën shtytje si në motorët e mëdhenj të raketave të lëngëta moderne.

Nuk është sekret që motorët me djegie të karburantit me shpërthim po zhvillohen edhe jashtë vendit. Cilat janë pozicionet tona? A jemi inferiorë, jemi në nivelin e tyre, apo po udhëheqim?

Petr Levochkin: Ne nuk po dorëzohemi - kjo është e sigurt. Por nuk mund të them se jemi në krye. Tema eshte mjaft e mbyllur. Një nga sekretet kryesore teknologjike është se si të sigurohet që karburanti dhe oksiduesi i një motori rakete të mos digjen, por të shpërthejnë, pa shkatërruar dhomën e djegies. Kjo do të thotë, të bësh në të vërtetë një shpërthim të vërtetë të kontrolluar dhe të menaxhueshëm. Për referencë: shpërthimi është djegia e karburantit në pjesën e përparme të një valë goditëse supersonike. Bëhet dallimi midis shpërthimit pulsues, kur një valë goditëse lëviz përgjatë boshtit të dhomës dhe njëra zëvendëson tjetrën, si dhe shpërthimit të vazhdueshëm (spin), kur valët goditëse në dhomë lëvizin në formë rrethi.

Me sa dimë, studimet eksperimentale të djegies së shpërthimit janë kryer me pjesëmarrjen e specialistëve tuaj. Çfarë rezultatesh u morën?

Petr Levochkin: Puna u krye për të krijuar një dhomë model të një motori rakete me shpërthim të lëngshëm. Një bashkëpunim i madh i qendrave kryesore shkencore në Rusi punoi në projekt nën patronazhin e Fondacionit për Kërkime të Avancuara. Midis tyre janë Instituti i Hidrodinamikës me emrin. M.A. Lavrentyev, MAI, "Qendra Keldysh", Instituti Qendror i Inxhinierisë së Motorëve të Aviacionit me emrin. P.I. Baranova, Fakulteti i Mekanikës dhe Matematikës, Universiteti Shtetëror i Moskës. Ne propozuam përdorimin e vajgurit si lëndë djegëse dhe oksigjenin e gaztë si oksidues. Në procesin e hulumtimit teorik dhe eksperimental, u konfirmua mundësia e krijimit të një motori rakete shpërthimi duke përdorur përbërës të tillë. Bazuar në të dhënat e marra, ne zhvilluam, prodhuam dhe testuam me sukses një dhomë model shpërthimi me një shtytje prej 2 tonësh dhe një presion në dhomën e djegies prej rreth 40 atm.

Ky problem u zgjidh për herë të parë jo vetëm në Rusi, por edhe në botë. Pra, sigurisht që kishte probleme. Së pari, lidhet me sigurimin e një shpërthimi të qëndrueshëm të oksigjenit me vajguri, dhe së dyti, me sigurimin e ftohjes së besueshme të murit të zjarrit të dhomës pa ftohje perde dhe një sërë problemesh të tjera, thelbi i të cilave është i kuptueshëm vetëm për specialistët.

Është shqyrtuar problemi i zhvillimit të motorëve të shpërthimit pulsues. Kryesor qendrave shkencore, duke udhëhequr kërkimin mbi motorët e gjeneratës së re. Janë marrë parasysh drejtimet dhe tendencat kryesore në zhvillimin e dizajnit të motorëve të shpërthimit. Janë paraqitur llojet kryesore të motorëve të tillë: pulsues, me shumë tuba pulsues, pulsues me një rezonator me frekuencë të lartë. Tregohet ndryshimi në metodën e gjenerimit të shtytjes në krahasim me një motor klasik reaktiv të pajisur me një hundë Laval. Është përshkruar koncepti i një muri tërheqës dhe një moduli tërheqës. Është treguar se pulsohet motorët e shpërthimit po përmirësohen në drejtim të rritjes së shkallës së përsëritjes së pulsit dhe ky drejtim ka të drejtën e jetës në fushën e mjeteve ajrore të lehta dhe të lira pa pilot, si dhe në zhvillimin e amplifikatorëve të ndryshëm të shtytjes së ejektorit. Tregohen vështirësitë kryesore të një natyre themelore në modelimin e një fluksi turbulent detonimi duke përdorur paketat llogaritëse të bazuara në përdorimin e modeleve diferenciale të turbulencës dhe mesatarizimin e ekuacioneve Navier-Stokes me kalimin e kohës.

motori i shpërthimit

motori i shpërthimit të pulsit

1. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Historia e studimeve eksperimentale të presionit të poshtëm // Hulumtimi Bazë. – 2011. – Nr.12 (3). – fq 670–674.

2. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V. Luhatjet në presionin e poshtëm // Kërkim themelor. – 2012. – Nr.3. – F. 204–207.

3. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Prodan N.V.. Veçoritë e përdorimit të modeleve të turbulencës në llogaritjen e rrjedhave në kanalet supersonike premtuese motorët që marrin frymë ajri// Motori. – 2012. – Nr. 1. – F. 20–23.

4. Bulat P.V., Zasukhin O.N., Uskov V.N. Mbi klasifikimin e regjimeve të rrjedhës në një kanal me zgjerim të papritur // Termofizikë dhe Aeromekanikë. – 2012. – Nr 2. – F. 209–222.

5. Bulat P.V., Prodan N.V. Mbi luhatjet e rrjedhës me frekuencë të ulët të presionit të poshtëm // Kërkim themelor. – 2013. – Nr.4 (3). – fq 545–549.

6. Larionov S.Yu., Nechaev Yu.N., Mokhov A.A. Hulumtimi dhe analiza e spastrimeve "të ftohta" të modulit tërheqës të një motori shpërthimi pulsues me frekuencë të lartë // Vestnik MAI. – T.14. – Nr.4 – M.: Shtëpia botuese MAI-Print, 2007. – F. 36–42.

7. Tarasov A.I., Shchipakov V.A. Perspektivat për përdorimin e teknologjive të shpërthimit pulsues në motor turbojet. SHA NPO Qendra Shkencore dhe Teknike Saturn me emrin. A. Lyulki, Moskë, Rusi. Instituti i Aviacionit në Moskë (GTU). - Moskë, Rusi. ISSN 1727-7337. Inxhinieria dhe teknologjia e hapësirës ajrore, 2011. – Nr. 9 (86).

Projektet e djegies së shpërthimeve në SHBA janë përfshirë në programin e zhvillimit motorë premtues IHPTET. Bashkëpunimi përfshin pothuajse të gjitha qendrat kërkimore që punojnë në fushën e ndërtimit të motorëve. Vetëm NASA ndan deri në 130 milionë dollarë në vit për këto qëllime. Kjo dëshmon rëndësinë e hulumtimit në këtë drejtim.

Rishikimi i punës në fushën e motorëve të shpërthimit

Strategjia e tregut e prodhuesve kryesorë në botë synon jo vetëm zhvillimin e motorëve të rinj të shpërthimit të avionëve, por edhe modernizimin e atyre ekzistues duke zëvendësuar dhomën e tyre tradicionale të djegies me një shpërthim shpërthimi. Përveç kësaj, motorët e shpërthimit mund të bëhen një element integral i instalimeve të kombinuara lloje të ndryshme, për shembull, përdoret si një djegës pasardhës i një motori turbofan, si motorë ngritës ejektor në një avion VTOL (shembull në Fig. 1 - Projekti VTOL i transportit Boeing).

Në SHBA, zhvillimi i motorëve të shpërthimit kryhet nga shumë qendra kërkimore dhe universitete: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Institucionet Kërkimore të Mbrojtjes, Suffield dhe Valcartier, Uniyersite de Poitiers, Universiteti i Teksasit në Arlington, Uniyersite de Poitiers, Universiteti McGill, Universiteti Shtetëror i Pensilvanisë, Universiteti Princeton.

Pozicioni kryesor në zhvillimin e motorëve të shpërthimit është i zënë nga qendra e specializuar Seattle Aerosciences Center (SAC), e blerë në 2001 nga Pratt dhe Whitney nga Adroit Systems. Pjesa më e madhe e punës së qendrës financohet nga Forcat Ajrore dhe NASA nga buxheti i programit ndër-departamental të Integruar të Teknologjisë së Propulsionit të Raketave me Shpërblim të Lartë (IHPRPTP), që synon krijimin e teknologjive të reja për lloje të ndryshme motorësh reaktivë.

Oriz. 1. Patenta US 6,793,174 B2 nga Boeing, 2004.

Në total, që nga viti 1992, specialistët e qendrës SAC kanë kryer mbi 500 teste në stol të mostrave eksperimentale. Puna në motorët me shpërthim pulsues (PDE) me konsum oksigjenit atmosferik Qendra SAC është porositur nga Marina e SHBA. Duke pasur parasysh kompleksitetin e programit, specialistët e Marinës përfshinin pothuajse të gjitha organizatat e përfshira në motorët e shpërthimit në zbatimin e tij. Përveç Pratt dhe Whitney, puna përfshin Qendrën Kërkimore të Teknologjive të Bashkuara (UTRC) dhe Boeing Phantom Works.

Aktualisht në vendin tonë universitetet dhe institutet e mëposhtme po punojnë për këtë problem aktual në aspektin teorik: Akademia Ruse Shkenca (RAS): Instituti i Fizikës Kimike i Akademisë së Shkencave Ruse (ICP), Instituti i Shkencave Mekanike të Akademisë së Shkencave Ruse, Instituti i Temperaturave të Larta të Akademisë së Shkencave Ruse (IVTAN), Instituti i Hidrodinamikës i Novosibirsk me emrin . Lavrentiev (IGIL), Instituti i Mekanikës Teorike dhe të Aplikuar me emrin. Khristianovich (ITMP), Instituti Fiziko-Teknik me emrin. Ioffe, Universiteti Shtetëror i Moskës (MSU), Instituti Shtetëror i Aviacionit të Moskës (MAI), Universiteti Shtetëror i Novosibirsk, Universiteti Shtetëror Cheboksary, Universiteti Shtetëror i Saratovit, etj.

Udhëzimet e punës në motorët e shpërthimit të pulsit

Drejtimi nr. 1 - Motori klasik i shpërthimit të pulsit (PDE). Dhoma e djegies së një motori tipik reaktiv përbëhet nga grykë për përzierjen e karburantit me një oksidues, një pajisje për ndezjen e përzierjes së karburantit dhe vetë tubin e flakës, në të cilin ndodhin reaksionet redoks (djegia). Tubi i flakës përfundon me një hundë. Si rregull, kjo është një hundë Laval, e cila ka një pjesë konike, një seksion minimal kritik në të cilin shpejtësia e produkteve të djegies është e barabartë me shpejtësinë lokale të zërit, një pjesë zgjeruese në të cilën presioni statik i produkteve të djegies është reduktuar në një presion prej mjedisi, sa më shumë që të jetë e mundur. Shumë përafërsisht, mund të vlerësohet shtytja e motorit si zona kritike e prerjes tërthore të hundës shumëzuar me diferencën e presionit në dhomën e djegies dhe mjedisin. Prandaj, sa më i lartë të jetë presioni në dhomën e djegies, aq më i lartë është shtytja.

Shtytja e një motori me shpërthim pulsues përcaktohet nga faktorë të tjerë - transferimi i impulsit nga vala e shpërthimit në murin e shtytjes. Në këtë rast, një hundë nuk nevojitet fare. Motorët e shpërthimit të pulsit kanë vendin e tyre - avionët e lirë dhe të disponueshëm. Në këtë vend, ata po zhvillohen me sukses në drejtim të rritjes së shkallës së përsëritjes së pulsit.

Pamja klasike e IDD është një dhomë djegëse cilindrike, e cila ka një mur të sheshtë ose të profilizuar posaçërisht, i quajtur "muri i shtytjes" (Fig. 2). Thjeshtësia e pajisjes IDD është avantazhi i saj i pamohueshëm. Siç tregon një analizë e botimeve të disponueshme, pavarësisht nga shumëllojshmëria e skemave të propozuara IPD, të gjitha ato karakterizohen nga përdorimi i tubave të shpërthimit me gjatësi të konsiderueshme si pajisje rezonante dhe përdorimi i valvulave që sigurojnë furnizim periodik të lëngut të punës.

Duhet të theksohet se IPD-të e krijuara në bazë të tubave tradicionalë të shpërthimit, pavarësisht nga efikasiteti i lartë termodinamik në një pulsim të vetëm, kanë disavantazhe karakteristike të motorëve klasikë pulsues me frymëmarrje, përkatësisht:

Frekuenca e ulët (deri në 10 Hz) e pulsimeve, e cila përcakton nivelin relativisht të ulët të efikasitetit mesatar të tërheqjes;

Ngarkesa të larta termike dhe vibruese.

Oriz. 2. Diagram skematik motori i shpërthimit të pulsit (PDE)

Drejtimi nr. 2 - Kontrolli i trafikut me shumë tuba. Tendenca kryesore në zhvillimin e IDD është kalimi në një skemë me shumë tuba (Fig. 3). Në motorë të tillë, frekuenca e funksionimit të një tubi individual mbetet e ulët, por duke alternuar pulset në tuba të ndryshëm, zhvilluesit shpresojnë të marrin karakteristika specifike të pranueshme. Një skemë e tillë duket mjaft e zbatueshme nëse zgjidhet problemi i dridhjeve dhe asimetrisë së shtytjes, si dhe problemi i presionit në fund, në veçanti, lëkundjet e mundshme me frekuencë të ulët në zonën e poshtme midis tubave.

Oriz. 3. Motori i shpërthimit të pulsit (PDE) i një dizajni tradicional me një paketë tubash shpërthimi si rezonatorë

Drejtimi nr. 3 - IDD me rezonator me frekuencë të lartë. Ekziston edhe një drejtim alternativ - një skemë e reklamuar gjerësisht së fundmi me module tërheqëse (Fig. 4) që kanë një rezonator të profilizuar posaçërisht me frekuencë të lartë. Në këtë drejtim po punohet në Qendrën Shkencore dhe Teknike me emrin. A. Lyulka dhe në MAI. Qarku dallohet nga mungesa e ndonjë valvule mekanike dhe pajisjeve të ndezjes me ndërprerje.

Moduli i tërheqjes IDD i qarkut të propozuar përbëhet nga një reaktor dhe një rezonator. Reaktori përdoret për të përgatitur përzierje karburant-ajër te djegia e shpërthimit, duke dekompozuar molekulat e përzierjes së djegshme në përbërës kimikisht aktivë. Një diagram skematik i një cikli të funksionimit të një motori të tillë është paraqitur qartë në Fig. 5.

Duke ndërvepruar me sipërfaqen e poshtme të rezonatorit si pengesë, vala e shpërthimit gjatë procesit të përplasjes transferon tek ajo një impuls nga forcat e presionit të tepërt.

IPD-të me rezonatorë me frekuencë të lartë kanë të drejtën e suksesit. Në veçanti, ata mund të pretendojnë të modernizojnë pas djegësit dhe të rafinojnë motorët e thjeshtë turbojet, përsëri të destinuar për UAV-të e lirë. Një shembull janë përpjekjet e MAI dhe CIAM për të modernizuar motorin turbojet MD-120 në këtë mënyrë duke zëvendësuar dhomën e djegies me një reaktor aktivizimi të përzierjes së karburantit dhe duke instaluar module tërheqëse me rezonatorë me frekuencë të lartë prapa turbinës. Deri më tani nuk ka qenë e mundur të krijohet një dizajn i zbatueshëm, sepse... Gjatë profilizimit të rezonatorëve, autorët përdorin teorinë lineare të valëve të kompresimit, d.m.th. Llogaritjet kryhen në përafrim akustik. Dinamika e valëve të shpërthimit dhe valëve të kompresimit përshkruhet nga një aparat matematikor krejtësisht i ndryshëm. Përdorimi i paketave standarde numerike për llogaritjen e rezonatorëve me frekuencë të lartë ka një kufizim themelor. Të gjitha modele moderne turbulencat bazohen në mesataren e ekuacioneve Navier-Stokes (ekuacionet bazë të dinamikës së gazit) me kalimin e kohës. Për më tepër, supozimi i Boussinesq është prezantuar se tensori i stresit të fërkimit turbulent është proporcional me gradientin e shpejtësisë. Të dy supozimet nuk janë të kënaqura në rrjedhat turbulente me valë goditëse nëse frekuencat karakteristike janë të krahasueshme me frekuencën e pulsimit turbulent. Fatkeqësisht, kemi të bëjmë vetëm me një rast të tillë, ndaj këtu është e nevojshme ose të ndërtohet një model më shumë nivel të lartë, ose modelim numerik të drejtpërdrejtë bazuar në ekuacionet e plota Navier-Stokes pa përdorur modele turbulence (një detyrë që është e pamundur në fazën aktuale).

Oriz. 4. Qarku IDD me rezonator me frekuencë të lartë

Oriz. 5. Skema e IPD me rezonator me frekuencë të lartë: SZS - avion supersonik; SW - valë goditëse; F - fokusi i rezonatorit; DV - vala e shpërthimit; VR - vala e rrallimit; RSW - vala goditëse e reflektuar

IPD-të po përmirësohen në drejtim të rritjes së shkallës së përsëritjes së pulsit. Ky drejtim ka të drejtën e tij të jetës në fushën e mjeteve ajrore të lehta dhe të lira pa pilot, si dhe në zhvillimin e amplifikatorëve të ndryshëm të shtytjes së ejektorit.

Rishikuesit:

Uskov V.N., Doktor i Shkencave Teknike, Profesor i Departamentit të Hidroaeromekanikës të Universitetit Shtetëror të Shën Petersburgut, Fakulteti i Matematikës dhe Mekanikës, Shën Petersburg;

Emelyanov V.N., Doktor i Shkencave Teknike, Profesor, Shef i Departamentit të Dinamikës së Gazit Plazmatik dhe Inxhinierisë Termike, BSTU "VOENMEH" me emrin. D.F. Ustinova, Shën Petersburg.

Punimi u prit nga redaktori më 14 tetor 2013.

Lidhje bibliografike

Bulat P.V., Prodan N.V. RISHQYRTIM I PROJEKTEVE TË MOTORIT TË SHPERTITJES. MOTORËT PULSE // Kërkime themelore. – 2013. – Nr.10-8. – S. 1667-1671;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (data e hyrjes: 07/29/2019). Ne sjellim në vëmendjen tuaj revistat e botuara nga shtëpia botuese "Akademia e Shkencave të Natyrës"