Рассмотрена проблема разработки импульсных детонационных двигателей. Перечислены основные научные центры, ведущие исследования по двигателям нового поколения. Рассмотрены основные направления и тенденции развития конструкции детонационных двигателей. Представлены основные типы таких двигателей: импульсный, импульсный многотрубный, импульсный с высокочастотным резонатором. Показано отличие в способе создания тяги по сравнению с классическим реактивным двигателем, оснащенным соплом Лаваля. Описано понятие тяговой стенки и тягового модуля. Показано, что импульсные детонационные двигатели совершенствуются в направлении повышения частоты следования импульсов, и это направление имеет свое право на жизнь в области легких и дешевых беспилотных летательных аппаратов, а также при разработке различных эжекторных усилителей тяги. Показаны основные сложности принципиального характера в моделировании детонационного турбулентного течения с использованием вычислительных пакетов, основанных на применении дифференциальных моделей турбулентности и осреднения уравнений Навье–Стокса по времени.
детонационный двигатель
импульсный детонационный двигатель
1. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. История экспериментальных исследований донного давления // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12 (3). – С. 670–674.
2. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. Колебания донного давления // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3. – С. 204–207.
3. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В.. Особенности применения моделей турбулентности при расчете течений в сверхзвуковых трактах перспективных воздушно-реактивных двигателей // Двигатель. – 2012. – № 1. – С. 20–23.
4. Булат П.В., Засухин О.Н., Усков В.Н. О классификации режимов течения в канале с внезапным расширением // Теплофизика и Аэромеханика. – 2012. – № 2. – С. 209–222.
5. Булат П.В., Продан Н.В. О низкочастотных расходных колебаниях донного давления // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4 (3). – С. 545–549.
6. Ларионов С.Ю., Нечаев Ю.Н., Мохов А.А. Исследование и анализ «холодных» продувок тягового модуля высокочастотного пульсирующего детонационного двигателя // Вестник МАИ. – Т.14. – № 4 – М.: Изд-во МАИ-Принт, 2007. – С. 36–42.
7. Тарасов А.И., Щипаков В.А. Перспективы использования пульсирующих детонационных технологий в турбореактивных двигателя. ОАО «НПО «Сатурн» НТЦ им. А. Люльки, Москва, Россия. Московский авиационный институт (ГТУ). – Москва, Россия. ISSN 1727-7337. Авиационно-космическая техника и технология, 2011. – № 9 (86).
Проекты по детонационному горению в США включены в программу разработок перспективных двигателей IHPTET. В кооперацию входят практически все исследовательские центры, работающие в области двигателестроения. Только в NASA на эти цели выделяется до 130 млн $ в год. Это доказывает актуальность исследований в данном направлении.
Обзор работ в области детонационных двигателей
Рыночная стратегия ведущих мировых производителей направлена не только на разработку новых реактивных детонационных двигателей, но и на модернизацию существующих путем замены в них традиционной камеры сгорания на детонационную. Кроме того, детонационные двигатели могут стать составным элементом комбинированных установок различных типов, например, использоваться в качестве форсажной камеры ТРДД, в качестве подъемных эжекторных двигателей в СВВП (пример на рис. 1 - проект транспортного СВВП фирмы «Боинг»).
В США разработки детонационных двигателей ведут многие научные центры и университеты: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield and Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.
Ведущие позиции по разработке детонационных двигателей занимает специализированный центр Seattle Aerosciences Center (SAC), выкупленный в 2001 г. компанией Pratt and Whitney у фирмы Adroit Systems. Большая часть работ центра финансируется ВВС и NASA из бюджета межведомственной программы Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), направленной на создание новых технологий для реактивных двигателей различных типов.
Рис. 1. Патент US 6,793,174 В2 фирмы «Боинг», 2004 г.
В общей сложности, начиная с 1992 г., специалистами центра SAC осуществлено свыше 500 стендовых испытаний экспериментальных образцов. Работы по пульсирующим детонационным двигателям (PDE) с потреблением атмосферного кислорода Центр SAC ведет по заказу ВМС США. Учитывая сложность программы, специалисты ВМС привлекли к ее реализации практически все организации, занимающиеся детонационными двигателями. Кроме компании Pratt and Whitney, в работах принимают участие Исследовательский центр United Technologies Research Center (UTRC) и фирма Boeing Phantom Works.
В настоящее время в нашей стране над этой актуальной проблемой в теоретическом плане работают следующие университеты и институты Российской академии наук (РАН): Институт химической физики РАН (ИХФ), Институт машиноведения РАН, Институт высоких температур РАН (ИВТАН), Новосибирский институт гидродинамики им. Лаврентьева (ИГиЛ), Институт теоретической и прикладной механики им. Христиановича (ИТМП), Физико-технический институт им. Иоффе, Московский государственный университет (МГУ), Московский государственный авиационный институт (МАИ), Новосибирский государственный университет, Чебоксарский государственный университет, Саратовский государственный университет и др.
Направления работ по импульсным детонационным двигателям
Направление № 1 - Классический импульсный детонационный двигатель (ИДД). Камера сгорания типичного реактивного двигателя состоит из форсунок для смешения топлива с окислителем, устройства поджигания топливной смеси и собственно жаровой трубы, в которой идут окислительно-восстановительные реакции (горение). Жаровая труба заканчивается соплом. Как правило, это сопло Лаваля, имеющее сужающуюся часть, минимальное критическое сечение, в котором скорость продуктов сгорания равна местной скорости звука, расширяющуюся часть, в которой статическое давление продуктов сгорания снижается до давления в окружающей среде, насколько это возможно. Очень грубо можно оценить тягу двигателя как площадь критического сечения сопла, умноженную на разность давления в камере сгорания и окружающей среде. Поэтому тяга тем выше, чем выше давление в камере сгорания.
Тяга импульсного детонационного двигателя определяется другими факторами - передачей импульса детонационной волной тяговой стенке. Сопло в этом случае вообще не нужно. Импульсные детонационные двигатели имеют свою нишу - дешевые и одноразовые летательные аппараты. В этой нише они успешно развиваются в направлении повышения частоты следования импульсов.
Классический облик ИДД - цилиндрическая камера сгорания, которая имеет плоскую или специально спрофилированную стенку, именуемую «тяговой стенкой» (рис. 2). Простота устройства ИДД - неоспоримое его достоинство. Как показывает анализ имеющихся публикаций , несмотря на многообразие предлагаемых схем ИДД, всем им свойственно использование в качестве резонансных устройств детонационных труб значительной длины и применение клапанов, обеспечивающих периодическую подачу рабочего тела.
Следует отметить, что ИДД, созданным на базе традиционных детонационных труб, несмотря на высокую термодинамическую эффективность в единичной пульсации, присущи недостатки, характерные для классических пульсирующих воздушно-реактивных двигателей, а именно:
Низкая частота (до 10 Гц) пульсаций, что и определяет относительно невысокий уровень средней тяговой эффективности;
Высокие тепловые и вибрационные нагрузки.
Рис. 2. Принципиальная схема импульсно-детонационного двигателя (ИДД)
Направление № 2 - Многотрубный ИДД. Основной тенденцией при разработках ИДД является переход к многотрубной схеме (рис. 3). В таких двигателях частота работы отдельной трубы остается низкой, но за счет чередования импульсов в разных трубах разработчики надеются получить приемлемые удельные характеристики. Такая схема представляется вполне работоспособной, если решить проблему вибраций и асимметрии тяги, а также проблему донного давления , в частности, возможных низкочастотных колебаний в донной области между трубами.
Рис. 3. Импульсно-детонационный двигатель (ИДД) традиционной схемы с пакетом детонационных труб в качестве резонаторов
Направление № 3 - ИДД с высокочастотным резонатором. Существует и альтернативное направление - широко разрекламированная в последнее время схема с тяговыми модулями (рис. 4), имеющими специально спрофилированный высокочастотный резонатор. Работы в данном направлении ведутся в НТЦ им. А. Люльки и в МАИ . Схема отличается отсутствием каких-либо механических клапанов и запальных устройств прерывистого действия.
Тяговый модуль ИДД предлагаемой схемы состоит из реактора и резонатора. Реактор служит для подготовки топливно-воздушной смеси к детонационному сгоранию, разлагая молекулы горючей смеси на химически активные составляющие. Принципиальная схема одного цикла работы такого двигателя наглядно представлена на рис. 5.
Взаимодействуя с донной поверхностью резонатора как с препятствием, детонационная волна в процессе соударения передает ей импульс от сил избыточного давления.
ИДД с высокочастотными резонаторами имеют право на успех. В частности, они могут претендовать на модернизацию форсажных камер и доработку простых ТРД, предназначенных опять же для дешевых БПЛА. В качестве примера можно привести попытки МАИ и ЦИАМ модернизировать таким образом ТРД МД-120 за счет замены камеры сгорания реактором активации топливной смеси и установкой за турбиной тяговых модулей с высокочастотными резонаторами. Пока работоспособную конструкцию создать не удалось, т.к. при профилировании резонаторов авторами используется линейная теория волн сжатия, т.е. расчеты ведутся в акустическом приближении. Динамика же детонационных волн и волн сжатия описывается совсем другим математическим аппаратом. Использование стандартных численных пакетов для расчета высокочастотных резонаторов имеет ограничение принципиального характера . Все современные модели турбулентности основаны на осреднении уравнений Навье-Стокса (базовые уравнения газовой динамики) по времени. Кроме того, вводится предположение Буссинеска, что тензор напряжения турбулентного трения пропорционален градиенту скорости. Оба предположения не выполняются в турбулентных потоках с ударными волнами, если характерные частоты сопоставимы с частотой турбулентной пульсации. К сожалению, мы имеем дело именно с таким случаем, поэтому тут необходимо либо построение модели более высокого уровня, либо прямое численное моделирование на основе полных уравнений Навье-Стокса без использования моделей турбулентности (задача, неподъемная на современном этапе).
Рис. 4. Схема ИДД с высокочастотным резонатором
Рис. 5. Схема ИДД с высокочастотным резонатором: СЗС - сверхзвуковая струя; УВ - ударная волна; Ф - фокус резонатора; ДВ - детонационная волна; ВР - волна разрежения; ОУВ - отраженная ударная волна
ИДД совершенствуются в направлении повышения частоты следования импульсов. Это направление имеет свое право на жизнь в области легких и дешевых беспилотных летательных аппаратов, а также при разработке различных эжекторных усилителей тяги.
Рецензенты:Усков В.Н., д.т.н., профессор кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета, математико-механический факультет, г. Санкт-Петербург;
Емельянов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой плазмогазодинамики и теплотехники, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.
Работа поступила в редакцию 14.10.2013.
Библиографическая ссылка
Булат П.В., Продан Н.В. ОБЗОР ПРОЕКТОВ ДЕТОНАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ИМПУЛЬСНЫЕ ДВИГАТЕЛИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-8. – С. 1667-1671;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (дата обращения: 29.07.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Камеры сгорания с
непрерывной
детонацией
Идея камеры сгорания с непрерывной детонацией предложена в 1959 г. академиком АН СССР Б.В. Войцеховским . Непрерывно-детонационная камера сгорания (НДКС) представляет собой кольцевой канал, образованный стенками двух коаксиальных цилиндров. Если на днище кольцевого канала поместить смесительную головку, а другой конец канала оборудовать реактивным соплом, то получится проточный кольцевой реактивный двигатель. Детонационное горение в такой камере можно организовать, сжигая топливную смесь, подаваемую через смесительную головку, в детонационной волне, непрерывно циркулирующей над днищем. При этом в детонационной волне будет сгорать топливная смесь, вновь поступившая в камеру сгорания за время одного оборота волны по окружности кольцевого канала. Частота вращения волны в камере сгорания диаметром около 300 мм будет иметь величину порядка 105 об/мин и выше. К достоинствам таких камер сгорания относят: (1) простоту конструкции; (2) однократное зажигание; (3) квазистационарное истечение продуктов детонации; (4) высокую частоту циклов (килогерцы); (5) короткую камеру сгорания; (6) низкий уровень эмиссии вредных веществ (NO, CO и др.); (7) низкий уровень шума и вибраций. К недостаткам таких камер относят: (1) необходимость компрессора или турбонасосного агрегата; (2) ограниченность управления; (3) сложность масштабирования; (4) сложность охлаждения.
Крупные инвестиции в НИОКР и ОКР по этой тематике в США начались сравнительно недавно: 3-5 лет назад (ВВС, ВМФ, НАСА, корпорации аэрокосмической отрасли). Судя по открытым публикациям, в Японии, Китае, Франции, Польше и Корее в настоящее время очень широко развернуты работы по проектированию таких камер сгорания с помощью методов вычислительной газовой динамики. В Российской Федерации исследования в этом направлении наиболее активно проводятся в НП «Центр ИДГ» и в ИГиЛ СО РАН.
Важнейшие достижения в этой области науки и техники перечислены ниже. В 2012 г. специалисты фирм Pratt & Whitney и Rocketdyne (США) опубликовали результаты испытаний экспериментального ракетного двигателя модульной конструкции с заменяемыми форсунками для подачи топливных компонентов и с заменяемыми соплами. Проведены сотни огневых испытаний с использованием разных топливных пар: водород - кислород, метан - кислород, этан - кислород и др. На основе испытаний построены карты устойчивых рабочих режимов двигателя с одной, двумя и более детонационными волнами, циркулирующими над днищем камеры. Исследованы различные способы зажигания и поддержания детонации. Максимальное время работы двигателя, достигнутое в опытах с водяным охлаждением стенок камеры, составило 20 с. Сообщается, что это время ограничивалось только запасом топливных компонентов, но не тепловым состоянием стенок. Польские специалисты совместно с европейскими партнерами работают над созданием непрерывно-детонационной камеры сгорания для вертолетного двигателя. Им удалось создать камеру сгорания, устойчиво работающую в режиме непрерывной детонации в течение 2 с на смеси водорода с воздухом и керосина с воздухом в компоновке с компрессором двигателя ГТД350 советского производства. В 2011-2012 г.г. в Институте гидродинамики СО РАН экспериментально зарегистрирован процесс непрерывно-детонационного горения гетерогенной смеси микронных частиц древесного угля с воздухом в дисковой камере сгорания диаметром 500 мм. До этого в ИГиЛ СО РАН были успешно проведены эксперименты с кратковременной (до 1-2 с) регистрацией непрерывной детонации воздушных смесей водорода и ацетилена, а также кислородных смесей ряда индивидуальных углеводородов. В 2010-2012 г.г. в Центре ИДГ с использованием уникальных вычислительных технологий созданы основы проектирования непрерывно-детонационных камер сгорания как для ракетных, так и для воздушно-реактивных двигателей и впервые расчетным способом воспроизведены результаты экспериментов при работе камеры с раздельной подачей топливных компонентов (водорода и воздуха). Кроме того, в 2013 г. в НП «Центр ИДГ» спроектирована, изготовлена и испытана непрерывно-детонационная кольцевая камера сгорания диаметром 400 мм, шириной зазора 30 мм и высотой 300 мм, предназначенная для выполнения программы исследований, направленных на экспериментальное доказательство энергоэффективности непрерывно-детонационного горения топливно-воздушных смесей.
Важнейшая проблема, с которой сталкиваются разработчики при создании непрерывно-детонационных камер сгорания, работающих на штатном топливе - та же, что и для импульсно-детонационных камер сгорания, т.е. низкая детонационная способность таких топлив в воздухе. Другая важная проблема - снижение потерь давления при подаче топливных компонентов в камеру сгорания, чтобы обеспечить повышение полного давления в камере. Еще одна проблема - охлаждение камеры. В настоящее время способы преодоления этих проблем изучаются.
Большинство отечественных и зарубежных экспертов считают, что обе обсуждаемые схемы организации детонационного цикла являются перспективными как для ракетных, так и для воздушно-реактивных двигателей. Никаких фундаментальных ограничений для практической реализации этих схем не существует. Основные риски на пути создания камер сгорания нового типа связаны с решением инженерных проблем.
Варианты конструкций и способы организации рабочего процесса в импульсно-детонационных и непрерывно-детонационных камерах сгорания защищены многочисленными отечественными и зарубежными патентами (сотни патентов). Главный недостаток патентов - замалчивание или практически неприемлемое (по разным причинам) решение основной проблемы реализации детонационного цикла - проблемы низкой детонационной способности штатных топлив (керосин, бензин, дизтопливо, природный газ) в воздухе. Предлагаемые практически неприемлемые решения этой проблемы заключаются в использовании предварительной тепловой или химической подготовки топлива перед подачей в камеру сгорания, использование активных добавок, включая кислород, или использование специальных топлив с высокой детонационной способностью. Применительно к двигателям, использующим активные (самовоспламеняющиеся) топливные компоненты, эта проблема не стоит, однако остаются актуальными проблемы их безопасной эксплуатации.
Рис. 1: Сравнение удельных импульсов воздушно-реактивных двигателей: ТРД , ПВРД , ПуВРД и ИДД
Применение импульсно-детонационных камер сгорания, в основном, ориентировано на замену существующих камер сгорания в таких воздушно-реактивных силовых установках как ПВРД и ПуВРД. Дело в том, что по такой важной характеристике двигателя, как удельный импульс, ИДД, перекрывая весь диапазон скоростей полета от 0 до числа Маха М = 5, теоретически обладает удельным импульсом, сравнимым (при числе Маха полета М от 2.0 до 3.5) с ПВРД и существенно превышающим удельный импульс ПВРД при числе Маха полета М от 0 до 2 и от 3.5 до 5 (рис. 1). Что касается ПуВРД, то его удельный импульс при дозвуковых скоростях полета почти в 2 раза меньше, чем у ИДД. Данные по удельному импульсу для ПВРД заимствованы из , где проведены одномерные расчеты характеристик идеальных ПВРД, работающих на керосино-воздушной смеси с коэффициентом избытка горючего 0.7. Данные по удельному импульсу воздушно-реактивных ИДД заимствованы из статей , где проведены многомерные расчеты тяговых характеристик ИДД в условиях полета с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями на разных высотах. Отметим, что в отличие от расчетов расчеты в проведены с учетом потерь, вызванных диссипативными процессами (турбулентность, вязкость, ударные волны и др.).
Для сравнения на рис. 1 представлены результаты расчетов для идеального турбореактивного двигателя (ТРД). Видно, что ИДД уступает идеальному ТРД по удельному импульсу при числах Маха полета до 3.5, однако превосходит ТРД по этому показателю при М > 3.5. Таким образом, при М > 3.5 и ПВРД, и ТРД уступают воздушно-реактивным ИДД по удельному импульсу, и это делает ИДД весьма перспективным. Что касается низких сверхзвуковых и дозвуковых скоростей полета, то ИДД, уступая ТРД по удельному импульсу, все же может считаться перспективным ввиду необычайной простоты конструкции и дешевизны, что крайне важно для одноразовых приложений (средства доставки, мишени и др.).
Наличие «скважности» в тяге, создаваемой такими камерами, делает их малопригодными для маршевых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Тем не менее, запатентованы схемы импульсно-детонационных ЖРД многотрубной конструкции с низкой скважностью тяги. Кроме того, такие силовые установки могут применяться в качестве двигателей для коррекции орбиты и орбитальных перемещений искусственных спутников Земли и иметь множество других приложений.
Применение непрерывно-детонационных камер сгорания, в основном, ориентировано на замену существующих камер сгорания в ЖРД и ГТД.
Освоение космического пространства невольно ассоциируется с космическими кораблями. Сердцем любой ракеты-носителя является ее двигатель. Он должен развить первую космическую скорость - около 7,9 км/с, чтобы доставить космонавтов на орбиту, и вторую космическую, чтобы преодолеть поле тяготения планеты.
Добиться этого непросто, но ученые постоянно ищут новые пути решения этой задачи. Конструкторы из России шагнули еще дальше и сумели разработать детонационный ракетный двигатель, испытания которого завершились успехом. Это достижение можно назвать настоящим прорывом в области космического машиностроения.
Новые возможности
Почему на детонационные двигатели возлагают большие надежды? По расчетам ученых, их мощность будет в 10 тыс. раз больше, чем мощность существующих ракетных двигателей. При этом они будут потреблять гораздо меньше топлива, а их производство отличится низкой стоимостью и рентабельностью. С чем это связано?
Все дело в реакции окисления горючего. Если в современных ракетах используется процесс дефлаграции - медленное (дозвуковое) горение топлива при постоянном давлении, то детонационный ракетный двигатель функционирует за счет взрыва, детонации горючей смеси. Она сгорает со сверхзвуковой скоростью с выделением огромного количества тепловой энергии одновременно с распространением ударной волны.
Разработкой и испытанием российского варианта детонационного двигателя занималась специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» в составе производственного комплекса «Энергомаш».
Превосходство новых двигателей
Изучением и разработкой детонационных двигателей занимаются ведущие мировые ученые на протяжении 70 лет. Основной причиной, препятствующей созданию этого типа двигателей, является неконтролируемое самовозгорание топлива. Кроме того, на повестке дня стояли задачи по эффективному смешиванию горючего и окислителя, а также интеграции сопла и воздухозаборника.
Решив эти задачи, удастся создать детонационный ракетный двигатель, который по своим техническим характеристикам обгонит время. При этом ученые называют такие его преимущества:
- Способность развивать скорости в дозвуковом и гиперзвуковом диапазонах.
- Исключение из конструкции многих движущихся частей.
- Более низкая масса и стоимость силовой установки.
- Высокая термодинамическая эффективность.
Серийно данный тип двигатель не производился. Впервые был испытан на низколетящих самолетах в 2008 году. Детонационный двигатель для ракет-носителей был впервые испытан российскими учеными. Именно поэтому данному событию отводится столь большое значение.
Принцип работы: импульсный и непрерывный
В настоящее время ученые ведут разработку установок с импульсным и непрерывным рабочим процессом. Принцип работы детонационного ракетного двигателя с импульсной схемой работы основан на циклическом заполнении камеры сгорания горючей смесью, последовательном ее воспламенении и выбросе продуктов сгорания в окружающую среду.
Соответственно, при непрерывном рабочем процессе топливо подается в камеру сгорания непрерывно, горючее сгорает в одной или нескольких детонационных волнах, которые непрерывно циркулируют поперек потока. Преимуществами таких двигателей являются:
- Однократное зажигание топлива.
- Относительно простая конструкция.
- Небольшие габариты и масса установок.
- Более эффективное использование горючей смеси.
- Низкий уровень производимого шума, вибрации и вредных выбросов.
В перспективе, используя данные преимущества, детонационный жидкостный ракетный двигатель непрерывной схемы работы вытеснит все существующие установки благодаря своим массо-габаритным и стоимостным характеристикам.
Испытания детонационного двигателя
Первые испытания отечественной детонационной установки прошли в рамках проекта, учрежденного Министерством образования и науки. В качестве опытного образца был представлен небольшой двигатель с камерой сгорания диаметром 100 мм и шириной кольцевого канала в 5 мм. Испытания проводились на специальном стенде, фиксировались показатели при работе на различных видах горючей смеси - водород-кислород, природный газ-кислород, пропан-бутан-кислород.
Испытания детонационного ракетного двигателя на кислородно-водородном топливе доказали, что термодинамический цикл этих установок на 7 % эффективнее, чем при работе других установок. Кроме того, было экспериментально подтверждено, что с увеличением количества подаваемого горючего увеличивается и тяга, а также количество детонационных волн и частота вращения.
Аналоги в других странах
Разработкой детонационных двигателей занимаются ученые ведущих стран мира. Наибольших успехов в этом направлении достигли конструкторы из США. В своих моделях они реализовали непрерывный способ работы, или ротационный. Американские военные планируют использовать данные установки для оснащения надводных кораблей. Благодаря меньшей массе и небольшим размерам при высокой выдаваемой мощности они помогут увеличить эффективность боевых катеров.
Стехиометрическую смесь водорода и кислорода использует для своей работы американский детонационный ракетный двигатель. Преимущества такого источника энергии в первую очередь экономические - кислорода сгорает ровно столько, сколько того требуется для окисления водорода. Сейчас для обеспечения военных кораблей углеродным топливом правительство США тратит несколько миллиардов долларов. Стехиометрическое горючее снизит расходы в несколько раз.
Дальнейшие направления разработки и перспективы
Новые данные, полученные в результате испытаний детонационных двигателей, определили применение принципиально новых методов построения схемы работы на жидком топливе. Но для функционирования такие двигатели должны иметь высокую жаропрочность ввиду большого количества выделяемой тепловой энергии. В настоящий момент ведется разработка особого покрытия, которое обеспечит работоспособность камеры сгорания под высокотемпературным воздействием.
Особое место в дальнейших исследованиях занимает создание смесительных головок, с помощью которых можно будет получить капли горючего материала заданного размера, концентрации и состава. По решению данных вопросов будет создан новый детонационный жидкостный ракетный двигатель, который станет основой нового класса ракет-носителей.
Детонационный двигатель более простой и дешевле в изготовлении, на порядок мощнее и экономичнее обычного реактивного двигателя, по сравнению с ним обладает более высоким КПД.
Описание:
Детонационный двигатель (импульсный, пульсирующий двигатель) идет на смену обычного реактивного двигателя . Чтобы понять сущность детонационного двигателя надо разобрать обычный реактивный двигатель .
Обычный реактивный двигатель устроен следующим образом.
В камере сгорания происходит сгорание топлива и окислителя, в качестве которого выступает кислород из воздуха. При этом давление в камере сгорания постоянно. Процесс горения резко повышает температуру, создает неизменный пламенный фронт и постоянную реактивную тягу, истекающую из сопла. Фронт обычного пламени распространяется в газовой среде со скоростью 60-100 м/сек. За счет этого и происходит движение летательного аппарата . Однако современные реактивные двигатели достигли определенного предела КПД, мощности и других характеристик, повышение которых практически невозможно либо крайне затруднительно.
В детонационном (импульсном или пульсирующем) двигателе горение происходит путем детонации. Детонация - это процесс горения, но которое происходит в сотни раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. При детонационном горении образуется детонационная ударная волна, несущая со сверхзвуковой скоростью. Она составляет порядка 2500 м/сек. Давление в результате детонационного горения стремительно возрастает, а объем камеры сгорания остается неизменным. Продукты горения вырываются с огромной скоростью через сопло. Частота пульсаций детонационной волны достигает несколько тысяч в секунду. В детонационной волне нет стабилизации фронта пламени, на каждую пульсацию обновляется топливная смесь и волна запускается вновь.
Давление в детонационном двигателе создается за счет самой детонации, что исключает подачу топливной смеси и окислителя при высоком давлении. В обычном реактивном двигателе, чтобы создать давление тяги в 200 атм., необходимо подавать топливную смесь под давлением в 500 атм. В то время как в детонационном двигателя – давление подачи топливной смеси – 10 атм.
Камера сгорания детонационного двигателя конструктивно имеет кольцевую форму с форсунками, размещёнными по её радиусу для подачи топлива . Волна детонации пробегает по окружности вновь и вновь, топливная смесь сжимается и выгорает, выталкивая продукты сгорания через сопло.
Преимущества:
– детонационный двигатель более простой в изготовлении. Отсутствует необходимость в использовании турбонасосных агрегатов,
– на порядок мощнее и экономичнее обычного реактивного двигателя,
– имеет более высокий КПД,
– дешевле в изготовлении,
– нет необходимости создавать высокое давление подачи топливной смеси и окислителя, высокое давление создается за счет самой детонации,
– детонационный двигатель превосходит обычный реактивный двигатель в 10 раз по мощности, снимаемой с единицы объема, что приводит к уменьшению конструкции детонационного двигателя,
– детонационное горение в 100 раз быстрее, чем обычное горение топлива.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com
Экология потребления.Наука и техника:В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива.
В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет.
Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания», опубликованной в «Журнале технической физики» еще в 1940 году. С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот важный приоритет в мировой истории техники закрепила за собой Россия. В последние годы чем-то подобным нашей стране удается похвастать не часто.
На гребне волны
В чем же состоят преимущества детонационного двигателя? В традиционных ЖРД, как, впрочем, и в обычных поршневых или турбореактивных авиадвигателях, используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания ЖРД при этом образуется стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия горючего и окислителя температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу.
Детонация - это тоже горение, но происходит оно в 100 раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. Этот процесс идет так быстро, что детонацию часто путают со взрывом, тем более что при этом выделяется столько энергии, что, к примеру, автомобильный мотор при возникновении этого явления в его цилиндрах и в самом деле может разрушиться. Однако детонация - это не взрыв, а вид горения столь стремительного, что продукты реакции даже не успевают расшириться, поэтому этот процесс, в отличие от дефлаграции, идет при постоянном объеме и резко возрастающем давлении.
На практике это выглядит следующим образом: вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси внутри камеры сгорания формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация смеси горючего и окислителя, а это процесс с термодинамической точки зрения куда более эффективный, чем обычное сжигание топлива. КПД детонационного сгорания на 25–30% больше, то есть при сжигании одинакового количества топлива получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационный двигатель по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.
Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Ведь тот застой, который сейчас возник в развитии мировой космонавтики, на полвека застрявшей на околоземной орбите, в первую очередь связан с кризисом ракетного двигателестроения. В кризисе, кстати, находится и авиация, не способная перешагнуть порог трех скоростей звука. Этот кризис можно сравнить с ситуацией в поршневой авиации в конце 1930-х годов. Винт и двигатель внутреннего сгорания исчерпали свой потенциал, и только появление реактивных двигателей позволило выйти на качественно новый уровень высот, скоростей и дальности полетов.
Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей. Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах - на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты-носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России. Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на экологические проблемы. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество.
ГРЭС в миниатюре
Обычный ЖРД - это, в принципе, большая горелка. Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания. При этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.
К примеру, у самого мощного в мире ЖРД РД-170, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» тем же НПО «Энергия», давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много. Но давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 МВт! Только представьте себе это: колесо турбины диаметром 0,4 м развивает мощность, в четыре раза большую, чем атомный ледокол «Арктика» с двумя ядерными реакторами! При этом ТНА - это сложное механическое устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, а работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу-хау «Энергомаша», обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах-носителях Atlas V и Antares. Альтернативы российским двигателям в США пока нет.
Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.
Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского «Шаттла» (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением... 10 атм. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД - все равно что велосипедный насос рядом Саяно-Шушенской ГРЭС.
То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Так почему же эта простота в течение 70 лет не давалась в руки конструкторам?
Главная проблема, которая встала перед инженерами, - как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация - это не просто взрывная волна, а кое-что похитрее. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью - до 2500 м/с. Она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер: после каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.
Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией. Именно в применении пульсирующих реактивных двигателей пытались найти альтернативу поршневым моторам в 1930-е годы. Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000˚С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива.
Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия). Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В.В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике. Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для «оружия возмездия» - крылатой бомбы «Фау-1». Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.
Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе. Удельные характеристики ПуВРД из-за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940-х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.
Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.
Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500‒2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.
Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя-демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long-EZ. В историческом полете двигатель проработал... 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.
Между тем уже давно была придумана другая, гораздо более перспективная схема
Как белка в колесе
Мысль закольцевать детонационную волну и заставить ее бегать в камере сгорания как белка в колесе родилась у ученых в начале 1960-х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.
Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.
В СССР, как и в США, работы над ротационным детонационным двигателем шли с начала 1960-х годов, но опять же при кажущейся простоте идеи ее реализация потребовала решения головоломных теоретических вопросов. Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико-химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне, на стыке химии и квантовой физики. Процессы эти более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер уже давно работает, а детонационный двигатель - нет. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку - физико-химическую кинетику, которой 50 лет назад еще не существовало. А для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся, потребовались мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонации.
Активные работы в этом направлении ведутся в Соединенных Штатах. Этими исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, NASA. К примеру, в научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.
В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО «Энергомаш» - ведущая двигателестроительная компания российской космической промышленности, со многим предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но для того чтобы вершина айсберга этой работы засверкала под солнцем в виде успешного испытания, потребовалось организационное и финансовое участие небезызвестного Фонда перспективных исследований (ФПИ). Именно ФПИ выделил необходимые средства для создания в 2014 году специализированной лаборатории «Детонационные ЖРД». Ведь несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России «слишком перспективной», чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко.
Укрощение строптивой
Хочется верить, что после всего сказанного выше становится понятна та титаническая работа, которая проглядывает между строк краткого сообщения об испытаниях, прошедших на «Энергомаше» в Химках в июле - августе 2016 года: «Впервые в мире был зарегистрирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации поперечных детонационных волн частотой около 20 кГц (частота вращения волны - 8 тысяч оборотов в секунду) на топливной паре „кислород - керосин“. Удалось добиться получения нескольких детонационных волн, уравновешивавших вибрационные и ударные нагрузки друг друга. Специально разработанные в центре имени М. В. Келдыша теплозащитные покрытия помогли справиться с высокими температурными нагрузками. Двигатель выдержал несколько пусков в условиях экстремальных вибронагрузок и сверхвысоких температур при отсутствии охлаждения пристеночного слоя. Особую роль в этом успехе сыграло создание математических моделей и топливных форсунок, позволявших получать смесь необходимой для возникновения детонации консистенции».
Разумеется, не стоит преувеличивать значение достигнутого успеха. Создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал относительно недолго, и о его реальных характеристиках ничего не сообщается. По информации НПО «Энергомаш», детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс тяги должен увеличиться на 10–15%.
Но главный результат состоит в том, что практически подтверждена возможность организации детонационного горения в ЖРД. Однако путь до использования этой технологии в составе реальных летательных аппаратов предстоит еще долгий. Другой важный аспект заключается в том, что еще один мировой приоритет в области высоких технологий отныне закреплен за нашей страной: впервые в мире полноразмерный детонационный ЖРД заработал именно в России, и этот факт останется в истории науки и техники. опубликовано