Silniki detonacyjne. Sukcesy i perspektywy
W ostatnich dniach stycznia wicepremier Dmitrij Rogozin poinformował prasę krajową o ostatnich sukcesach organizacji badawczych. Poruszył między innymi proces tworzenia silników odrzutowych na nowych zasadach działania. Obiecujący silnik ze spalaniem detonacyjnym został już przetestowany. Zdaniem wicepremiera zastosowanie nowych zasad działania elektrowni pozwala na uzyskanie znacznego wzrostu wydajności. W porównaniu z projektami architektury tradycyjnej następuje wzrost ciągu o około 30%.
Nowoczesne silniki rakietowe różnych klas i typów, eksploatowane w różnych dziedzinach, wykorzystują tzw. cykl izobaryczny lub spalanie deflagracyjne. W ich komorach spalania utrzymywane jest stałe ciśnienie, przy którym paliwo spala się powoli. Silnik oparty na zasadach deflagracji nie potrzebuje szczególnie mocnych jednostek, ale ma ograniczoną maksymalną wydajność. Podnoszenie głównych cech, zaczynając od pewnego poziomu, okazuje się nieracjonalnie trudne.
Alternatywą dla silnika z cyklem izobarycznym w kontekście poprawy osiągów jest system z tzw. spalanie detonacyjne. W tym przypadku reakcja utleniania paliwa zachodzi za falą uderzeniową poruszającą się z dużą prędkością przez komorę spalania. Nakłada to specjalne wymagania na konstrukcję silnika, ale jednocześnie oferuje oczywiste zalety. Pod względem efektywności spalania paliwa spalanie detonacyjne jest o 25% lepsze niż spalanie deflagracyjne. Od spalania przy stałym ciśnieniu różni się również zwiększoną szybkością wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni frontu reakcji. Teoretycznie możliwe jest zwiększenie tego parametru o trzy do czterech rzędów wielkości. W rezultacie prędkość gazów reaktywnych można zwiększyć o 20-25 razy.
W ten sposób silnik detonacyjny, charakteryzujący się zwiększoną wydajnością, jest w stanie rozwinąć większy ciąg przy mniejszym zużyciu paliwa. Jego przewaga nad tradycyjnymi wzorami jest oczywista, ale do niedawna postęp w tej dziedzinie pozostawiał wiele do życzenia. Zasady detonacyjnego silnika odrzutowego zostały sformułowane już w 1940 roku przez radzieckiego fizyka Ya.B. Zeldovich, ale gotowe produkty tego rodzaju nie weszły jeszcze do eksploatacji. Głównymi przyczynami braku realnych sukcesów są problemy ze stworzeniem wystarczająco mocnej konstrukcji, a także trudność wystrzelenia, a następnie utrzymania fali uderzeniowej przy wykorzystaniu istniejących paliw.
Jeden z najnowszych krajowych projektów w dziedzinie silników rakietowych detonacyjnych został uruchomiony w 2014 roku i jest rozwijany w NPO Energomash im. V.I. Akademik W.P. Głuszko. Zgodnie z dostępnymi danymi, celem projektu Ifrit było zbadanie podstawowych zasad nowej technologii, a następnie stworzenie silnika rakietowego na ciecz, wykorzystującego naftę i gazowy tlen. Nowy silnik, nazwany na cześć demonów ognia z arabskiego folkloru, opierał się na zasadzie spalania detonacji spinowej. Zatem zgodnie z główną ideą projektu fala uderzeniowa musi nieustannie poruszać się po okręgu wewnątrz komory spalania.
Głównym deweloperem nowego projektu był NPO Energomash, a właściwie stworzone na jego podstawie specjalne laboratorium. Ponadto w prace zaangażowanych było kilka innych organizacji badawczych i projektowych. Program otrzymał wsparcie Advanced Research Foundation. Dzięki wspólnym wysiłkom wszyscy uczestnicy projektu Ifrit byli w stanie stworzyć optymalny wygląd obiecującego silnika, a także stworzyć modelową komorę spalania o nowych zasadach działania.
Aby zbadać perspektywy całego kierunku i nowe pomysły, tzw. modelowa komora spalania detonacyjnego spełniająca wymagania projektu. Taki eksperymentalny silnik o zmniejszonej konfiguracji miał wykorzystywać jako paliwo płynną naftę. Jako środek utleniający zaproponowano tlen gazowy. W sierpniu 2016 rozpoczęły się testy komory doświadczalnej. Ważne jest, aby po raz pierwszy w Historie projekt tego typu został doprowadzony do etapu testów stanowiskowych. Wcześniej opracowano krajowe i zagraniczne silniki rakietowe detonacyjne, ale nie były one testowane.
W trakcie badania próby modelowej udało się uzyskać bardzo ciekawe wyniki, świadczące o poprawności zastosowanych podejść. Tak więc dzięki zastosowaniu odpowiednich materiałów i technologii udało się doprowadzić ciśnienie wewnątrz komory spalania do 40 atmosfer. Ciąg eksperymentalnego produktu osiągnął 2 tony.
Modeluj kamerę na stole probierczym
W ramach projektu Ifrit osiągnięto pewne wyniki, ale krajowy silnik detonacyjny na paliwo ciekłe jest nadal daleki od pełnego praktycznego zastosowania. Przed wprowadzeniem takiego sprzętu do projektów nowych technologii, projektanci i naukowcy muszą rozwiązać szereg najpoważniejszych zadań. Dopiero potem przemysł rakietowy i kosmiczny czy przemysł obronny będą mogły zacząć w praktyce wykorzystywać potencjał nowej technologii.
W połowie stycznia Rossiyskaya Gazeta opublikowała wywiad z głównym konstruktorem NPO Energomash Petrem Lewoczkinem, którego tematem był obecny stan rzeczy i perspektywy silników detonacyjnych. Przedstawiciel przedsiębiorstwa-dewelopera przypomniał główne założenia projektu, a także poruszył temat osiągniętych sukcesów. Ponadto mówił o możliwych obszarach zastosowania Ifrita i podobnych struktur.
Na przykład silniki detonacyjne mogą być stosowane w samolotach naddźwiękowych. P. Lewoczkin przypomniał, że silniki proponowane obecnie do stosowania w takim sprzęcie wykorzystują spalanie poddźwiękowe. Przy naddźwiękowej prędkości aparatu lotu powietrze wlatujące do silnika musi zostać spowolnione do trybu dźwięku. Jednak energia hamowania musi prowadzić do dodatkowych obciążeń termicznych płatowca. W silnikach detonacyjnych szybkość spalania paliwa osiąga co najmniej M=2,5. Umożliwia to zwiększenie prędkości lotu samolotu. Taka maszyna z silnikiem typu detonacyjnego byłaby w stanie rozpędzić się do prędkości ośmiokrotnej prędkości dźwięku.
Jednak realne perspektywy silników rakietowych typu detonacyjnego nie są jeszcze zbyt wielkie. Według P. Lewoczkina „właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego”. Naukowcy i projektanci będą musieli zbadać wiele zagadnień, a dopiero potem będzie można tworzyć konstrukcje o praktycznym potencjale. Z tego powodu przemysł kosmiczny przez długi czas będzie musiał korzystać z tradycyjnych silników na paliwo ciekłe, co jednak nie neguje możliwości ich dalszego doskonalenia.
Ciekawostką jest to, że detonacyjna zasada spalania jest stosowana nie tylko w silnikach rakietowych. Jest już projekt krajowy lotnictwo systemy z komorą spalania typu detonacyjnego działające na zasadzie impulsu. Prototyp tego typu został przetestowany, a w przyszłości może wyznaczyć nowy kierunek. Nowe silniki ze spalaniem detonacyjnym mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach i częściowo zastąpić silniki turbinowe lub turboodrzutowe o tradycyjnych konstrukcjach.
W OKB opracowywany jest krajowy projekt detonacyjnego silnika lotniczego. JESTEM. Kołyski. Informacje o tym projekcie zostały po raz pierwszy przedstawione na zeszłorocznym międzynarodowym forum wojskowo-technicznym „Army-2017”. Na stoisku przedsiębiorstwa-dewelopera znajdowały się materiały dotyczące różnych silników, zarówno seryjnych, jak i tych będących w fazie rozwoju. Wśród tych ostatnich była obiecująca próbka detonacji.
Istotą nowej propozycji jest zastosowanie niestandardowej komory spalania zdolnej do przeprowadzenia pulsacyjnego spalania detonacyjnego paliwa w atmosferze powietrza. W takim przypadku częstotliwość „wybuchów” wewnątrz silnika powinna osiągnąć 15-20 kHz. W przyszłości możliwy jest dodatkowy wzrost tego parametru, w wyniku którego hałas silnika wykroczy poza zakres odbierany przez ludzkie ucho. Takie cechy silnika mogą być szczególnie interesujące.
Pierwsze uruchomienie eksperymentalnego produktu „Ifrit”
Jednak główne zalety nowej elektrowni związane są z poprawą wydajności. Testy laboratoryjne produktów eksperymentalnych wykazały, że są one o około 30% lepsze od tradycyjnych silników z turbiną gazową pod względem określonych osiągów. Do czasu pierwszej publicznej demonstracji materiałów dotyczących silnika OKB. JESTEM. Kołyski mogłyby również uzyskać wystarczająco wysokie właściwości użytkowe. Eksperymentalny silnik nowego typu był w stanie pracować przez 10 minut bez przerwy. Całkowity czas pracy tego produktu na stoisku w tym czasie przekroczył 100 godzin.
Przedstawiciele dewelopera wskazali, że już teraz możliwe jest stworzenie nowego silnika detonacyjnego o ciągu 2-2,5 tony, nadającego się do montażu na lekkich samolotach lub bezzałogowych statkach powietrznych. W konstrukcji takiego silnika proponuje się zastosowanie tzw. urządzenia rezonatorowe odpowiedzialne za prawidłowy przebieg spalania paliwa. Ważną zaletą nowego projektu jest fundamentalna możliwość zainstalowania takich urządzeń w dowolnym miejscu płatowca.
Specjaliści OKB im. JESTEM. Lyulki pracują nad silnikami lotniczymi ze spalaniem pulsacyjnym detonacyjnym od ponad trzech dekad, ale jak dotąd projekt nie wyszedł z fazy badawczej i nie ma realnych perspektyw. Głównym powodem jest brak zamówienia i niezbędne fundusze. Jeśli projekt otrzyma niezbędne wsparcie, to w przewidywalnej przyszłości może powstać przykładowy silnik odpowiedni do zastosowania w różnych pojazdach.
Do tej pory rosyjskim naukowcom i projektantom udało się wykazać bardzo niezwykłe wyniki w dziedzinie silników odrzutowych wykorzystujących nowe zasady działania. Istnieje kilka projektów nadających się jednocześnie do zastosowania w przestrzeni rakietowej i polach hipersonicznych. Ponadto nowe silniki mogą znaleźć zastosowanie w „tradycyjnym” lotnictwie. Niektóre projekty są wciąż na wczesnym etapie i nie są jeszcze gotowe do inspekcji i innych prac, podczas gdy w innych obszarach osiągnięto już najbardziej niezwykłe wyniki.
Zgłębiając temat silników odrzutowych ze spalaniem detonacyjnym, rosyjscy specjaliści byli w stanie stworzyć model ławkowy komory spalania o pożądanych właściwościach. Prototyp Ifrita został już przetestowany, podczas których zebrano dużą ilość różnych informacji. Z pomocą otrzymanych danych rozwój kierunku będzie kontynuowany.
Opanowanie nowego kierunku i przełożenie pomysłów na praktyczną formę zajmie sporo czasu, dlatego w dającej się przewidzieć przyszłości rakiety kosmiczne i wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości będą wyposażone wyłącznie w tradycyjne silniki płynne. Niemniej jednak prace wyszły już z etapu czysto teoretycznego i teraz każde próbne uruchomienie eksperymentalnego silnika przybliża moment budowy pełnoprawnych pocisków z nowymi elektrowniami.
Na podstawie materiałów z witryn:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
informacja