Impulsowe silniki detonacyjne jako przyszłość rakiet i lotnictwa
Silnik detonacyjny o przepływie bezpośrednim. Grafika „Spalanie i wybuch”
Istniejące układy napędowe dla lotnictwo a pociski wykazują bardzo wysokie osiągi, ale zbliżają się do granicy swoich możliwości. Aby jeszcze bardziej zwiększyć parametry ciągu, co tworzy rezerwę dla rozwoju rakiety lotniczej i przemysłu kosmicznego, potrzebne są inne silniki, m.in. z nowymi zasadami działania. Wielkie nadzieje wiąże się z tzw. silniki detonacyjne. Podobne systemy klasy impulsowej są już testowane w laboratoriach i na samolotach.
Zasady fizyczne
Istniejące i działające silniki na paliwo ciekłe wykorzystują spalanie poddźwiękowe lub deflagrację. Reakcja chemiczna z udziałem paliwa i utleniacza tworzy front, który przemieszcza się przez komorę spalania z prędkością poddźwiękową. Takie spalanie ogranicza ilość i prędkość gazów reaktywnych wypływających z dyszy. W związku z tym maksymalny ciąg jest również ograniczony.
Alternatywą jest spalanie detonacyjne. W tym przypadku front reakcji porusza się z prędkością ponaddźwiękową, tworząc falę uderzeniową. Taki reżim spalania zwiększa wydajność produktów gazowych i zapewnia zwiększony ciąg.
Silnik detonacyjny może być wykonany w dwóch wersjach. Równolegle opracowywane są silniki impulsowe lub pulsacyjne (IMD/SDA) oraz obrotowe/obrotowe. Ich różnica polega na zasadach spalania. Silnik rotacyjny utrzymuje stałą reakcję, natomiast silnik impulsowy działa na zasadzie kolejnych „wybuchów” mieszanki paliwa i utleniacza.
impulsy tworzą ciąg
Teoretycznie pod względem konstrukcji IDM nie jest bardziej skomplikowany niż tradycyjny silnik odrzutowy lub silnik rakietowy na paliwo ciekłe. Zawiera komorę spalania i aparat dyszowy, a także środki do dostarczania paliwa i utleniacza. W takim przypadku na wytrzymałość i trwałość konstrukcji związane z cechami silnika nakładane są specjalne ograniczenia.
Doświadczony samolot Long-EZ z IDD. Zdjęcie Muzeum Narodowe USAF
Podczas pracy dysze dostarczają paliwo do komory spalania; środek utleniający jest dostarczany z atmosfery za pomocą urządzenia zasysającego powietrze. Po utworzeniu mieszaniny następuje zapłon. Dzięki właściwemu doborowi składników paliwa i proporcji mieszanki, optymalnej metodzie zapłonu i konfiguracji komory powstaje fala uderzeniowa poruszająca się w kierunku dyszy silnika. Obecny poziom technologii umożliwia uzyskanie prędkości fali do 2,5-3 km/s z odpowiednim wzrostem ciągu.
IDD wykorzystuje pulsującą zasadę działania. Oznacza to, że po detonacji i uwolnieniu gazów reaktywnych komora spalania zostaje przedmuchana, ponownie napełniona mieszanką – i następuje nowy „wybuch”. Aby uzyskać wysoki i stabilny ciąg, cykl ten musi być wykonywany z dużą częstotliwością, od dziesiątek do tysięcy razy na sekundę.
Wyzwania i korzyści
Główną zaletą IDD jest teoretyczna możliwość uzyskania ulepszonych charakterystyk, które zapewniają przewagę nad istniejącymi i przyszłymi silnikami strumieniowymi i na paliwo ciekłe. Tak więc przy tym samym ciągu silnik impulsowy okazuje się bardziej kompaktowy i lżejszy. W związku z tym w tych samych wymiarach możesz stworzyć mocniejszą instalację. Ponadto taki silnik jest prostszy w konstrukcji, ponieważ nie potrzebuje części oprzyrządowania.
IDD działa w szerokim zakresie prędkości, od zera (podczas startu rakiety) do hipersonicznego. Może znaleźć zastosowanie w systemach rakietowych i kosmicznych oraz w lotnictwie - w dziedzinach cywilnych i wojskowych. We wszystkich przypadkach jego charakterystyczne cechy pozwalają na uzyskanie pewnych przewag nad tradycyjnymi systemami. W zależności od potrzeb możliwe jest stworzenie rakietowego IDD wykorzystującego utleniacz ze zbiornika lub pneumatycznego, który pobiera tlen z atmosfery.
Istnieją jednak znaczne niedociągnięcia i trudności. Tak więc, aby opanować nowy kierunek, konieczne jest prowadzenie różnych dość złożonych badań i eksperymentów na styku różnych nauk i dyscyplin. Specyficzna zasada działania nakłada specjalne wymagania na konstrukcję silnika i jego materiały. Ceną wysokiego ciągu są zwiększone obciążenia, które mogą uszkodzić lub zniszczyć strukturę silnika.
IDD dla Long-EZ. Zdjęcie Muzeum Narodowe USAF
Wyzwaniem jest zapewnienie, że szybkości podawania paliwa i utleniacza są wystarczająco wysokie, aby dopasować wymaganą częstotliwość stuków, a także przeprowadzenie czyszczenia przed paliwem. Ponadto osobnym problemem inżynieryjnym jest uruchamianie fali uderzeniowej przy każdym cyklu pracy.
Należy zauważyć, że pomimo wszelkich wysiłków naukowców i projektantów, do chwili obecnej IDD nie jest gotowe do wyjścia poza granice laboratoriów i miejsc testowych. Projekty i technologie wymagają dalszego rozwoju. Dlatego nie trzeba jeszcze mówić o wprowadzaniu nowych silników do praktyki.
Historia technologii
Ciekawe, że zasada silnika detonacji impulsowej została po raz pierwszy zaproponowana nie przez naukowców, ale przez pisarzy science fiction. Na przykład łódź podwodna „Pioneer” z powieści G. Adamova „Sekret dwóch oceanów” użyła PDD na mieszance gazowej wodoru i tlenu. Podobne pomysły pojawiły się w innych dziełach sztuki.
Badania naukowe na temat silników detonacyjnych rozpoczęły się nieco później, w latach czterdziestych, a pionierami tego kierunku byli radzieccy naukowcy. Następnie wielokrotnie podejmowano w różnych krajach próby stworzenia eksperymentalnego IDD, ale ich sukces był poważnie ograniczony przez brak niezbędnych technologii i materiałów.
31 stycznia 2008 r. Departament Obrony USA DARPA i Laboratorium Sił Powietrznych rozpoczęły testy pierwszego latającego laboratorium z IDD typu odrzutowego. Oryginalny silnik został zainstalowany na zmodyfikowanym samolocie Long-EZ firmy Scale Composites. Elektrownia składała się z czterech rurowych komór spalania z doprowadzeniem paliwa płynnego i poboru powietrza z atmosfery. Przy częstotliwości detonacji 80 Hz ciąg około. 90 kgf, co wystarczało tylko na lekki samolot.
Rosyjski rotacyjny silnik detonacyjny „Ifrit”. Fot. NPO Energomash
Testy te wykazały fundamentalną przydatność IDD do stosowania w lotnictwie, a także wykazały potrzebę ulepszenia projektów i poprawy ich wydajności. W tym samym 2008 roku prototyp samolotu został wysłany do muzeum, a DARPA i powiązane organizacje kontynuowały pracę. Poinformowano o możliwości wykorzystania IDD w obiecujących systemach rakietowych - ale do tej pory nie zostały one opracowane.
W naszym kraju tematyka IDD była badana na poziomie teorii i praktyki. Na przykład w 2017 roku w czasopiśmie Combustion and Explosion ukazał się artykuł o testowaniu silnika detonacyjnego napędzanego gazowym wodorem. Trwają również prace nad silnikami z detonacją obrotową. Stworzono i przetestowano silnik rakietowy na paliwo ciekłe nadający się do stosowania w rakietach. Rozwijane jest zagadnienie wykorzystania takich technologii w silnikach lotniczych. W tym przypadku komora spalania detonacyjnego jest zintegrowana z silnikiem turboodrzutowym.
Perspektywy technologii
Silniki detonacyjne cieszą się dużym zainteresowaniem z punktu widzenia zastosowań w różnych dziedzinach i obszarach. Ze względu na oczekiwany wzrost głównych cech, mogą one co najmniej popchnąć systemy istniejących klas. Jednak złożoność rozwoju teoretycznego i praktycznego nie pozwala im jeszcze osiągnąć praktycznego zastosowania.
Jednak w ostatnich latach obserwuje się pozytywne tendencje. Silniki detonacyjne ogólnie, w tym. impulsywni, coraz częściej pojawiają się w wiadomości z laboratoriów. Rozwój tego kierunku trwa, aw przyszłości będzie w stanie dać pożądane wyniki, chociaż czas pojawienia się obiecujących próbek, ich cechy i zastosowania są nadal kwestionowane. Jednak doniesienia z ostatnich lat pozwalają z optymizmem patrzeć w przyszłość.
informacja