Детонаційний двигун. В росії випробували детонаційний двигун тягою дві тонни. - має більш високий ККД

Чому простим обивателям так подобаються страшні фільми? Виявляється, це можливість понарошку пережити свої страхи, стати впевненіше і навіть випустити пар. І це дійсно так - потрібно лише вибрати для себе захоплюючий фільм жахів, який змусить як слід попереживати за героїв.

Сайлент Хілл

Історія розвивається в місті Сайлент Хілл. Звичайним людям не хотілося б навіть проїжджати повз нього. Але Роуз Дасілва, мама маленької Шерон, просто змушена відправитися туди. У не немає іншого виходу. Вона вважає, що тільки так допоможе дочки і вбереже її від психіатричної лікарні. Назва містечка не взяло з нізвідки - Шерон постійно повторювала його уві сні. І начебто лікування дуже близько, але по дорозі в Сайлент Хілл мати і дочка потрапляють в дивну аварію. Прокинувшись, Роуз виявляє, що Шерон зникла. Тепер жінці потрібно знайти дочку в проклятому місті, повному страхів і жахів. Трейлер до фільму доступний для перегляду.

Дзеркала

Колишній детектив Бен Карсон переживає не кращі часи. Після випадкового вбивства колеги його усувають від роботи в управлінні поліції Нью-Йорка. Далі дружина пішла від нього і дітей, пристрасть до алкоголю, і ось уже Бен нічний сторож згорілого універмагу, що залишився наодинці зі своїми проблемами. Згодом трудотерапія дає свої плоди, але все змінює один нічний обхід. Дзеркала починають загрожувати Бену і його сім'ї. В їх відображенні виникають дивні і лякаючі образи. Щоб зберегти життя своїм близьким, детективу потрібно зрозуміти, чого хочуть дзеркала, але проблема в тому, що Бен ніколи не стикався з містикою.

притулок

Кара Хардінг остан смерті чоловіка самотужки виховує доньку. Жінка пішла по слідах батька і стала відомим психіатром. Вона вивчає людей з роздвоєнням особистості. Серед них є і ті, хто стверджує, що цих особистостей набагато більше. На думку Кари, це лише прикриття серійних вбивць, тому всі її пацієнти відправляються на страту. Але одного разу батько показує дочки випадок пацієнта-бродяги Адама, який не піддається ніяким раціональним поясненням. Кара продовжує наполягати на своїй теорії і навіть намагається вилікувати Адама, але з часом їй відкриваються абсолютно несподівані факти ...

Майк Енслін не вірить в існування загробного життя. Будучи письменником в жанрі «жахи», він пише чергову книгу про надприродне. Вона присвячена полтергейст, що мешкають в готелях. В одному з них Майк і вирішує оселитися. Вибір падає на сумнозвісний номер 1408 готелю «Дельфін». На думку власників готелю і жителів міста, в номері мешкає зло, яке вбиває постояльців. Але ні цей факт, ні попередження старшого менеджера не лякає Майка. А даремно ... В номері письменникові доведеться пережити справжній кошмар, вибратися з якого можна тільки одним способом ...

Матеріал підготовлений за допомогою онлайн-кінотеатру ivi.

Технологія знаходиться в процесі розробки!

Детонаційний двигун простіший і дешевший у виготовленні, на порядок потужніший і економічніший звичайного реактивного двигуна, в порівнянні з ним має вищий ККД.

опис:

Детонаційний двигун (імпульсний, пульсуючий двигун) йде на зміну звичайного реактивного двигуна. Щоб зрозуміти сутність детонаційного двигуна треба розібрати звичайний реактивний двигун.

звичайний реактивний двигун влаштований таким чином.

У камері згоряння відбувається згорання палива і окислювача, в якості якого виступає кисень з повітря. При цьому тиск в камері згоряння постійно. Процес горіння різко підвищує температуру, створює незмінний полум'яний фронт і постійну реактивну тягу, Спливала з сопла. Фронт звичайного полум'я поширюється в газовому середовищі зі швидкістю 60-100 м / сек. За рахунок цього і відбувається рух літального апарату . Однак сучасні реактивні двигуни досягли певної межі ККД, потужності та інших характеристик, підвищення яких практично неможливо або вкрай важко.

У детонаційному (імпульсному або пульсуючому) двигуні горіння відбувається шляхом детонації. Детонація - це процес горіння, але яке відбувається в сотні разів швидше, ніж при звичайному спалюванні палива. При детонаційному горінні утворюється детонационная ударна хвиля, несуча з надзвуковою швидкістю. Вона становить близько 2500 м / сек. Тиск в результаті детонаційного горіння стрімко зростає, а обсяг камери згоряння залишається незмінним. Продукти горіння вириваються з величезною швидкістю через сопло. Частота пульсацій детонаційної хвилі досягає кілька тисяч в секунду. У детонаційної хвилі немає стабілізації фронту полум'я, на кожну пульсацію оновлюється паливна суміш і хвиля запускається знову.

Тиск в детонаційному двигуні створюється за рахунок самої детонації, що виключає подачу паливної суміші і окислювача при високому тиску. У звичайному реактивному двигуні, щоб створити тиск тяги в 200 атм., Необхідно подавати паливну суміш під тиском в 500 атм. У той час як в детонаційному двигуна - тиск подачі паливної суміші - 10 атм.

Камера згоряння детонаційного двигуна конструктивно має кільцеву форму з форсунками, розміщеними по її радіусу для подачі палива. Хвиля детонації пробігає по колу знову і знову, паливна суміш стискається і вигорає, виштовхуючи продукти згоряння через сопло.

переваги:

- детонаційний двигун простіший у виготовленні. Не має потреби в використанні турбонасосних агрегатів,

– на порядок потужніший і економічніший звичайного реактивного двигуна,

- має більш високий ККД,

– дешевше у виготовленні,

- немає необхідності створювати високий тиск подачі паливної суміші і окислювача, високий тиск створюється за рахунок самої детонації,

– детонаційний двигун перевершує звичайний реактивний двигун в 10 разів по потужності, що знімається з одиниці об'єму, що призводить до зменшення конструкції детонаційного двигуна,

- детонационное горіння в 100 разів швидше, ніж звичайне горіння палива.

Примітка: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Пройшли успішні випробування так званих детонаційних ракетних двигунів, що дали дуже цікаві результати. Дослідно-конструкторські роботи в цьому напрямку будуть продовжені.

На енергомашевскіх двигунах злітає більш дев'яносто відсотків ракет-носіїв в Росії .. Фото: Олеся Курпяева

Детонація - це вибух. Чи можна її зробити керованою? Чи можна на базі таких двигунів створити гіперзвукові зброю? Які ракетні двигуни будуть виводити безлюдні і пілотовані апарати в ближній космос? Про це наша розмова із заступником гендиректора - головним конструктором "НВО Енергомаш ім. Академіка В.П. Глушко" Петром Льовочкіним.

Петро Сергійович, які можливості відкривають нові двигуни?

Петро Льовочкін: Якщо говорити про найближчу перспективу, то сьогодні ми працюємо над двигунами для таких ракет, як "Ангара А5В" і "Союз-5", а також іншими, які знаходяться на передпроектної стадії і невідомі широкому загалу. Взагалі наші двигуни призначені для відриву ракети від поверхні небесного тіла. І вона може бути будь-який - земний, місячної, марсіанської. Так що, якщо будуть реалізовуватися місячна або марсіанська програми, ми обов'язково приймемо в них участь.

Є сучасних ракетних двигунів і чи є шляхи їх вдосконалення?

Петро Льовочкін:Якщо говорити про енергетичні і термодинамічних параметрах двигунів, то можна сказати, що наші, як, втім, і кращі зарубіжні хімічні ракетні двигуни на сьогоднішній день досягли певного досконалості. Наприклад, повнота згоряння палива досягає 98,5 відсотка. Тобто практично вся хімічна енергія палива в двигуні перетворюється в теплову енергію минає струменя газу з сопла.

Удосконалювати двигуни можна за різними напрямками. Це і застосування більш енергоємних компонентів палива, введення нових схемних рішень, збільшення тиску в камері згоряння. Іншим напрямком є \u200b\u200bзастосування нових, в тому числі адитивних, технологій з метою зниження трудомісткості і, як наслідок, зниження вартості ракетного двигуна. Все це веде до зниження вартості корисного навантаження.

Однак при більш детальному розгляді стає ясно, що підвищення енергетичних характеристик двигунів традиційним способом малоефективно.

Використання керованого вибуху палива може дати ракеті швидкість у вісім разів вище швидкості звуку

Чому?

Петро Льовочкін:Збільшення тиску і витрати палива в камері згоряння, природно, збільшить тягу двигуна. Але це зажадає збільшення товщини стінок камери і насосів. В результаті складність конструкції і її маса зростають, енергетичний виграш виявляється не таким вже й великим. Шкурка вичинки коштувати не буде.

Тобто ракетні двигуни вичерпали ресурс свого розвитку?

Петро Льовочкін:Не зовсім так. Висловлюючись технічною мовою, їх можна удосконалювати через підвищення ефективності внутрідвігательних процесів. Існують цикли термодинамічної перетворення хімічної енергії в енергію минає струменя, які набагато ефективніше класичного горіння ракетного палива. Це цикл детонаційного горіння і близький до нього цикл Хамфрі.

Сам ефект паливної детонації відкрив наш співвітчизник - згодом академік Яків Борисович Зельдович ще в 1940 році. Реалізація цього ефекту на практиці обіцяла дуже великі перспективи в ракетобудуванні. Не дивно, що німці в ті ж роки активно досліджували детонаційний процес горіння. Але далі не зовсім вдалих експериментів справа у них не просунулася.

Теоретичні розрахунки показали, що детонационное горіння на 25 відсотків ефективніше, ніж изобарических цикл, соответстветствует згорянню палива при постійному тиску, який реалізований в камерах сучасних рідинно-рактівних двигунів.

А чим забезпечуються переваги детонаційного горіння в порівнянні з класичним?

Петро Льовочкін:Класичний процес горіння - дозвуковій. Детонаційний - надзвуковий. Швидкість протікання реакції в малому обсязі призводить до величезного тепловиділенню - воно в кілька тисяч разів вище, ніж при дозвуковом горінні, реалізованому в класичних ракетних двигунах при одній і тій же масі палаючого палива. А для нас, двигателистов, це означає, що при значно менших габаритах детонаційного двигуна і при малій масі палива можна отримати ту ж тягу, що і у величезних сучасних рідинних ракетних двигунах.

Не секрет, що двигуни з детонаційними горінням палива розробляють і за кордоном. Які наші позиції? Поступаємося, йдемо на їх рівні або лідируємо?

Петро Льовочкін: Чи не поступаємося - це точно. Але і сказати, що лідируємо, не можу. Тема досить закрита. Один з головних технологічних секретів полягає в тому, як домогтися того, щоб пальне і окислювач ракетного двигуна не горіли, а вибухали, при цьому не руйнуючи камеру згоряння. Тобто фактично зробити справжній вибух контрольованим і керованим. Для довідки: детонаційними називають горіння палива у фронті надзвуковий ударної хвилі. Розрізняють імпульсну детонацію, коли ударна хвиля рухається уздовж осі камери і одна змінює іншу, а також безперервну (спінову) детонацію, коли ударні хвилі в камері рухаються по колу.

Наскільки відомо, за участю ваших фахівців проведені експериментальні дослідження детонаційного горіння. Які результати були отримані?

Петро Льовочкін: Були виконані роботи по створенню модельної камери рідинного детонаційного ракетного двигуна. Над проектом під патронажем Фонду перспективних досліджень працювала велика кооперація провідних наукових центрів Росії. У їх числі Інститут гідродинаміки ім. М.А. Лаврентьєва, МАІ, "Центр Келдиша", Центральний інститут авіаційного моторобудування ім. П.І. Баранова, Механіко-математичний факультет МГУ. Як пальне ми запропонували використовувати гас, а окислювача - газоподібний кисень. У процесі теоретичних і експериментальних досліджень було доведено можливість створення детонаційного ракетного двигуна на таких компонентах. На основі отриманих даних ми розробили, виготовили і успішно випробували детонационную модельну камеру з тягою в 2 тонни і тиском в камері згоряння близько 40 атм.

Дане завдання вирішувалася вперше не тільки в Росії, але і в світі. Тому, звичайно, проблеми були. По-перше, пов'язані із забезпеченням стійкої детонації кисню з гасом, по-друге, із забезпеченням надійного охолодження вогневої стінки камери без завесного охолодження і масою інших проблем, суть яких зрозуміла лише фахівцям.

Чи можна використовувати детонаційний двигун в гіперзвукових ракетах?

Петро Льовочкін:І можна, і потрібно. Хоча б тому, що горіння палива в ньому надзвукове. А в тих двигунах, на яких зараз намагаються створити керовані гіперзвукові літальні апарати, горіння дозвуковое. І це створює масу проблем. Адже якщо горіння в двигуні дозвуковое, а двигун летить, припустимо, зі швидкістю п'ять махів (один мах дорівнює швидкості звуку), треба зустрічний потік повітря загальмувати до звукового режиму. Відповідно, вся енергія цього гальмування переходить в тепло, яке веде до додаткового перегріву конструкції.

А в детонаційному двигуні процес горіння йде при швидкості як мінімум в два з половиною рази вище звуковий. І, відповідно, на цю величину ми можемо збільшити швидкість літального апарату. Тобто вже мова йде не про п'ять, а про восьми махах. Це реально досяжна на сьогоднішній день швидкість літальних апаратів з гіперзвуковими двигунами, в яких буде використовуватися принцип детонаційного горіння.

Петро Льовочкін:Це складне питання. Ми тільки відкрили двері в область детонаційного горіння. Ще дуже багато невивченою залишилося за дужками нашого дослідження. Сьогодні спільно з РКК "Енергія" ми намагаємося визначити, як може в перспективі виглядати двигун в цілому з детонаційної камерою стосовно розгінним блокам.

На яких двигунах людина полетить до далеких планет?

Петро Льовочкін: На мою думку, ще довго ми будемо літати на традиційних ЖРД займаючись їх вдосконаленням. Хоча безумовно розвиваються і інші типи ракетних двигунів, наприклад, електроракетні (вони значно ефективніше ЖРД - питомий імпульс у них в 10 разів вище). На жаль, сьогоднішні двигуни і засоби виведення не дозволяють говорити про реальність масових міжпланетних, а вже тим більше міжгалактичних перельотів. Тут поки все на рівні фантастики: фотонні двигуни, телепортація, левітація, гравітаційні хвилі. Хоча, з іншого боку, все сто з невеликим років тому твори Жюля Верна сприймалися як чиста фантастика. Можливо, революційного прориву в тій сфері, де ми працюємо, чекати залишилося зовсім недовго. У тому числі і в області практичного створення ракет, які використовують енергію вибуху.

Досьє "РГ"

"Науково-виробниче об'єднання Енергомаш" засновано Валентином Петровичем Глушка в 1929 році. Зараз носить його ім'я. Тут розробляють і випускають рідинні ракетні двигуни для I, в окремих випадках II ступенів ракет-носіїв. У НВО розроблено понад 60 різних рідинних реактивних двигунів. На двигунах "Енергомаш" був запущений перший супутник, відбувся політ першої людини в космос, запущений перший самохідний апарат "Місяцехід-1". Сьогодні на двигунах, розроблених і зроблених в НВО "Енергомаш", злітає понад дев'яносто відсотків ракет-носіїв в Росії.

Інфографіка "РГ" / Олександр Смирнов / Сергій Птічкін

Насправді замість постійного фронтального полум'я в зоні згоряння, утворюється детонационная хвиля, яка мчить з надзвуковою швидкістю. У такій хвилі стиснення детонують паливо і окислювач, цей процес, з точки зору термодинаміки підвищує ККД двигуна на порядок, завдяки компактності зони згоряння.

Цікаво, що ще в 1940 році радянський фізик Я.Б. Зельдович запропонував ідею детонаційного двигуна в статті «Про енергетичний використанні детонаційного згоряння». З тих пір над перспективною ідеєю працювали багато вчених з різних країн, Вперед виходили то США, то Німеччина, то наші співвітчизники.

Влітку, в серпні 2016 року російським вченим вдалося створити вперше в світі повнорозмірний рідинний реактивний двигун, що працює на принципі детонаційного згоряння палива. Наша країна нарешті за багато перебудовні роки встановила світовий пріоритет в освоєнні нової техніки.

Чим же такий хороший новий двигун? У реактивному двигуні застосовується енергія, що виділяється при спалюванні суміші при постійному тиску і незмінним полум'яному фронті. Газова суміш з палива та окислювача при горінні різко підвищує температуру і стовп полум'я, що виривається з сопла, створює реактивну тягу.

При детонаційному горінні продукти реакції не встигають зруйнуватися, бо цей процес в 100 разів швидше дефларгаціі і тиску при цьому стрімко збільшується, а обсяг залишається незмінним. Виділення такої великої кількості енергії дійсно може зруйнувати двигун автомобіля, тому такий процес часто асоціюється з вибухом.

Насправді замість постійного фронтального полум'я в зоні згоряння, утворюється детонационная хвиля, яка мчить з надзвуковою швидкістю. У такій хвилі стиснення детонують паливо і окислювач, цей процес, з точки зору термодинаміки підвищує ККД двигуна на порядок, завдяки компактності зони згоряння. Тому фахівці так завзято і приступили до розробки цієї ідеі.В звичайному ЖРД, по суті, є великий пальником, головне не камера згоряння і сопло, а паливний турбонасосний агрегат (ТНА), що створює такий тиск, щоб паливо проникло в камеру. Наприклад, в російському ЖРД РД-170 для ракет-носіїв «Енергія» тиск в камері згоряння 250 атм і насосу, що подає окислювач в зону згоряння доводитися створювати тиск в 600 атм.

У детонаційному двигуні тиск створюється самої детонацією, що представляє біжить хвилю стиску в суміші палива, в якій тиск без всякого ТНА вже в 20 раз більше і турбонасосного агрегати є зайвими. Щоб було зрозуміло, у американського «Шаттл» тиск в камері згоряння 200 атм, а детонаційного двигуна в таких умовах треба всього лише 10 атм для подачі суміші - це як велосипедний насос і Саяно-Шушенська ГЕС.

Двигун на основі детонації в такому разі не тільки більш простий і дешевий на цілий порядок, але набагато могутніше і економічніше, ніж звичайний ЖРД.На шляху впровадження проекту детонаційного двигуна встала проблема співволодіння з хвилею детонації. Це явище непросто вибухова хвиля, яка має швидкість звуку, а детонационная, що розповсюджується зі швидкістю 2500 м / сек, в ній немає стабілізації фронту полум'я, за кожну пульсацію оновлюється суміш і хвиля знову запускається.

Раніше російські і французькі інженери розробляли і будували реактивні пульсуючі двигуни, але не на принципі детонації, а на основі пульсації звичайного горіння. Характеристики таких ПуВРД були низькими і коли двигунобудівники розробили насоси, турбіни і компресори, настало століття реактивних двигунів і ЖРД, а пульсуючі залишилися на узбіччі прогресу. Світлі голови науки намагалися об'єднати детонационное горіння з ПуВРД, але частота пульсацій звичайного фронту горіння становить не більше 250 в секунду, а фронт детонації має швидкість до 2500 м / сек і частота його пульсацій досягає кілька тисяч в секунду. Здавалося неможливим втілити на практиці таку швидкість відновлення суміші і при цьому ініціювати детонацію.

В СЩА вдалося побудувати такий детонаційний пульсуючий двигун і випробувати його в повітрі, правда, пропрацював він всього 10 секунд, але пріоритет залишився за американськими конструкторами. Але вже в 60-х роках минулого століття радянському вченому Б.В. Войцеховському і практично в той же час і американцеві з університету в Мічигані Дж. Ніколс прийшла ідея закільцювати в камері згоряння хвилю детонації.

Такий ротаційний двигун складався з кільцевої камери згоряння з форсунками, розміщеними по її радіусу для подачі палива. Хвиля детонації бігає як білка в колесі по колу, паливна суміш стискається і вигорає, виштовхуючи продукти згоряння через сопло. У спиновом двигуні отримуємо частоту обертання хвилі в кілька тисяч в секунду, робота його подібна робочому процесу в ЖРД, тільки більш ефективно, завдяки детонації суміші палива.

В СРСР і США, а пізніше в Росії ведуться роботи зі створення ротаційного детонаційного двигуна з незгасаючої хвилею, розуміння процесів, що відбуваються всередині, для чого була створена ціла наука фізико-хімічна кінетика. Для розрахунку умов незгасаючої хвилі потрібні були потужні ЕОМ, які створили лише останнім часом.

У Росії над проектом такого спинового двигуна працюють багато НДІ і КБ, серед яких двигунобудівного компанія космічної промисловості НВО «Енергомаш». На допомогу в розробці такого двигуна прийшов Фонд перспективних досліджень, адже фінансування від Міністерства оборони домогтися неможливо - їм подавай тільки гарантований результат.

Тим не менше на випробуваннях в Хімках на «Енергомаш» був зафіксований сталий режим безперервної детонації спину - 8 тисяч обертів на секунду на суміші «кисень - гас». При цьому детонаційні хвилі врівноважували хвилі вібрації, а теплозахисні покриття витримали високі температури.
Але не варто спокушатися, адже це лише двигун-демонстратор, який пропрацював досить нетривалий час і про характеристики його ще поки нічого не сказано. Але головна складова тому, що доведена можливість створення детонаційного горіння і створений повнорозмірний спінової двигун саме в Росії, що залишиться в історії науки назавжди.

Нова фізична ідея - використання детонаційного горіння замість звичайного, дефлаграціонним - дозволяє радикально поліпшити характеристики реактивного двигуна.

Говорячи про космічних програмах, ми в першу чергу думаємо про потужні ракети, які виводять на орбіту космічні кораблі. Серце ракети-носія - її двигуни, що створюють реактивну тягу. Ракетний двигун - це складне енергопреобразующее пристрій, багато в чому нагадує живий організм зі своїм характером і манерами поведінки, яке створюється поколіннями вчених і інженерів. Тому змінити щось в працюючій машині практично неможливо: ракетники кажуть: "Не заважай машині працювати ..." Такий консерватизм, хоча він багато разів виправданий практикою космічних пусків, все ж гальмує ракетно-космічне двигунобудування - одну з найбільш наукоємних галузей діяльності людини. Необхідність змін назріла вже давно: для вирішення цілої низки завдань потрібні істотно більш енергоефективні двигуни, ніж ті, які експлуатуються сьогодні і які за своїм досконалості досягли межі.

Потрібні нові ідеї, нові фізичні принципи. Нижче мова піде саме про таку ідею і про її втіленні в демонстраційному зразку ракетного двигуна нового типу.

Дефлаграція і детонація

У більшості існуючих ракетних двигунів хімічна енергія палива перетворюється в тепло і механічну роботу за рахунок повільного (дозвукового) горіння - дефлаграції - при практично постійному тиску: P \u003d const. Однак, крім дефлаграції, відомий і інший режим горіння - детонація. При детонації хімічна реакція окислення горючої протікає в режимі самозаймання при високих значеннях температури і тиску через сильну ударною хвилею, що біжить з високою надзвуковою швидкістю. Якщо при дефлаграції вуглеводневого палива потужність тепловиділення з одиниці площі поверхні фронту реакції становить ~ 1 МВт / м2, то потужність тепловиділення в детонаційному фронті на три-чотири порядки вище і може досягати 10000 МВт / м2 (вище потужності випромінювання з поверхні Сонця!). Крім того, на відміну від продуктів повільного горіння, продукти детонації мають величезну кінетичну енергію: швидкість продуктів детонації в ~ 20-25 разів вище за швидкість продуктів повільного горіння. Виникають питання: чи не можна в ракетному двигуні замість дефлаграції використовувати детонацію і чи приведе заміна режиму горіння до підвищення енергоефективності двигуна?

Наведемо простий приклад, який ілюструє переваги детонаційного горіння в ракетному двигуні над дефлаграціонним. Розглянемо три однакових камери згоряння (КС) у вигляді труби з одним закритим і іншим відкритим кінцем, які заповнені однаковою горючою сумішшю при однакових умовах і поставлені закритим кінцем вертикально на тягоізмерітельние ваги (рис. 1). Енергію запалювання будемо вважати пренебрежимо малої в порівнянні з хімічною енергією пального в трубі.

Мал. 1. Енергоефективність детонаційного двигуна

Нехай в першій трубі горюча суміш запалюється одним джерелом, наприклад, автомобільної свічкою, Розташованої у закритого кінця. Після запалювання вгору по трубі побіжить повільне полум'я, видима швидкість якого зазвичай не перевищує 10 м / c, тобто багато менше швидкості звуку (близько 340 м / с). Це означає, що тиск в трубі P буде дуже мало відрізнятися від атмосферного Pa, І свідчення терезів практично не зміняться. Іншими словами, таке (дефлаграційне) спалювання суміші практично не призводить до появи надлишкового тиску на закритому кінці труби, і, отже, додаткової сили, що діє на ваги. У таких випадках кажуть, що корисна робота циклу з P=Pa=constдорівнює нулю і, отже, дорівнює нулю термодинамічний коефіцієнт корисної дії (ККД). Саме тому в існуючих силових установках горіння організовується ні до атмосферному, а при підвищеному тиску P"Pa, Що отримується за допомогою турбонасосів. В сучасних ракетних двигунах середній тиск в КС досягає 200-300 атм.

Спробуємо змінити ситуацію, встановивши в другій трубі безліч джерел запалювання, які одночасно запалюють горючу суміш по всьому об'єму. У цьому випадку тиск в трубі P швидко зросте, як правило, в сім-десять разів, і свідчення терезів зміняться: на закритий кінець труби протягом деякого часу - часу закінчення продуктів горіння в атмосферу - буде діяти досить велика сила, яка здатна зробити велику роботу. Що ж змінилося? Змінилася організація процесу горіння в КС: замість горіння при постійному тиску P=const ми організували горіння при постійному обсязі V=const.

Тепер згадаємо про можливість організації детонаційного горіння нашої суміші і в третій трубі замість безлічі розподілених слабких джерел запалювання встановимо, як і в першій трубі, одне джерело запалювання у закритого кінця труби, але не слабкий, а сильний - такий, який призведе до виникнення не полум'я , а детонаційної хвилі. Виникнувши, детонационная хвиля побіжить вгору по трубі з високою надзвуковою швидкістю (близько 2000 м / с), так що вся суміш в трубі згорить дуже швидко, і тиск в середньому підвищиться як при постійному обсязі - в сім-десять разів. При більш детальному розгляді виявляється, що робота, здійснена в циклі з детонаційними горінням, буде навіть вище, ніж у циклі V = const.

Таким чином, при інших рівних умовах детонационное згоряння горючої суміші в КС дозволяє отримати максимальну корисну роботу в порівнянні з дефлаграціонним горінням при P=const і V=const, Тобто дозволяє отримати максимальний термодинамічний ККД . Якщо замість існуючих ракетних двигунів з дефлаграціонним горінням використовувати двигуни з детонаційними горінням, то такі двигуни могли б дати надзвичайно великі вигоди. Цей результат був вперше отриманий нашим великим співвітчизником академіком Яковом Борисовичем Зельдовичем ще в 1940 році, проте до цих пір не знайшов практичного застосування. Основна причина цього - складність організації керованого детонаційного горіння штатних ракетних палив.

Потужність тепловиділення в детонаційному фронті на 3-4 порядки вище, ніж у фронті звичайного дефлаграціонним горіння і може перевищувати потужність випромінювання з поверхні Сонця. Швидкість продуктів детонації в 20-25 разів вище за швидкість продуктів повільного горіння

Імпульсний і безперервний режими

До теперішнього часу запропоновано безліч схем організації керованого детонаційного горіння, включаючи схеми з імпульсно-детонаційними і з безперервно-детонаційними робочим процесом. Імпульсно-детонаційний робочий процес заснований на циклічному заповненні КС горючою сумішшю з наступним запалюванням, поширенням детонації і закінченням продуктів в навколишній простір (як у третій трубі в розглянутому вище прикладі). Безперервно-детонаційний робочий процес заснований на безперервній подачі горючої суміші в КС і її безперервному згорянні в одній або декількох детонаційних хвилях, безперервно циркулюють в тангенціальному напрямку поперек потоку.

Концепція КС з безперервною детонацією запропонована в 1959 році академіком Богданом В'ячеславовичем Войцеховским і довгий час вивчалася в Інституті гідродинаміки СО РАН. Найпростіша безперервно-детонационная КС є кільцевої канал, утворений стінками двох коаксіальних циліндрів (рис. 2). Якщо на днище кільцевого каналу помістити змішувальну головку, а інший кінець каналу обладнати реактивним соплом, то вийде проточний кільцевої реактивний двигун. Детонаційне горіння в такий КС можна організувати, спалюючи горючу суміш, що подається через змішувальну головку, в детонаційної хвилі, безперервно циркулює над днищем. При цьому в детонаційної хвилі буде згоряти горюча суміш, знову надійшла в КС за час одного обороту хвилі по колу кільцевого каналу. До інших достоїнств таких КС відносять простоту конструкції, одноразове запалювання, квазістаціонарне витікання продуктів детонації, високу частоту циклів (кілогерц), малий поздовжній розмір, низький рівень емісії шкідливих речовин, Низький рівень шуму і вібрацій.

Заданий питомий імпульс в детонаційному ракетному двигуні досягається при значно меншому тиску, ніж в традиційному рідинному ракетному двигуні. Це дозволить в перспективі кардинально змінити масогабаритні характеристики ракетних двигунів

Мал. 2. Схема детонаційного ракетного двигуна

демонстраційний зразок

В рамках проекту Міністерства освіти та науки створено демонстраційний зразок безперервно-детонаційного ракетного двигуна (ДРД) з КС діаметром 100 мм і шириною кільцевого каналу 5 мм, який випробуваний при роботі на паливних парах водень - кисень, зріджений природний газ - кисень і пропан-бутан- -кислород. Вогневі випробування ДРД проводилися на спеціально розробленому випробувальному стенді. Тривалість кожного вогневого випробування - не більше 2 с. За цей час за допомогою спеціальної діагностичної апаратури реєструвалися десятки тисяч обертів детонаційних хвиль в кільцевому каналі КС. При роботі ДРД на паливної парі водень - кисень вперше в світі експериментально доведено, що термодинамічний цикл з детонаційними горінням (цикл Зельдовича) на 7-8% ефективніше, ніж термодинамічний цикл з звичайним горінням при інших рівних умовах.

В рамках проекту створено унікальну, яка не має світових аналогів обчислювальна технологія, призначена для повномасштабного моделювання робочого процесу в ДРД. Ця технологія фактично дозволяє проектувати двигуни нового типу. При порівнянні результатів розрахунків з вимірами виявилося, що розрахунок точно прогнозує кількість детонаційних хвиль, що циркулюють в тангенціальному напрямку в кільцевої КС ДРД заданої конструкції (чотири, три або одну хвилю, рис. 3). Розрахунок з прийнятною точністю пророкує і робочу частоту процесу, тобто дає значення швидкості детонації, близькі до виміряних, і тягу, фактично розвивається ДРД. Крім того, розрахунок правильно пророкує тенденції зміни параметрів робочого процесу при підвищенні витрати горючої суміші в ДРД заданої конструкції - як і в експерименті, кількість детонаційних хвиль, частота обертання детонації і тяга при цьому збільшуються.

Мал. 3. Квазістаціонарні розрахункові поля тиску (а, б) і температури (в) в умовах трьох експериментів (зліва направо). Як і в експериментах, в розрахунках отримані режими з чотирма, трьома і однієї детонаційними хвилями

ДРД проти ЖРД

Основний показник енергоефективності ракетного двигуна - питомий імпульс тяги, рівний відношенню тяги, що розвивається двигуном, до вагового секундному витраті горючої суміші. Питома імпульс вимірюється в секундах (с). Залежність питомої імпульсу тяги ДРД від середнього тиску в КС, отримана в ході вогневих випробувань двигуна нового типу, така, що питома імпульс збільшується зі зростанням середнього тиску в КС. Основною цільовою показник проекту - питомий імпульс тяги 270 з в умовах на рівні моря - досягнутий в вогневих випробуваннях при середньому тиску в КС, що дорівнює 32 атм. Виміряна тяга ДРД при цьому перевищила 3 \u200b\u200bкН.

При порівнянні питомих показників ДРД з питомими характеристиками в традиційних рідинних ракетних двигунах (ЖРД) виявляється, що заданий питомий імпульс в ДРД досягається при значно меншому середньому тиску, ніж в ЖРД. Так, в ДРД питомий імпульс в 260 з досягається при тиску в КС лише 24 атм, тоді як питома імпульс 263,3 з у відомому вітчизняному двигуні РД-107А досягається при тиску в КС 61,2 атм, яке в 2,5 рази вище . Відзначимо, що двигун РД-107А працює на паливної парі гас - кисень і використовується в першого ступеня ракети-носія "Союз-ФГ". Таке значне зниження середнього тиску в ДРД дозволить в перспективі кардинально змінити масогабаритні характеристики ракетних двигунів і знизити вимоги до турбонасосним агрегатів.

Ось і нова ідея, і нові фізичні принципи.

Один з результатів проекту - розроблене технічне завдання на проведення дослідно-конструкторської роботи (ДКР) зі створення дослідного зразка ДРД. Основна проблема, яку планується вирішити в рамках ДКР, - забезпечити безперервну роботу ДРД протягом тривалого часу (десятки хвилин). Для цього буде потрібно розробити ефективну систему охолодження стінок двигуна.

Зважаючи на своє проривного характеру завдання створення практичного ДРД, безсумнівно, повинна стати одним із пріоритетних завдань вітчизняного космічного двигунобудування.

Сергій Фролов, доктор фізико-математичних наук, Інститут хімічної фізики ім. М.М. Семенова РАН, професор НІЯУ-МІФІ

Газ замість гасу

У 2014-2016 роках Міністерством освіти і науки РФ підтриманий проект "Розробка технологій використання зрідженого природного газу (метан, пропан, бутан) в якості палива для ракетно-космічної техніки нового покоління і створення стендового демонстраційного зразка ракетного двигуна". Проект передбачає створення демонстраційного зразка безперервно-детонаційного ракетного двигуна (ДРД), що працює на паливної парі "скраплений природний газ (СПГ) - кисень". Виконавець проекту - Центр імпульсно-детонаційного горіння Інституту хімічної фізики РАН. Індустріальний партнер проекту - Тураевское машинобудівне конструкторське бюро "Союз". У заявці на проект доцільність використання в рідинному ракетному двигуні (ЖРД) безперервно-детонаційного горіння пояснювалася більш високим термодинамічних ККД в порівнянні з традиційним циклом, що використовують повільне горіння, а доцільність використання СПГ пояснювалася цілою низкою переваг в порівнянні з гасом: підвищеним питомим імпульсом тяги, доступністю і дешевизною, істотно меншим сажеобразование при горінні і більш високими екологічними характеристиками. Теоретично заміна гасу на СПГ в традиційному ЖРД обіцяє підвищення питомої імпульсу на 3-4%, а перехід від традиційного ЖРД до ДРД - на 13-15%.