Детонаційний двигун. Детонаційний двигун - майбутнє російського двигунобудування. Імпульсний і безперервний режими
В кінці січня з'явилися повідомлення про нові успіхи російської науки і техніки. З офіційних джерел стало відомо, що один з вітчизняних проектів перспективного реактивного двигуна детонаційного типу вже пройшов стадію випробувань. Це наближає момент повного завершення всіх необхідних робіт, за результатами яких космічні або військові ракети російської розробки зможуть отримати нові силові установки з підвищеними характеристиками. Більш того, нові принципи роботи двигунів можуть знайти застосування не тільки в сфері ракет, а й в інших областях.
В останніх числах січня віце-прем'єр Дмитро Рогозін розповів вітчизняній пресі про останні успіхи науково-дослідних організацій. Серед інших тем він торкнувся процес створення реактивних двигунів, Що використовують нові принципи роботи. Перспективний двигун з детонаційними горінням вже був доведений до випробувань. За словами віце-прем'єра, застосування нових принципів роботи силової установки дозволяє отримати значний приріст характеристик. У порівнянні з конструкціями традиційної архітектури спостерігається зростання тяги близько 30%.
Сучасні ракетні двигуни різних класів і типів, що експлуатуються в різних областях, використовують т.зв. изобарических цикл або дефлаграційне горіння. В їх камерах згоряння підтримується постійний тиск, при якому відбувається повільне горіння палива. Двигун на дефлаграціонним принципах не потребує особливо міцних агрегатах, однак обмежений в максимальних показниках. Підвищення основних характеристик, починаючи з певного рівня, виявляється невиправдано складним.
Альтернатива двигуну з изобарического циклом в контексті підвищення характеристик - система з т.зв. детонаційними горінням. В такому випадку реакція окислення пального відбувається за ударною хвилею, з високою швидкістю переміщається по камері згоряння. Це висуває особливі вимоги до конструкції двигуна, але при цьому дає очевидні переваги. З точки зору ефективності згоряння палива детонационное горіння на 25% краще дефлаграціонним. Також відрізняється від горіння з постійним тиском збільшеною потужністю тепловиділення з одиниці площі поверхні фронту реакції. У теорії, можливо підвищення цього параметра на три-чотири порядки. Як наслідок, швидкість реактивних газів можна збільшити в 20-25 разів.
Таким чином, детонаційний двигун, відрізняючись підвищеним коефіцієнтом корисної дії, здатний розвивати велику тягу при меншій витраті палива. Його переваги перед традиційними конструкціями очевидні, проте до недавнього часу прогрес в цій області залишав бажати кращого. Принципи детонаційного реактивного двигуна були сформульовані ще в 1940 році радянським фізиком Я.Б. Зельдовичем, але готові вироби подібного роду все ще не дійшли до експлуатації. Головні причини відсутності реальних успіхів - проблеми зі створенням досить міцній конструкції, а також складність запуску і подальшого підтримання ударної хвилі при застосуванні існуючих палив.
Один з останніх вітчизняних проектів в області детонаційних ракетних двигунів стартував у 2014 році і розробляється в НВО «Енергомаш» ім. академіка В.П. Глушко. Відповідно до доступних даними, метою проекту з шифром «Іфритом» було вивчення основних принципів нової техніки з подальшим створенням рідинного ракетного двигуна, що використовує гас і газоподібний кисень. В основу нового двигуна, названого на ім'я вогненних демонів з арабського фольклору, укладався принцип спинового детонаційного горіння. Таким чином, відповідно до основною ідеєю проекту, ударна хвиля повинна безперервно переміщатися по колу всередині камери згоряння.
Головним розробником нового проекту стало НВО «Енергомаш», а точніше створена на його базі спеціальна лабораторія. Крім того, до робіт залучили кілька інших науково-дослідних і проектних організацій. Програма отримала підтримку Фонду перспективних досліджень. Спільними зусиллями всі учасники проекту «Іфритом» змогли сформувати оптимальний вигляд перспективного двигуна, а також створити модельну камеру згоряння з новими принципами роботи.
Для вивчення перспектив всього напряму і нових ідей кілька років тому була побудована т.зв. модельна детонационная камера згоряння, що відповідає вимогам проекту. Такий досвідчений двигун з скороченою комплектацією повинен був використовувати як пальне рідкий гас. В якості окислювача пропонувався газоподібний кисень. У серпні 2016 року почалися випробування дослідної камери. Важливо, що вперше в історії проект подібного роду вдалося довести до стадії стендових перевірок. Раніше вітчизняні та зарубіжні детонаційні ракетні двигуни розроблялися, але не випробовувалися.
В ході випробувань модельного зразка вдалося отримати досить цікаві результати, що показують правильність використаних підходів. Так, за рахунок використання правильних матеріалів і технологій вийшло довести тиск всередині камери згоряння до 40 атмосфер. Тяга досвідченого вироби досягла 2 т.
В рамках проекту «Іфритом» були отримані певні результати, але вітчизняний детонаційний двигун на рідкому паливі поки ще далекий від повноцінного практичного застосування. Перед впровадженням такого обладнання в нові проекти техніки конструкторам і вчені мають вирішити цілий ряд найсерйозніших завдань. Тільки після цього ракетно-космічна галузь або оборонна промисловість зможуть приступити до реалізації потенціалу нової техніки на практиці.
В середині січня «Російська газета» опублікувала інтерв'ю з головним конструктором НВО «Енергомаш» Петром Льовочкіним, темою якого стало поточний стан справ і перспективи детонаційних двигунів. Представник підприємства-розробника нагадав про основні положення проекту, а також торкнувся теми досягнутих успіхів. Крім того, він розповів про можливі сфери застосування «Іфритом» і подібних йому конструкцій.
Наприклад, детонаційні двигуни можуть використовуватися в гіперзвукових літальних апаратах. П. Льовочкін нагадав, що двигуни, зараз пропонуються для застосування на такій техніці, використовують дозвуковое горіння. При гіперзвукової швидкості апарату польоту надходить в двигун повітря необхідно загальмувати до звукового режиму. Однак енергія гальмування повинна приводити до додаткових теплових навантажень на планер. У детонаційних двигунах швидкість горіння палива досягає, як мінімум, М \u003d 2,5. Завдяки цьому з'являється можливість підвищити швидкість польоту літального апарату. Подібна машина з двигуном детонаційного типу зможе розганятися до швидкостей, у вісім разів перевищують швидкість звуку.
Втім, реальні перспективи ракетних двигунів детонаційного типу поки не надто великі. За словами П. Льовочкіна, ми «тільки відкрили двері в область детонаційного горіння». Вченим і конструкторам належить вивчити безліч питань, і тільки після цього можна буде займатися створенням конструкцій з практичним потенціалом. Через це космічної галузі ще довго доведеться використовувати рідинні двигуни традиційної конструкції, що, однак, не скасовує можливості їх подальшого вдосконалення.
Цікавим є той факт, що детонаційний принцип горіння знаходить застосування не тільки в сфері ракетних двигунів. Вже існує вітчизняний проект авіаційної системи з камерою згоряння детонаційного типу, що працює за імпульсного принципу. Дослідний зразок такого роду був доведений до випробувань, і в майбутньому може дати старт новому напрямку. Нові двигуни з детонаційними горінням можуть знайти застосування в самих різних сферах і частково замінити газотурбінні або турбореактивні двигуни традиційних конструкцій.
Вітчизняний проект детонаційного авіаційного двигуна розробляється в ОКБ ім. А.М. Люльки. Інформація про цей проект вперше була представлена \u200b\u200bна торішньому міжнародному військово-технічному форумі «Армія-2017». На стенді підприємства-розробника присутні матеріали по різним двигунів, Як серійним, так і знаходяться на стадії розробки. Серед останніх був перспективний детонаційний зразок.
Суть нової пропозиції полягає в застосуванні нестандартної камери згоряння, здатної здійснювати імпульсне детонационное горіння палива в повітряній атмосфері. При цьому частота «вибухів» всередині двигуна повинна досягати 15-20 кГц. У перспективі можливе додаткове збільшення цього параметра, в результаті чого шум двигуна піде за межі діапазону, сприйманого людським вухом. Такі особливості двигуна можуть представляти певний інтерес.
Однак головні переваги нової силової установки пов'язані з підвищеними характеристиками. Стендові випробування дослідних виробів показали, що вони приблизно на 30% перевершують традиційні газотурбінні двигуни за питомими показниками. На час першої публічної демонстрації матеріалів по двигуну ОКБ ім. А.М. Люльки змогло отримати і досить високі експлуатаційні характеристики. Досвідчений двигун нового типу зміг без перерви пропрацювати 10 хвилин. Сумарна напрацювання цього виробу на стенді на той момент перевищила 100 годин.
Представники підприємства-розробника вказували, що вже зараз можна створити новий детонаційний двигун з тягою 2-2,5 т, придатний для установки на легкі літаки або безпілотні літальні апарати. У конструкції такого двигуна пропонується використовувати т.зв. резонаторні пристрої, що відповідають за правильний хід горіння палива. Важливою перевагою нового проекту є принципова можливість установки таких пристроїв в будь-якому місці планера.
Фахівці ОКБ ім. А.М. Люльки працюють над авіаційними двигунами з імпульсним детонаційними горінням понад три десятиліття, але поки проект не виходить з науково-дослідницької стадії і не має реальних перспектив. Головна причина - відсутність замовлення і необхідного фінансування. Якщо проект отримає необхідну підтримку, то вже в доступному для огляду майбутньому може бути створено зразок двигуна, придатний для використання на різній техніці.
До теперішнього часу російські вчені і конструктори встигли показати дуже примітні результати в області реактивних двигунів, що використовують нові принципи роботи. Існує відразу кілька проектів, придатних для застосування в ракетно-космічній та гіперзвукової областях. Крім того, нові двигуни можуть застосовуватися і в «традиційної» авіації. Деякі проекти поки перебувають на ранніх стадіях і ще не готові до перевірок та інших робіт, тоді як в інших напрямках вже були отримані найвизначніші результати.
Досліджуючи тематику реактивних двигунів з детонаційними горінням, російські фахівці змогли створити стендова модельний зразок камери згоряння з бажаними характеристиками. Дослідне виріб «Іфритом» вже пройшло випробування, в ході яких було зібрано велику кількість різноманітної інформації. За допомогою отриманих даних розвиток напрямку триватиме.
Освоєння нового напрямку і переклад ідей в практично застосовну форму займе чимало часу, і з цієї причини в доступному для огляду майбутньому космічні і армійські ракети в доступному для огляду майбутньому будуть комплектуватися тільки традиційними рідинними двигунами. Проте, роботи вже вийшли з чисто теоретичної стадії, і тепер кожен тестовий запуск досвідченого двигуна наближає момент будівництва повноцінних ракет з новими силовими установками.
В кінці січня з'явилися повідомлення про нові успіхи російської науки і техніки. З офіційних джерел стало відомо, що один з вітчизняних проектів перспективного реактивного двигуна детонаційного типу вже пройшов стадію випробувань. Це наближає момент повного завершення всіх необхідних робіт, за результатами яких космічні або військові ракети російської розробки зможуть отримати нові силові установки з підвищеними характеристиками. Більш того, нові принципи роботи двигунів можуть знайти застосування не тільки в сфері ракет, а й в інших областях. В останніх числах січня віце-прем'єр Дмитро Рогозін розповів вітчизняній пресі про останні успіхи науково-дослідних організацій.
Серед інших тем він торкнувся процес створення реактивних двигунів, що використовують нові принципи роботи. Перспективний двигун з детонаційними горінням вже був доведений до випробувань. За словами віце-прем'єра, застосування нових принципів роботи силової установки дозволяє отримати значний приріст характеристик. У порівнянні з конструкціями традиційної архітектури спостерігається зростання тяги близько 30%.
Схема детонаційного ракетного двигуна
Сучасні ракетні двигуни різних класів і типів, що експлуатуються в різних областях, використовують т.зв. изобарических цикл або дефлаграційне горіння. В їх камерах згоряння підтримується постійний тиск, при якому відбувається повільне горіння палива. Двигун на дефлаграціонним принципах не потребує особливо міцних агрегатах, однак обмежений в максимальних показниках. Підвищення основних характеристик, починаючи з певного рівня, виявляється невиправдано складним.
Альтернатива двигуну з изобарического циклом в контексті підвищення характеристик - система з т.зв. детонаційними горінням. В такому випадку реакція окислення пального відбувається за ударною хвилею, з високою швидкістю переміщається по камері згоряння. Це висуває особливі вимоги до конструкції двигуна, але при цьому дає очевидні переваги. З точки зору ефективності згоряння палива детонационное горіння на 25% краще дефлаграціонним. Також відрізняється від горіння з постійним тиском збільшеною потужністю тепловиділення з одиниці площі поверхні фронту реакції. У теорії, можливо підвищення цього параметра на три-чотири порядки. Як наслідок, швидкість реактивних газів можна збільшити в 20-25 разів.
Таким чином, детонаційний двигун, відрізняючись підвищеним коефіцієнтом корисної дії, здатний розвивати велику тягу при меншій витраті палива. Його переваги перед традиційними конструкціями очевидні, проте до недавнього часу прогрес в цій області залишав бажати кращого. Принципи детонаційного реактивного двигуна були сформульовані ще в 1940 році радянським фізиком Я.Б. Зельдовичем, але готові вироби подібного роду все ще не дійшли до експлуатації. Головні причини відсутності реальних успіхів - проблеми зі створенням досить міцній конструкції, а також складність запуску і подальшого підтримання ударної хвилі при застосуванні існуючих палив.
Один з останніх вітчизняних проектів в області детонаційних ракетних двигунів стартував в 2014 році і розробляється в НВО «Енергомаш» ім. академіка В.П. Глушко. Відповідно до доступних даними, метою проекту з шифром «Іфритом» було вивчення основних принципів нової техніки з подальшим створенням рідинного ракетного двигуна, що використовує гас і газоподібний кисень. В основу нового двигуна, названого на ім'я вогненних демонів з арабського фольклору, укладався принцип спинового детонаційного горіння. Таким чином, відповідно до основною ідеєю проекту, ударна хвиля повинна безперервно переміщатися по колу всередині камери згоряння.
Головним розробником нового проекту стало НВО «Енергомаш», а точніше створена на його базі спеціальна лабораторія. Крім того, до робіт залучили кілька інших науково-дослідних і проектних організацій. Програма отримала підтримку Фонду перспективних досліджень. Спільними зусиллями всі учасники проекту «Іфритом» змогли сформувати оптимальний вигляд перспективного двигуна, а також створити модельну камеру згоряння з новими принципами роботи.
Для вивчення перспектив всього напряму і нових ідей кілька років тому була побудована т.зв. модельна детонационная камера згоряння, що відповідає вимогам проекту. Такий досвідчений двигун з скороченою комплектацією повинен був використовувати як пальне рідкий гас. В якості окислювача пропонувався газоподібний кисень. У серпні 2016 року почалися випробування дослідної камери. Важливо, що вперше в історії проект подібного роду вдалося довести до стадії стендових перевірок. Раніше вітчизняні та зарубіжні детонаційні ракетні двигуни розроблялися, але не випробовувалися.
В ході випробувань модельного зразка вдалося отримати досить цікаві результати, що показують правильність використаних підходів. Так, за рахунок використання правильних матеріалів і технологій вийшло довести тиск всередині камери згоряння до 40 атмосфер. Тяга досвідченого вироби досягла 2 т.
Модельна камера на випробувальному стенді
В рамках проекту «Іфритом» були отримані певні результати, але вітчизняний детонаційний двигун на рідкому паливі поки ще далекий від повноцінного практичного застосування. Перед впровадженням такого обладнання в нові проекти техніки конструкторам і вчені мають вирішити цілий ряд найсерйозніших завдань. Тільки після цього ракетно-космічна галузь або оборонна промисловість зможуть приступити до реалізації потенціалу нової техніки на практиці.
В середині січня «Російська газета» опублікувала інтерв'ю з головним конструктором НВО «Енергомаш» Петром Льовочкіним, темою якого стало поточний стан справ і перспективи детонаційних двигунів. Представник підприємства-розробника нагадав про основні положення проекту, а також торкнувся теми досягнутих успіхів. Крім того, він розповів про можливі сфери застосування «Іфритом» і подібних йому конструкцій.
Наприклад, детонаційні двигуни можуть використовуватися в гіперзвукових літальних апаратах. П. Льовочкін нагадав, що двигуни, зараз пропонуються для застосування на такій техніці, використовують дозвуковое горіння. При гіперзвукової швидкості апарату польоту надходить в двигун повітря необхідно загальмувати до звукового режиму. Однак енергія гальмування повинна приводити до додаткових теплових навантажень на планер. У детонаційних двигунах швидкість горіння палива досягає, як мінімум, М \u003d 2,5. Завдяки цьому з'являється можливість підвищити швидкість польоту літального апарату. Подібна машина з двигуном детонаційного типу зможе розганятися до швидкостей, у вісім разів перевищують швидкість звуку.
Втім, реальні перспективи ракетних двигунів детонаційного типу поки не надто великі. За словами П. Льовочкіна, ми «тільки відкрили двері в область детонаційного горіння». Вченим і конструкторам належить вивчити безліч питань, і тільки після цього можна буде займатися створенням конструкцій з практичним потенціалом. Через це космічної галузі ще довго доведеться використовувати рідинні двигуни традиційної конструкції, що, однак, не скасовує можливості їх подальшого вдосконалення.
Цікавим є той факт, що детонаційний принцип горіння знаходить застосування не тільки в сфері ракетних двигунів. Вже існує вітчизняний проект авіаційної системи з камерою згоряння детонаційного типу, що працює за імпульсного принципу. Дослідний зразок такого роду був доведений до випробувань, і в майбутньому може дати старт новому напрямку. Нові двигуни з детонаційними горінням можуть знайти застосування в самих різних сферах і частково замінити газотурбінні або турбореактивні двигуни традиційних конструкцій.
Вітчизняний проект детонаційного авіаційного двигуна розробляється в ОКБ ім. А.М. Люльки. Інформація про цей проект вперше була представлена \u200b\u200bна торішньому міжнародному військово-технічному форумі «Армія-2017». На стенді підприємства-розробника присутні матеріали з різних двигунів, як серійним, так і знаходяться на стадії розробки. Серед останніх був перспективний детонаційний зразок.
Суть нової пропозиції полягає в застосуванні нестандартної камери згоряння, здатної здійснювати імпульсне детонационное горіння палива в повітряній атмосфері. При цьому частота «вибухів» всередині двигуна повинна досягати 15-20 кГц. У перспективі можливе додаткове збільшення цього параметра, в результаті чого шум двигуна піде за межі діапазону, сприйманого людським вухом. Такі особливості двигуна можуть представляти певний інтерес.
Перший запуск досвідченого вироби "Іфритом"
Однак головні переваги нової силової установки пов'язані з підвищеними характеристиками. Стендові випробування дослідних виробів показали, що вони приблизно на 30% перевершують традиційні газотурбінні двигуни за питомими показниками. На час першої публічної демонстрації матеріалів по двигуну ОКБ ім. А.М. Люльки змогло отримати і досить високі експлуатаційні характеристики. Досвідчений двигун нового типу зміг без перерви пропрацювати 10 хвилин. Сумарна напрацювання цього виробу на стенді на той момент перевищила 100 годин.
Представники підприємства-розробника вказували, що вже зараз можна створити новий детонаційний двигун з тягою 2-2,5 т, придатний для установки на легкі літаки або безпілотні літальні апарати. У конструкції такого двигуна пропонується використовувати т.зв. резонаторні пристрої, що відповідають за правильний хід горіння палива. Важливою перевагою нового проекту є принципова можливість установки таких пристроїв в будь-якому місці планера.
Фахівці ОКБ ім. А.М. Люльки працюють над авіаційними двигунами з імпульсним детонаційними горінням понад три десятиліття, але поки проект не виходить з науково-дослідницької стадії і не має реальних перспектив. Головна причина - відсутність замовлення і необхідного фінансування. Якщо проект отримає необхідну підтримку, то вже в доступному для огляду майбутньому може бути створено зразок двигуна, придатний для використання на різній техніці.
До теперішнього часу російські вчені і конструктори встигли показати дуже примітні результати в області реактивних двигунів, що використовують нові принципи роботи. Існує відразу кілька проектів, придатних для застосування в ракетно-космічній та гіперзвукової областях. Крім того, нові двигуни можуть застосовуватися і в «традиційної» авіації. Деякі проекти поки перебувають на ранніх стадіях і ще не готові до перевірок та інших робіт, тоді як в інших напрямках вже були отримані найвизначніші результати.
Досліджуючи тематику реактивних двигунів з детонаційними горінням, російські фахівці змогли створити стендова модельний зразок камери згоряння з бажаними характеристиками. Дослідне виріб «Іфритом» вже пройшло випробування, в ході яких було зібрано велику кількість різноманітної інформації. За допомогою отриманих даних розвиток напрямку триватиме.
Освоєння нового напрямку і переклад ідей в практично застосовну форму займе чимало часу, і з цієї причини в доступному для огляду майбутньому космічні і армійські ракети в доступному для огляду майбутньому будуть комплектуватися тільки традиційними рідинними двигунами. Проте, роботи вже вийшли з чисто теоретичної стадії, і тепер кожен тестовий запуск досвідченого двигуна наближає момент будівництва повноцінних ракет з новими силовими установками.
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%.
В кінці січня з'явилися повідомлення про нові успіхи російської науки і техніки. З офіційних джерел стало відомо, що один з вітчизняних проектів перспективного реактивного двигуна детонаційного типу вже пройшов стадію випробувань. Це наближає момент повного завершення всіх необхідних робіт, за результатами яких космічні або військові ракети російської розробки зможуть отримати нові силові установки з підвищеними характеристиками. Більш того, нові принципи роботи двигунів можуть знайти застосування не тільки в сфері ракет, а й в інших областях.
В останніх числах січня віце-прем'єр Дмитро Рогозін розповів вітчизняній пресі про останні успіхи науково-дослідних організацій. Серед інших тем він торкнувся процес створення реактивних двигунів, що використовують нові принципи роботи. Перспективний двигун з детонаційними горінням вже був доведений до випробувань. За словами віце-прем'єра, застосування нових принципів роботи силової установки дозволяє отримати значний приріст характеристик. У порівнянні з конструкціями традиційної архітектури спостерігається зростання тяги близько 30%.
Схема детонаційного ракетного двигуна
Сучасні ракетні двигуни різних класів і типів, що експлуатуються в різних областях, використовують т.зв. изобарических цикл або дефлаграційне горіння. В їх камерах згоряння підтримується постійний тиск, при якому відбувається повільне горіння палива. Двигун на дефлаграціонним принципах не потребує особливо міцних агрегатах, однак обмежений в максимальних показниках. Підвищення основних характеристик, починаючи з певного рівня, виявляється невиправдано складним.
Альтернатива двигуну з изобарического циклом в контексті підвищення характеристик - система з т.зв. детонаційними горінням. В такому випадку реакція окислення пального відбувається за ударною хвилею, з високою швидкістю переміщається по камері згоряння. Це висуває особливі вимоги до конструкції двигуна, але при цьому дає очевидні переваги. З точки зору ефективності згоряння палива детонационное горіння на 25% краще дефлаграціонним. Також відрізняється від горіння з постійним тиском збільшеною потужністю тепловиділення з одиниці площі поверхні фронту реакції. У теорії, можливо підвищення цього параметра на три-чотири порядки. Як наслідок, швидкість реактивних газів можна збільшити в 20-25 разів.
Таким чином, детонаційний двигун, відрізняючись підвищеним коефіцієнтом корисної дії, здатний розвивати велику тягу при меншій витраті палива. Його переваги перед традиційними конструкціями очевидні, проте до недавнього часу прогрес в цій області залишав бажати кращого. Принципи детонаційного реактивного двигуна були сформульовані ще в 1940 році радянським фізиком Я.Б. Зельдовичем, але готові вироби подібного роду все ще не дійшли до експлуатації. Головні причини відсутності реальних успіхів - проблеми зі створенням досить міцній конструкції, а також складність запуску і подальшого підтримання ударної хвилі при застосуванні існуючих палив.
Один з останніх вітчизняних проектів в області детонаційних ракетних двигунів стартував в 2014 році і розробляється в НВО «Енергомаш» ім. академіка В.П. Глушко. Відповідно до доступних даними, метою проекту з шифром «Іфритом» було вивчення основних принципів нової техніки з подальшим створенням рідинного ракетного двигуна, що використовує гас і газоподібний кисень. В основу нового двигуна, названого на ім'я вогненних демонів з арабського фольклору, укладався принцип спинового детонаційного горіння. Таким чином, відповідно до основною ідеєю проекту, ударна хвиля повинна безперервно переміщатися по колу всередині камери згоряння.
Головним розробником нового проекту стало НВО «Енергомаш», а точніше створена на його базі спеціальна лабораторія. Крім того, до робіт залучили кілька інших науково-дослідних і проектних організацій. Програма отримала підтримку Фонду перспективних досліджень. Спільними зусиллями всі учасники проекту «Іфритом» змогли сформувати оптимальний вигляд перспективного двигуна, а також створити модельну камеру згоряння з новими принципами роботи.
Для вивчення перспектив всього напряму і нових ідей кілька років тому була побудована т.зв. модельна детонационная камера згоряння, що відповідає вимогам проекту. Такий досвідчений двигун з скороченою комплектацією повинен був використовувати як пальне рідкий гас. В якості окислювача пропонувався газоподібний кисень. У серпні 2016 року почалися випробування дослідної камери. Важливо, що вперше в проект подібного роду вдалося довести до стадії стендових перевірок. Раніше вітчизняні та зарубіжні детонаційні ракетні двигуни розроблялися, але не випробовувалися.
В ході випробувань модельного зразка вдалося отримати досить цікаві результати, що показують правильність використаних підходів. Так, за рахунок використання правильних матеріалів і технологій вийшло довести тиск всередині камери згоряння до 40 атмосфер. Тяга досвідченого вироби досягла 2 т.
Модельна камера на випробувальному стенді
В рамках проекту «Іфритом» були отримані певні результати, але вітчизняний детонаційний двигун на рідкому паливі поки ще далекий від повноцінного практичного застосування. Перед впровадженням такого обладнання в нові проекти техніки конструкторам і вчені мають вирішити цілий ряд найсерйозніших завдань. Тільки після цього ракетно-космічна галузь або оборонна промисловість зможуть приступити до реалізації потенціалу нової техніки на практиці.
В середині січня «Російська газета» опублікувала інтерв'ю з головним конструктором НВО «Енергомаш» Петром Льовочкіним, темою якого стало поточний стан справ і перспективи детонаційних двигунів. Представник підприємства-розробника нагадав про основні положення проекту, а також торкнувся теми досягнутих успіхів. Крім того, він розповів про можливі сфери застосування «Іфритом» і подібних йому конструкцій.
Наприклад, детонаційні двигуни можуть використовуватися в гіперзвукових літальних апаратах. П. Льовочкін нагадав, що двигуни, зараз пропонуються для застосування на такій техніці, використовують дозвуковое горіння. При гіперзвукової швидкості апарату польоту надходить в двигун повітря необхідно загальмувати до звукового режиму. Однак енергія гальмування повинна приводити до додаткових теплових навантажень на планер. У детонаційних двигунах швидкість горіння палива досягає, як мінімум, М \u003d 2,5. Завдяки цьому з'являється можливість підвищити швидкість польоту літального апарату. Подібна машина з двигуном детонаційного типу зможе розганятися до швидкостей, у вісім разів перевищують швидкість звуку.
Втім, реальні перспективи ракетних двигунів детонаційного типу поки не надто великі. За словами П. Льовочкіна, ми «тільки відкрили двері в область детонаційного горіння». Вченим і конструкторам належить вивчити безліч питань, і тільки після цього можна буде займатися створенням конструкцій з практичним потенціалом. Через це космічної галузі ще довго доведеться використовувати рідинні двигуни традиційної конструкції, що, однак, не скасовує можливості їх подальшого вдосконалення.
Цікавим є той факт, що детонаційний принцип горіння знаходить застосування не тільки в сфері ракетних двигунів. Вже існує вітчизняний проект авіаційної системи з камерою згоряння детонаційного типу, що працює за імпульсного принципу. Дослідний зразок такого роду був доведений до випробувань, і в майбутньому може дати старт новому напрямку. Нові двигуни з детонаційними горінням можуть знайти застосування в самих різних сферах і частково замінити газотурбінні або турбореактивні двигуни традиційних конструкцій.
Вітчизняний проект детонаційного авіаційного двигуна розробляється в ОКБ ім. А.М. Люльки. Інформація про цей проект вперше була представлена \u200b\u200bна торішньому міжнародному військово-технічному форумі «Армія-2017». На стенді підприємства-розробника присутні матеріали з різних двигунів, як серійним, так і знаходяться на стадії розробки. Серед останніх був перспективний детонаційний зразок.
Суть нової пропозиції полягає в застосуванні нестандартної камери згоряння, здатної здійснювати імпульсне детонационное горіння палива в повітряній атмосфері. При цьому частота «вибухів» всередині двигуна повинна досягати 15-20 кГц. У перспективі можливе додаткове збільшення цього параметра, в результаті чого шум двигуна піде за межі діапазону, сприйманого людським вухом. Такі особливості двигуна можуть представляти певний інтерес.
Перший запуск досвідченого вироби "Іфритом"
Однак головні переваги нової силової установки пов'язані з підвищеними характеристиками. Стендові випробування дослідних виробів показали, що вони приблизно на 30% перевершують традиційні газотурбінні двигуни за питомими показниками. На час першої публічної демонстрації матеріалів по двигуну ОКБ ім. А.М. Люльки змогло отримати і досить високі експлуатаційні характеристики. Досвідчений двигун нового типу зміг без перерви пропрацювати 10 хвилин. Сумарна напрацювання цього виробу на стенді на той момент перевищила 100 годин.
Представники підприємства-розробника вказували, що вже зараз можна створити новий детонаційний двигун з тягою 2-2,5 т, придатний для установки на легкі літаки або безпілотні літальні апарати. У конструкції такого двигуна пропонується використовувати т.зв. резонаторні пристрої, що відповідають за правильний хід горіння палива. Важливою перевагою нового проекту є принципова можливість установки таких пристроїв в будь-якому місці планера.
Фахівці ОКБ ім. А.М. Люльки працюють над авіаційними двигунами з імпульсним детонаційними горінням понад три десятиліття, але поки проект не виходить з науково-дослідницької стадії і не має реальних перспектив. Головна причина - відсутність замовлення і необхідного фінансування. Якщо проект отримає необхідну підтримку, то вже в доступному для огляду майбутньому може бути створено зразок двигуна, придатний для використання на різній техніці.
До теперішнього часу російські вчені і конструктори встигли показати дуже примітні результати в області реактивних двигунів, що використовують нові принципи роботи. Існує відразу кілька проектів, придатних для застосування в ракетно-космічній та гіперзвукової областях. Крім того, нові двигуни можуть застосовуватися і в «традиційної» авіації. Деякі проекти поки перебувають на ранніх стадіях і ще не готові до перевірок та інших робіт, тоді як в інших напрямках вже були отримані найвизначніші результати.
Досліджуючи тематику реактивних двигунів з детонаційними горінням, російські фахівці змогли створити стендова модельний зразок камери згоряння з бажаними характеристиками. Дослідне виріб «Іфритом» вже пройшло випробування, в ході яких було зібрано велику кількість різноманітної інформації. За допомогою отриманих даних розвиток напрямку триватиме.
Освоєння нового напрямку і переклад ідей в практично застосовну форму займе чимало часу, і з цієї причини в доступному для огляду майбутньому космічні і армійські ракети в доступному для огляду майбутньому будуть комплектуватися тільки традиційними рідинними двигунами. Проте, роботи вже вийшли з чисто теоретичної стадії, і тепер кожен тестовий запуск досвідченого двигуна наближає момент будівництва повноцінних ракет з новими силовими установками.
За матеріалами сайтів:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
