125

Детонационный двигатель — будущее российского двигателестроения

  • ЖРД
  • ЖРД

В действительности вместо постоянного фронтального пламени в зоне сгорания, образуется детонационная волна, несущаяся со сверхзвуковой скоростью. В такой волне сжатия детонируют топливо и окислитель, этот процесс, с точки зрения термодинамики повышает КПД двигателя на порядок, благодаря компактности зоны сгорания.

Интересно, что ещё в 1940 году советский физик Я.Б. Зельдович предложил идею детонационного двигателя в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания». С тех пор над перспективной идеей работали многие учёные из разных стран, вперёд выходили то США, то Германия, то наши соотечественники.

Летом, в августе 2016 года российским учёным удалось создать впервые в мире полноразмерный жидкостный реактивный двигатель, работающий на принципе детонационного сгорания топлива. Наша страна наконец-то за многие постперестроечные годы установила мировой приоритет в освоении новейшей техники.

Чем же так хорош новый двигатель? В реактивном двигателе применяется энергия, выделяемая при сжигании смеси при постоянном давлении и неизменным пламенном фронте. Газовая смесь из топлива и окислителя при горении резко повышает температуру и столб пламени, вырывающийся из сопла, создаёт реактивную тягу.

При детонационном горении продукты реакции не успевают разрушиться, потому что этот процесс в 100 раз быстрее дефларгации и давлении при этом стремительно увеличивается, а объём остаётся неизменным. Выделение такого большого количества энергии действительно может разрушить двигатель автомобиля, поэтому такой процесс часто ассоциируется со взрывом.

В действительности вместо постоянного фронтального пламени в зоне сгорания, образуется детонационная волна, несущаяся со сверхзвуковой скоростью. В такой волне сжатия детонируют топливо и окислитель, этот процесс, с точки зрения термодинамики повышает КПД двигателя на порядок, благодаря компактности зоны сгорания. Поэтому специалисты так рьяно и приступили к разработке этой идеи.В обычном ЖРД, по сути, являющейся большой горелкой, главное не камера сгорания и сопло, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), создающий такое давление, чтобы топливо проникло в камеру. К примеру, в российском ЖРД РД-170 для ракет-носителей «Энергия» давление в камере сгорания 250 атм и насосу, подающему окислитель в зону сгорания приходиться создавать давление в 600 атм.

В детонационном двигателе давление создаётся самой детонацией, представляющую бегущую волну сжатия в смеси топлива, в которой давление без всякого ТНА уже в 20 раз больше и турбонасосные агрегаты являются лишними. Чтобы было понятно, у американского «Шаттла» давление в камере сгорания 200 атм, а детонационному двигателю в таких условиях надо всего лишь 10 атм для подачи смеси — это как велосипедный насос и Саяно-Шушенская ГЭС.

Двигатель на основе детонации в таком случае не только более простой и дешёвый на целый порядок, но гораздо мощнее и экономичнее, чем обычный ЖРД.На пути внедрения проекта детонационного двигателя встала проблема совладения с волной детонации. Это явление непросто взрывная волна, которая имеет скорость звука, а детонационная, распространяющаяся со скоростью 2500 м/сек, в ней нет стабилизации фронта пламени, за каждую пульсацию обновляется смесь и волна вновь запускается.

Ранее русские и французские инженеры разрабатывали и строили реактивные пульсирующие двигатели, но не на принципе детонации, а на основе пульсации обычного горения. Характеристики таких ПуВРД были низкими и когда двигателестроители разработали насосы, турбины и компрессоры, наступил век реактивных двигателей и ЖРД, а пульсирующие остались на обочине прогресса. Светлые головы науки пытались объединить детонационное горение с ПуВРД, но частота пульсаций обычного фронта горения составляет не более 250 в секунду, а фронт детонации обладает скоростью до 2500 м/сек и частота его пульсаций достигает несколько тысяч в секунду. Казалось невозможным воплотить на практике такую скорость обновления смеси и при этом инициировать детонацию.

В СЩА удалось построить такой детонационный пульсирующий двигатель и испытать его в воздухе, правда, проработал он всего 10 секунд, но приоритет остался за американскими конструкторами. Но уже в 60-х годах прошлого века советскому учёному Б.В. Войцеховскому и практически в то же время и американцу из университета в Мичигане Дж. Николсу пришла идея закольцевать в камере сгорания волну детонации.

  • ЖРД
  • ЖРД

Как работает детонационный ЖРД

Такой ротационный двигатель состоял из кольцевой камеры сгорания с форсунками, размещёнными по её радиусу для подачи топлива. Волна детонации бегает как белка в колесе по окружности, топливная смесь сжимается и выгорает, выталкивая продукты сгорания через сопло. В спиновом двигателе получаем частоту вращения волны в несколько тысяч в секунду, работа его подобна рабочему процессу в ЖРД, только более эффективно, благодаря детонации смеси топлива.

В СССР и США, а позже в России ведутся работы по созданию ротационного детонационного двигателя с незатухающей волной, пониманию процессов, происходящих внутри, для чего была создана целая наука физико-химическая кинетика. Для расчёта условий незатухающей волны нужны были мощные ЭВМ, которые создали лишь в последнее время.

В России над проектом такого спинового двигателя работают многие НИИ и КБ, среди которых двигателестроительная компания космической промышленности НПО «Энергомаш». На помощь в разработке такого двигателя пришёл Фонд перспективных исследований, ведь финансирование от Министерства обороны добиться невозможно — им подавай только гарантированный результат.

Тем не мене на испытаниях в Химках на «Энергомаше» был зафиксирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации — 8 тысяч оборотов в секунду на смеси «кислород — керосин». При этом детонационные волны уравновешивали волны вибрации, а теплозащитные покрытия выдержали высокие температуры.

Но не стоит обольщаться, ведь это лишь двигатель-демонстратор, проработавший весьма непродолжительное время и о характеристиках его ещё пока ничего не сказано. Но основное в том, что доказана возможность создания детонационного горения и создан полноразмерный спиновой двигатель именно в России, что останется в истории науки навсегда.


  • 18
    Нет аватара
    29.06.1720:19:03

    Плюс, большой и жирный.

  • Комментарий скрыт по причине низкого рейтинга. показать
    • 10
      Павел Дурнов
      30.06.1711:54:04

      Китайцы и обычны ЖРД скопировать толком не могут! Так у нас для своих истребителей и закупают…

      • 3
        Zveruga
        01.07.1707:01:49

        Не только не могут, но даже просят эту технологию. В 2015 предлагали обменять свою технологию производства радиационностойких микросхем по топонорме 65 нм на нашу технологию ракетных двигателей. Мы отказались.

        • 1
          Ray D_MIX
          03.07.1706:14:23

          В итоге у нас есть и то и другое)

    • 5
      Opoffis S
      01.07.1701:38:16

      Американцы Скопировать РД-180 уже почти 20 лет как не могут, а ты про китайцев говоришь …

  • Комментарий удален
    • 1
      Vadim Makarov
      29.06.1722:07:04

      Прошу прощение за занудство, но, пожалуйста, ознакомьтесь с понятием «взрыва» с физической точки зрения…(это процесс горения)

      • 3
        Нет аватара
        29.06.1722:36:14

        Я знаю, некорректно выразился. Правильно будет так — Использование энергии детонационного горения вместо энергии сжигания.

        Удалил свой бред выше.

        Отредактировано: Maggey~22:38 29.06.17
        • 0
          Vadim Makarov
          29.06.1722:39:20

          Еще раз извиняюсь, просто очень резало глаз.

        • 1
          Zveruga
          01.07.1707:03:37

          Вместо энергии дефлаграционного или ламинарного горения — так называется обычное горение.    

  • 4
    Евгений Игонин
    29.06.1723:08:07

    «На порядок» повешения КПД вряд ли происходит.

    Строго говоря на порядок это в 10 раз!

    А так- молодцы!

    Отредактировано: Евгений Игонин~23:08 29.06.17
    • 4
      Нет аватара
      30.06.1711:00:26

      КПД на порядок больше быть не может, это очевидно. А вот удельный импульс - вполне.

      • 0
        Дмитрий Тёмный
        30.06.1718:11:30

        неоткуда там взяться увеличению УИ, тем более на порядок (то есть увеличения энергии сгорания в 100 раз).

        Главное чтобы не ниже чем у существующих ЖРД был, тогда остальные плюсы вполне стоят чтобы на него переходить

        • 4
          Нет аватара
          30.06.1719:41:59

          Дмитрий Тёмный: неоткуда там взяться увеличению УИ, тем более на порядок (то есть увеличения энергии сгорания в 100 раз).

          Из школьного курса математики известно, что в 10-чной системе счисления порядок — это 10, о чем и было написано чуть выше камрадом Евгением. Из школьного курса химии известно, что при реакции окисления выделяется определённое количество энергии. При взрыве, я слыхал, энергии выделяется несколько больше, но связано это не с химической реакцией как таковой, а с условиями взаимодействия горючего и окислителя. Также, из школьного курса физики, известно, что импульс — это произведение массы на скорость. При взрыве скорость ударной волны существенно выше, чем скорость истечения газов при обычном горении, а стало быть и импульс получается больше при той же массе сгоревшего топлива. Если школьные учебники нам не врут, конечно.    

  • 6
    Е.Юрий
    30.06.1703:19:37

              Наверно о-очень голосистый — интересно было бы его послушать(не совсем рядом   ) Новости — жирнючий плюс!

  • -1
    Doc
    30.06.1719:07:19

    Стоп-стоп.

    Двигатель-демонстратор в Химках поработал. История уже не новая, и на СУНе была чуть не год назад.

    И?

    «…Это лишь двигатель-демонстратор, проработавший весьма непродолжительное время и о характеристиках его ещё пока ничего не сказано».

    О чём статья?

    Отредактировано: Doc~19:11 30.06.17
    • 1
      Zveruga
      01.07.1707:24:08

      Тут появилась интересная цифра — 8 000 оборотов в секунду. Я этой цифры раньше не читал.

  • 2
    Евгений Прокопук
    30.06.1721:03:57

    «Повышает КПД двигателя на порядок». Что за бред? КПД современных бензиновых автомобильных двигателей 30%. Вы хотите сказать, что КПД станет 300%? Пишите статью грамотно. Если КПД достигнет 60% - честь вам и хвала. Но это лишь двукратное увеличение.

    • 0
      Opoffis S
      01.07.1701:48:37

      больше 40%

    • 0
      Нет аватара
      03.07.1708:46:10

      Так там не сказано, в какой системе счисления на порядок.

      Может, в двоичной    

  • 2
    Zveruga
    01.07.1707:32:25

    Перечислю три реально существующих преимущества детонационных двигателей над обычными:

    1. Так как скорость горения на два порядка выше, то можно летать хоть в разрежённой стратосфере с гиперзвуковой скоростью. Современные ВРД это не умеют, по этому самолёты имеют потолок высоты в 20-35 км, а для перемещения с гиперзвуком требуется специальный прямоточный двигатель, который не может работать на малых скоростях. Детонационный двигатель позволяет избавиться от этих недостатков.

    2. Так как скорость горения на два порядка выше, можно отказаться от компрессора и сделать двигатель в два — четыре раза легче.

    3. Так как двигатель легче, то он проще (быстрее в изготовлении) и соответственно дешевле.

    • 3
      Александр Демьянов
      01.07.1710:18:26

      В добавок к этому: Если двигатель легче, причём я так понял на много, ибо очень уж массивный компрессор что давит в 600атм, то как минимум на разницу в весе можно увеличить полезную нагрузку, которая составляет малую долю полной массы ракеты носителя, т. е. ПН может вырасти очень значительно.

Написать комментарий
Отмена
Для комментирования вам необходимо зарегистрироваться и войти на сайт,