Детонационные двигатели заменят ядро газотурбинных / Фото: finobzor.ru
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.
Детонационный двигатель / Фото: sdelanounas.ru
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.
Изображение: sdelanounas.ru
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 . 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.
МОСКВА, издание "Сделано у нас"
12
Издание "Военно-промышленный Курьер" сообщает великолепную новость из области прорывных ракетных технологий. Детонационный ракетный двигатель испытан в России, сообщил в пятницу вице-премьер Дмитрий Рогозин на своей странице в Facebook.
«Прошли успешные испытания так называемых детонационных ракетных двигателей, разработанных в рамках программы Фонда перспективных исследований», - цитирует вице-премьера Интерфакс-АВН.
Считается, что детонационный ракетный двигатель - один из путей реализации концепции так называемого моторного гиперзвука, то есть создания гиперзвуковых летательных аппаратов, способных за счет собственного двигателя достигать скорости в 4 - 6 Махов (Мах - скорость звука).
Портал russia-reborn.ru приводит интервью одного из ведущих профильных двигателистов России по поводу детонационных ракетных двигателей.
Интервью с Петром Левочкиным, главным конструктором "НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко".
Создаются двигатели для гиперзвуковых ракет будущего
Прошли успешные испытания так называемых детонационных ракетных двигателей, давшие очень интересные результаты. Опытно-конструкторские работы в этом направлении будут продолжены.
Детонация - это взрыв. Можно ли ее сделать управляемой? Можно ли на базе таких двигателей создать гиперзвуковое оружие? Какие ракетные двигатели будут выводить необитаемые и пилотируемые аппараты в ближний космос? Об этом наш разговор с заместителем гендиректора - главным конструктором "НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко" Петром Левочкиным.
Петр Сергеевич, какие возможности открывают новые двигатели?
Петр Левочкин: Если говорить о ближайшей перспективе, то сегодня мы работаем над двигателями для таких ракет, как "Ангара А5В" и "Союз-5", а также другими, которые находятся на предпроектной стадии и неизвестны широкой публике. Вообще наши двигатели предназначены для отрыва ракеты от поверхности небесного тела. И она может быть любой - земной, лунной, марсианской. Так что, если будут реализовываться лунная или марсианская программы, мы обязательно примем в них участие.
Какова эффективность современных ракетных двигателей и есть ли пути их совершенствования?
Петр Левочкин: Если говорить об энергетических и термодинамических параметрах двигателей, то можно сказать, что наши, как, впрочем, и лучшие зарубежные химические ракетные двигатели на сегодняшний день достигли определенного совершенства. Например, полнота сгорания топлива достигает 98,5 процента. То есть практически вся химическая энергия топлива в двигателе преобразуется в тепловую энергию истекающей струи газа из сопла.
Совершенствовать двигатели можно по разным направлениям. Это и применение более энергоемких компонентов топлива, введение новых схемных решений, увеличение давления в камере сгорания. Другим направлением является применение новых, в том числе аддитивных, технологий с целью снижения трудоемкости и, как следствие, снижение стоимости ракетного двигателя. Все это ведет к снижению стоимости выводимой полезной нагрузки.
Однако при более детальном рассмотрении становится ясно, что повышение энергетических характеристик двигателей традиционным способом малоэффективно.
Использование управляемого взрыва топлива может дать ракете скорость в восемь раз выше скорости звука
Почему?
Петр Левочкин: Увеличение давления и расхода топлива в камере сгорания, естественно, увеличит тягу двигателя. Но это потребует увеличение толщины стенок камеры и насосов. В результате сложность конструкции и ее масса возрастают, энергетический выигрыш оказывается не таким уж и большим. Овчинка выделки стоить не будет.
То есть ракетные двигатели исчерпали ресурс своего развития?
Петр Левочкин: Не совсем так. Выражаясь техническим языком, их можно совершенствовать через повышение эффективности внутридвигательных процессов. Существуют циклы термодинамического преобразования химической энергии в энергию истекающей струи, которые гораздо эффективнее классического горения ракетного топлива. Это цикл детонационного горения и близкий к нему цикл Хамфри.
Сам эффект топливной детонации открыл наш соотечественник - впоследствии академик Яков Борисович Зельдович еще в 1940 году. Реализация этого эффекта на практике сулила очень большие перспективы в ракетостроении. Неудивительно, что немцы в те же годы активно исследовали детонационный процесс горения. Но дальше не совсем удачных экспериментов дело у них не продвинулось.
Теоретические расчеты показали, что детонационное горение на 25 процентов эффективней, чем изобарический цикл, соответстветствующий сгоранию топлива при постоянном давлении, который реализован в камерах современных жидкостно-рактивных двигателей.
А чем обеспечиваются преимущества детонационного горения по сравнению с классическим?
Петр Левочкин: Классический процесс горения - дозвуковой. Детонационный - сверхзвуковой. Быстрота протекания реакции в малом объеме приводит к огромному тепловыделению - оно в несколько тысяч раз выше, чем при дозвуковом горении, реализованному в классических ракетных двигателях при одной и той же массе горящего топлива. А для нас, двигателистов, это означает, что при значительно меньших габаритах детонационного двигателя и при малой массе топлива можно получить ту же тягу, что и в огромных современных жидкостных ракетных двигателях.
Не секрет, что двигатели с детонационным горением топлива разрабатывают и за рубежом. Каковы наши позиции? Уступаем, идем на их уровне или лидируем?
Петр Левочкин: Не уступаем - это точно. Но и сказать, что лидируем, не могу. Тема достаточно закрыта. Один из главных технологических секретов состоит в том, как добиться того, чтобы горючее и окислитель ракетного двигателя не горели, а взрывались, при этом не разрушая камеру сгорания. То есть фактически сделать настоящий взрыв контролируемым и управляемым. Для справки: детонационным называют горение топлива во фронте сверхзвуковой ударной волны. Различают импульсную детонацию, когда ударная волна движется вдоль оси камеры и одна сменяет другую, а также непрерывную (спиновую) детонацию, когда ударные волны в камере движутся по кругу.
Насколько известно, с участием ваших специалистов проведены экспериментальные исследования детонационного горения. Какие результаты были получены?
Петр Левочкин: Были выполнены работы по созданию модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя. Над проектом под патронажем Фонда перспективных исследований работала большая кооперация ведущих научных центров России. В их числе Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, МАИ, "Центр Келдыша", Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Механико-математический факультет МГУ. В качестве горючего мы предложили использовать керосин, а окислителя - газообразный кислород. В процессе теоретических и экспериментальных исследований была подтверждена возможность создания детонационного ракетного двигателя на таких компонентах. На основе полученных данных мы разработали, изготовили и успешно испытали детонационную модельную камеру с тягой в 2 тонны и давлением в камере сгорания около 40 атм.
Данная задача решалась впервые не только в России, но и мире. Поэтому, конечно, проблемы были. Во-первых, связанные с обеспечением устойчивой детонации кислорода с керосином, во-вторых, с обеспечением надежного охлаждения огневой стенки камеры без завесного охлаждения и массой других проблем, суть которых понятна лишь специалистам.
Можно ли использовать детонационный двигатель в гиперзвуковых ракетах?
Петр Левочкин: И можно, и нужно. Хотя бы потому, что горение топлива в нем сверхзвуковое. А в тех двигателях, на которых сейчас пытаются создать управляемые гиперзвуковые летательные аппараты, горение дозвуковое. И это создает массу проблем. Ведь если горение в двигателе дозвуковое, а двигатель летит, допустим, со скоростью пять махов (один мах равен скорости звука), надо встречный поток воздуха затормозить до звукового режима. Соответственно, вся энергия этого торможения переходит в тепло, которое ведет к дополнительному перегреву конструкции.
А в детонационном двигателе процесс горения идет при скорости как минимум в два с половиной раза выше звуковой. И, соответственно, на эту величину мы можем увеличить скорость летательного аппарата. То есть уже речь идет не о пяти, а о восьми махах. Это реально достижимая на сегодняшний день скорость летательных аппаратов с гиперзвуковыми двигателями, в которых будет использоваться принцип детонационного горения.
Петр Левочкин: Это сложный вопрос. Мы только приоткрыли дверь в область детонационного горения. Еще очень много неизученного осталось за скобками нашего исследования. Сегодня совместно с РКК "Энергия" мы пытаемся определить, как может в перспективе выглядеть двигатель в целом с детонационной камерой применительно к разгонным блокам.
На каких двигателях человек полетит к дальним планетам?
Петр Левочкин: По-моему мнению, еще долго мы будем летать на традиционных ЖРД занимаясь их совершенствованием. Хотя безусловно развиваются и другие типы ракетных двигателей, например, электроракетные (они значительно эффективнее ЖРД - удельный импульс у них в 10 раз выше). Увы, сегодняшние двигатели и средства выведения не позволяют говорить о реальности массовых межпланетных, а уж тем более межгалактических перелетов. Здесь пока все на уровне фантастики: фотонные двигатели, телепортация, левитация, гравитационные волны. Хотя, с другой стороны, всего сто с небольшим лет назад сочинения Жюля Верна воспринимались как чистая фантастика. Возможно, революционного прорыва в той сфере, где мы работаем, ждать осталось совсем недолго. В том числе и в области практического создания ракет, использующих энергию взрыва.
Досье "RG":
"Научно-производственное объединение Энергомаш" основано Валентином Петровичем Глушко в 1929 году. Сейчас носит его имя. Здесь разрабатывают и выпускают жидкостные ракетные двигатели для I, в отдельных случаях II ступеней ракет-носителей. В НПО разработано более 60 различных жидкостных реактивных двигателей. На двигателях "Энергомаша" был запущен первый спутник, состоялся полет первого человека в космос, запущен первый самоходный аппарат "Луноход-1". Сегодня на двигателях, разработанных и произведенных в НПО "Энергомаш", взлетает более девяноста процентов ракет-носителей в России.
Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) намерена в ближайшее время начать создание новых авиационных и ракетных двигателей, в которых будут использоваться детонационные технологии.
Демонстраторы технологий детонационных дозвукового и сверхзвукового двигателей уже созданы. На испытаниях они показали на 30–50% лучшие удельные тягу и расход топлива по сравнению с обычными силовыми установками, сообщило РИА "Новости" со ссылкой на данные корпорации.
В проекте по созданию детонационных двигателей будет участвовать Опытно-конструкторское бюро им. Люльки. Бюро предложило разработать семейство таких силовых установок, которые можно было бы использовать на беспилотных летательных аппаратах, крылатых ракетах, воздушно-космических самолетах и ракетах.
Детонационные двигатели отличаются:
– горением топливной смеси, сопровождающимся прохождением по ней ударной волны, которая формируется за счет сверхзвукового распространения по топливной смеси фронта горения;
– широким диапазоном скоростей – от дозвуковых до гиперзвуковых, что может помочь при создании гиперзвуковых ракет, проектирование которых активно ведется в России в последние годы.
В 2013 году Опытно-конструкторское бюро им. Люльки испытало опытный уменьшенный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Во время испытаний средняя измеренная тяга силовой установки составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы – более десяти минут. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.
По оценке конструкторского бюро, детонационные двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5–2 раза. Работы по созданию пульсирующих детонационных двигателей ведутся в России с 2011 года.
Помимо России в мире сразу несколько компаний занимаются разработкой детонационных двигателей: французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney.
ОСНОВЫ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Если бы удельный расход топлива не рос с увеличением скорости полета, то применяя современные решения для улучшения внешней аэродинамики, увеличивая высоту полета, на сверхзвуковых скоростях можно было бы добиться таких же характеристик дальности, что и у дозвукового магистрального самолета. Но вот внутренняя аэродинамика сверхзвуковых самолетов имеет неустранимый недостаток - на сверхзвуковых скоростях удельный расход топлива традиционной силовой установки монотонно растет по мере увеличения скорости на любых высотах полета. Выход видится в применении двигателей, основанных на иных принципах, нежели традиционный термодинамический цикл Брайтона горения топлива при постоянном давлении. К последним относятся пульсирующие воздушно-реактивные и детонационные двигатели. В статье рассмотрены преимущества использования детонационного горения в турбореактивных и ракетных двигателях.
Одним из лучших в термодинамическом плане является детонационный двигатель. Благодаря тому, что в нем сжигание топлива происходит в ударных волнах примерно в 100 раз быстрее, чем при обычном медленном горении (дефлаграции), этот тип двигателя теоретически отличается рекордной мощностью, снимаемой с единицы объема, по сравнению со всеми другими типами тепловых двигателей.
Вопрос об использовании детонационного горения в энергетике и реактивных двигателях впервые был поставлен Я.Б. Зельдовичем еще в 1940 г. По его оценкам прямоточные воздушно-реактивные двигатели, использующие детонационное сгорание топлива, должны иметь максимально возможную термодинамическую эффективность.
НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ ПО ИМПУЛЬСНЫМ ДЕТОНАЦИОННЫМ ДВИГАТЕЛЯМ
Направление №1 - Классический импульсный детонационный двигатель
Камера сгорания типичного реактивного двигателя состоит из форсунок для смешения топлива с окислителем, устройства поджигания топливной смеси и собственно жаровой трубы, в которой идут окислительно-восстановительные реакции (горение). Жаровая труба заканчивается соплом. Как правило, это сопло Лаваля, имеющее сужающуюся часть, минимальное критическое сечение, в котором скорость продуктов сгорания равна местной скорости звука, расширяющуюся часть, в которой статическое давление продуктов сгорания снижается до давления в окружающей среде, насколько это возможно. Очень грубо, можно оценить тягу двигателя как площадь критического сечения сопла, умноженную на разность давления в камере сгорания и окружающей среде. Поэтому тяга тем выше, чем выше давление в камере сгорания.
Тяга импульсного детонационного двигателя определяется другими факторами - передачей импульса детонационной волной тяговой стенке. Сопло в этом случае вообще не нужно. Импульсные детонационные двигатели имеют свою нишу - дешевые и одноразовые летательные аппараты. В этой нише они успешно развиваются в направлении повышения частоты следования импульсов.
Традиционные импульсные детонационные двигатели представляют собой длинные трубы, по которым с небольшой частотой следуют ударные волны. Система волн сжатия и разрежения автоматически регулирует подачу топлива и окислителя. Из-за низкой частоты следования ударных волн (единицы Гц) время, в течение которого происходит сжигание топлива, по сравнению с характерным временем цикла, мало. В результате, несмотря на высокий КПД собственно детонационного сжигания (на 20-25% больше, чем у двигателей с циклом Брайтона) общий КПД таких конструкций низкий.
Основная задача в этой области на современном этапе - разработка двигателей с высокой частотой следования ударных волн в камере сгорания или создание двигателя с непрерывной детонацией (CDE).
Классический облик ИДД - цилиндрическая камера сгорания, которая имеет плоскую или специально спрофилированную стенку, именуемую "тяговой стенкой". Простота устройства ИДД - неоспоримое его достоинство. Несмотря на многообразие предлагаемых схем ИДД, всем им свойственно использование в качестве резонансных устройств детонационных труб значительной длины и применение клапанов, обеспечивающих периодическую подачу рабочего тела.
Следует отметить, что ИДД, созданным на базе традиционных детонационных труб, несмотря на высокую термодинамическую эффективность в единичной пульсации, присущи недостатки, характерные для классических пульсирующих воздушно-реактивных двигателей, а именно:
– низкая частота (до 10 Гц) пульсаций, что и определяет относительно невысокий уровень средней тяговой эффективности;
– высокие тепловые и вибрационные нагрузки.
Направление №2 - Многотрубный ИДД
Основной тенденцией при разработках ИДД является переход к многотрубной схеме. В таких двигателях частота работы отдельной трубы остается низкой, но за счет чередования импульсов в разных трубах разработчики надеются получить приемлемые удельные характеристики. Такая схема представляется вполне работоспособной, если решить проблему вибраций и асимметрии тяги, а также проблему донного давления, в частности, возможных низкочастотных колебаний в донной области между трубами.
Направление №3 - ИДД с высокочастотным резонатором
Тяговый Модуль ИДД предлагаемой схемы состоит из реактора и резонатора. Реактор служит для подготовки топливно-воздушной смеси к детонационному сгоранию, разлагая молекулы горючей смеси на химически активные составляющие.
Взаимодействуя с донной поверхностью резонатора как с препятствием, детонационная волна в процессе соударения передает ей импульс от сил избыточного давления.
ИДД с высокочастотными резонаторами имеют право на успех. В частности, они могут претендовать на модернизацию форсажных камер и доработку простых ТРД, предназначенных опять же для дешевых БПЛА. В качестве примера можно привести попытки в МАИ и ЦИАМ модернизировать таким образом ТРД МД-120 за счет замены камеры сгорания реактором активации топливной смеси и установкой за турбиной тяговых модулей с высокочастотными резонаторами. Пока работоспособную конструкцию создать не удалось, т.к. при профилировании резонаторов авторами используется линейная теория волн сжатия, т.е. расчеты ведутся в акустическом приближении. Динамика же детонационных волн и волн сжатия описывается совсем другим математическим аппаратом.
Использование стандартных численных пакетов для расчета высокочастотных резонаторов имеет ограничение принципиального характера. Все современные модели турбулентности основаны на осреднении уравнений Навье-Стокса (базовые уравнения газовой динамики) по времени. Кроме того, вводится предположение Буссинеска, что тензор напряжения турбулентного трения пропорционален градиенту скорости. Оба предположения не выполняются в турбулентных потоках с ударными волнами, если характерные частоты сопоставимы с частотой турбулентной пульсации. К сожалению, мы имеем дело именно с таким случаем, поэтому тут необходимо либо построение модели более высокого уровня, либо прямое численное моделирование на основе полных уравнений Навье - Стокса без использования моделей турбулентности (задача неподъемная на современном этапе).
Из представленных выше схем видно, что исследуемые сегодня схемы ИДД - это однорежимные двигатели, имеющие весьма ограниченный диапазон регулирования, поэтому прямое их использование в качестве единственной силовой установки на самолете нецелесообразно. Другое дело - ракетный двигатель.
ВМС США намерены в перспективе модернизировать газотурбинные силовые установки на своих кораблях и самолетах, заменив обычные двигатели внутреннего сгорания с циклом Брайтона на ротационные детонационные двигатели. Благодаря этому военные рассчитывают экономить на топливе до 400 миллионов долларов в год. Впрочем, говорить о скором серийном использовании новой технологии, еще пока до конца не изученной, не приходится - по самым смелым оценкам, первые детонационные двигатели появятся на флоте через десять лет.
Разработкой ротационного, или спинового, детонационного двигателя (Rotating Detonation Engine, RDE) занимается Научно-исследовательская лаборатория (NRL) ВМС США. По предварительным расчетам лаборатории, RDE будет на десять процентов мощнее и на 25 процентов экономичнее используемых сегодня обычных газотурбинных двигателей. Правда, общий принцип работы силовых установок останется неизменным - поток газов от сгоревшего топлива будет по-прежнему вращать лопасти газовой турбины.
По данным NRL, даже в отдаленном будущем, когда все корабли ВМС США будут приводиться в движение электричеством, выработку энергии все равно будут обеспечивать газовые турбины, может быть, конструктивно немного измененные. В настоящее время американский флот использует 430 газотурбинных двигателей на 129 кораблях. Ежегодно они потребляют топлива на два миллиарда долларов. В перспективе обычные двигатели внутреннего сгорания на кораблях будут заменены новыми RDE, то есть речь идет о модернизации. Тем не менее принципы работы перспективных силовых установок и современных двигателей будут значительно отличаться.
Детонация
Сегодня двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Брайтона. Упрощенно его суть заключается в последовательном смешивании топлива и окислителя, сжатии смеси, ее поджоге и горении с последующим расширением разогретых продуктов горения. Такое расширение, как раз и используемое для выполнения механической работы (движение, вращение турбины, перемещение поршней), дает постоянное давление. Фронт горения в топливной смеси перемещается на дозвуковой скорости; такой процесс называется дефлаграцией.
В новых двигателях ученые намерены использовать детонацию, взрывное горение топливной смеси, при котором реакция распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. Явление детонации пока изучено не полностью, однако достоверно известно, что при таком горении по веществу распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция в топливной смеси с выделением большого количества тепла. При прохождении ударной волны через вещество оно нагревается и может детонировать.
В RDE будут использованы наработки, полученные в ходе создания пульсирующего детонационного двигателя (Pulse Detonation Engine, PDE). Принцип его работы заключается в том, что в камеру сгорания впрыскивается предварительно сжатая топливная смесь, происходит ее поджог, после чего смесь детонирует. В сопле происходит расширение продуктов горения, которые и выполняют механическую работу. Затем весь цикл повторяется. Недостаток PDE заключается в относительно малой величине пульсаций (частоте повторения циклов).
Кроме того, конструкция таких двигателей с увеличением частоты пульсаций становится сложнее. В частности, необходимо синхронизировать работу клапанов, ответственных за впрыск топливной смеси, с самими циклами детонации. Сам пульсирующий детонационный двигатель крайне шумен, потребляет много топлива, а для его работы требуется постоянная дозированная подача топлива и инициация каждого цикла детонации. Проще говоря: в камеру сгорания попало топливо, его подожгли, оно детонировало, затем все повторяется.
Принцип работы ротационных детонационных двигателей несколько отличается от PDE. В нем реализована возможность постоянной незатухающей детонации топливной смеси в кольцевой камере сгорания. Впервые такое явление, получившее название спиновой, или вращающейся, детонации, в 1956 году описал советский ученый Богдан Войцеховский. Само явление было открыто в 1926 году в Великобритании - было замечено, что в некоторых системах вместо ожидаемой плоской детонационной волны возникала ярко светящаяся "голова", вращающаяся по спирали.
Благодаря фоторегистратору собственного изобретения Войцеховскому удалось сфотографировать фронт ударной волны, движущейся в топливной смеси в кольцевой камере сгорания. В отличие от плоской детонации, в спиновой детонации возникает единственная поперечная ударная волна, за которой следует слой непрореагировавшего нагретого газа, а затем зона химической реакции. Такая волна "обегает" кольцевую камеру сгорания. Марлен Топчиян, профессор Института гидродинамики имени Лаврентьева, в котором долгое время работал Войцеховский, описал эту камеру как "сплющенный бублик".
Для получения вращающейся детонации в кольцевую камеру сгорания радиально подается топливная смесь (причем топливо и окислитель могут поступать раздельно, а их смешивание и сжатие обеспечивает детонационная волна). В интервью газете "Наука в Сибири" Топчиян рассказал, что, пока детонационная волна "обегает" кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться - "и каждый раз перед волной оказывается свежая смесь". Таким образом и обеспечивается стационарность детонации.
Компьютерная модель движения "головы" детонационной волны, распределения давления и массовой концентрации топлива в ротационном детонационном двигателе.
В отличие от цикла Брайтона, при котором давление в системе после сгорания топлива остается величиной постоянной, при детонации за время химического горения смеси давление в камере сгорания не успевает значительно измениться, но затем возрастает скачкообразно в разы и может превышать сто атмосфер. Что интересно, к ротационным детонационным двигателям вполне применимы технологии двигателей, работающих по циклу Брайтона. В частности, использование в RDE компрессора увеличивает эффективность и мощность системы в целом.
Детонационные двигатели, к слову, уже использовались. В частности, один из вариантов такой силовой установки - пульсирующий воздушно-реактивный двигатель - использовался на немецких крылатых ракетах "Фау-1" в конце Второй мировой войны. Он был прост в производстве, неприхотлив, однако не очень надежен для решения более серьезных задач.
В 2008 году первый полет совершил экспериментальный самолет Rutang Long-EZ с пульсирующим детонационным двигателем. Двигатель работал в течение десяти секунд, самолет летел на высоте 30 метров. PDE на экспериментальном самолете состоял из четырех трубок, в которых происходили циклы детонации с частотой 80 герц. Силовая установка смогла развить тягу в 890 ньютонов. Для сравнения, каждый двигатель истребителя МиГ-29 развивает тягу в 81,4 килоньютона.
Двигатели будущего
Экспериментальный образец RDE, созданный Научно-исследовательской лабораторией ВМС США, представляет собой кольцевую конусообразную камеру сгорания, диаметр которой со стороны впрыска топливной смеси составляет 140 миллиметров, а со стороны сопла - 160 миллиметров. Расстояние между стенками камеры сгорания составляет десять миллиметров при длине "трубки" 177 миллиметров.
В качестве топлива используется стехиометрическая смесь водорода и воздуха (в ней окислителя содержится ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива). Топливная смесь подается в камеру сгорания под давлением в десять атмосфер, а сама смесь предварительно прогревается до 27,9 градуса Цельсия. Смесь водорода и кислорода считается наиболее удобной для изучения спиновой детонации, однако, по утверждению NRL, в перспективных двигателях можно будет использовать обычное горючее в смеси с воздухом.
Предварительные испытания RDE, созданного NRL, показали коэффициент полезного действия одного цикла детонации на уровне 30 процентов (КПД цикла Брайтона был принят за ноль процентов). При добавлении в систему компрессора КПД цикла Брайтона можно увеличить; причем это правило работает и для систем, построенных на цикле детонации. Износостойкость RDE по сравнению с PDE выше, поскольку в них детонационная волна "идет" вдоль стенок камеры сгорания и ее ударное влияние на них существенно ниже.
Карта температур (сверху) и давления в RDE. Фото NRL.
A - детонационная волна; B - задний фронт ударной волны; C - зона смешения свежих и старых продуктов горения; D - область заполнения топливной смесью; E - область несдетонировавшей сгоревшей топливной смеси; F - зона расширения со сдетонировавшей сгоревшей топливной смесью; G, H, I - зоны подачи топлива с заблокированными, частично открытыми и открытыми форсунками; J - вторичная ударная волна. Движение детонации - слева направо.
По данным NRL, процесс сгорания топливной смеси в RDE неоднороден, в нем присутствуют и области дефлаграции, однако их доля в общем процессе горения составляет всего 14 процентов. Оптимизация конструкции двигателя и подбор подходящих диаметров кольцевой камеры сгорания и просвета между стенками может уменьшить этот показатель. К достоинствам перспективного двигателя NRL относит существенную экономию топлива (для инициации нового цикла детонации горючей смеси требуется меньше).
Расширяющиеся в сопле продукты горения впоследствии можно, благодаря эффекту Коанда , собирать при помощи конуса в единую газовую струю и направлять ее в турбину. Истекающие из сопла газы будут вращать ее; часть работы турбины можно будет использовать для движения кораблей, а часть - для выработки энергии, необходимой для корабельных систем и оборудования.
Сами спиновые детонационные двигатели могут быть собраны вообще без каких-либо подвижных частей, благодаря чему упрощается конструкция и снижается конечная стоимость силовой установки в целом. Тем не менее, прежде чем всерьез говорить о перспективах серийного использования ротационных двигателей, ученым предстоит решить еще несколько задач, самой сложной из которых является подбор термостойких и прочных материалов.
В RDE стабильность детонации можно поддерживать до окончания горючего и прогрева конструкции до стадии разрушения. В последнем случае могут быть также использованы технологии, успешно применяющиеся для охлаждения лопаток турбин, например, в воздушно-реактивных двигателях. Со временем новые двигатели можно будет устанавливать не только на корабли, но и на перспективные летательные аппараты. Так, из архивов может быть возвращен к жизни проект Blackswift - аппарат, способный развивать скорость до шести чисел Маха (около семи тысяч километров в час).
В настоящее время RDE считаются наиболее перспективным типом двигателей внутреннего сгорания. Их разработкой, в частности, занимается Техасский университет в Арлингтоне. Создаваемая им силовая установка получила название "двигателя непрерывной детонации" (Continous Detonation Engine, CDE). Ученые из этого университета также проводят эксперименты с разными диаметрами кольцевых камер сгорания и с различными топливными смесями, в которых присутствуют водород, а также кислород или воздух в разных пропорциях.
Двигатель непрерывной детонации. Показана работа двигателя с топливной смесью водорода-воздуха и водорода-кислорода в разных пропорциях.
В марте 2011 года управляющий директор НПО "Сатурн" Илья Федоров рассказал, что Научно-технический центр имени Люльки (входит в состав научно-производственного объединения) занимается созданием пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Тип двигателя Федоров не уточнил. В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей: клапанные, бесклапанные и детонационные. Наконец, французская компания MBDA совместно с Институтом гидродинамики имени Лаврентьева занимается изучением вращающейся детонации и созданием спинового детонационного двигателя.
Однако в настоящий момент можно сделать вывод, что RDE (пусть уже и существующие в виде экспериментальных образцов), как и , являются технологией завлекательной, но пока мало реализуемой в промышленных масштабах. И все же время, в котором самолеты будут быстрее, а орудия - убойнее и дальнобойнее, уже обретает свои очертания.
Освоение космического пространства невольно ассоциируется с космическими кораблями. Сердцем любой ракеты-носителя является ее двигатель. Он должен развить первую космическую скорость - около 7,9 км/с, чтобы доставить космонавтов на орбиту, и вторую космическую, чтобы преодолеть поле тяготения планеты.
Добиться этого непросто, но ученые постоянно ищут новые пути решения этой задачи. Конструкторы из России шагнули еще дальше и сумели разработать детонационный ракетный двигатель, испытания которого завершились успехом. Это достижение можно назвать настоящим прорывом в области космического машиностроения.
Новые возможности
Почему на детонационные двигатели возлагают большие надежды? По расчетам ученых, их мощность будет в 10 тыс. раз больше, чем мощность существующих ракетных двигателей. При этом они будут потреблять гораздо меньше топлива, а их производство отличится низкой стоимостью и рентабельностью. С чем это связано?
Все дело в реакции окисления горючего. Если в современных ракетах используется процесс дефлаграции - медленное (дозвуковое) горение топлива при постоянном давлении, то детонационный ракетный двигатель функционирует за счет взрыва, детонации горючей смеси. Она сгорает со сверхзвуковой скоростью с выделением огромного количества тепловой энергии одновременно с распространением ударной волны.
Разработкой и испытанием российского варианта детонационного двигателя занималась специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» в составе производственного комплекса «Энергомаш».
Превосходство новых двигателей
Изучением и разработкой детонационных двигателей занимаются ведущие мировые ученые на протяжении 70 лет. Основной причиной, препятствующей созданию этого типа двигателей, является неконтролируемое самовозгорание топлива. Кроме того, на повестке дня стояли задачи по эффективному смешиванию горючего и окислителя, а также интеграции сопла и воздухозаборника.
Решив эти задачи, удастся создать детонационный ракетный двигатель, который по своим техническим характеристикам обгонит время. При этом ученые называют такие его преимущества:
- Способность развивать скорости в дозвуковом и гиперзвуковом диапазонах.
- Исключение из конструкции многих движущихся частей.
- Более низкая масса и стоимость силовой установки.
- Высокая термодинамическая эффективность.
Серийно данный тип двигатель не производился. Впервые был испытан на низколетящих самолетах в 2008 году. Детонационный двигатель для ракет-носителей был впервые испытан российскими учеными. Именно поэтому данному событию отводится столь большое значение.
Принцип работы: импульсный и непрерывный
В настоящее время ученые ведут разработку установок с импульсным и непрерывным рабочим процессом. Принцип работы детонационного ракетного двигателя с импульсной схемой работы основан на циклическом заполнении камеры сгорания горючей смесью, последовательном ее воспламенении и выбросе продуктов сгорания в окружающую среду.
Соответственно, при непрерывном рабочем процессе топливо подается в камеру сгорания непрерывно, горючее сгорает в одной или нескольких детонационных волнах, которые непрерывно циркулируют поперек потока. Преимуществами таких двигателей являются:
- Однократное зажигание топлива.
- Относительно простая конструкция.
- Небольшие габариты и масса установок.
- Более эффективное использование горючей смеси.
- Низкий уровень производимого шума, вибрации и вредных выбросов.
В перспективе, используя данные преимущества, детонационный жидкостный ракетный двигатель непрерывной схемы работы вытеснит все существующие установки благодаря своим массо-габаритным и стоимостным характеристикам.
Испытания детонационного двигателя
Первые испытания отечественной детонационной установки прошли в рамках проекта, учрежденного Министерством образования и науки. В качестве опытного образца был представлен небольшой двигатель с камерой сгорания диаметром 100 мм и шириной кольцевого канала в 5 мм. Испытания проводились на специальном стенде, фиксировались показатели при работе на различных видах горючей смеси - водород-кислород, природный газ-кислород, пропан-бутан-кислород.
Испытания детонационного ракетного двигателя на кислородно-водородном топливе доказали, что термодинамический цикл этих установок на 7 % эффективнее, чем при работе других установок. Кроме того, было экспериментально подтверждено, что с увеличением количества подаваемого горючего увеличивается и тяга, а также количество детонационных волн и частота вращения.
Аналоги в других странах
Разработкой детонационных двигателей занимаются ученые ведущих стран мира. Наибольших успехов в этом направлении достигли конструкторы из США. В своих моделях они реализовали непрерывный способ работы, или ротационный. Американские военные планируют использовать данные установки для оснащения надводных кораблей. Благодаря меньшей массе и небольшим размерам при высокой выдаваемой мощности они помогут увеличить эффективность боевых катеров.
Стехиометрическую смесь водорода и кислорода использует для своей работы американский детонационный ракетный двигатель. Преимущества такого источника энергии в первую очередь экономические - кислорода сгорает ровно столько, сколько того требуется для окисления водорода. Сейчас для обеспечения военных кораблей углеродным топливом правительство США тратит несколько миллиардов долларов. Стехиометрическое горючее снизит расходы в несколько раз.
Дальнейшие направления разработки и перспективы
Новые данные, полученные в результате испытаний детонационных двигателей, определили применение принципиально новых методов построения схемы работы на жидком топливе. Но для функционирования такие двигатели должны иметь высокую жаропрочность ввиду большого количества выделяемой тепловой энергии. В настоящий момент ведется разработка особого покрытия, которое обеспечит работоспособность камеры сгорания под высокотемпературным воздействием.
Особое место в дальнейших исследованиях занимает создание смесительных головок, с помощью которых можно будет получить капли горючего материала заданного размера, концентрации и состава. По решению данных вопросов будет создан новый детонационный жидкостный ракетный двигатель, который станет основой нового класса ракет-носителей.