Камеры сгорания с
непрерывной
детонацией
Идея камеры сгорания с непрерывной детонацией предложена в 1959 г. академиком АН СССР Б.В. Войцеховским . Непрерывно-детонационная камера сгорания (НДКС) представляет собой кольцевой канал, образованный стенками двух коаксиальных цилиндров. Если на днище кольцевого канала поместить смесительную головку, а другой конец канала оборудовать реактивным соплом, то получится проточный кольцевой реактивный двигатель. Детонационное горение в такой камере можно организовать, сжигая топливную смесь, подаваемую через смесительную головку, в детонационной волне, непрерывно циркулирующей над днищем. При этом в детонационной волне будет сгорать топливная смесь, вновь поступившая в камеру сгорания за время одного оборота волны по окружности кольцевого канала. Частота вращения волны в камере сгорания диаметром около 300 мм будет иметь величину порядка 105 об/мин и выше. К достоинствам таких камер сгорания относят: (1) простоту конструкции; (2) однократное зажигание; (3) квазистационарное истечение продуктов детонации; (4) высокую частоту циклов (килогерцы); (5) короткую камеру сгорания; (6) низкий уровень эмиссии вредных веществ (NO, CO и др.); (7) низкий уровень шума и вибраций. К недостаткам таких камер относят: (1) необходимость компрессора или турбонасосного агрегата; (2) ограниченность управления; (3) сложность масштабирования; (4) сложность охлаждения.
Крупные инвестиции в НИОКР и ОКР по этой тематике в США начались сравнительно недавно: 3-5 лет назад (ВВС, ВМФ, НАСА, корпорации аэрокосмической отрасли). Судя по открытым публикациям, в Японии, Китае, Франции, Польше и Корее в настоящее время очень широко развернуты работы по проектированию таких камер сгорания с помощью методов вычислительной газовой динамики. В Российской Федерации исследования в этом направлении наиболее активно проводятся в НП «Центр ИДГ» и в ИГиЛ СО РАН.
Важнейшие достижения в этой области науки и техники перечислены ниже. В 2012 г. специалисты фирм Pratt & Whitney и Rocketdyne (США) опубликовали результаты испытаний экспериментального ракетного двигателя модульной конструкции с заменяемыми форсунками для подачи топливных компонентов и с заменяемыми соплами. Проведены сотни огневых испытаний с использованием разных топливных пар: водород - кислород, метан - кислород, этан - кислород и др. На основе испытаний построены карты устойчивых рабочих режимов двигателя с одной, двумя и более детонационными волнами, циркулирующими над днищем камеры. Исследованы различные способы зажигания и поддержания детонации. Максимальное время работы двигателя, достигнутое в опытах с водяным охлаждением стенок камеры, составило 20 с. Сообщается, что это время ограничивалось только запасом топливных компонентов, но не тепловым состоянием стенок. Польские специалисты совместно с европейскими партнерами работают над созданием непрерывно-детонационной камеры сгорания для вертолетного двигателя. Им удалось создать камеру сгорания, устойчиво работающую в режиме непрерывной детонации в течение 2 с на смеси водорода с воздухом и керосина с воздухом в компоновке с компрессором двигателя ГТД350 советского производства. В 2011-2012 г.г. в Институте гидродинамики СО РАН экспериментально зарегистрирован процесс непрерывно-детонационного горения гетерогенной смеси микронных частиц древесного угля с воздухом в дисковой камере сгорания диаметром 500 мм. До этого в ИГиЛ СО РАН были успешно проведены эксперименты с кратковременной (до 1-2 с) регистрацией непрерывной детонации воздушных смесей водорода и ацетилена, а также кислородных смесей ряда индивидуальных углеводородов. В 2010-2012 г.г. в Центре ИДГ с использованием уникальных вычислительных технологий созданы основы проектирования непрерывно-детонационных камер сгорания как для ракетных, так и для воздушно-реактивных двигателей и впервые расчетным способом воспроизведены результаты экспериментов при работе камеры с раздельной подачей топливных компонентов (водорода и воздуха). Кроме того, в 2013 г. в НП «Центр ИДГ» спроектирована, изготовлена и испытана непрерывно-детонационная кольцевая камера сгорания диаметром 400 мм, шириной зазора 30 мм и высотой 300 мм, предназначенная для выполнения программы исследований, направленных на экспериментальное доказательство энергоэффективности непрерывно-детонационного горения топливно-воздушных смесей.
Важнейшая проблема, с которой сталкиваются разработчики при создании непрерывно-детонационных камер сгорания, работающих на штатном топливе - та же, что и для импульсно-детонационных камер сгорания, т.е. низкая детонационная способность таких топлив в воздухе. Другая важная проблема - снижение потерь давления при подаче топливных компонентов в камеру сгорания, чтобы обеспечить повышение полного давления в камере. Еще одна проблема - охлаждение камеры. В настоящее время способы преодоления этих проблем изучаются.
Большинство отечественных и зарубежных экспертов считают, что обе обсуждаемые схемы организации детонационного цикла являются перспективными как для ракетных, так и для воздушно-реактивных двигателей. Никаких фундаментальных ограничений для практической реализации этих схем не существует. Основные риски на пути создания камер сгорания нового типа связаны с решением инженерных проблем.
Варианты конструкций и способы организации рабочего процесса в импульсно-детонационных и непрерывно-детонационных камерах сгорания защищены многочисленными отечественными и зарубежными патентами (сотни патентов). Главный недостаток патентов - замалчивание или практически неприемлемое (по разным причинам) решение основной проблемы реализации детонационного цикла - проблемы низкой детонационной способности штатных топлив (керосин, бензин, дизтопливо, природный газ) в воздухе. Предлагаемые практически неприемлемые решения этой проблемы заключаются в использовании предварительной тепловой или химической подготовки топлива перед подачей в камеру сгорания, использование активных добавок, включая кислород, или использование специальных топлив с высокой детонационной способностью. Применительно к двигателям, использующим активные (самовоспламеняющиеся) топливные компоненты, эта проблема не стоит, однако остаются актуальными проблемы их безопасной эксплуатации.
Рис. 1: Сравнение удельных импульсов воздушно-реактивных двигателей: ТРД , ПВРД , ПуВРД и ИДД
Применение импульсно-детонационных камер сгорания, в основном, ориентировано на замену существующих камер сгорания в таких воздушно-реактивных силовых установках как ПВРД и ПуВРД. Дело в том, что по такой важной характеристике двигателя, как удельный импульс, ИДД, перекрывая весь диапазон скоростей полета от 0 до числа Маха М = 5, теоретически обладает удельным импульсом, сравнимым (при числе Маха полета М от 2.0 до 3.5) с ПВРД и существенно превышающим удельный импульс ПВРД при числе Маха полета М от 0 до 2 и от 3.5 до 5 (рис. 1). Что касается ПуВРД, то его удельный импульс при дозвуковых скоростях полета почти в 2 раза меньше, чем у ИДД. Данные по удельному импульсу для ПВРД заимствованы из , где проведены одномерные расчеты характеристик идеальных ПВРД, работающих на керосино-воздушной смеси с коэффициентом избытка горючего 0.7. Данные по удельному импульсу воздушно-реактивных ИДД заимствованы из статей , где проведены многомерные расчеты тяговых характеристик ИДД в условиях полета с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями на разных высотах. Отметим, что в отличие от расчетов расчеты в проведены с учетом потерь, вызванных диссипативными процессами (турбулентность, вязкость, ударные волны и др.).
Для сравнения на рис. 1 представлены результаты расчетов для идеального турбореактивного двигателя (ТРД). Видно, что ИДД уступает идеальному ТРД по удельному импульсу при числах Маха полета до 3.5, однако превосходит ТРД по этому показателю при М > 3.5. Таким образом, при М > 3.5 и ПВРД, и ТРД уступают воздушно-реактивным ИДД по удельному импульсу, и это делает ИДД весьма перспективным. Что касается низких сверхзвуковых и дозвуковых скоростей полета, то ИДД, уступая ТРД по удельному импульсу, все же может считаться перспективным ввиду необычайной простоты конструкции и дешевизны, что крайне важно для одноразовых приложений (средства доставки, мишени и др.).
Наличие «скважности» в тяге, создаваемой такими камерами, делает их малопригодными для маршевых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Тем не менее, запатентованы схемы импульсно-детонационных ЖРД многотрубной конструкции с низкой скважностью тяги. Кроме того, такие силовые установки могут применяться в качестве двигателей для коррекции орбиты и орбитальных перемещений искусственных спутников Земли и иметь множество других приложений.
Применение непрерывно-детонационных камер сгорания, в основном, ориентировано на замену существующих камер сгорания в ЖРД и ГТД.
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.
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.
Рис. 1. Спиновая детонация (слева) и плоская детонация. Фото с сайта ras.ru.
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.
Рис. 2. 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 «рельсотрон», 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.
Совсем недавно, 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.
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 двигатель именно в России, что останется в истории навсегда.
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