Motoarele cu detonare pe impuls ca viitorul rachetelor și al aviației
Motor cu detonare cu impuls cu flux direct. Grafică „Combustie și explozie”
Sisteme de propulsie existente pt aviaţie iar rachetele prezintă performanțe foarte înalte, dar s-au apropiat de limita capacităților lor. Pentru a crește și mai mult parametrii de tracțiune, ceea ce creează o rezervă pentru dezvoltarea rachetelor aviatice și a industriei spațiale, sunt necesare alte motoare, inclusiv. cu noi principii de funcționare. Mari speranțe sunt puse pe așa-numitul. motoare de detonare. Sisteme similare de tip impuls sunt deja testate în laboratoare și pe avioane.
Principii fizice
Motoarele cu combustibil lichid existente și care funcționează folosesc arderea subsonică sau deflagrația. O reacție chimică care implică combustibil și oxidant formează un front care se deplasează prin camera de ardere la viteze subsonice. O astfel de ardere limitează cantitatea și viteza gazelor reactive care curg din duză. Prin urmare, tracțiunea maximă este, de asemenea, limitată.
O alternativă este arderea prin detonare. În acest caz, frontul de reacție se mișcă cu viteză supersonică, formând o undă de șoc. Un astfel de regim de ardere crește randamentul de produse gazoase și oferă o forță sporită.
Motorul de detonare poate fi realizat în două versiuni. În același timp, sunt dezvoltate motoare cu impuls sau pulsație (IMD/SDA) și cele rotative/rotative. Diferența lor constă în principiile arderii. Motorul rotativ menține o reacție constantă, în timp ce motorul cu impulsuri funcționează prin „explozii” succesive ale amestecului de combustibil și oxidant.
impulsurile formează impuls
În teorie, din punct de vedere al designului, IDM-ul nu este mai complicat decât un motor ramjet tradițional sau rachetă cu propulsie lichidă. Include o cameră de ardere și un aparat de duză, precum și mijloace pentru alimentarea cu combustibil și oxidant. În acest caz, se impun restricții speciale asupra rezistenței și durabilității structurii asociate cu caracteristicile motorului.
Aeronavă cu experiență Long-EZ cu IDD. Foto Muzeul Național al USAF
În timpul funcționării, duzele furnizează combustibil în camera de ardere; agentul oxidant este furnizat din atmosferă cu ajutorul unui dispozitiv de admisie a aerului. După ce amestecul este format, are loc aprinderea. Datorită selecției corecte a componentelor combustibilului și a proporțiilor amestecului, a metodei optime de aprindere și a configurației camerei, se formează o undă de șoc care se deplasează în direcția duzei motorului. Nivelul actual de tehnologie face posibilă obținerea unor viteze ale valurilor de până la 2,5-3 km/s cu o creștere corespunzătoare a forței.
IDD folosește principiul de funcționare pulsatoriu. Aceasta înseamnă că după detonare și eliberarea gazelor reactive, camera de ardere este purjată, reumplută cu amestecul - și urmează o nouă „explozie”. Pentru a obține o forță mare și stabilă, acest ciclu trebuie efectuat la o frecvență ridicată, de la zeci la mii de ori pe secundă.
Provocări și beneficii
Principalul avantaj al IDD este posibilitatea teoretică de a obține caracteristici îmbunătățite care oferă superioritate față de motoarele ramjet și propulsoare lichide existente și viitoare. Deci, cu aceeași forță, motorul de impuls se dovedește a fi mai compact și mai ușor. În consecință, în aceleași dimensiuni, puteți crea o instalare mai puternică. În plus, un astfel de motor este mai simplu în design, deoarece nu are nevoie de o parte a instrumentării.
IDD este operațional într-o gamă largă de viteze, de la zero (în timpul lansării rachetei) la hipersonic. Poate găsi aplicație în sistemele de rachete și spațiale și în aviație - în domeniile civil și militar. În toate cazurile, trăsăturile sale caracteristice fac posibilă obținerea anumitor avantaje față de sistemele tradiționale. În funcție de nevoi, este posibil să se creeze o rachetă IDD care folosește un oxidant dintr-un rezervor, sau unul cu jet de aer care preia oxigenul din atmosferă.
Cu toate acestea, există deficiențe și dificultăți semnificative. Astfel, pentru a stăpâni o nouă direcție, este necesar să se efectueze diverse studii și experimente destul de complexe la joncțiunea diferitelor științe și discipline. Principiul specific de funcționare impune cerințe speciale asupra designului motorului și materialelor acestuia. Prețul tracțiunii mari este sarcina crescută care poate deteriora sau distruge structura motorului.
IDD pentru Long-EZ. Foto Muzeul Național al USAF
Este o provocare să se asigure că ratele de alimentare cu combustibil și oxidant sunt suficient de mari pentru a se potrivi cu frecvența de detonare necesară, precum și pentru a efectua o purjare precombustibil. În plus, o problemă de inginerie separată este lansarea unei unde de șoc cu fiecare ciclu de lucru.
Trebuie remarcat faptul că, în ciuda tuturor eforturilor oamenilor de știință și proiectanților, până în prezent, IDD nu este pregătit să depășească granițele laboratoarelor și locurilor de testare. Design-urile și tehnologiile au nevoie de dezvoltare ulterioară. Prin urmare, nu este încă necesar să vorbim despre introducerea în practică a noilor motoare.
Istoria tehnologiei
Este curios că principiul unui motor cu detonare a impulsurilor a fost propus pentru prima dată nu de oameni de știință, ci de scriitori de science fiction. De exemplu, submarinul „Pioneer” din romanul lui G. Adamov „Secretul a două oceane” a folosit un PDD pe un amestec de gaz hidrogen-oxigen. Idei similare au apărut și în alte opere de artă.
Cercetările științifice pe tema motoarelor de detonare au început puțin mai târziu, în anii patruzeci, iar oamenii de știință sovietici au fost pionierii direcției. Ulterior, s-au făcut în mod repetat încercări în diferite țări de a crea un IDD experimental, dar succesul lor a fost serios limitat de lipsa tehnologiilor și materialelor necesare.
Pe 31 ianuarie 2008, Departamentul de Apărare al SUA DARPA și Laboratorul Forțelor Aeriene au început să testeze primul laborator zburător cu un tip IDD cu jet aerian. Motorul original a fost instalat pe o aeronavă Long-EZ modificată de la Scale Composites. Centrala electrică includea patru camere de ardere tubulare cu alimentare cu combustibil lichid și admisie de aer din atmosferă. La o frecvență de detonare de 80 Hz, o forță de aprox. 90 kgf, care a fost suficient doar pentru o aeronavă ușoară.
Motor rusesc de detonare rotativă „Ifrit”. Fotografie de NPO Energomash
Aceste teste au arătat adecvarea fundamentală a IDD pentru utilizarea în aviație și, de asemenea, au demonstrat nevoia de a îmbunătăți designul și performanța acestora. În același 2008, prototipul de avion a fost trimis la muzeu, iar DARPA și organizațiile aferente au continuat să lucreze. S-a raportat despre posibilitatea utilizării IDD în sisteme de rachete promițătoare - dar până acum nu au fost dezvoltate.
La noi, tema IDD a fost studiată la nivel de teorie și practică. De exemplu, în 2017, în revista Combustion and Explosion a apărut un articol despre testarea unui ramjet de detonare alimentat cu hidrogen gazos. Se lucrează și la motoarele cu detonare rotativă. A fost creat și testat un motor de rachetă cu combustibil lichid, potrivit pentru utilizarea pe rachete. Problema utilizării unor astfel de tehnologii în motoarele de aeronave este în curs de rezolvare. În acest caz, camera de ardere de detonare este integrată în motorul cu turboreacție.
Perspective Tehnologice
Motoarele de detonare prezintă un mare interes din punct de vedere al aplicării în diverse domenii și domenii. Datorită creșterii așteptate a principalelor caracteristici, acestea pot, cel puțin, să împingă sistemele claselor existente. Cu toate acestea, complexitatea dezvoltării teoretice și practice nu le permite încă să ajungă la utilizare practică.
Cu toate acestea, în ultimii ani s-au observat tendințe pozitive. Motoare de detonare în general, incl. impulsive, apar din ce în ce mai mult în noutățile din laboratoare. Dezvoltarea acestei direcții continuă, iar în viitor va putea da rezultatele dorite, deși momentul apariției probelor promițătoare, caracteristicile și aplicațiile acestora sunt încă în discuție. Cu toate acestea, rapoartele din ultimii ani ne permit să privim viitorul cu optimism.
informații