Технологии

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Для запуска космического корабля требуется много топлива. Но новый тип двигателя, называемый вращающимся детонационным двигателем, обещает превратить ракеты не только в более экономичные, но и более легкие и менее сложные в изготовлении. Есть только одна проблема: сейчас этот двигатель слишком непредсказуем, чтобы использовать его в реальной ракете.

Непрерывно вращающийся детонационный двигатель (CRDE) находится в центре внимания аэрокосмического сообщества. Он имеет несколько преимуществ, включая однократное инициирование, высокую скорость сгорания, высокую термическую эффективность и простую структуру. Благодаря этим характеристикам ожидается, что он принесет революционные усовершенствования в авиационные и аэрокосмические двигательные установки, и в настоящее время привлекает большое внимание во всем мире.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Запуск космического корабля «Союз» с космодрома Байконур в Казахстане в 2017 году с использованием обычного, энергоемкого двигателя. Исследователи UW разработали математическую модель, которая описывает, как работает новый тип двигателя, обещающий сделать ракеты экономичными, более легкими и менее сложными в конструировании. НАСА / Билл Ингаллс

Исследователи из Вашингтонского университета разработали математическую модель, которая описывает, как работают детонационные двигатели. С помощью этой информации инженеры могут впервые разработать тесты для улучшения таких двигателей и повышения их устойчивости работы.

Учеными установлено, что при детонационном сгорании газы расширяются со сверхзвуковой скоростью. Это теоретически более эффективно, чем обычное (дефлаграционное) сгорание, на целых 25%. Такое повышение эффективности обеспечивает значительное повышение тяги и экономию топлива.

Новый вращающийся детонационный двигатель может революционизировать пуски ракет, если его сделать достаточно стабильным. Это большое «если» и то, что ученые надеются исследовать, используя новую математическую модель физики, играющую роль в непредсказуемых вращающихся детонациях.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Исследователи сначала разработали экспериментальный вращающийся детонационный двигатель (показанный здесь), где они могли контролировать различные параметры, такие как размер зазора между цилиндрами. Линии подачи (справа) направляют поток топлива в двигатель. Внутри есть еще один цилиндр, концентрический к внешней части. Датчики, торчащие из верхней части двигателя (слева), измеряют давление по длине цилиндра. Камера будет с левой стороны, если смотреть с задней части двигателя. Джеймс Кох / Университет Вашингтона.

Немного классической теории

Горение — это последовательность экзотермических химических реакций между топливом и окислителем, сопровождающихся выделением тепла и превращением химических веществ. Это важный процесс в двигательных системах. Посредством химических реакций он преобразует химическую энергию топлива в тепло, а затем кинетическую энергию рабочего тела для обеспечения тяги.

Горение может осуществляться в двух разных режимах: дефлаграция (обычное горение) и детонация. Когда состояние предварительно смешанных горючих смесей изменяется, будут получены различные режимы горения.

Во время процесса дефлаграции скорость волны горения составляет порядка метров в секунду, давление несколько падает, а удельный объем значительно увеличивается. Таким образом, дефлаграция обычно рассматривается как приблизительно изобарное сгорание. При детонации его скорость распространения может достигать порядка километров в секунду. В процессе сгорания волна сгорания тесно связана с ударной волной, давление и температура резко возрастают, а удельный объем несколько уменьшается. Таким образом, детонация часто рассматривается как приблизительно изохорное горение. Очевидно, что тепловыделение детонации происходит быстрее, энтропийное увеличение детонации меньше, а термический КПД детонации выше, чем у дефлаграции.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Японские исследователи разработали и испытали вращающийся детонационный двигатель с кислородом / этеленом класса 900 N. Предоставлено: Университет Нагоя

Основная концепция RDE — это детонационная волна, которая движется по круговому каналу (кольцу). Топливо и окислитель впрыскиваются в канал, обычно через небольшие отверстия или щели. Детонация инициируется в смеси топливо/окислитель какой-либо формой воспламенителя. После запуска двигателя детонации становятся самоподдерживающимися. Одна детонация зажигает смесь топлива/окислителя, которая выделяет энергию, необходимую для поддержания детонации. Продукты сгорания расширяются из канала и выталкиваются из канала поступающим топливом и окислителем.

Поскольку цикл детонации имеет более высокий тепловой КПД, чем обычный цикл сгорания с постоянным давлением, то ожидается, что высокоэффективная силовая установка может быть реализована с использованием детонационных волн. Вращающийся детонационный двигатель (RDE) использует непрерывную детонацию, распространяющуюся в кольцевой камере сгорания. Поскольку детонационные волны распространяются со сверхзвуковой скоростью только в нижней области RDE, камера сгорания может быть сокращена. Однако камера сгорания нуждается в системе охлаждения из-за высокого теплового потока возле ее стенок.

Хотя конструкция RDE аналогична двигателю импульсной детонации (PDE), RDE лучше, потому что волны вращаются вокруг камеры, а PDE требует продувки камер после каждого импульса.

История вопроса

Детонационное сгорание является потенциальным для двигателей аэрокосмических систем, предлагая высокую эффективность и низкую конструкционную сложность. Для сравнения, дефлаграцию обычно легче контролировать, и поэтому она доминирует как в экспериментальных, так и в реальных применениях на двигателях. Ранее исследования в области детонационных двигателей были ограничены из-за отсутствия необходимых инструментов, необходимых для проектирования и анализа таких систем. Тем не менее, применение детонационных двигателей для движения является очень перспективным, уже доказавшим свою компактность, обеспечивая при этом высокоэффективную генерацию тяги. Эта сверхзвуковая тяга может использоваться независимо как ракетный двигатель или как часть газотурбинной системы. Интерес к разработке технологии RDE возрос, и проблемы использования более термодинамически эффективного цикла стали более понятными.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

3D модель распространения детонационной волны в RDE. Короткие стрелки указывают поток топлива / окислителя в двигатель, а длинные стрелки указывают направление распространения детонации.

Этот тип двигателя характеризуется одной или несколькими детонационными волнами, содержащимися в кольцевой камере с открытым концом. Смесь топлива и окислителя подается в один конец камеры, и детонационная волна потребляет эти реагенты азимутально, вытесняя реагенты из открытого конца кольцевого пространства. В некоторых источниках этот тип двигателя также называют двигателем непрерывной детонационной волны (CDWE) или двигателем спиновой детонации.

Особенности рабочего процесса

Детонационный двигатель – новый тип двигателя, разработанный для повышения эффективности работы, с тщательно продуманным, последовательным циклом впрысков и взрывов. Он не совсем новый — патент был выдан около 20 лет назад — он только сейчас проявил возможности своего потенциала.

Удивительное название двигателя в значительной степени описывает, как это работает. Детонационная камера двигателя — это, по сути, тонкий полый цилиндр (то есть тонкий полый промежуток между двумя концентрическими цилиндрами). Двигатель запускает детонацию, используя обычные средства — топливо, кислород, давление, тепло — который посылает ударную волну, преследующую себя через цилиндрическую петлю. Вращающийся детонационный двигатель удерживает эту ударную волну в бесконечной петле, используя ее для многократного запуска новых детонаций.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Вращающаяся детонационная система обещает потреблять меньше топлива и быть значительно легче по весу. Но принятие дозвуковой дефлаграционной (традиционной) реакции на территорию сверхзвуковой детонации требует изменения научного мышления, а также совершенно нового дизайна работы такого двигателя. Внутри кольцевого реактора детонации запускаются концентрически, и конец сопла на реакторе создает тягу, когда реагенты вытекают из него со сверхзвуковыми скоростями.

При работе ударная волна врезается в молекулы кислорода и молекулы топлива с такой силой, что они сжимаются, возбуждаются и детонируют. Каждая последующая детонация поддерживает движение ударной волны, и двигатель поддерживает эти детонации, питая камеру тщательно рассчитанными впрысками топлива и кислорода.

Это позволяет двигателю сжигать топливо с гораздо большей скоростью по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания. Эта более высокая скорость горения создает большую тягу, благодаря которой эти двигатели будут разгонять летательные аппараты к гиперзвуковым скоростям.

Поскольку камера сгорания — это тонкое пространство между двумя металлическими цилиндрами — примерно в 10 раз меньше, чем камера в обычных двигателях, топливо сжигается под гораздо более высоким давлением, чем у аналогов. Чем выше давление, тем больше работы двигатель получает от молекул после их взрыва. Одно важное предостережение: эти двигатели все еще находятся на стадии прототипа.

Есть проблемы, но они решаемы

Существуют разные причины, по которым существующие конструкции вращающегося детонационного двигателя нестабильны. Ученые до сих пор не знают, почему детонационная волна иногда идет по часовой стрелке вокруг камеры сгорания, а иногда — против часовой стрелки. Такие пробелы в знаниях затрудняют разработку двигателя, который должен работать предсказуемо.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен стать высшим приоритетом.

Другая проблема — неиспользованное топливо. Если инженеры, разрабатывающие двигатели, не могут точно предсказать, как поведет себя детонационная волна, они не смогут надежно откалибровать топливную форсунку. Это может означать, что кислород и топливо пропускают детонационную волну в каждом цикле. Двигатель такой горячий, что этот материал горит. Это может показаться не таким уж большим делом, но техническое совпадение технически считается сгоранием. Чтобы сохранить движение этой ударной волны, этот двигатель нуждается именно в детонациях. Таким образом, если топливная форсунка не откалибрована идеально, эти слабые сгорания сжигают топливо, и двигатель больше не обеспечивает гиперзвукового полета.

Кроме того, трудно найти баланс между шириной канала детонации и непредсказуемым выбросом неиспользованного топлива. Неизрасходованное топливо может взорваться за пределами реактора и вызвать проблемы, и его минимизация важна, но не может быть достигнута за счет оптимальной формы и размера реактора.

Вот тут-то и появляется рабочая математическая модель. «Недостатком этого является то, что у этих детонаций есть собственный разум. Когда вы что-то взрываете, это просто происходит. Это так жестоко», — говорится в заявлении Коха. «Моя цель здесь состояла исключительно в том, чтобы воспроизвести поведение импульсов, которые мы видели, чтобы убедиться, что результаты модели похожи на наши экспериментальные результаты».

На сегодняшний день GE Research уже решила множество фундаментальных проблем, связанных с гиперзвуковым транспортом. Например, компания разрабатывает керамику, которая может выдерживать высокие температуры, создаваемые вращающимся детонационным двигателем, поскольку он содержит бесконечный взрыв. Подобные инновации вернут коммерческих путешественников в сверхзвуковые самолеты уже к 2025 году.

Министерства обороны США в начале этого года объявило, что гиперзвуковой транспорт должен быть высшим приоритетом. Подталкивает Пентагон Россия, у которой есть «Авангард», оснащеный особым двигателем, и Китай также претендующий на мощную программу исследований гиперзвуковых ракет.

Вращающийся детонационный двигатель революционизирует запуск ракет для гиперзвукового полета

ОПИСАНИЕ СКА
По материалам

naukatehnika.com

Смотреть полностью

Похожее

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Back to top button
Close
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker