Съществуващите задвижващи системи за авиация и ракети показват много висока производителност, но са се доближили до границата на своите възможности. За допълнително увеличаване на параметрите на тягата, което създава основа за развитието на авиационната ракетна и космическа индустрия, са необходими други двигатели, вкл. с нови принципи на работа. Големи надежди се възлагат на т.нар. детонационни двигатели. Такива системи от импулсен клас вече се тестват в лаборатории и на самолети.
Физически принципи
Съществуващите и работещи двигатели с течно гориво използват дозвуково горене или дефлаграция. Химична реакция, включваща гориво и окислител, образува фронт, който се движи през горивната камера с дозвукова скорост. Това изгаряне ограничава количеството и скоростта на реактивни газове, изтичащи от дюзата. Съответно максималната тяга също е ограничена.
Изгарянето с детонация е алтернатива. В този случай реакционният фронт се движи със свръхзвукова скорост, образувайки ударна вълна. Този режим на горене увеличава добива на газообразни продукти и осигурява повишено сцепление.
Детонационният двигател може да бъде направен в две версии. В същото време се разработват импулсни или пулсиращи двигатели (IDD / PDD) и ротационни / въртящи се. Тяхната разлика е в принципите на горене. Ротационният двигател поддържа постоянна реакция, докато импулсният двигател работи чрез последователни "експлозии" на смес от гориво и окислител.
Импулсите образуват тяга
На теория дизайнът му не е по-сложен от традиционния ракетен двигател или ракетен двигател с течно гориво. Той включва горивна камера и дюза, както и средства за подаване на гориво и окислител. В този случай се налагат специални ограничения върху здравината и издръжливостта на конструкцията, свързани с особеностите на работата на двигателя.
По време на работа инжекторите подават гориво в горивната камера; окислителят се подава от атмосферата с помощта на устройство за всмукване на въздух. След образуването на сместа възниква запалване. Поради правилния подбор на компонентите на горивото и пропорциите на сместа, оптималния метод на запалване и конфигурацията на камерата се образува ударна вълна, движеща се по посока на дюзата на двигателя. Настоящото ниво на технология дава възможност да се получи скорост на вълната до 2,5-3 km / s със съответно увеличаване на тягата.
IDD използва пулсиращ принцип на работа. Това означава, че след детонация и освобождаване на реактивни газове горивната камера се издухва, напълва се отново със смес - и следва нова „експлозия“. За да се получи висока и стабилна тяга, този цикъл трябва да се извършва с висока честота, от десетки до хиляди пъти в секунда.
Трудности и предимства
Основното предимство на IDD е теоретичната възможност за получаване на подобрени характеристики, които осигуряват превъзходство пред съществуващите и бъдещите двигатели с реактивни двигатели и течно гориво. Така че, със същата тяга, импулсният двигател се оказва по -компактен и по -лек. Съответно може да се създаде по -мощна единица в същите измерения. В допълнение, такъв двигател е по -прост в дизайна, тъй като не се нуждае от част от инструментите.
IDD работи в широк диапазон от скорости, от нула (в началото на ракетата) до хиперзвукова. Може да намери приложение в ракетни и космически системи и в авиацията - в граждански и военни области. Във всички случаи неговите характерни черти позволяват да се получат определени предимства пред традиционните системи. В зависимост от нуждите е възможно да се създаде ракета IDD с помощта на окислител от резервоар или реактивен с въздух, който взема кислород от атмосферата.
Съществуват обаче значителни недостатъци и трудности. Така че, за да се овладее ново направление, е необходимо да се извършат различни доста сложни проучвания и експерименти на кръстопътя на различни науки и дисциплини. Конкретният принцип на действие поставя специални изисквания към конструкцията на двигателя и неговите материали. Цената на високата тяга е увеличеното натоварване, което може да повреди или разруши конструкцията на двигателя.
Предизвикателството е да се осигури висока скорост на подаване на гориво и окислител, съответстваща на необходимата честота на детонация, както и да се извърши прочистване преди доставката на гориво. В допълнение, отделен инженерен проблем е изстрелването на ударна вълна при всеки цикъл на работа.
Трябва да се отбележи, че към днешна дата IDD, въпреки всички усилия на учени и дизайнери, не са готови да излязат извън лабораториите и тестовите площадки. Дизайнът и технологиите се нуждаят от по -нататъшно развитие. Следователно все още не е необходимо да се говори за въвеждането на нови двигатели на практика.
История на технологиите
Любопитно е, че принципът на двигател с импулсна детонация за първи път е предложен не от учени, а от писатели на научна фантастика. Например подводницата „Пионер“от романа на Г. Адамов „Мистерията на двата океана“използва IDD върху водород-кислородна газова смес. Подобни идеи фигурират и в други произведения на изкуството.
Научните изследвания по темата за детонационните двигатели започват малко по -късно, през четиридесетте години, а пионерите на посоката са съветски учени. В бъдеще в различни страни многократно се правят опити за създаване на опитен IDD, но успехът им е сериозно ограничен от липсата на необходимите технологии и материали.
На 31 януари 2008 г. агенцията DARPA на Министерството на отбраната на САЩ и лабораторията на ВВС започнаха тестването на първата летяща лаборатория с въздушно дишащ тип IDD. Оригиналният двигател е инсталиран на модифициран самолет Long-EZ от Scale Composites. Електроцентралата включва четири тръбни горивни камери с подаване на течно гориво и всмукване на въздух от атмосферата. При честота на детонация 80 Hz, тяга от прибл. 90 кгс, което беше достатъчно само за лек самолет.
Тези тестове показаха фундаменталната годност на IDD за използване в авиацията, а също така показаха необходимостта от подобряване на дизайна и повишаване на техните характеристики. През същата 2008 г. прототипът на самолета е изпратен в музея и DARPA и свързаните с него организации продължават да работят. Съобщава се за възможността за използване на IDD в обещаващи ракетни системи - но досега те не са разработени.
У нас темата за ИРД се изучаваше на ниво теория и практика. Например през 2017 г. в списанието „Изгаряне и експлозия“се появява статия за изпитанията на детонационен реактивен двигател, работещ на газообразен водород. Продължава работата по двигатели с въртяща се детонация. Разработен и тестван е ракетен двигател с течно гориво, подходящ за използване на ракети. Проучва се въпросът за използването на такива технологии в самолетни двигатели. В този случай горивната камера с детонация е интегрирана в турбореактивния двигател.
Технологична перспектива
Детонационните двигатели представляват голям интерес от гледна точка на приложението им в различни области и области. Поради очакваното увеличение на основните характеристики, те могат поне да изтласкат системите на съществуващите класове. Сложността на теоретичното и практическото развитие обаче все още не им позволява да се използват на практика.
През последните години обаче се наблюдават положителни тенденции. Детонационни двигатели като цяло, вкл. пулсиращи, все по -често се появяват в новините от лаборатории. Развитието на тази посока продължава и в бъдеще тя ще може да даде желаните резултати, въпреки че времето на появата на обещаващи проби, техните характеристики и области на приложение все още са под въпрос. Посланията от последните години обаче ни позволяват да гледаме към бъдещето с оптимизъм.
