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.
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.
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 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 спиновой двигатель именно в России, что останется в истории науки навсегда.
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.
1Рассмотрена проблема разработки ротационных детонационных двигателей. Представлены основные типы таких двигателей: ротационный детонационный двигатель Николса, двигатель Войцеховского. Рассмотрены основные направления и тенденции развития конструкции детонационных двигателей. Показано, что современные концепции ротационного детонационного двигателя не могут в принципе привести к созданию работоспособной конструкции, превосходящей по своим характеристикам существующие воздушно-реактивные двигатели. Причиной является стремление конструкторов объединить в один механизм генерацию волны, горение топлива и эжекцию топлива и окислителя. В результате самоорганизации ударно-волновых структур детонационное горение осуществляется в минимальном, а не максимальном объеме. Реально достигнутый сегодня результат – детонационное горение в объеме, не превышающем 15 % объема камеры сгорания. Выход видится в ином подходе – сначала создается оптимальная конфигурация ударных волн, а уже затем в эту систему подаются компоненты топлива и организуется оптимальное детонационное горение в большом объеме.
детонационный двигатель
ротационный детонационный двигатель
двигатель Войцеховского
круговая детонация
спиновая детонация
импульсный детонационный двигатель
1. Войцеховский Б.В., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е., Структура фронта детонации в газах. – Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1963.
2. Усков В.Н., Булат П.В. О задаче проектирования идеального диффузора для сжатия сверхзвукового потока // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 6 (ч. 1). – С. 178–184.
3. Усков В.Н., Булат П.В., Продан Н.В. История изучения нерегулярного отражения скачка уплотнения от оси симметрии сверхзвуковой струи с образованием диска Маха // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9 (ч. 2). – С. 414–420.
4. Усков В.Н., Булат П.В., Продан Н.В. Обоснование применения модели стационарной Маховской конфигурации к расчету диска Маха в сверхзвуковой струе // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11 (ч. 1). – С. 168–175.
5. Щелкин К.И. Неустойчивость горения и детонации газов // Успехи физических наук. – 1965. – Т. 87, вып. 2.– С. 273–302.
6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Intermittent Detonation as a Trust-Producing Mechanism // Jet Propulsion. – 1957. – № 21. – P. 534–541.
Ротационные детонационные двигатели
Все виды ротационных детонационных двигателей (RDE) роднит то, что система подачи топлива объединена с системой сжигания топлива в детонационной волне, но дальше все работает, как в обычном реактивом двигателе - жаровая труба и сопло. Именно этот факт и инициировал такую активность на ниве модернизации газотурбинных двигателей (ГТД). Представляется привлекательным заменить в ГТД только смесительную головку и систему розжига смеси. Для этого нужно обеспечить непрерывность детонационного горения, например, запустив волну детонации по кругу. Одним из первых такую схему предложил Николс в 1957 г. , а затем развил ее и в середине 60-х годов провел серию экспериментов с вращающейся детонационной волной (рис. 1).
Регулируя диаметр камеры и толщину кольцевого зазора, для каждого вида топливной смеси можно подобрать такую геометрию, что детонация будет устойчивой. На практике соотношения величины зазора и диаметра двигателя получаются неприемлемыми и регулировать скорость распространения волны приходится, управляя подачей топлива, о чем сказано ниже.
Так же как и в импульсных детонационных двигателях, круговая детонационная волна способна эжектировать окислитель, что позволяет использовать RDE при нулевых скоростях. Этот факт повлек за собой шквал экспериментальных и расчетных исследований RDE c кольцевой камерой сгорания и самопроизвольной эжекцией топливно-воздушной смеси, перечислять здесь которые не имеет никакого смысла. Все они построены примерно по одной схеме (рис. 2), напоминающей схему двигателя Николса (рис. 1).
Рис. 1. Схема организации непрерывной круговой детонации в кольцевом зазоре: 1 - детонационная волна; 2 - слой «свежей» топливной смеси; 3 - контактный разрыв; 4 - распространяющийся вниз по течению косой скачок уплотнения; D - направление движения детонационной волны
Рис. 2. Типичная схема RDE: V - скорость набегающего потока; V4 - скорость потока на выходе из сопла; а - свежая ТВС, b - фронт детонационной волны; c - присоединенный косой скачок уплотнения; d - продукты сгорания; p(r) - распределение давления на стенке канала
Разумной альтернативой схеме Николса могла бы стать установка множества топливно-окислительных форсунок, которые бы вспрыскивали топливно-воздушную сместь в область непосредственно перед детонационной волной по определенному закону с заданным давлением (рис. 3). Регулируя давление и скорость подачи топлива в область горения за детонационной волной, можно влиять на скорость ее распространения вверх по потоку. Данное направление является перспективным, но основная проблема в проектировании подобных RDE заключается в том, что повсеместно используемая упрощенная модель течения во фронте детонационного горения совершенно не соответствует реальности.
Рис. 3. RDE с регулируемой подачей топлива в область горения. Ротационный двигатель Войцеховского
Основные надежды в мире связываются с детонационными двигателями, работающими по схеме ротационного двигателя Войцеховского. В 1963 г. Б.В. Войцеховский по аналогии со спиновой детонацией разработал схему непрерывного сжигания газа за тройной конфигурацией ударных волн, циркулирующих в кольцевом канале (рис. 4).
Рис. 4. Схема Войцеховского непрерывного сжигания газа за тройной конфигурацией ударных волн, циркулирующих в кольцевом канале: 1 - свежая смесь; 2 - дважды сжатая смесь за тройной конфигурацией ударных волн, область детонации
В данном случае стационарный гидродинамический процесс с горением газа за ударной волной отличается от схемы детонации Чепмена-Жуге и Зельдовича-Неймана. Такой процесс вполне устойчив, его длительность определяется запасом топливной смеси и в известных экспериментах составляет несколько десятков секунд.
Схема детонационного двигателя Войцеховского послужила прототипом многочисленных исследований ротационных и спиновых детонационных двигателей, инициированных в последние 5 лет. На эту схему приходится более 85 % всех исследований. Всем им присущ один органический недостаток - зона детонации занимает слишком маленькую часть общей зоны горения, обычно не более 15 %. В результате удельные показатели двигателей получаются хуже, чем у двигателей традиционной конструкции.
О причинах неудач с реализацией схемы Войцеховского
Большинство работ по двигателям с непрерывной детонацией связано с развитием концепции Войцеховского. Несмотря на более чем 40-летнюю историю исследований, результаты фактически остались на уровне 1964 г. Доля детонационного горения не превышает 15 % от объема камеры сгорания. Остальное - медленное горение в условиях, далеких от оптимальных.
Одной из причин такого положения дел является отсутствие работоспособной методики расчета. Поскольку течение является трехмерным, а при расчете учитываются только законы сохранения количества движения на ударной волне в перпендикулярном к модельному фронту детонации направлении, то результаты расчета наклона ударных волн к потоку продуктов сгорания отличаются от экспериментально наблюдаемых более чем на 30 %. Следствием является то, что, несмотря на многолетние исследования различных систем подачи топлива и эксперименты по изменению соотношения компонентов топлива, все, что удалось сделать, - это создать модели, в которых детонационное горение возникает и поддерживается в течение 10-15 с. Ни об увеличении КПД, ни о преимуществах по сравнению с существующими ЖРД и ГТД речи не идет.
Проведенный авторами проекта анализ имеющихся схем RDE показал, что все предлагающиеся сегодня схемы RDE неработоспособны в принципе. Детонационное горение возникает и успешно поддерживается, но только в ограниченном объеме. В остальном объеме мы имеем дело с обычным медленным горением, причем за неоптимальной системой ударных волн, что приводит к значительным потерям полного давления. Кроме того, давление оказывается также ниже в разы, чем необходимо для идеальных условий горения при стехиометрическом соотношении компонентов топливной смеси. В результате удельный расход топлива на единицу тяги оказывается на 30-40 % выше, чем у двигателей традиционных схем.
Но самой главной проблемой является сам принцип организации непрерывной детонации. Как показали исследования непрерывной круговой детонации, выполненные еще в 60-е годы , , фронт детонационного горения представляет собой сложную ударно-волновую структуру, состоящую как минимум из двух тройных конфигураций (о тройных конфигурациях ударных волн . Такая структура с присоединенной зоной детонации, как и любая термодинамическая система с обратной связью, оставленная в покое, стремится занять положение, соответствующее минимальному уровню энергии. В результате тройные конфигурации и область детонационного горения подстраиваются друг под друга так, чтобы фронт детонации перемещался по кольцевому зазору при минимально возможном для этого объеме детонационного горения. Это прямо противоположно той цели, которую ставят перед детонационным горением конструкторы двигателей.
Для создания эффективного двигателя RDE необходимо решить задачу создания оптимальной тройной конфигурации ударных волн и организации в ней зоны детонационного сжигания. Оптимальные ударно-волновые структуры необходимо уметь создавать в самых разных технических устройствах, например, в оптимальных диффузорах сверхзвуковых воздухозаборников . Основная задача - максимально возможное увеличение доли детонационного горения в объеме камеры сгорания с неприемлемых сегодняшних 15 % до хотя бы 85 %. Существующие проекты двигателей, основанные на схемах Николса и Войцеховского, не могут обеспечить выполнения данной задачи.
Рецензенты:Усков В.Н., д.т.н., профессор кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета, математико-механический факультет, г. Санкт-Петербург;
Емельянов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой плазмогазодинамики и теплотехники, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.
Работа поступила в редакцию 14.10.2013.
Библиографическая ссылка
Булат П.В., Продан Н.В. ОБЗОР ПРОЕКТОВ ДЕТОНАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. РОТАЦИОННЫЕ ДЕТОНАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-8. – С. 1672-1675;URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32642 (дата обращения: 20.02.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых , которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на ротационные детонационные двигатели. За счет этого предполагается экономия топлива на сумму около 400 миллионов долларов ежегодно. Однако серийное использование новых технологий возможно, по оценкам экспертов, не ранее, чем через десятилетие.
Разработки ротационных, или спиновых ротационных двигателей в Америке проводятся Научно-исследовательской лабораторией флота США. Согласно первоначальным подсчетам, новые двигатели будут обладать большей мощностью, а также примерно на четверть экономичнее обычных двигателей. При этом, основные принципы работы силовой установки останутся прежними – газы от сгоревшего топлива будут поступать в , вращая ее лопасти. Согласно данным лаборатории ВМС США, даже в относительно далеком будущем, когда весь американский флот будет приводиться в действие при помощи электричества, за выработку энергии по-прежнему будут отвечать , в определенной степени видоизмененные.
Напомним, что изобретение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя приходится на конец девятнадцатого века. Автором изобретения был шведский инженер Мартин Виберг. Широкое распространение новые силовые установки получили в годы Второй мировой войны, хотя они значительно уступали по своим техническим характеристикам авиадвигателям, которые существовали в то время.
Надо заметить, что на данный момент времени американский флот насчитывает 129 кораблей, на которых используется 430 газотурбинных двигателя. Каждый год расходы на обеспечение их топливом составляют порядка 2 миллиардов долларов. В будущем, когда современные двигатели будут заменены новыми, изменятся и объемы затрат на топливную составляющую.
Двигатели внутреннего сгорания, используемые в настоящее время, работают по циклу Брайтона. Если определить суть данного понятия в нескольких словах, то все сводится к последовательному смешиванию окислителя и топлива, дальнейшем сжатии полученной смеси, затем – поджоге и горении с расширением продуктов горения. Это расширение как раз и используется для приведения в движение, перемещения поршней, вращения турбины, то есть выполнения механических действий, обеспечивая постоянное давление. Процесс горения топливной смеси двигается с дозвуковой скоростью – этот процесс носит название дафлаграция.
Что касается новых двигателей, то ученые намерены использовать в них взрывное горение, то есть детонацию, при которой горение происходит со сверхзвуковой скоростью. И хотя в настоящее время явление детонации еще изучено не в полной мере, однако известно, что при таком виде горения возникает ударная волна, которая распространяясь по смеси топлива и воздуха вызывает химическую реакцию, следствием которой является выделение довольно большого количества тепловой энергии. Когда ударная волна проходит через смесь, происходит ее нагрев, что и приводит к детонации.
В разработке нового двигателя планируется использовать определенные наработки, которые были получены в процессе разработки детонационного пульсирующего двигателя. Его принцип работы состоит в том, что предварительно сжатая топливная смесь подается в камеру сгорания, где осуществляется ее поджог и детонация. Продукты горения расширяются в сопле, выполняя механические действия. Затем весь цикл повторяется сначала. Но недостатком пульсирующих двигателей является то, что частота повторения циклов слишком мала. Помимо этого, конструкция самих этих двигателей в случае увеличения числа пульсаций становится более сложной. Это объясняется необходимостью синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонирования. Пульсирующие двигатели ко всему прочему еще и очень шумные, для их работы необходимо большое количество топлива, а работа возможна только при постоянном дозированном вспрыскивании топлива.
Если сравнивать ротационные детонационные двигатели с пульсирующими, то принцип их работы немного отличается. Так, в частности, в новых двигателях предусмотрена постоянная незатухающая детонация топлива в камере сгорания. Подобное явление получило название спиновая, или вращающаяся детонация. Впервые она была описана в 1956 году советским ученым Богданом Войцеховским. А открыто это явление было гораздо раньше, еще в 1926 году. Первопроходцами стали британцы, которые заметили, что в определенных системах возникала яркая светящаяся «голова», которая двигалась по спирали, вместо детонационной волны, имеющей плоскую форму.
Войцеховский же, использовав фоторегистратор, который сам же и сконструировал, сфотографировал фронт волны, которая двигалась в кольцевой камере сгорания в топливной смеси. Спиновая детонация отличается от плоской тем, что в ней возникает единственная ударная поперечная волна, затем следует нагретый газ, который не прореагировал, а уже за этим слоем находится зона химической реакции. И именно такая волна предотвращает сгорание самой камеры, которую Марлен Топчиян обозвал «сплющенным бубликом».
Необходимо отметить, что в прошлом детонационные двигатели уже применялись. В частности речь идет и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, который использовался немцами в конце Второй мировой войны на крылатых ракетах «Фау-1». Производство его было достаточно простое, использование достаточно легкое, однако при этом этот двигатель был не очень надежным для решения важных задач.
Далее, в 2008 году, в воздух поднялся Rutang Long-EZ - экспериментальный самолет, оснащенный детонационным пульсирующим двигателем. Полет длился всего десять секунд на высоте тридцати метров. За это время силовая установка развила тягу порядка 890 ньютонов.
Экспериментальный образец двигателя, представленный американской лабораторией ВМС США, - это кольцевая конусообразная камера сгорания, имеющая диаметр 14 сантиметров со стороны подачи топлива и 16 сантиметров со стороны сопла. Между стенками камеры расстояние составляет 1 сантиметр, при этом «трубка» имеет длину 17,7 сантиметров.
Смесь воздуха и водорода используется в качестве топливной смеси, которая подается под давлением 10 атмосфер в камеру сгорания. Температура смеси составляет 27,9 градусов. Отметим, данная смесь признана самой удобной для изучения явления спиновой детонации. Но, как утверждают ученые, в новых двигателях вполне можно будет использовать топливную смесь, состоящую не только из водорода но и из других горючих компонентов и воздуха.
Экспериментальные исследования ротационного детонационного двигателя показали его большую эффективность и мощность по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Еще одно достоинство – значительная экономия топлива. В то же время, в ходе проведения эксперимента было выявлено, что сгорание топливной смеси в ротационном «пробном» двигателе происходит неоднородно, поэтому необходимо оптимизировать конструкцию двигателя.
Продукты горения, которые расширяются в сопле, можно собрать в одну газовую струю с помощью конуса (это так называемый эффект Коанда), а затем эту струю отправлять в турбину. Под действием этих газов турбина будет вращаться. Таким образом, частично работу турбины можно будет использовать для приведения в движение кораблей, а частично – для выработки энергии, которая необходима для корабельного оборудования и различных систем.
Сами двигатели можно производить без подвижных частей, что значительно упростит их конструкцию, что, в свою очередь, снизит стоимость силовой установки в целом. Но это только в перспективе. Перед тем, как запускать новые двигатели в серийное производство, необходимо решить немало непростых задач, одной из которых является подбор прочных термостойких материалов.
Отметим, что в данный момент ротационные детонационные двигатели считаются одними из наиболее перспективных двигателей. Разработками их также занимаются ученые из Техасского университета в Арлингтоне. Силовая установка, которая были ими создана, была названа «двигателем непрерывной детонации». В том же университете проводятся исследования по подбору различных диаметров кольцевых камер и различных топливных смесей, в состав которых входят водород и воздух или кислород в различных пропорциях.
В России также ведутся разработки в данном направлении. Так, в 2011 году, по словам управляющего директора научно-производственного объединения «Сатурн» И.Федорова, силами ученых Научно-технического центра имени Люльки, ведутся разработки пульсирующего воздушного реактивного двигателя. Работа ведется параллельно с разработками перспективного двигателя, получившего название «Изделие 129» для Т-50. Помимо этого, Федоров также сказал, что объединение ведет исследования по созданию перспективных самолетов следующего этапа, которые, как предполагается, будут беспилотными.
При этом руководитель не уточнил, о каком именно виде пульсирующего двигателя идет речь. В данный момент известны три типа таких двигателей – бесклапанный, клапанный и детонационный. Общепринятым, между тем, признан факт, что пульсирующие двигатели являются наиболее простыми и дешевыми в производстве.
На сегодняшний день некоторые крупные оборонные фирмы занимаются проведением исследований в сфере создания пульсирующих высокоэффективных реактивных двигателей. Среди этих фирм – американские Pratt & Whitney и General Electric и французская SNECMA.
Таким образом, можно сделать определенные выводы: создание нового перспективного двигателя имеет определенные трудности. Главная проблема в данный момент заключается в теории: что именно происходит при движении ударной детонационной волны по кругу, известно лишь в общих чертах, а это в значительной степени усложняет процесс оптимизации разработок. Поэтому новая технология, хотя и имеет очень большую привлекательность, но в масштабах промышленного производства она малореализуема.
Однако если исследователям удастся разобраться с теоретическими вопросами, можно будет говорить о настоящем прорыве. Ведь турбины используются не только на транспорте, но и в энергетической сфере, в которой повышение КПД может иметь еще более сильный эффект.
Использованы материалы:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
Прежде чем задать вопрос прочитайте: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.
