Российский детонационный двигатель. Детонационные двигатели: успехи и перспективы. Дальнейшие направления разработки и перспективы

Рассмотрена проблема разработки импульсных детонационных двигателей. Перечислены основные научные центры, ведущие исследования по двигателям нового поколения. Рассмотрены основные направления и тенденции развития конструкции детонационных двигателей. Представлены основные типы таких двигателей: импульсный, импульсный многотрубный, импульсный с высокочастотным резонатором. Показано отличие в способе создания тяги по сравнению с классическим реактивным двигателем, оснащенным соплом Лаваля. Описано понятие тяговой стенки и тягового модуля. Показано, что импульсные детонационные двигатели совершенствуются в направлении повышения частоты следования импульсов, и это направление имеет свое право на жизнь в области легких и дешевых беспилотных летательных аппаратов, а также при разработке различных эжекторных усилителей тяги. Показаны основные сложности принципиального характера в моделировании детонационного турбулентного течения с использованием вычислительных пакетов, основанных на применении дифференциальных моделей турбулентности и осреднения уравнений Навье–Стокса по времени.

детонационный двигатель

импульсный детонационный двигатель

1. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. История экспериментальных исследований донного давления // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 12 (3). – С. 670–674.

2. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. Колебания донного давления // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3. – С. 204–207.

3. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В.. Особенности применения моделей турбулентности при расчете течений в сверхзвуковых трактах перспективных воздушно-реактивных двигателей // Двигатель. – 2012. – № 1. – С. 20–23.

4. Булат П.В., Засухин О.Н., Усков В.Н. О классификации режимов течения в канале с внезапным расширением // Теплофизика и Аэромеханика. – 2012. – № 2. – С. 209–222.

5. Булат П.В., Продан Н.В. О низкочастотных расходных колебаниях донного давления // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4 (3). – С. 545–549.

6. Ларионов С.Ю., Нечаев Ю.Н., Мохов А.А. Исследование и анализ «холодных» продувок тягового модуля высокочастотного пульсирующего детонационного двигателя // Вестник МАИ. – Т.14. – № 4 – М.: Изд-во МАИ-Принт, 2007. – С. 36–42.

7. Тарасов А.И., Щипаков В.А. Перспективы использования пульсирующих детонационных технологий в турбореактивных двигателя. ОАО «НПО «Сатурн» НТЦ им. А. Люльки, Москва, Россия. Московский авиационный институт (ГТУ). – Москва, Россия. ISSN 1727-7337. Авиационно-космическая техника и технология, 2011. – № 9 (86).

Проекты по детонационному горению в США включены в программу разработок перспективных двигателей IHPTET. В кооперацию входят практически все исследовательские центры, работающие в области двигателестроения. Только в NASA на эти цели выделяется до 130 млн $ в год. Это доказывает актуальность исследований в данном направлении.

Обзор работ в области детонационных двигателей

Рыночная стратегия ведущих мировых производителей направлена не только на разработку новых реактивных детонационных двигателей, но и на модернизацию существующих путем замены в них традиционной камеры сгорания на детонационную. Кроме того, детонационные двигатели могут стать составным элементом комбинированных установок различных типов, например, использоваться в качестве форсажной камеры ТРДД, в качестве подъемных эжекторных двигателей в СВВП (пример на рис. 1 - проект транспортного СВВП фирмы «Боинг»).

В США разработки детонационных двигателей ведут многие научные центры и университеты: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield and Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.

Ведущие позиции по разработке детонационных двигателей занимает специализированный центр Seattle Aerosciences Center (SAC), выкупленный в 2001 г. компанией Pratt and Whitney у фирмы Adroit Systems. Большая часть работ центра финансируется ВВС и NASA из бюджета межведомственной программы Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), направленной на создание новых технологий для реактивных двигателей различных типов.

Рис. 1. Патент US 6,793,174 В2 фирмы «Боинг», 2004 г.

В общей сложности, начиная с 1992 г., специалистами центра SAC осуществлено свыше 500 стендовых испытаний экспериментальных образцов. Работы по пульсирующим детонационным двигателям (PDE) с потреблением атмосферного кислорода Центр SAC ведет по заказу ВМС США. Учитывая сложность программы, специалисты ВМС привлекли к ее реализации практически все организации, занимающиеся детонационными двигателями. Кроме компании Pratt and Whitney, в работах принимают участие Исследовательский центр United Technologies Research Center (UTRC) и фирма Boeing Phantom Works.

В настоящее время в нашей стране над этой актуальной проблемой в теоретическом плане работают следующие университеты и институты Российской академии наук (РАН): Институт химической физики РАН (ИХФ), Институт машиноведения РАН, Институт высоких температур РАН (ИВТАН), Новосибирский институт гидродинамики им. Лаврентьева (ИГиЛ), Институт теоретической и прикладной механики им. Христиановича (ИТМП), Физико-технический институт им. Иоффе, Московский государственный университет (МГУ), Московский государственный авиационный институт (МАИ), Новосибирский государственный университет, Чебоксарский государственный университет, Саратовский государственный университет и др.

Направления работ по импульсным детонационным двигателям

Направление № 1 - Классический импульсный детонационный двигатель (ИДД). Камера сгорания типичного реактивного двигателя состоит из форсунок для смешения топлива с окислителем, устройства поджигания топливной смеси и собственно жаровой трубы, в которой идут окислительно-восстановительные реакции (горение). Жаровая труба заканчивается соплом. Как правило, это сопло Лаваля, имеющее сужающуюся часть, минимальное критическое сечение, в котором скорость продуктов сгорания равна местной скорости звука, расширяющуюся часть, в которой статическое давление продуктов сгорания снижается до давления в окружающей среде, насколько это возможно. Очень грубо можно оценить тягу двигателя как площадь критического сечения сопла, умноженную на разность давления в камере сгорания и окружающей среде. Поэтому тяга тем выше, чем выше давление в камере сгорания.

Тяга импульсного детонационного двигателя определяется другими факторами - передачей импульса детонационной волной тяговой стенке. Сопло в этом случае вообще не нужно. Импульсные детонационные двигатели имеют свою нишу - дешевые и одноразовые летательные аппараты. В этой нише они успешно развиваются в направлении повышения частоты следования импульсов.

Классический облик ИДД - цилиндрическая камера сгорания, которая имеет плоскую или специально спрофилированную стенку, именуемую «тяговой стенкой» (рис. 2). Простота устройства ИДД - неоспоримое его достоинство. Как показывает анализ имеющихся публикаций , несмотря на многообразие предлагаемых схем ИДД, всем им свойственно использование в качестве резонансных устройств детонационных труб значительной длины и применение клапанов, обеспечивающих периодическую подачу рабочего тела.

Следует отметить, что ИДД, созданным на базе традиционных детонационных труб, несмотря на высокую термодинамическую эффективность в единичной пульсации, присущи недостатки, характерные для классических пульсирующих воздушно-реактивных двигателей, а именно:

Низкая частота (до 10 Гц) пульсаций, что и определяет относительно невысокий уровень средней тяговой эффективности;

Высокие тепловые и вибрационные нагрузки.

Рис. 2. Принципиальная схема импульсно-детонационного двигателя (ИДД)

Направление № 2 - Многотрубный ИДД. Основной тенденцией при разработках ИДД является переход к многотрубной схеме (рис. 3). В таких двигателях частота работы отдельной трубы остается низкой, но за счет чередования импульсов в разных трубах разработчики надеются получить приемлемые удельные характеристики. Такая схема представляется вполне работоспособной, если решить проблему вибраций и асимметрии тяги, а также проблему донного давления , в частности, возможных низкочастотных колебаний в донной области между трубами.

Рис. 3. Импульсно-детонационный двигатель (ИДД) традиционной схемы с пакетом детонационных труб в качестве резонаторов

Направление № 3 - ИДД с высокочастотным резонатором. Существует и альтернативное направление - широко разрекламированная в последнее время схема с тяговыми модулями (рис. 4), имеющими специально спрофилированный высокочастотный резонатор. Работы в данном направлении ведутся в НТЦ им. А. Люльки и в МАИ . Схема отличается отсутствием каких-либо механических клапанов и запальных устройств прерывистого действия.

Тяговый модуль ИДД предлагаемой схемы состоит из реактора и резонатора. Реактор служит для подготовки топливно-воздушной смеси к детонационному сгоранию, разлагая молекулы горючей смеси на химически активные составляющие. Принципиальная схема одного цикла работы такого двигателя наглядно представлена на рис. 5.

Взаимодействуя с донной поверхностью резонатора как с препятствием, детонационная волна в процессе соударения передает ей импульс от сил избыточного давления.

ИДД с высокочастотными резонаторами имеют право на успех. В частности, они могут претендовать на модернизацию форсажных камер и доработку простых ТРД, предназначенных опять же для дешевых БПЛА. В качестве примера можно привести попытки МАИ и ЦИАМ модернизировать таким образом ТРД МД-120 за счет замены камеры сгорания реактором активации топливной смеси и установкой за турбиной тяговых модулей с высокочастотными резонаторами. Пока работоспособную конструкцию создать не удалось, т.к. при профилировании резонаторов авторами используется линейная теория волн сжатия, т.е. расчеты ведутся в акустическом приближении. Динамика же детонационных волн и волн сжатия описывается совсем другим математическим аппаратом. Использование стандартных численных пакетов для расчета высокочастотных резонаторов имеет ограничение принципиального характера . Все современные модели турбулентности основаны на осреднении уравнений Навье-Стокса (базовые уравнения газовой динамики) по времени. Кроме того, вводится предположение Буссинеска, что тензор напряжения турбулентного трения пропорционален градиенту скорости. Оба предположения не выполняются в турбулентных потоках с ударными волнами, если характерные частоты сопоставимы с частотой турбулентной пульсации. К сожалению, мы имеем дело именно с таким случаем, поэтому тут необходимо либо построение модели более высокого уровня, либо прямое численное моделирование на основе полных уравнений Навье-Стокса без использования моделей турбулентности (задача, неподъемная на современном этапе).

Рис. 4. Схема ИДД с высокочастотным резонатором

Рис. 5. Схема ИДД с высокочастотным резонатором: СЗС - сверхзвуковая струя; УВ - ударная волна; Ф - фокус резонатора; ДВ - детонационная волна; ВР - волна разрежения; ОУВ - отраженная ударная волна

ИДД совершенствуются в направлении повышения частоты следования импульсов. Это направление имеет свое право на жизнь в области легких и дешевых беспилотных летательных аппаратов, а также при разработке различных эжекторных усилителей тяги.

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. ИМПУЛЬСНЫЕ ДВИГАТЕЛИ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-8. – С. 1667-1671;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32641 (дата обращения: 05.03.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

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.

Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) намерена в ближайшее время начать создание новых авиационных и ракетных двигателей, в которых будут использоваться детонационные технологии.

Демонстраторы технологий детонационных дозвукового и сверхзвукового двигателей уже созданы. На испытаниях они показали на 30–50% лучшие удельные тягу и расход топлива по сравнению с обычными силовыми установками, сообщило РИА "Новости" со ссылкой на данные корпорации.

В проекте по созданию детонационных двигателей будет участвовать Опытно-конструкторское бюро им. Люльки. Бюро предложило разработать семейство таких силовых установок, которые можно было бы использовать на беспилотных летательных аппаратах, крылатых ракетах, воздушно-космических самолетах и ракетах.

Детонационные двигатели отличаются:

– горением топливной смеси, сопровождающимся прохождением по ней ударной волны, которая формируется за счет сверхзвукового распространения по топливной смеси фронта горения;

– широким диапазоном скоростей – от дозвуковых до гиперзвуковых, что может помочь при создании гиперзвуковых ракет, проектирование которых активно ведется в России в последние годы.

В 2013 году Опытно-конструкторское бюро им. Люльки испытало опытный уменьшенный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Во время испытаний средняя измеренная тяга силовой установки составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы – более десяти минут. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.

По оценке конструкторского бюро, детонационные двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5–2 раза. Работы по созданию пульсирующих детонационных двигателей ведутся в России с 2011 года.

Помимо России в мире сразу несколько компаний занимаются разработкой детонационных двигателей: французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney.

ОСНОВЫ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Если бы удельный расход топлива не рос с увеличением скорости полета, то применяя современные решения для улучшения внешней аэродинамики, увеличивая высоту полета, на сверхзвуковых скоростях можно было бы добиться таких же характеристик дальности, что и у дозвукового магистрального самолета. Но вот внутренняя аэродинамика сверхзвуковых самолетов имеет неустранимый недостаток - на сверхзвуковых скоростях удельный расход топлива традиционной силовой установки монотонно растет по мере увеличения скорости на любых высотах полета. Выход видится в применении двигателей, основанных на иных принципах, нежели традиционный термодинамический цикл Брайтона горения топлива при постоянном давлении. К последним относятся пульсирующие воздушно-реактивные и детонационные двигатели. В статье рассмотрены преимущества использования детонационного горения в турбореактивных и ракетных двигателях.

Одним из лучших в термодинамическом плане является детонационный двигатель. Благодаря тому, что в нем сжигание топлива происходит в ударных волнах примерно в 100 раз быстрее, чем при обычном медленном горении (дефлаграции), этот тип двигателя теоретически отличается рекордной мощностью, снимаемой с единицы объема, по сравнению со всеми другими типами тепловых двигателей.

Сравнение литровой мощности современных двигателей.

Вопрос об использовании детонационного горения в энергетике и реактивных двигателях впервые был поставлен Я.Б. Зельдовичем еще в 1940 г. По его оценкам прямоточные воздушно-реактивные двигатели, использующие детонационное сгорание топлива, должны иметь максимально возможную термодинамическую эффективность.

НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ ПО ИМПУЛЬСНЫМ ДЕТОНАЦИОННЫМ ДВИГАТЕЛЯМ

Направление №1 - Классический импульсный детонационный двигатель

Камера сгорания типичного реактивного двигателя состоит из форсунок для смешения топлива с окислителем, устройства поджигания топливной смеси и собственно жаровой трубы, в которой идут окислительно-восстановительные реакции (горение). Жаровая труба заканчивается соплом. Как правило, это сопло Лаваля, имеющее сужающуюся часть, минимальное критическое сечение, в котором скорость продуктов сгорания равна местной скорости звука, расширяющуюся часть, в которой статическое давление продуктов сгорания снижается до давления в окружающей среде, насколько это возможно. Очень грубо, можно оценить тягу двигателя как площадь критического сечения сопла, умноженную на разность давления в камере сгорания и окружающей среде. Поэтому тяга тем выше, чем выше давление в камере сгорания.

Традиционные импульсные детонационные двигатели представляют собой длинные трубы, по которым с небольшой частотой следуют ударные волны. Система волн сжатия и разрежения автоматически регулирует подачу топлива и окислителя. Из-за низкой частоты следования ударных волн (единицы Гц) время, в течение которого происходит сжигание топлива, по сравнению с характерным временем цикла, мало. В результате, несмотря на высокий КПД собственно детонационного сжигания (на 20-25% больше, чем у двигателей с циклом Брайтона) общий КПД таких конструкций низкий.

Основная задача в этой области на современном этапе - разработка двигателей с высокой частотой следования ударных волн в камере сгорания или создание двигателя с непрерывной детонацией (CDE).

Классический облик ИДД - цилиндрическая камера сгорания, которая имеет плоскую или специально спрофилированную стенку, именуемую "тяговой стенкой". Простота устройства ИДД - неоспоримое его достоинство. Несмотря на многообразие предлагаемых схем ИДД, всем им свойственно использование в качестве резонансных устройств детонационных труб значительной длины и применение клапанов, обеспечивающих периодическую подачу рабочего тела.

– низкая частота (до 10 Гц) пульсаций, что и определяет относительно невысокий уровень средней тяговой эффективности;

– высокие тепловые и вибрационные нагрузки.

Принципиальная схема импульсно-детонационного двигателя (ИДД).

Направление №2 - Многотрубный ИДД

Основной тенденцией при разработках ИДД является переход к многотрубной схеме. В таких двигателях частота работы отдельной трубы остается низкой, но за счет чередования импульсов в разных трубах разработчики надеются получить приемлемые удельные характеристики. Такая схема представляется вполне работоспособной, если решить проблему вибраций и асимметрии тяги, а также проблему донного давления, в частности, возможных низкочастотных колебаний в донной области между трубами.

Импульсно-детонационный двигатель (ИДД) традиционной схемы с пакетом детонационных труб в качестве резонаторов.

Направление №3 - ИДД с высокочастотным резонатором

Схема ИДД с высокочастотным резонатором.

Тяговый Модуль ИДД предлагаемой схемы состоит из реактора и резонатора. Реактор служит для подготовки топливно-воздушной смеси к детонационному сгоранию, разлагая молекулы горючей смеси на химически активные составляющие.

Схема ИДД с высокочастотным резонатором. СЗС-сверхзвуковая струя, УВ - ударная волна, Ф - фокус резонатора, ДВ - детонационная волна, ВР- волна разрежения, ОУВ - отраженная ударная волна.

Использование стандартных численных пакетов для расчета высокочастотных резонаторов имеет ограничение принципиального характера. Все современные модели турбулентности основаны на осреднении уравнений Навье-Стокса (базовые уравнения газовой динамики) по времени. Кроме того, вводится предположение Буссинеска, что тензор напряжения турбулентного трения пропорционален градиенту скорости. Оба предположения не выполняются в турбулентных потоках с ударными волнами, если характерные частоты сопоставимы с частотой турбулентной пульсации. К сожалению, мы имеем дело именно с таким случаем, поэтому тут необходимо либо построение модели более высокого уровня, либо прямое численное моделирование на основе полных уравнений Навье - Стокса без использования моделей турбулентности (задача неподъемная на современном этапе).

Из представленных выше схем видно, что исследуемые сегодня схемы ИДД - это однорежимные двигатели, имеющие весьма ограниченный диапазон регулирования, поэтому прямое их использование в качестве единственной силовой установки на самолете нецелесообразно. Другое дело - ракетный двигатель.

Освоение космического пространства невольно ассоциируется с космическими кораблями. Сердцем любой ракеты-носителя является ее двигатель. Он должен развить первую космическую скорость - около 7,9 км/с, чтобы доставить космонавтов на орбиту, и вторую космическую, чтобы преодолеть поле тяготения планеты.

Добиться этого непросто, но ученые постоянно ищут новые пути решения этой задачи. Конструкторы из России шагнули еще дальше и сумели разработать детонационный ракетный двигатель, испытания которого завершились успехом. Это достижение можно назвать настоящим прорывом в области космического машиностроения.

Новые возможности

Почему на детонационные двигатели возлагают большие надежды? По расчетам ученых, их мощность будет в 10 тыс. раз больше, чем мощность существующих ракетных двигателей. При этом они будут потреблять гораздо меньше топлива, а их производство отличится низкой стоимостью и рентабельностью. С чем это связано?

Все дело в реакции окисления горючего. Если в современных ракетах используется процесс дефлаграции - медленное (дозвуковое) горение топлива при постоянном давлении, то детонационный ракетный двигатель функционирует за счет взрыва, детонации горючей смеси. Она сгорает со сверхзвуковой скоростью с выделением огромного количества тепловой энергии одновременно с распространением ударной волны.

Разработкой и испытанием российского варианта детонационного двигателя занималась специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» в составе производственного комплекса «Энергомаш».

Превосходство новых двигателей

Изучением и разработкой детонационных двигателей занимаются ведущие мировые ученые на протяжении 70 лет. Основной причиной, препятствующей созданию этого типа двигателей, является неконтролируемое самовозгорание топлива. Кроме того, на повестке дня стояли задачи по эффективному смешиванию горючего и окислителя, а также интеграции сопла и воздухозаборника.

Решив эти задачи, удастся создать детонационный ракетный двигатель, который по своим техническим характеристикам обгонит время. При этом ученые называют такие его преимущества:

Способность развивать скорости в дозвуковом и гиперзвуковом диапазонах.
Исключение из конструкции многих движущихся частей.
Более низкая масса и стоимость силовой установки.
Высокая термодинамическая эффективность.

Серийно данный тип двигатель не производился. Впервые был испытан на низколетящих самолетах в 2008 году. Детонационный двигатель для ракет-носителей был впервые испытан российскими учеными. Именно поэтому данному событию отводится столь большое значение.

Принцип работы: импульсный и непрерывный

В настоящее время ученые ведут разработку установок с импульсным и непрерывным рабочим процессом. Принцип работы детонационного ракетного двигателя с импульсной схемой работы основан на циклическом заполнении камеры сгорания горючей смесью, последовательном ее воспламенении и выбросе продуктов сгорания в окружающую среду.

Соответственно, при непрерывном рабочем процессе топливо подается в камеру сгорания непрерывно, горючее сгорает в одной или нескольких детонационных волнах, которые непрерывно циркулируют поперек потока. Преимуществами таких двигателей являются:

Однократное зажигание топлива.
Относительно простая конструкция.
Небольшие габариты и масса установок.
Более эффективное использование горючей смеси.
Низкий уровень производимого шума, вибрации и вредных выбросов.

В перспективе, используя данные преимущества, детонационный жидкостный ракетный двигатель непрерывной схемы работы вытеснит все существующие установки благодаря своим массо-габаритным и стоимостным характеристикам.

Испытания детонационного двигателя

Первые испытания отечественной детонационной установки прошли в рамках проекта, учрежденного Министерством образования и науки. В качестве опытного образца был представлен небольшой двигатель с камерой сгорания диаметром 100 мм и шириной кольцевого канала в 5 мм. Испытания проводились на специальном стенде, фиксировались показатели при работе на различных видах горючей смеси - водород-кислород, природный газ-кислород, пропан-бутан-кислород.

Испытания детонационного ракетного двигателя на кислородно-водородном топливе доказали, что термодинамический цикл этих установок на 7 % эффективнее, чем при работе других установок. Кроме того, было экспериментально подтверждено, что с увеличением количества подаваемого горючего увеличивается и тяга, а также количество детонационных волн и частота вращения.

Аналоги в других странах

Разработкой детонационных двигателей занимаются ученые ведущих стран мира. Наибольших успехов в этом направлении достигли конструкторы из США. В своих моделях они реализовали непрерывный способ работы, или ротационный. Американские военные планируют использовать данные установки для оснащения надводных кораблей. Благодаря меньшей массе и небольшим размерам при высокой выдаваемой мощности они помогут увеличить эффективность боевых катеров.

Стехиометрическую смесь водорода и кислорода использует для своей работы американский детонационный ракетный двигатель. Преимущества такого источника энергии в первую очередь экономические - кислорода сгорает ровно столько, сколько того требуется для окисления водорода. Сейчас для обеспечения военных кораблей углеродным топливом правительство США тратит несколько миллиардов долларов. Стехиометрическое горючее снизит расходы в несколько раз.

Дальнейшие направления разработки и перспективы

Новые данные, полученные в результате испытаний детонационных двигателей, определили применение принципиально новых методов построения схемы работы на жидком топливе. Но для функционирования такие двигатели должны иметь высокую жаропрочность ввиду большого количества выделяемой тепловой энергии. В настоящий момент ведется разработка особого покрытия, которое обеспечит работоспособность камеры сгорания под высокотемпературным воздействием.

Особое место в дальнейших исследованиях занимает создание смесительных головок, с помощью которых можно будет получить капли горючего материала заданного размера, концентрации и состава. По решению данных вопросов будет создан новый детонационный жидкостный ракетный двигатель, который станет основой нового класса ракет-носителей.

В России прошли успешные испытания детонационных ракетных двигателей. О том, можно ли на их базе создать гиперзвуковое оружие, в интервью "РГ" рассказал главный конструктор "НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко" Петр Левочкин 19 Январь 2018, 10:48

Прошли успешные испытания так называемых детонационных ракетных двигателей, давшие очень интересные результаты. Опытно-конструкторские работы в этом направлении будут продолжены.

Детонация - это взрыв. Можно ли ее сделать управляемой? Можно ли на базе таких двигателей создать гиперзвуковое оружие? Какие ракетные двигатели будут выводить необитаемые и пилотируемые аппараты в ближний космос? Об этом наш разговор с заместителем гендиректора - главным конструктором "НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко" Петром Левочкиным.

Петр Сергеевич, какие возможности открывают новые двигатели?

Петр Левочкин: Если говорить о ближайшей перспективе, то сегодня мы работаем над двигателями для таких ракет, как "Ангара А5В" и "Союз-5", а также другими, которые находятся на предпроектной стадии и неизвестны широкой публике. Вообще наши двигатели предназначены для отрыва ракеты от поверхности небесного тела. И она может быть любой - земной, лунной, марсианской. Так что, если будут реализовываться лунная или марсианская программы, мы обязательно примем в них участие.

Какова эффективность современных ракетных двигателей и есть ли пути их совершенствования?

Петр Левочкин: Если говорить об энергетических и термодинамических параметрах двигателей, то можно сказать, что наши, как, впрочем, и лучшие зарубежные химические ракетные двигатели на сегодняшний день достигли определенного совершенства. Например, полнота сгорания топлива достигает 98,5 процента. То есть практически вся химическая энергия топлива в двигателе преобразуется в тепловую энергию истекающей струи газа из сопла.

Совершенствовать двигатели можно по разным направлениям. Это и применение более энергоемких компонентов топлива, введение новых схемных решений, увеличение давления в камере сгорания. Другим направлением является применение новых, в том числе аддитивных, технологий с целью снижения трудоемкости и, как следствие, снижение стоимости ракетного двигателя. Все это ведет к снижению стоимости выводимой полезной нагрузки.

Однако при более детальном рассмотрении становится ясно, что повышение энергетических характеристик двигателей традиционным способом малоэффективно.

Использование управляемого взрыва топлива может дать ракете скорость в восемь раз выше скорости звука

Почему?

Петр Левочкин: Увеличение давления и расхода топлива в камере сгорания, естественно, увеличит тягу двигателя. Но это потребует увеличение толщины стенок камеры и насосов. В результате сложность конструкции и ее масса возрастают, энергетический выигрыш оказывается не таким уж и большим. Овчинка выделки стоить не будет.

То есть ракетные двигатели исчерпали ресурс своего развития?

Петр Левочкин: Не совсем так. Выражаясь техническим языком, их можно совершенствовать через повышение эффективности внутридвигательных процессов. Существуют циклы термодинамического преобразования химической энергии в энергию истекающей струи, которые гораздо эффективнее классического горения ракетного топлива. Это цикл детонационного горения и близкий к нему цикл Хамфри.

Сам эффект топливной детонации открыл наш соотечественник - впоследствии академик Яков Борисович Зельдович еще в 1940 году. Реализация этого эффекта на практике сулила очень большие перспективы в ракетостроении. Неудивительно, что немцы в те же годы активно исследовали детонационный процесс горения. Но дальше не совсем удачных экспериментов дело у них не продвинулось.

Теоретические расчеты показали, что детонационное горение на 25 процентов эффективней, чем изобарический цикл, соответстветствующий сгоранию топлива при постоянном давлении, который реализован в камерах современных жидкостно-рактивных двигателей.

А чем обеспечиваются преимущества детонационного горения по сравнению с классическим?

Петр Левочкин: Классический процесс горения - дозвуковой. Детонационный - сверхзвуковой. Быстрота протекания реакции в малом объеме приводит к огромному тепловыделению - оно в несколько тысяч раз выше, чем при дозвуковом горении, реализованному в классических ракетных двигателях при одной и той же массе горящего топлива. А для нас, двигателистов, это означает, что при значительно меньших габаритах детонационного двигателя и при малой массе топлива можно получить ту же тягу, что и в огромных современных жидкостных ракетных двигателях.

Не секрет, что двигатели с детонационным горением топлива разрабатывают и за рубежом. Каковы наши позиции? Уступаем, идем на их уровне или лидируем?

Петр Левочкин: Не уступаем - это точно. Но и сказать, что лидируем, не могу. Тема достаточно закрыта. Один из главных технологических секретов состоит в том, как добиться того, чтобы горючее и окислитель ракетного двигателя не горели, а взрывались, при этом не разрушая камеру сгорания. То есть фактически сделать настоящий взрыв контролируемым и управляемым. Для справки: детонационным называют горение топлива во фронте сверхзвуковой ударной волны. Различают импульсную детонацию, когда ударная волна движется вдоль оси камеры и одна сменяет другую, а также непрерывную (спиновую) детонацию, когда ударные волны в камере движутся по кругу.

Насколько известно, с участием ваших специалистов проведены экспериментальные исследования детонационного горения. Какие результаты были получены?

Петр Левочкин: Были выполнены работы по созданию модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя. Над проектом под патронажем Фонда перспективных исследований работала большая кооперация ведущих научных центров России. В их числе Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, МАИ, "Центр Келдыша", Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Механико-математический факультет МГУ. В качестве горючего мы предложили использовать керосин, а окислителя - газообразный кислород. В процессе теоретических и экспериментальных исследований была подтверждена возможность создания детонационного ракетного двигателя на таких компонентах. На основе полученных данных мы разработали, изготовили и успешно испытали детонационную модельную камеру с тягой в 2 тонны и давлением в камере сгорания около 40 атм.

Данная задача решалась впервые не только в России, но и мире. Поэтому, конечно, проблемы были. Во-первых, связанные с обеспечением устойчивой детонации кислорода с керосином, во-вторых, с обеспечением надежного охлаждения огневой стенки камеры без завесного охлаждения и массой других проблем, суть которых понятна лишь специалистам.

Можно ли использовать детонационный двигатель в гиперзвуковых ракетах?

Петр Левочкин: И можно, и нужно. Хотя бы потому, что горение топлива в нем сверхзвуковое. А в тех двигателях, на которых сейчас пытаются создать управляемые гиперзвуковые летательные аппараты, горение дозвуковое. И это создает массу проблем. Ведь если горение в двигателе дозвуковое, а двигатель летит, допустим, со скоростью пять махов (один мах равен скорости звука), надо встречный поток воздуха затормозить до звукового режима. Соответственно, вся энергия этого торможения переходит в тепло, которое ведет к дополнительному перегреву конструкции.

А в детонационном двигателе процесс горения идет при скорости как минимум в два с половиной раза выше звуковой. И, соответственно, на эту величину мы можем увеличить скорость летательного аппарата. То есть уже речь идет не о пяти, а о восьми махах. Это реально достижимая на сегодняшний день скорость летательных аппаратов с гиперзвуковыми двигателями, в которых будет использоваться принцип детонационного горения.