Esamos aviacijos ir raketų varomosios sistemos pasižymi labai dideliu našumu, tačiau jau yra arti savo galimybių ribos. Norint dar labiau padidinti traukos parametrus, sukuriančius pagrindą aviacijos raketų ir kosmoso pramonės plėtrai, reikalingi kiti varikliai, įskaitant. su naujais darbo principais. Didelės viltys dedamos į vadinamąjį. detonaciniai varikliai. Tokios pulso klasės sistemos jau bandomos laboratorijose ir orlaiviuose.
Fiziniai principai
Esami ir veikiantys skystojo kuro varikliai naudoja pogarsinį degimą arba defliaciją. Cheminė reakcija, susijusi su degalais ir oksidatoriumi, sudaro frontą, kuris juda per degimo kamerą negarsiniu greičiu. Šis degimas riboja iš purkštuko tekančių reaktyvių dujų kiekį ir greitį. Atitinkamai, maksimali trauka taip pat yra ribota.
Detonacinis degimas yra alternatyva. Šiuo atveju reakcijos frontas juda viršgarsiniu greičiu ir susidaro smūgio banga. Šis degimo režimas padidina dujinių produktų išeigą ir padidina trauką.
Detonacijos variklis gali būti pagamintas dviem versijomis. Tuo pačiu metu kuriami impulsiniai arba pulsuojantys varikliai (IDD / PDD) ir sukamieji / sukamieji. Jų skirtumas slypi degimo principuose. Rotacinis variklis palaiko nuolatinę reakciją, o impulsinis variklis veikia iš eilės „sprogdamas“degalų ir oksidatoriaus mišinį.
Impulsai formuoja trauką
Teoriškai jo konstrukcija nėra sudėtingesnė nei tradicinis raketinis arba skystą raketinį variklį turintis raketinis variklis. Jame yra degimo kamera ir purkštukų mazgas, taip pat kuro ir oksidatoriaus tiekimo priemonės. Šiuo atveju yra nustatyti specialūs konstrukcijos stiprumo ir ilgaamžiškumo apribojimai, susiję su variklio veikimo ypatumais.
Veikimo metu purkštukai tiekia degalus į degimo kamerą; oksidatorius tiekiamas iš atmosferos naudojant oro įsiurbimo įtaisą. Susiformavus mišiniui, užsidega. Dėl teisingo kuro komponentų pasirinkimo ir mišinio proporcijų, optimalaus uždegimo būdo ir kameros konfigūracijos susidaro smūginė banga, judanti variklio purkštuko kryptimi. Dabartinis technologijų lygis leidžia pasiekti bangų greitį iki 2,5-3 km / s, atitinkamai padidinus trauką.
IDD naudoja pulsuojantį veikimo principą. Tai reiškia, kad po detonacijos ir išsiskyrusių reaktyvių dujų degimo kamera išpūsta, vėl užpildoma mišiniu - ir seka naujas „sprogimas“. Norint pasiekti didelę ir stabilią trauką, šį ciklą reikia atlikti dideliu dažniu - nuo dešimties iki tūkstančių kartų per sekundę.
Sunkumai ir privalumai
Pagrindinis IDD pranašumas yra teorinė galimybė įgyti patobulintų charakteristikų, kurios suteikia pranašumą prieš esamus ir būsimus raketinius ir skystuosius variklius. Taigi, turint tą pačią trauką, impulsinis variklis yra kompaktiškesnis ir lengvesnis. Atitinkamai gali būti sukurtas galingesnis vienetas tų pačių matmenų. Be to, toks variklis yra paprastesnio dizaino, nes jam nereikia dalies prietaisų.
IDD veikia įvairiais greičiais - nuo nulio (raketos pradžioje) iki hipergarsinio. Jis gali būti pritaikytas raketų ir kosmoso sistemose bei aviacijoje - civilinėse ir karinėse srityse. Visais atvejais būdingos savybės leidžia įgyti tam tikrų pranašumų prieš tradicines sistemas. Priklausomai nuo poreikių, galima sukurti raketos IDD naudojant oksidatorių iš rezervuaro arba orą reaguojantį, kuris paima deguonį iš atmosferos.
Tačiau yra didelių trūkumų ir sunkumų. Taigi, norint įvaldyti naują kryptį, būtina atlikti įvairius gana sudėtingus tyrimus ir eksperimentus skirtingų mokslų ir disciplinų sandūroje. Konkretus veikimo principas kelia ypatingus reikalavimus variklio konstrukcijai ir jo medžiagoms. Didelės traukos kaina yra padidintos apkrovos, kurios gali sugadinti arba sugadinti variklio konstrukciją.
Iššūkis yra užtikrinti aukštą degalų ir oksidatorių tiekimo greitį, atitinkantį reikiamą detonacijos dažnį, taip pat išvalyti prieš tiekiant kurą. Be to, atskira inžinerinė problema yra smūgio bangos paleidimas kiekviename veikimo cikle.
Reikėtų pažymėti, kad iki šiol IDD, nepaisant visų mokslininkų ir dizainerių pastangų, nėra pasirengęs išeiti už laboratorijų ir bandymų vietų ribų. Dizainus ir technologijas reikia toliau tobulinti. Todėl dar nereikia kalbėti apie naujų variklių įvedimą į praktiką.
Technologijos istorija
Įdomu, kad impulsinio detonacinio variklio principą pirmą kartą pasiūlė ne mokslininkai, o mokslinės fantastikos rašytojai. Pavyzdžiui, povandeninis laivas „Pioneer“iš G. Adamovo romano „Dviejų vandenynų paslaptis“IDD panaudojo vandenilio ir deguonies dujų mišinyje. Panašių idėjų buvo ir kituose meno kūriniuose.
Moksliniai tyrimai detonacinių variklių tema buvo pradėti kiek vėliau, ketvirtame dešimtmetyje, o krypties pradininkai buvo sovietų mokslininkai. Ateityje skirtingose šalyse pakartotinai buvo bandoma sukurti patyrusį IDD, tačiau jų sėkmę rimtai apribojo reikiamų technologijų ir medžiagų trūkumas.
2008 m. Sausio 31 d. JAV gynybos departamento DARPA agentūra ir Oro pajėgų laboratorija pradėjo bandyti pirmąją skraidančią laboratoriją su oru kvėpuojančiu IDD. Originalus variklis buvo sumontuotas modifikuotame „Scale Composites“orlaivyje „Long-EZ“. Jėgainėje buvo keturios vamzdinės degimo kameros su skysto kuro tiekimu ir oro paėmimu iš atmosferos. Esant detonavimo dažniui 80 Hz, traukos jėga yra maždaug. 90 kgf, to pakako tik lengvam orlaiviui.
Šie bandymai parodė esminį IDD tinkamumą naudoti aviacijoje, taip pat parodė, kad reikia tobulinti dizainą ir didinti jų charakteristikas. Tais pačiais 2008 metais orlaivio prototipas buvo išsiųstas į muziejų, o DARPA ir susijusios organizacijos toliau dirbo. Buvo pranešta apie galimybę naudoti IDD perspektyviose raketų sistemose, tačiau iki šiol jos nebuvo sukurtos.
Mūsų šalyje IDD tema buvo tiriama teorijos ir praktikos lygiu. Pavyzdžiui, 2017 m. Žurnale „Combustion and Explosion“pasirodė straipsnis apie detonavimo ramjet variklio, veikiančio dujiniu vandeniliu, bandymus. Taip pat tęsiamas darbas su rotaciniais detonacijos varikliais. Sukurtas ir išbandytas skystuoju raketu varomas raketų variklis, tinkamas naudoti raketose. Tiriamas tokių technologijų panaudojimo orlaivių varikliuose klausimas. Šiuo atveju detonavimo degimo kamera yra integruota į turboreaktyvinį variklį.
Technologijų perspektyva
Detonaciniai varikliai yra labai įdomūs jų taikymo įvairiose srityse požiūriu. Dėl tikėtino pagrindinių charakteristikų padidėjimo jie gali bent jau išstumti esamų klasių sistemas. Tačiau teorinio ir praktinio tobulėjimo sudėtingumas dar neleidžia jų panaudoti praktikoje.
Tačiau pastaraisiais metais pastebimos teigiamos tendencijos. Detonaciniai varikliai apskritai, įskaitant pulsiniai, vis dažniau pasirodo laboratorijų naujienose. Šios krypties plėtra tęsiama ir ateityje ji galės duoti norimų rezultatų, nors perspektyvių mėginių atsiradimo laikas, jų savybės ir taikymo sritys vis dar kelia abejonių. Tačiau pastarųjų metų žinutės leidžia optimistiškai žvelgti į ateitį.
