Детонационный двигатель — будущее российского двигателестроения. Детонационные двигатели

Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых газотурбинных установок, которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на детонационные ротационные 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 газовую турбину, 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 газовые турбины, 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 детонационные ротационные 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 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/

Испытания детонационного двигателя

Фонд перспективных исследований

Научно-производственное объединение «Энергомаш» провело испытания модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя, тяга которого составила две тонны. Об этом в интервью «Российской газете» заявил главный конструктор «Энергомаша» Петр Левочкин. По его словам, эта модель работала на керосине и газообразном кислороде.

Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества тепла. В современных ракетных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью; такой процесс называется дефлаграцией.

Детонационные двигатели сегодня делятся на два основных типа: импульсные и ротационные. Последние еще называют спиновыми. В импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси. В ротационных же горение смеси происходит постоянно без остановки.

В таких силовых установках используется кольцевая камера сгорания, в которой топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. В таких силовых установках детонация не затухает - детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться. Ротационный двигатель впервые начали изучать в СССР в 1950-х годах.

Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета - от нуля до пяти чисел Маха (0-6,2 тысячи километров в час). Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствует компрессор и многие движущиеся части.

Новый российский жидкостный детонационный двигатель разрабатывается совместно несколькими институтами, включая МАИ, Институт гидродинамики имени Лаврентьева, «Центр Келдыша», Центральный институт авиационного моторостроения имени Баранова и Механико-математический факультет МГУ. Разработку курирует Фонд перспективных исследований.

По словам Левочкина, во время испытаний давление в камере сгорания детонационного двигателя составило 40 атмосфер. При этом установка надежно работала без сложных систем охлаждения. Одной из задач испытаний было подтверждение возможности детонационного горения кислородно-керосиновой топливной смеси. Ранее сообщалось, что частота детонации в новом российском двигателе составляет 20 килогерц.

Первые испытания жидкостного детонационного ракетного двигателя летом 2016 года. Испытывался ли с тех пор двигатель еще раз, неизвестно.

В конце декабря 2016 года американская компания Aerojet Rocketdyne контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планируется завершить к середине 2019 года.

По предварительной оценке, газотурбинный двигатель нового типа будет иметь по меньшей мере на пять процентов лучшие характеристики, чем обычные такие установки. При этом сами установки можно будет сделать компактнее.

Василий Сычёв

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.

Что на самом деле стоит за сообщениями о первом в мире детонационном ракетном двигателе, испытанном в России?

В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива - . К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет. Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания», опубликованной в «Журнале технической физики» еще в 1940 году. С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот важный приоритет в мировой истории техники закрепила за собой Россия. В последние годы чем-то подобным нашей стране удается похвастать не часто.

На гребне волны

Испытание детонационного жидкостного ракетного двигателя

В чем же состоят преимущества детонационного двигателя? В традиционных ЖРД, как, впрочем, и в обычных поршневых или турбореактивных авиадвигателях, используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания ЖРД при этом образуется стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия горючего и окислителя температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу.

Детонация - это тоже горение, но происходит оно в 100 раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. Этот процесс идет так быстро, что детонацию часто путают со взрывом, тем более что при этом выделяется столько энергии, что, к примеру, автомобильный мотор при возникновении этого явления в его цилиндрах и в самом деле может разрушиться. Однако детонация - это не взрыв, а вид горения столь стремительного, что продукты реакции даже не успевают расшириться, поэтому этот процесс, в отличие от дефлаграции, идет при постоянном объеме и резко возрастающем давлении.

На практике это выглядит следующим образом: вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси внутри камеры сгорания формируется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этой волне сжатия и происходит детонация смеси горючего и окислителя, а это процесс с термодинамической точки зрения куда более эффективный, чем обычное сжигание топлива. КПД детонационного сгорания на 25–30% больше, то есть при сжигании одинакового количества топлива получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационный двигатель по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.

Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Ведь тот застой, который сейчас возник в развитии мировой космонавтики, на полвека застрявшей на околоземной орбите, в первую очередь связан с кризисом ракетного двигателестроения. В кризисе, кстати, находится и авиация, не способная перешагнуть порог трех скоростей звука. Этот кризис можно сравнить с ситуацией в поршневой авиации в конце 1930-х годов. Винт и двигатель внутреннего сгорания исчерпали свой потенциал, и только появление реактивных двигателей позволило выйти на качественно новый уровень высот, скоростей и дальности полетов.

Детонационный ракетный двигатель

Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей. Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах - на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты-носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России. Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на экологические проблемы. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество.

ГРЭС в миниатюре

Обычный ЖРД - это, в принципе, большая горелка. Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания. При этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.

К примеру, у самого мощного в мире ЖРД РД-170, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» тем же НПО «Энергия», давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много. Но давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 МВт! Только представьте себе это: колесо турбины диаметром 0,4 м развивает мощность, в четыре раза большую, чем атомный ледокол «Арктика» с двумя ядерными реакторами! При этом ТНА - это сложное механическое устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, а работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу-хау «Энергомаша», обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах-носителях Atlas V и Antares. Альтернативы российским двигателям в США пока нет.

Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.

Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского «Шаттла» (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением… 10 атм. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД - все равно что велосипедный насос рядом Саяно-Шушенской ГРЭС.

То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Так почему же эта простота в течение 70 лет не давалась в руки конструкторам?

Пульс прогресса

Главная проблема, которая встала перед инженерами, - как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация - это не просто взрывная волна, а кое-что похитрее. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью - до 2500 м/с. Она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер: после каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.

Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией. Именно в применении пульсирующих реактивных двигателей пытались найти альтернативу поршневым моторам в 1930-е годы. Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000˚С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива.

Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия). Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В.В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике. Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для «оружия возмездия» - крылатой бомбы «Фау-1». Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.

Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе. Удельные характеристики ПуВРД из-за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940-х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.

Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.

Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500‒2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.

Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя-демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long-EZ. В историческом полете двигатель проработал… 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.

Между тем уже давно была придумана другая, гораздо более перспективная схема детонационного двигателя.

Как белка в колесе

Мысль закольцевать детонационную волну и заставить ее бегать в камере сгорания как белка в колесе родилась у ученых в начале 1960-х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.

Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

В СССР, как и в США, работы над ротационным детонационным двигателем шли с начала 1960-х годов, но опять же при кажущейся простоте идеи ее реализация потребовала решения головоломных теоретических вопросов. Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико-химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне, на стыке химии и квантовой физики. Процессы эти более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер уже давно работает, а детонационный двигатель - нет. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку - физико-химическую кинетику, которой 50 лет назад еще не существовало. А для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся, потребовались мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонации.

Активные работы в этом направлении ведутся в Соединенных Штатах. Этими исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, NASA. К примеру, в научно-исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.

В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО «Энергомаш» - ведущая двигателестроительная компания российской космической промышленности, со многим предприятиями которой сотрудничает банк ВТБ. Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но для того чтобы вершина айсберга этой работы засверкала под солнцем в виде успешного испытания, потребовалось организационное и финансовое участие небезызвестного Фонда перспективных исследований (ФПИ). Именно ФПИ выделил необходимые средства для создания в 2014 году специализированной лаборатории «Детонационные ЖРД». Ведь несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России «слишком перспективной», чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко.

Укрощение строптивой

Хочется верить, что после всего сказанного выше становится понятна та титаническая работа, которая проглядывает между строк краткого сообщения об испытаниях, прошедших на «Энергомаше» в Химках в июле - августе 2016 года: «Впервые в мире был зарегистрирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации поперечных детонационных волн частотой около 20 кГц (частота вращения волны - 8 тысяч оборотов в секунду) на топливной паре „кислород - керосин“. Удалось добиться получения нескольких детонационных волн, уравновешивавших вибрационные и ударные нагрузки друг друга. Специально разработанные в центре имени М. В. Келдыша теплозащитные покрытия помогли справиться с высокими температурными нагрузками. Двигатель выдержал несколько пусков в условиях экстремальных вибронагрузок и сверхвысоких температур при отсутствии охлаждения пристеночного слоя. Особую роль в этом успехе сыграло создание математических моделей и топливных форсунок, позволявших получать смесь необходимой для возникновения детонации консистенции».

Разумеется, не стоит преувеличивать значение достигнутого успеха. Создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал относительно недолго, и о его реальных характеристиках ничего не сообщается. По информации НПО «Энергомаш», детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс тяги должен увеличиться на 10–15%.

Создание первого в мире полноразмерного детонационного ЖРД закрепило за Россией важный приоритет в мировой истории науки и техники.

Но главный результат состоит в том, что практически подтверждена возможность организации детонационного горения в ЖРД. Однако путь до использования этой технологии в составе реальных летательных аппаратов предстоит еще долгий. Другой важный аспект заключается в том, что еще один мировой приоритет в области высоких технологий отныне закреплен за нашей страной: впервые в мире полноразмерный детонационный ЖРД заработал именно в России, и этот факт останется в истории науки и техники.

Для практической реализации идеи детонационного ЖРД потребовалось 70 лет напряженного труда ученых и конструкторов.

Фото: Фонд перспективных исследований

Общая оценка материала: 5

АНАЛОГИЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ПО МЕТКАМ):

Графен прозрачный, магнитный и фильтрующий воду Отец видеозаписи Александр Понятов и AMPEX

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Направление №3 - 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.

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 в 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).

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.