De befintliga framdrivningssystemen för luftfart och missiler visar mycket hög prestanda, men har kommit nära gränsen för deras kapacitet. För att ytterligare öka dragkraftsparametrarna, vilket skapar en grund för utvecklingen av flygraket- och rymdindustrin, behövs andra motorer, inkl. med nya arbetsprinciper. Stora förhoppningar fästs på den sk. detonationsmotorer. Sådana pulsklasssystem testas redan i laboratorier och på flygplan.
Fysiska principer
Befintliga och drivande motorer med flytande bränsle använder subsonisk förbränning eller deflagration. En kemisk reaktion som involverar bränsle och en oxidator bildar en front som rör sig genom förbränningskammaren med en subsonisk hastighet. Denna förbränning begränsar mängden och hastigheten av reaktiva gaser som strömmar ut ur munstycket. Följaktligen är den maximala dragkraften också begränsad.
Detonationsförbränning är ett alternativ. I detta fall rör sig reaktionsfronten med supersonisk hastighet och bildar en chockvåg. Detta förbränningsläge ökar utbytet av gasformiga produkter och ger ökad dragkraft.
Detonationsmotorn kan tillverkas i två versioner. Samtidigt utvecklas impuls- eller pulserande motorer (IDD / PDD) och roterande / roterande. Deras skillnad ligger i förbränningsprinciperna. Den roterande motorn upprätthåller en konstant reaktion, medan impulsmotorn arbetar med successiva "explosioner" av en blandning av bränsle och oxidationsmedel.
Impulser bildar dragkraft
I teorin är dess konstruktion inte mer komplicerad än en traditionell ramjet- eller vätskedrivande raketmotor. Den innehåller en förbränningskammare och munstycksenhet, liksom medel för tillförsel av bränsle och oxidationsmedel. I detta fall införs särskilda begränsningar för hållfastheten och hållbarheten hos strukturen som är förknippad med motorns särdrag.
Under drift levererar injektorerna bränsle till förbränningskammaren; oxidatorn tillförs från atmosfären med hjälp av en luftintagsanordning. Efter bildning av blandningen sker tändning. På grund av rätt val av bränslekomponenter och blandningsförhållanden, den optimala tändmetoden och kammarens konfiguration bildas en chockvåg som rör sig i motorn på munstycket. Den nuvarande teknologinivån gör det möjligt att få en våghastighet på upp till 2,5-3 km / s med en motsvarande ökning av dragkraften.
IDD använder en pulserande driftsprincip. Detta innebär att efter detonation och utsläpp av reaktiva gaser blåses förbränningskammaren ut, fylls om med en blandning - och en ny "explosion" följer. För att uppnå en hög och stabil dragkraft måste denna cykel utföras med en hög frekvens, från tiotals till tusentals gånger per sekund.
Svårigheter och fördelar
Den största fördelen med IDD är den teoretiska möjligheten att få förbättrade egenskaper som ger överlägsenhet över befintliga och framtida ramjet- och vätskedrivande motorer. Så, med samma dragkraft, visar sig impulsmotorn vara mer kompakt och lättare. Följaktligen kan en mer kraftfull enhet skapas i samma dimensioner. Dessutom är en sådan motor enklare i design, eftersom den inte behöver en del av instrumenteringen.
IDD fungerar i ett stort antal hastigheter, från noll (i början av raketen) till hypersonisk. Den kan användas i raket- och rymdsystem och inom luftfart - på civila och militära fält. I alla fall gör dess karakteristiska egenskaper det möjligt att uppnå vissa fördelar jämfört med traditionella system. Beroende på behoven är det möjligt att skapa en raket-IDD med hjälp av en oxidator från en tank eller en luftreaktiv sådan som tar syre från atmosfären.
Det finns dock betydande nackdelar och svårigheter. Så för att bemästra en ny riktning är det nödvändigt att genomföra olika ganska komplexa studier och experiment vid korsningen mellan olika vetenskaper och discipliner. Den specifika driftsprincipen ställer speciella krav på motorns konstruktion och dess material. Priset på hög dragkraft är ökade laster som kan skada eller förstöra motorstrukturen.
Utmaningen är att säkerställa en hög bränsle- och oxidationshastighet, motsvarande den nödvändiga detonationsfrekvensen, samt att utföra en rensning före bränsleleverans. Dessutom är ett separat teknikproblem lanseringen av en chockvåg vid varje driftcykel.
Det bör noteras att IDD, hittills, trots alla ansträngningar från forskare och designers, inte är redo att gå utöver laboratorier och testplatser. Design och teknik behöver vidareutvecklas. Därför är det ännu inte nödvändigt att tala om införandet av nya motorer i praktiken.
Teknikens historia
Det är märkligt att principen för en pulserad detonationsmotor först föreslogs inte av forskare, utan av science fiction -författare. Till exempel använde ubåten "Pioneer" från romanen av G. Adamov "The Mystery of Two Oceans" IDD på en väte-syre gasblandning. Liknande idéer förekom i andra konstverk.
Vetenskaplig forskning om ämnet detonationsmotorer började lite senare, på fyrtiotalet, och pionjärerna i riktningen var sovjetiska forskare. I framtiden, i olika länder, försökte man upprepade gånger skapa en erfaren IDD, men deras framgång begränsades allvarligt av bristen på nödvändig teknik och material.
Den 31 januari 2008 började DARPA-byrån vid det amerikanska försvarsdepartementet och flygvapenlaboratoriet testa det första flyglaboratoriet med en luftandande typ IDD. Den ursprungliga motorn installerades på ett modifierat Long-EZ-flygplan från Scale Composites. Kraftverket inkluderade fyra rörformiga förbränningskammare med flytande bränsletillförsel och luftintag från atmosfären. Vid en detonationsfrekvens på 80 Hz, en dragkraft på ca. 90 kgf, vilket bara räckte till ett lätt flygplan.
Dessa tester visade IDD: s grundläggande lämplighet för användning inom luftfart, och visade också behovet av att förbättra konstruktioner och öka deras egenskaper. Samma år 2008 skickades prototypflygplanet till museet och DARPA och närstående organisationer fortsatte att arbeta. Det rapporterades om möjligheten att använda IDD i lovande missilsystem - men än så länge har de inte utvecklats.
I vårt land studerades ämnet IDD på teori- och praktiknivå. Till exempel, 2017, en artikel om tester av en detonation ramjetmotor som körs på gasformigt väte dök upp i tidskriften Combustion and Explosion. Dessutom fortsätter arbetet med roterande detonationsmotorer. En raketmotor för flytande drivmedel, lämplig för användning på missiler, har utvecklats och testats. Frågan om att använda sådan teknik i flygmotorer studeras. I det här fallet är förbränningskammaren för detonation integrerad i turbojetmotorn.
Teknikperspektiv
Detonationsmotorer är av stort intresse ur deras synvinkel inom olika områden och områden. På grund av den förväntade ökningen av huvudegenskaperna kan de åtminstone pressa ut systemen för befintliga klasser. Men komplexiteten i teoretisk och praktisk utveckling tillåter dem ännu inte att komma till användning i praktiken.
Positiva trender har dock observerats under de senaste åren. Detonationsmotorer i allmänhet, inkl. pulserande, alltmer visas i nyheterna från laboratorier. Utvecklingen av denna riktning fortsätter, och i framtiden kommer den att kunna ge önskade resultat, även om tidpunkten för utseendet på lovande prover, deras egenskaper och användningsområden fortfarande ifrågasätts. Men de senaste årens budskap tillåter oss att se optimistiskt på framtiden.
