Детонационный двигатель — будущее российского двигателестроения

Еще за год до Великой Отечественной войны ученый-физик из Советского Союза - Зельдович Яков Борисович (известный специалист в отрасли взрыва и горения) в одной из своих научных статей выдвинул идею создания двигателя, построенного на эффекте горения под воздействием детонации. 

Эта идея заинтересовала мировое научное сообщество, и над ее реализацией длительное время работали ученые многих государств, в том числе из США, Германии, СССР, передавая периодически пальму первенства в научных разработках.

              

И только к августу 2016 года была реализована идея, предложенная Я. Зельдовичем в далеком 1940-м году. Ученые из России первыми создали жидкостный реактивный двигатель, в основу которого положен принцип детонации, то есть такого режима горения, при котором образуется замкнутый цикл из движущейся ударной волны и окислительных химических реакций, поддерживающих и усиливающих друг друга.

Почему же идея создания детонационного двигателя многие десятилетия была такой востребованной и актуальной? В чем преимущества такого двигателя над обычным жидкостным реактивным двигателем?

Используемые до настоящего времени классические жидкостные реактивные двигатели (ЖРД) по своей эффективности уже достигли своего апогея, поэтому нужны более мощные и экономические двигательные установки. 

В обычных ЖРД используется так называемое дефлаграционное горение, которое происходит в медленном, дозвуковом режиме. В результате дефлаграции (конвективного горения) образуется зона быстрых химических преобразований, которая перемещается с очень большой скоростью. Подачу горючей смеси обеспечивает топливная система реактивного двигателя. Турбо-насосный агрегат (ТНА) и другие компоненты ТС обеспечивают подачу в камеру сгорания составных частей ракетного топлива под высоким постоянным давлением (например, для жидкостного реактивного двигателя 11Д520 РН «Зенит» и РД-170 для ракет-носителей «Энергия» оно составляет до 250 ат), достигая тем самым высокой степени расширения содержимого, что повышает относительный импульс и соотношение тяги реактивного двигателя к его массе.

Фронтальное перемещение пламени и медленная (дозвуковая) скорость горения в обычном ЖРД делает его неэффективным в наш век стремительного развития космической и авиационной отраслей.

При детонации химическая реакция окисления топливной смеси происходит путем самовоспламенения, которое достигается за счет создания высокой температуры и давления вслед за мощной ударной волной, перемещающейся со скоростью, значительно превышающей звук. При этом мощность выделения тепла во фронте детонации во много крат выше, чем при процессе дефлаграции, и даже выше теплового излучения Солнца.

Учитывая, что при детонации выделяется значительно большее количество кинетической энергии, чем при медленном горении, скорость ее продуктов в 20-25 раз выше скорости продуктов при конвективной передаче тепла, перед учеными возник вопрос о возможности повышения энергетической эффективности двигателя путем замены режима горения на сверхзвуковой (детонационный)? 

Процесс создания детонационного реактивного двигателя прошел длительный и нелегкий путь. Одним из первых этапов их создания был двигатель импульсного, или пульсирующего типа (PDE).  В чем его суть?

В таких двигателях ударная волна проходит по смеси компонентов топлива со скоростью, превышающей звук. В процессе химической реакции с участием топлива давление в камере сгорания не успевает сколь существенно измениться, однако потом дискретно возрастает в разы. И только потом за счет расширения продуктов горения в сопле образуется реактивная тяга. После каждой волны детонации необходима подача следующей порции смеси топлива и окислителя, поэтому процесс и является импульсным. Для обеспечения нормальной работы такого двигателя требуется тщательное и быстрое перемешивание компонентов топливной смеси. 

Поэтому импульсные детонационные двигатели в нашей стране не нашли широкого применения и в промышленных масштабах в России не выпускались. 

Следующий шаг в совершенствовании двигателей детонационного типа - ротационный (спиновый) принцип. Такие двигатели основаны на рабочем процессе с непрерывной детонацией. Он состоит в бесперебойной подаче топливной смеси в КС и ее окислении под воздействием ударной волны, направленной тангенциально поперек течения. Это значительно снижает шум двигателя, позволяет экономнее расходовать топливо, необходимое для образования каждого нового взрывного цикла, и, что самое важное, обеспечивает непрерывность детонационных процессов. 

Идея использования камеры с непрерывным процессом детонации для сжигания топлива была выдвинута еще в 1959 году нашим соотечественником, академиком Войцеховским Б.В. При спиновой детонации после ударной волны движется слой газа высокой температуры, который не вступил в реакцию, а затем зона реакции окисления. Образование смеси и сжатие топлива происходит под воздействием детонационной волны, без предварительного смешивания. За время движения волны по кольцу камеры сгорания топливная смесь обновляется, обеспечивая непрерывность детонации. 

Таким образом, подтвердились оценки Я. Б. Зельдовича о том, что детонационный двигатель является одним из лучших с точки зрения термодинамического эффекта. Процесс сгорания топливной смеси происходит в условиях детонации в сотни раз быстрее, по сравнению с медленным горением (дефлаграцией), этот тип ЖРД характеризуется наибольшей мощностью в сравнении с двигателями, работающими по другому принципу. 

Летом, в августе 2016 года в рамках проекта, разработанного Министерством образования и науки РФ были проведены многоплановые испытания непрерывно действующего детонационного ракетного двигателя, которые происходили на специальном демонстрационном стенде и воспроизводили полномасштабную модель технического устройства. Ученые и инженерно-технический персонал из Российской лаборатории, которая создана на базе НПО "Энергомаш" подтвердили, что термо-динамический цикл с детонационным горением на 7-8% эффективнее, чем термо-динамический цикл с обычным медленным горением при прочих равных условиях. 

И, конечно же, очень радует тот факт, что именно в России научно-экспериментальным путем была подтверждения версия великого российского ученого о явных преимуществах реактивных двигателей, основанных на детонации, по сравнению с ЖРД медленного горения.

Источники изображений: 1, 2.
P.s. Если вам понравилась моя публикация, то вы можете подписаться на меня и проголосовать за этот пост) С уважением Виктория Романова.