Что такое детонационный ракетный двигатель

Что такое детонационный ракетный двигатель

В России ведется активная работа над созданием новой ракеты-носителя среднего класса «Союз-5», которая может вывести на орбиту перспективный пилотируемый корабль «Федерация» в 2022 году. Тяжелые ракеты «Ангара-А5» в ближайшие годы будут задействованы в запусках 600 спутников системы «Сфера». Научно-производственное объединение (НПО) Энергомаш ведет работы над новыми двигателями для обоих типов ракет — РД-171МВ и РД-191М.

На каком этапе находится разработка, какие новые технологии и в каком объеме будут применяться в РД-171МВ и РД-191М, чем закончились испытания детонационного двигателя и зачем российские ракеты переводить на метан, рассказал в интервью ТАСС главный конструктор НПО Энергомаш Петр ЛЕВОЧКИН.

— Какие перспективные разработки ведутся сегодня в конструкторском бюро НПО Энергомаш?

— КБ сегодня очень плотно занято разработкой двигателя РД-171МВ для перспективной ракеты-носителя «Союз-5». Несмотря на то, что он заимствует многие решения РД-171М, — это новая модификация двигателя. Отмечу, что в РД-171МВ используется только российская элементная база, в том числе системы управления и регулирования полностью отечественные.

Большой объем работ ведется по повышению надежности и снижению стоимости двигателя РД-191 (используется на первой ступени ракет-носителей «Ангара» — прим. ТАСС). «Ангара» будет жить, и мы делаем все возможное, чтобы это был носитель, востребованный не только министерством обороны РФ, по заказу которого она и создавалась, но также в будущем выйдет на рынок коммерческих пусков.

В рамках Федеральной космической программы и за счет собственных средств нами ведется ряд разработок по применению в ракетном двигателестроении композитных материалов. Продолжаются работы по исследованию детонации в ЖРД. Ведутся разработки кислородно-метанового двигателя, прорабатываются варианты применения аддитивных технологий и многое другое.

— Какие работы по двигателю РД-171МВ будут выполнены в этом году?

— В конце 2017 года мы разработали эскизный проект двигателя и передали его в РКЦ «Прогресс» (будет производить «Союз-5» — прим. ТАСС). Сейчас в НПО Энергомаш полным ходом, в том числе с помощью 3D-моделирования, идет выпуск конструкторской документации по этому двигателю, ведется подготовка производства и стендовой базы. В этом году должны будем изготовить конструкторский макет, позволяющий увязать все элементы двигателя. Также в этом году мы должны поставить в РКЦ «Прогресс» макет РД-171МВ для проведения динамических испытаний.

— Когда планируется поставить опытный образец двигателя для огневых испытаний?

— Огневые испытания первого доводочного двигателя РД-171МВ запланированы на 2019 год. Первый товарный двигатель мы должны поставить заказчику в 2021 году для первого беспилотного запуска «Союза-5», который должен состояться в 2022 году. Для пилотируемого запуска ракеты, который запланирован на 2024 год, мы планируем поставить двигатель РД-171МВ в 2023 году.

— Вы упомянули про РД-191, а когда будет создан опытный образец нового двигателя для «Ангары-А5В» — РД-191М?

— НПО Энергомаш по заданию ГКНПЦ им. Хруничева работало над созданием модификации двигателя РД-191, который получил название РД-191М (тяга на 10% выше), для использования его на «Ангаре-А5В». Мы выпустили технический проект двигателя, а также согласовали объемы его отработки с головными научно-исследовательскими институтами отрасли. Следующим шагом должно было стать развертывание работ по производству и началу отработки двигателя, но контракт на эти работы с ГКНПЦ пока не заключен.

— Но все же новый двигатель на «Ангару-А5В» устанавливать планируется?

— Безусловно. Однако создание ракеты-носителя «Ангара-А5В» — это не только двигатель РД-191М, это модернизация всей ракеты плюс создание абсолютно нового кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя для третьей ступени. Поэтому сейчас «Ангара» будет летать с базовым двигателем, в том числе и с космодрома Восточный.

— Сегодня много говорится о новых легких и средних коммерческих ракетах-носителях, планируете ли создавать под них двигатель?

— В свое время НПО Энергомаш разработало двигатель РД-120 для второй ступени ракеты-носителя «Зенит», созданием которого руководил один из ведущих конструкторов нашего предприятия, мой предшественник на посту главного конструктора Владимир Константинович Чванов. Тяга РД-120 варьируется от 80 тонн до 93 тонн в форсированном режиме. Наши маркетологи оценили этот продукт с точки зрения коммерческой привлекательности и сделали вывод, что если бы у нас был сегодня двигатель с тягой 80–100 тонн по хорошей цене, он бы нашел своего потенциального коммерческого пользователя.

Но здесь стоит задача не просто воспроизвести двигатель, а спроектировать его заново, сделать его менее трудоемким с точки зрения производства, чтобы он имел не только отличные энергетические характеристики, но и привлекательную, конкурентоспособную стоимость. Такую работу мы планируем делать на опережение. Пока идут предварительные расчеты, после которых будет принято решение по диапазону тяги и схеме двигателя. Новый двигатель будет создан полностью в цифре, планируем максимально использовать аддитивные технологии и композитные материалы.

— По композитным материалам какие именно работы у вас ведутся?

— В этом году совместно с Центром Келдыша на модельной камере проведены исследования по использованию неохлаждаемого сопла из композитных материалов. Это большая перспектива по снижению веса наших двигателей, снижению трудоемкости их изготовления. Температура, где работает этот неохлаждаемый насадок, достигает 1300 градусов Цельсия, то есть температуры плавления сталей, жаропрочные никелевые сплавы при такой температуре теряют свою прочность.

Сегодня стенка камеры и сопла двигателя состоит из двух оболочек, спаянных между собой. В процессе работы между оболочками течет один из компонентов ракетного топлива, обеспечивая охлаждение внутренней оболочки. Такая конструкция доказала свою состоятельность и работоспособность, однако является достаточно трудоемкой в производстве и, соответственно, дорогой.

Известно применение композитных сопел для двигателей верхних ступеней как в России, так и за рубежом. Однако для первых ступеней такое сопло еще не применялось. Первым двигателем, на котором мы планируем использовать композитное сопло, должен стать РД-191 или его модификация.

— Аддитивные технологии в каких двигателях будете применять?

— Благодаря развитию аддитивных технологий, сегодня у нас появляется возможность за несколько часов сделать ту работу, на которую раньше ушли бы месяцы. Например, печать такой сложной сборочной единицы, как смесительная головка. Снижение трудоемкости — колоссальное. Но есть и сложности. Одна из них — подбор и применение материалов, обладающих хорошей прочностью и хорошей теплопроводностью. Работаем вместе с ведущими металлургическими институтами страны и все работы проводим за собственные средства.

Мы уже определили для себя ряд агрегатов, где применение аддитивных технологий может быть актуальным, попробуем их изготовить, проведем автономную обработку, после чего примем решение — внедрять это на двигатель или нет. В основном это достаточно сложные, трудоемкие в обычной механике сборочные единицы двигателей РД191 и РД171МВ. Но пока это экспериментальный вариант, мы только изучаем возможность использования аддитивных технологий в ракетном двигателе.

— Как продвигается разработка кислородно-метанового двигателя, какие результаты получены?

— В настоящее время КБХА и НПО Энергомаш в рамках опытно-конструкторской работы отрабатывают технологии использования метана в качестве компонента топлива в перспективных ЖРД — это формирование научно-технического задела на будущее. Выпущен эскизный проект, где рассмотрены все типы схем ЖРД. В ближайшее время должен пройти научно-технический совет интегрированной структуры ракетного двигателестроения по выбору варианта для дальнейшей разработки. Но, к сожалению, конкретной ракеты-носителя, под которую разрабатывается двигатель, пока нет.

— Зачем нужен двигатель на метане?

— В свое время основатель НПО Энергомаш Валентин ГЛУШКО, возглавляя совет по ракетным топливам при Академии наук, исследовал комбинации веществ в качестве окислителя и горючего применительно к ракетным топливам. Была исследована практически вся таблица МЕНДЕЛЕЕВА, в том числе и метан. И в результате было показано, что при более высоком удельном импульсе (на примерно 10–15%), чем у кислородно-керосиновых ЖРД, баки РН с метаном той же массы, что и керосин, будут тяжелее из-за более чем двухкратной разницы плотности (конструкция самого бака будет весить больше — прим. ТАСС). Ожидаемого эффекта для первых ступеней не будет. Поэтому, проведя ряд теоретических проработок, НПО Энергомаш в дальнейшем сосредоточилось на работах с традиционными компонентами топлива, такого как кислород и керосин.

Другое дело верхние ступени РН. Там, где согласно законам физики влияние удельного импульса выше, энергетическая эффективность метана может обеспечить вывод большой массы полезной нагрузки. Понимая это, Центр Келдыша совместно с КБХА и КБХМ продолжили исследования по возможности использования метана в ракетных двигателях. Надо отдать должное их успехам в этом направлении, так как сегодня проведены не только теоретические исследования, но и самые настоящие огневые испытания ракетных двигателей на кислородно-метановом топливе. В отрасли накоплен определенный опыт работы с таким взрывоопасным веществом как метан.

Кроме того, на основе созданных в КБХА проектов ЖРД на метане в РКЦ «Прогресс» разработана линейка ракет от легкого до сверхтяжелых классов под этот вид топлива. Создание научно-технического задела по метановому направлению продолжается, тем более что в перспективе метан должен быть более дешевым компонентом топлива из-за его широкой сырьевой базы. К тому же метан есть на Марсе, и уже сегодня некоторые компании создают двигатель и ракету для полетов к Красной планете на метане, ставя задачу вернуться домой на топливе, добытом там.

— Как продвинулись работы по созданию двигателя с детонационным горением?

— Совместно с Институтом гидродинамики им. Лаврентьева, МАИ, Центром Келдыша, Центральным институтом авиационного моторостроения им. Баранова, Механико-математическим факультетом МГУ мы создали несколько вариантов камеры жидкостного ракетного двигателя, которая работает по принципу непрерывной спиновой детонации — топливо сгорает со сверхзвуковой скоростью.

Курировал эту работу Фонд перспективных исследований (ФПИ). Теоретически предполагалось, что детонационное горение даст нам выигрыш по тяге двигателя. Огневые испытания показали, что выигрыш действительно есть, однако не такой ощутимый, как мы предполагали.

— На этом исследования детонационного двигателя завершены?

— Проект, который мы делали под эгидой ФПИ, — закончен. Мы доказали, что детонация в ЖРД возможна, сконструировали камеру. Однако в своих изысканиях мы не остановились: проводя работы, мы получили интересный результат: помимо прироста по энергетике, который в целом был ожидаем, мы получили прирост тяги при достаточно низком уровне давления подачи топлива. Это заманчиво, потому что позволяет в перспективе повысить надежность и увеличить ресурс турбонасосного агрегата. А турбонасосный агрегат и камера сгорания — это два ключевых агрегата, во многом определяющие надежность ракетного двигателя. То есть с помощью технологии детонационного горения потенциально ракетный двигатель можно сделать более легким и более надежным.

Поэтому сейчас, уже за собственные деньги, мы проводим проектирование двух двигателей с тягой 5 и 20 тонн с использованием камеры, работающей по принципу детонационного горения. В рамках данной НИОКР мы пытаемся оценить результаты с точки зрения массогабаритных и вибропрочностных характеристик. Если результаты будут хорошие, то продолжим исследовательские работы.

— Какие двигатели наиболее перспективны для полетов в дальний космос?

— Сегодня наши двигатели, обладая тягой в десятки и сотни тонн, выполняют самую тяжелую и неблагодарную работу — отрывают ракету от поверхности Земли. Альтернативы им в этом вопросе на дальнесрочную перспективу — нет. Можно их использовать (и так делается) и для полетов к Луне, Марсу и т.д. Но гораздо эффективнее использовать электроракетные двигатели (ЭРД), которые по эффективности в разы превышают ЖРД и ракетные двигатели на твердом топливе. Правда, есть проблема: сегодня тяги ЭРД измеряются в граммах и разгон космического аппарата до нужных скоростей может занять длительное время. Для увеличения тяги необходимо создать компактные, но мощные источники электрического тока. За этим направлением большое будущее.

Но все равно говорить о межгалактических полетах на имеющихся типах двигателей пока не приходится. Для преодоления расстояния в сотни и миллионы световых лет нужны другие двигатели, а может и способы перемещения.

— Какие направления в ракетно-космической отрасли, по-вашему, самые перспективные?

— Я бы назвал два основных. Первое — это освоение дальнего космоса с помощью имеющихся средств выведения и двигателей. В качестве первого этапа можно рассматривать Луну и Марс. Второе направление — это полеты в ближний космос, который постепенно переходит в коммерческое русло. И здесь наиболее перспективное направление — это создание на базе имеющихся носителей многоразовых возвращаемых ступеней. У нас такой опыт есть, двигатель РД-170 был сертифицирован на десятикратное полетное использование в рамках программы «Энергия-Буран». Сегодня в России под руководством генерального конструктора по средствам выведения А.А. МЕДВЕДЕВА ведутся работы по созданию научно технического задела по созданию многоразовых РН сверхлегкого класса.

Дальнейшее развитие этого направления, по моему мнению, в создании одноступенчатых летательных аппаратов с комбинированным ракетным двигателем, способных самостоятельно летать в космос и возвращаться. Такие комплексы могут эффективно использоваться в том числе для коммерческих транспортных перевозок. Летательный аппарат будет выходить в ближний космос (

100 км), преодолевать основное расстояние и совершать посадку в нужной точке Земли гораздо быстрее обычных самолетов. Сегодняшний уровень разработок в металлургии, материаловедении позволяет сделать подобное, одноступенчатое средство выведения.

— Какие двигатели будут отгружены иностранным заказчикам в этом году?

— В настоящее время изготовление товарных двигателей в НПО Энергомаш идет в соответствии с заключенными контрактами. Отгрузка первой партии РД-180 и РД-181 в США запланирована на второй квартал 2018 года. А следующая партия этих двигателей отправится заказчикам в конце года. Что касается РД-191, то, согласно контракту, в конце года заказчику будут отправлены два двигателя. Кстати, на этих двигателях уже будут частично реализованы усовершенствования, которые мы внедряем в рамках программы повышения надежности и снижения стоимости.

Для крылатой ракеты «Циркон» создадут детонационный двигатель

Гиперзвуковыми противокорабельными крылатыми ракетами (ПКР) «Циркон» будут оснащены два тяжелых атомных ракетных крейсера (ТАРКР) «Петр Великий» и «Адмирал Нахимов», а также перспективные подводные атомоходы проекта 885М «Ясень-М» и подлодки пятого поколения «Хаски», сообщает сайт «Новости ВПК». О том, что в России ведется разработка гиперзвукового оружия, замминистра обороны России Юрий Борисов сообщил еще в конце ноября прошлого года.

По сведениям из открытых источников, ракетный комплекс с «Цирконом» — новейшая разработка военно-промышленной корпорации «НПО машиностроения» (входит в корпорацию «Тактическое ракетное вооружение»). Работы по проекту носят закрытый характер. Известно лишь, что ракета, длина которой составляет от восьми до десяти метров, будет способна разогнаться до 5–10 Махов и поражать цели на дальностях 300–500 километров.

Сегодня на вооружении ВМФ России стоят ПКР со скоростями максимум 2–2,5 Маха. Скорость 2,5 Маха — предельная для современных средств ПВО вероятного противника. Таким образом, «Циркон» способен беспрепятственно достигать цели, опережая средства ПВО. Странам НАТО придется модернизировать противоракетную оборону под огромные скорости нашей ракеты.

Герой Труда России и Герой Социалистического Труда СССР Герберт Ефремов(советник главы ВПК «НПО машиностроения» по науке) считает, что для длительного движения объекта в атмосфере на гиперзвуке необходимы прямоточные двигатели. В уже существующих не удается обеспечить устойчивую работу камер сгорания. И неизвестно, удастся ли решить эти проблемы в ближайшее время. Другие типы двигателей, в частности турбо-прямоточные, создаются уже более полувека, но безуспешно.

Однако надежда уже появилась. Вице-премьер Дмитрий Рогозин недавно сообщил: в России успешно испытан так называемый детонационный ракетный двигатель (ДРД). Новинка разработана НПО «Энергомаш» им. академика В. П. Глушко в рамках программы Фонда перспективных исследований. Детонационный ракетный двигатель — один из путей создания гиперзвуковых летательных аппаратов, способных достигать скорости 4–6 Махов. На базе таких двигателей возможно создание гиперзвукового оружия. Эффект заключается в том, что детонационный двигатель при значительно меньших габаритах и массе топлива может дать ту же тягу, что и огромный современный жидкостной ракетный двигатель.

Проблема в том, чтобы сделать взрыв контролируемым и управляемым, то есть добиться, чтобы горючее и окислитель ракетного двигателя не горели, как сейчас, а взрывались, не разрушая камеру сгорания. В качестве горючего специалисты «Энергомаша» предложили керосин, в качестве окислителя — газообразный кислород. Горение такого топлива в детонационном двигателе — сверхзвуковое, речь идет уже не о 5, а о 8 Махах.

Испытательный пуск российского крылатого «Циркона» в апреле прошлого года показал: скорость звука превышена в восемь раз — до 9800 км/ч. Эксперты утверждают, что это не предел, ракета может достичь и скорости 10 Махов. Ракета поражает любую цель в радиусе 500 км, она маневренна, значительно быстрее любой современной американской противоракеты, а для ее пуска используются универсальные корабельные установки вертикального пуска — те же, что и для «Калибров».

«Циркон» может быть готов к установке на корабли уже в нынешнем году. Он заменит тяжелую ПКР П-700 «Гранит».

В ПАО «ОДК-УМПО» завершен первый этап испытаний демонстратора пульсирующего детонационного двигателя

В ОКБ им. А. Люльки — филиале ПАО «ОДК-УМПО» (входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию Госкорпорации Ростех) завершены испытания демонстратора прямоточного пульсирующего детонационного двигателя с блоком газодинамических резонаторов.

По итогам испытаний двигателя-демонстратора получена тяга 1600 кг, на отдельных режимах зафиксировано увеличение удельной тяги до 50% (в сравнении с двигателями традиционных схем) с соответствующим снижением удельного расхода топлива. В перспективе это позволит в 1,3-1,5 раза увеличить максимальную дальность и массу полезной нагрузки летательных аппаратов, оснащенных пульсирующими детонационными двигателями, а также улучшить динамику полета и их маневренные характеристики за счет увеличения тяговооруженности.

Пульсирующий детонационный двигатель — новый тип двигателя для авиации. В нем реализуется термодинамический цикл, близкий к циклу со сгоранием топлива при постоянном объеме, а потому более экономичный, чем используемый в существующих газотурбинных двигателях. Как отмечает генеральный конструктор-директор ОКБ имени А. Люльки Евгений Марчуков, простота конструкции и относительно низкие требования к значениям величин газодинамических параметров по всей проточной части изделия позволяют применять при его создании технологии, отработанные на предыдущих поколениях двигателей. Это дает колоссальное коммерческое и экономическое преимущество по сравнению с разрабатываемыми перспективными двигателями традиционных схем.

Диапазон возможного применения пульсирующих детонационных двигателей широк: сверх- и гиперзвуковые летательные аппараты, семейство ракет различного назначения, космические летательные аппараты, воздушно-космические самолеты и перспективные ракетно-космические системы и др. Этот тип двигателя может быть предложен как потенциально эффективное дополнение и развитие традиционных ракетных и воздушно-реактивных двигателей.

В ОКБ им. А. Люльки — филиале ПАО «ОДК-УМПО» сформировано отдельное направление по разработке пульсирующих детонационных двигателей.

В 2016 году авторский коллектив проекта «Пульсирующий детонационный двигатель» стал победителем конкурса «Лучший инновационный проект по направлениям критических технологий в РФ» в Сколково. Макет пульсирующего детонационного двигателя впервые был представлен на Международном военно-техническом форуме «Армия-2017».

ПАО «ОДК-УМПО» — разработчик и крупнейший производитель авиационных двигателей в России. Основными видами деятельности являются разработка, производство, сервисное обслуживание и ремонт турбореактивных авиационных двигателей и газоперекачивающих агрегатов, производство и ремонт узлов вертолетной техники. Расположено в г. Уфе. Входит в АО «Объединенная двигателестроительная корпорация».

АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» (входит в Госкорпорацию Ростех) — интегрированная структура, специализирующаяся на разработке, серийном изготовлении и сервисном обслуживании двигателей для военной и гражданской авиации, космических программ и военно-морского флота, а также нефтегазовой промышленности и энергетики.

Госкорпорация Ростех — одна из крупнейших промышленных компаний России. Объединяет более 800 научных и производственных организаций в 60 регионах страны. Ключевые направления деятельности — авиастроение, радиоэлектроника, медицинские технологии, инновационные материалы и др. В портфель корпорации входят такие известные бренды, как АВТОВАЗ, КАМАЗ, Концерн Калашников, «Вертолеты России», ОДК, Уралвагонзавод, «Швабе» и др. Ростех активно участвует в реализации всех 12 национальных проектов. Компания является ключевым поставщиком технологий «Умного города», занимается цифровизацией государственного управления, промышленности, социальных отраслей, разрабатывает планы развития технологий беспроводной связи 5G, промышленного интернета вещей, больших данных и блокчейн-систем. Ростех выступает партнером ведущих мировых производителей, таких как Boeing, Airbus, Daimler, Pirelli, Renault и др. Продукция корпорации поставляется более чем в 100 стран мира. Почти треть выручки компании обеспечивает экспорт высокотехнологичной продукции.

Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 493, № 1, стр. 66-69

ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕЗАМКНУТОГО ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА С ДЕТОНАЦИОННЫМ ГОРЕНИЕМ

1 Научно-исследовательский институт механики, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Москва, Россия

Поступила в редакцию 03.02.2020
После доработки 23.05.2020
Принята к публикации 23.05.2020

Cравнивается энергетическая эффективность сжигания газообразного топлива в режиме детонации Чепмена–Жуге и при постоянном объеме в случае незамкнутого термодинамического процесса, который заканчивается истечением продуктов горения в окружающее пространство. В отличие от полного термодинамического цикла, рассматриваемый процесс не обеспечивает остановку продуктов горения и восстановление начальных значений давления и плотности газа. Показано, что абсолютное преимущество детонации Чепмена–Жуге проявляется только при использовании кинетической энергии продуктов детонации. В противном случае горение при постоянном объеме может быть более эффективным, чем детонация.

Я.Б. Зельдович [1] приходит к выводу, что “принципиально достижимый к.п.д. цикла, использующего без каких-либо потерь детонационное горение, всегда несколько выше такового для цикла, использующего горение в замкнутом объеме…”. О преимуществе детонационного сжигания говорится и в других работах, в частности, в [2], где, в отличие от [1], явно указано, что кинетическая энергия продуктов детонации включена в полезную работу замкнутого детонационного цикла Фикетта–Якобса (Fickett–Jacobs).

Однако реализация замкнутого термодинамического цикла не всегда интересна, в частности, в случае, когда продукты горения выбрасываются через расширяющееся сопло в окружающее пространство сразу после сжигания топлива (см., например, [3–8]). На выходе из расчетного сопла кинетическая энергия газа может отличаться от нуля, т.е. остается неиспользованной. Подобная ситуация возникает и в так называемых непрерывно-детонационных камерах сгорания, где детонация вращается в тангенциальном направлении к набегающему потоку [9, 10].

Цель данной работы – уточнить выводы об энергетической эффективности детонационного горения, допуская реализацию незамкнутого термодинамического процесса.

1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ

Горение происходит в цилиндрической камере. В исходном состоянии горючая смесь покоится, давление в ней равно давлению в окружающем пространстве. Смесь и продукты горения считаются совершенным невязким газом. Под горением при постоянном объеме, как и в [1], подразумевается мгновенное пространственно однородное сгорание реагентов. Детонационное сгорание смеси происходит в бесконечно тонком фронте. Детонация Чепмена–Жуге распространяется в трубе от торцевой стенки. Предполагается, что энергия инициирования и тепловые потери пренебрежимо малы, течение за детонационным фронтом одномерное, автомодельное с центрированной волной разрежения, которая обеспечивает нулевую скорость у торцевой стенки [11]. Эффективность горения – это отношение полезной работы A к удельной теплоте сгорания Q при изоэнтропическом расширении единицы массы продуктов горения до начального давления.

2. РЕЗУЛЬТАТ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

В плоскости удельного объема и давления V–p (рис. 1) незамкнутому термодинамическому процессу с горением при постоянном объеме соответствует движение изображающей точки от точки исходного состояния O по вертикали к точке H на детонационной адиабате LDH и далее по адиабате Пуассона к конечной точке H ‘. На рисунках и ниже все величины нормированы по давлению p_о и удельному объему V_о реагентов.

Рис. 1.

Детонационная адиабата LDH и адиабаты Пуассона DD‘ и HH‘.

В случае детонации в любой момент времени область течения в камере сгорания разделена на область покоя WW ‘ и область с переменными параметрами в волне разрежения W‘D (рис. 2). Каждому элементарному объему из этой области в плоскости V–p соответствует точка на отрезке DW’ адиабаты Пуассона DD‘. Работа элементарного объема из отрезка W‘D определяется его текущими параметрами. Автомодельное решение позволяет определить среднюю по массе удельную внутреннюю e_J и кинетическую K_J энергию продуктов горения по заданной удельной теплоте сгорания Q и показателям адиабаты реагентов и продуктов горения, γ_о и γ, соответственно. На рис. 1 и 2 этим средним параметрам соответствует точка J. Незамкнутый термодинамический процесс с детонационным горением можно интерпретировать как переход из начальной точки O в точку Чепмена–Жуге D (рис. 1), затем изоэнтропическое расширение продуктов детонации до точки J и, наконец, расширение до конечной точки D‘ с давлением p_D‘ = p_o = 1. На этапе D–J (рис. 1) часть внутренней и кинетической энергии расходуется на поддержание детонации, полезная работа совершается только при расширении продуктов детонации на отрезке J–D‘.

Рис. 2.

Характерное распределение плотности ρ (сплошная) и скорости u (штриховая) за фронтом D бесконечно тонкой детонации Чепмена–Жуге.

Закон сохранения энергии, записанный для полной (внутренней и кинетической) энергии и в виде уравнения притока тепла [12], приводит к термодинамическим соотношениям для удельной внутренней энергии e в точках H и J, а также удельной работы продуктов детонации A_J и горения A_H:

Если на этапе J–D‘ кинетическая энергия не используется, то K_D‘ = K_J и

Здесь A_max – максимальная работа незамкнутого процесса с детонацией, которая включает кинетическую энергию K_J. Поскольку V_H‘ > V_D‘, то e_H – e_D > > 0. Следовательно, максимальная работа A_max при детонационном сжигании топлива всегда больше работы продуктов горения при постоянном объеме, как и в случае полного цикла [1, 2]. В то же время без утилизации кинетической энергии разность A_J – A_H может оказаться отрицательной.

3. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Полезная работа полного цикла [1, 2] включает кинетическую энергию, но остается меньше максимальной работы незамкнутого процесса на величину тепла, отбираемого от продуктов горения при постоянном давлении на этапе восстановления начальной плотности газа. Это тепло эквивалентно работе p_o(V_D‘ – V_o) в случае детонации и p_o(V_H‘ – V_o) в случае горения при постоянном объеме. Используемый в [1] подход позволяет вычислить максимальную работу A_max без использования соотношений (2):

В табл. 1 приводятся результаты расчета для двух смесей с водородом. В обоих случаях детонация имеет абсолютное преимущество только по максимальной работе. Величины Q, γ_о и γ определены с помощью программы Gaseq.

Таблица 1.

Расчет для смеси водорода с кислородом и воздухом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе изоэнтропического расширения продуктов горения абсолютное преимущество детонации Чепмена–Жуге по сравнению с горением в условиях постоянного объема проявляется только при использовании кинетической энергии продуктов детонации. В противном случае горение при постоянном объеме может быть энергетически более эффективным, чем детонационное.

Научная
деятельность
Университет ИТМО

Разработка ученых Университета ИТМО может стать прорывом в проектировании двигателей

Детонационный двигатель: расчеты и практика

Ключевое отличие рассматриваемого двигателя от прочих заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. Если в обычном двигателе внутреннего сгорания сжатие топлива производится поршнем, то в детонационном двигателе его обеспечивает ударная волна: она либо проходит по объему топливной смеси, либо находится на месте, в то время как в камере сгорания движется газ. С теоретической точки зрения детонационный двигатель является самым эффективным типом теплового двигателя, однако создать рабочую установку, которая воплощает в реальность «бумажные» расчеты, пока никому не удавалось.

По словам руководителя международной лаборатории Университета ИТМО «Новые материалы и нанопленки для компонентной базы силовой, СВЧ электроники и микросенсорики» Павла Булата, группа ученых лаборатории потратила полтора года на серьезные теоретические исследования, в основу которых легли фундаментальные результаты основоположника советско-российской школы ударных волн Владимира Ускова. Удалось выяснить, что серьезные сомнения вызывает сама модель течения, на основе которой проектируют современные детонационные двигатели.

«Мы поняли, что ударно-волновые структуры, которые используются в известных проектах детонационных двигателей, неоптимальны. Ударно-волновая структура должна создавать максимальное давление в камере сгорания. Но в любом существующем проекте она начинает свободно распространяться по объему камеры сгорания, и, как любая термодинамическая система, стремится занять положение с наименьшим уровнем энергии. Это как раз обратно тому, что нам требуется от ракетного реактивного или газотурбинного двигателя, – рассказывает Павел Булат. – Нам удалось выяснить, что оптимальные ударно-волновые структуры существуют, мы выделили классы этих систем и создали макет газотурбинной установки для проведения экспериментов».

Университет ИТМО. Павел Булат.
В поисках идеальной ударной волны

Павел Булат отмечает, что выяснение оптимальных параметров ударно-волновой структуры знаменует новый подход в проектировании двигателей. Это можно сравнить с тем, как в начале 80-х годов прошлого века аэродинамик Дитрих Кюхеман выдвинул предложение, что летательные аппараты следует проектировать в обратном порядке: не совершенствовать аэродинамику уже почти готового аппарата, а проектировать их на основе того, каким должно быть течение воздуха. Ученые лаборатории нанопленок и новых материалов пытаются делать то же самое с двигателями: если требуется осуществить прорыв в получении удельных характеристик, снизить на 25% расход топлива или в разы уменьшить размеры камеры сгорания, необходимо для начала найти абсолютный оптимум термодинамического процесса.

Получив первые результаты исследования ударно-волновых структур, ученые начали изготовление опытной установки, которая будет имитировать разложенную по циклам работу детонационного двигателя: вместо турбины и компрессора сейчас используются массогабаритные аналоги. Согласно планам, с помощью численных расчетов и экспериментов на установке ученые попытаются нащупать конструктивное решение в течение следующего года. В случае успеха, отмечает Павел Булат, можно будет ожидать смену технологического уклада в газотурбостроении: результаты работы обеспечат повышение КПД и минимизацию существующих установок, снижение стоимости их изготовления и эксплуатации.

Одним из преимуществ также может стать решение задачи охлаждения. За счет того, что ударная волна движется относительно стенок камеры сгорания со скоростью минимум 1 км/с, пик воздействия высокой температуры на них минимальный по времени. Для тех же проектов, где ударная волна неподвижна относительно камеры, удалось найти ударно-волновые структуры, в которых волна «оторвана» от стенок, между которыми создается воздушная прослойка.

Новое слово в двигателестроении

Две потенциальных сферы применения разработки – наземная энергетика и дешевые ракетные двигатели. У лаборатории уже есть планы по коммерциализации проекта и применению создаваемой технологии на микроспутниках и вспомогательных силовых установках летательных аппаратов.

«В этой сфере сложилось так, что детонацией и ударными волнами занимаются разные исследователи. Специалисты по горению и взрыву привыкли изучать, с чем взаимодействует и от чего отражается ударная волна, какая энергия должна подводиться, чтобы возникла детонация, а не горение, и так далее; считается, что детонационная волна возникла сама по себе, ученые пытаются ее «оседлать». Есть специалисты в области теории ударных волн, но они никогда не исследовали именно детонацию, то есть горение, возникающее вслед за ударной волной. Поэтому то, чем занимается наша лаборатория, никто раньше не делал, – комментирует Павел Булат. – Всплеск интереса к теме возник три года назад, когда в США появилась новость, что их Министерство обороны решило переоснастить все корабельные турбины детонационной камерой сгорания. Замечу, что после этой новости научные статьи по теме в Америке выходить перестали. Я считаю, что они сумели разобраться, что к чему, и наша задача – тоже не отстать».

Отметим, что только в этом году была опубликована 41 работа по теме проекта; с их списком можно ознакомиться на сайте лаборатории. По оценке Павла Булата, работать над созданием новой технологии еще предстоит как минимум два года. Исследование ведется при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Соглашение № 14.575.21.0057).

Александр Пушкаш,
Редакция новостного портала Университета ИТМО