Что такое импульсно детонационный двигатель

Новости

Новый тип двигателя на микровзрывах

В России разработан и произведен тестовый образец импульсного детонационного двигателя. Новый двигатель является является большим скачком вперед в развитии технологий. Технологический прорыв, который обеспечивает данный двигатель, сравнивают с теми временами, когда на смену пропеллерам пришли реактивные двигатели.

Принципиальные отличия нового типа двигателя Импульсный двигатель, в отличии от реактивного, работает не за счет сгорания топлива, а за счет его детонации – большого количества малых по своей разрушающей силе взрывов (так называемых: микро-взрывов), ударные волны направлены определенным образом и приводят в движение сразу всю полезную нагрузку. Принцип работы нового двигателя заключается в том, что реакция окисления горючего происходит за ударной волной, с высокой скоростью перемещающейся по камере сгорания. Проще говоря, внутри данного двигателя в специальной камере, с высокой частотой происходит множество микро взрывов топливного вещества. Данный процесс изначально считался трудно-контролируемым, этим и объясняется тот факт, что до сих пор, данный тип двигателей не был освоен должным образом. Однако, исследования в данной области велись в СССР и в последствии – в России. Российским ученым удалось научиться «контролировать» процесс микровзрывов и направить его, как говориться, в нужное русло. Такой тип двигателя демонстрирует колоссально высокий коэффициент полезного действия (высокий КПД), ведь, в нем, практически отсутствуют механические (трущиеся детали). В сравнении с конструкциями традиционной схематехники, новый тип двигателя, обеспечивает прирост тяги порядка + 30%. Именно детонационный двигатель станет толчком к развитию средств, двигающихся с гиперзвуковыми скоростями – считают разработчики. Российские разработчики уже заявили, что эффект, который произведут импульсные двигатели на общий прогресс развития техники такой же, как это было, в свое время, при разработке реактивного двигателя. Эффект был необратимым и молниеносным: практически мгновенно самолеты, летающие на винтовой тяге, потеряли свою актуальность. Уровень спроса на новую технологию — огромен. Именно поэтому Россия уделяет особое внимание данным технологиям. Доказательством повышенного спроса на данную российскую разработку, является то факт, что США потребовали передать часть технологий под предлогом того, что была использована часть американского оборудования.

Оборудование для разработки новых типов летательных аппаратов

Компания Сервотехника предлагает ряд специализированного оборудования для проведения тестовых работ для всех типов новых и перспективных летательных аппаратов, ракет, и т .п. изделий — это моделирующие динамические стенды или так называемые >»>стенды полунатурного моделирования. >»>Полунатурные методы моделирования занимают промежуточную стадию проектирования, когда опытные образцы изделия уже физически изготовлены, но они еще не готовы к натурным (реальным) испытаниям в силу своей незаконченности, неточности и некоторой неизвестности по ряду параметров.

Компания Сервотехника — разрабатывает и изготавливает средства полунатурного моделирования (СПМ) с учетом особо-требовательных задач. Опыт работы компании позволяет создавать многостепенные динамические моделирующие стенды – имитаторы угловых движений для летательного аппарата относительно центра масс, а также узлы перемещения источников излучения различных спектральных диапазонов для воспроизведения углового движения линии визирования. Сервотехника осуществляет разработку, производство, поставку, гарантийное и пост-гарантийное обслуживание СПМ. За последние 15 лет было создано и модернизировано несколько типов СПМ, отвечающих современным требованиям полунатурного моделирования.

Заказать или разработать стенд полунатурного моделирования >>

Что такое импульсно детонационный двигатель

Проекты по детонационному горению в США включены в программу разработок перспективных двигателей IHPTET. В кооперацию входят практически все исследовательские центры, работающие в области двигателестроения. Только в NASA на эти цели выделяется до 130 млн $ в год. Это доказывает актуальность исследований в данном направлении.

Обзор работ в области детонационных двигателей

Рыночная стратегия ведущих мировых производителей направлена не только на разработку новых реактивных детонационных двигателей, но и на модернизацию существующих путем замены в них традиционной камеры сгорания на детонационную. Кроме того, детонационные двигатели могут стать составным элементом комбинированных установок различных типов, например, использоваться в качестве форсажной камеры ТРДД, в качестве подъемных эжекторных двигателей в СВВП (пример на рис. 1 – проект транспортного СВВП фирмы «Боинг»).

В США разработки детонационных двигателей ведут многие научные центры и университеты: ASI, NPS, NRL, APRI, MURI, Stanford, USAF RL, NASA Glenn, DARPA-GE C&RD, Combustion Dynamics Ltd, Defense Research Establishments, Suffield and Valcartier, Uniyersite de Poitiers, University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers, McGill University, Pennsylvania State University, Princeton University.

Ведущие позиции по разработке детонационных двигателей занимает специализированный центр Seattle Aerosciences Center (SAC), выкупленный в 2001 г. компанией Pratt and Whitney у фирмы Adroit Systems. Большая часть работ центра финансируется ВВС и NASA из бюджета межведомственной программы Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), направленной на создание новых технологий для реактивных двигателей различных типов.

Рис. 1. Патент US 6,793,174 В2 фирмы «Боинг», 2004 г.

В общей сложности, начиная с 1992 г., специалистами центра SAC осуществлено свыше 500 стендовых испытаний экспериментальных образцов. Работы по пульсирующим детонационным двигателям (PDE) с потреблением атмосферного кислорода Центр SAC ведет по заказу ВМС США. Учитывая сложность программы, специалисты ВМС привлекли к ее реализации практически все организации, занимающиеся детонационными двигателями. Кроме компании Pratt and Whitney, в работах принимают участие Исследовательский центр United Technologies Research Center (UTRC) и фирма Boeing Phantom Works.

В настоящее время в нашей стране над этой актуальной проблемой в теоретическом плане работают следующие университеты и институты Российской академии наук (РАН): Институт химической физики РАН (ИХФ), Институт машиноведения РАН, Институт высоких температур РАН (ИВТАН), Новосибирский институт гидродинамики им. Лаврентьева (ИГиЛ), Институт теоретической и прикладной механики им. Христиановича (ИТМП), Физико-технический институт им. Иоффе, Московский государственный университет (МГУ), Московский государственный авиационный институт (МАИ), Новосибирский государственный университет, Чебоксарский государственный университет, Саратовский государственный университет и др.

Направления работ по импульсным детонационным двигателям

Направление № 1 – Классический импульсный детонационный двигатель (ИДД). 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.

Классический облик ИДД – цилиндрическая камера сгорания, которая имеет плоскую или специально спрофилированную стенку, именуемую «тяговой стенкой» (рис. 2). Простота устройства ИДД – неоспоримое его достоинство. Как показывает анализ имеющихся публикаций [7, 6], 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.

Рис. 2. Принципиальная схема импульсно-детонационного двигателя (ИДД)

Направление № 2 – Многотрубный ИДД. Основной тенденцией при разработках ИДД является переход к многотрубной схеме (рис. 3). 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 [1], в частности, возможных низкочастотных колебаний [2, 4, 5] в донной области между трубами.

Рис. 3. Импульсно-детонационный двигатель (ИДД) традиционной схемы с пакетом детонационных труб в качестве резонаторов

Направление № 3 – ИДД с высокочастотным резонатором. Существует и альтернативное направление – широко разрекламированная в последнее время схема с тяговыми модулями (рис. 4), имеющими специально спрофилированный высокочастотный резонатор. Работы в данном направлении ведутся в НТЦ им. А. Люльки и в МАИ [6]. Схема отличается отсутствием каких-либо механических клапанов и запальных устройств прерывистого действия.

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. Принципиальная схема одного цикла работы такого двигателя наглядно представлена на рис. 5.

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 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 [3]. 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).

Рис. 4. Схема ИДД с высокочастотным резонатором

Рис. 5. Схема ИДД с высокочастотным резонатором: СЗС – сверхзвуковая струя; УВ – ударная волна; Ф – фокус резонатора; ДВ – детонационная волна; ВР – волна разрежения; ОУВ – отраженная ударная волна

ИДД совершенствуются в направлении повышения частоты следования импульсов. Это направление имеет свое право на жизнь в области легких и дешевых беспилотных летательных аппаратов, а также при разработке различных эжекторных усилителей тяги.

Рецензенты:

Усков В.Н., д.т.н., профессор кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета, математико-механический факультет, г. Санкт-Петербург;

Емельянов В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой плазмогазодинамики и теплотехники, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.

Возможен ли импульсный детонационный двигатель?

Раджат Пай

Теперь это большой вопрос, и нам нужно его исправить и сделать более конкретным, но я не знаю как.

Недавно я начал изучать альтернативные концепции, и одна из них, о которой говорили, была импульсная детонация, которая представляет собой мгновенное сгорание в отличие от обычных ракетных двигателей, которое является дефлаграцией. У концепции есть детонация, происходящая в импульсах, и затем она поддерживает толчок из-за этих импульсов. Это имеет несколько последствий, которые я считаю нелепыми, но это было доказано компаниями и исследовательскими группами.

Мой вопрос заключается в том, существуют ли структуры, которые могут выдерживать нагрев, воздействие и напряжение детонации при масштабировании технологии до размеров ракетного двигателя (?). Он также не имеет ограничивающих форм-факторов, поскольку я видел различные формы входных отверстий и труб. Разве углы камеры не имеют концентрационных напряжений? Я начал читать исследовательские работы, но любые дополнительные сведения о том, как поступить с осуществимостью, будут полезны.

Это действительно возможно, и по крайней мере одно судно с двигателями импульсной детонации было успешно запущено.

Большой проблемой двигателей импульсной детонации для использования в самолете является адский шум — если вы думаете, что импульсные двигатели громкие, подумайте, что подойдет для замены высокочастотных дефлаграций высокочастотными детонациями. Но идея ясна (не каламбур), так как детонация может допускать высокую скорость выхлопа, которую вы хотите для космических двигателей, при этом имея удар, который дают химические двигатели, что вы также хотите избежать гравитации или пересечь фургон Аллен пояс как можно быстрее.

Как я подробно описываю в этом ответе , большинство исследований сегодня, похоже, сосредоточено на аналогичной концепции — детонационных двигателях с вращающейся волной, где детонационные фронты продолжают вращаться в кольцеобразной камере вместо трубки с циклической детонацией-эвакуацией. Он использует тот же принцип, но более эффективен, так как вам не нужно ждать, пока продукты детонации эвакуируются, или некоторые из этих смесей с реагентами для следующей детонации. Кроме того, вы можете контролировать количество фронтов в данный момент, вводя больше или меньше реагентов, что может дать вам векторный контроль, вводя больше на одной стороне кольца, чем на другой. Непрерывные детонации кажутся менее тяжелыми для двигателя, чем импульсные детонации, поэтому износ, вероятно, лучше, хотя нагрев все еще является большой проблемой. Кроме того, это кажется менее оглушительно громким.

Однако работать даже более придирчиво, чем двигатели импульсной детонации, которые уже кажутся достаточно сложными, но преимущества достаточно велики, чтобы каждый мог над ними поработать. Однако могут быть более отдаленные будущие случаи, когда космический корабль использует сравнительно более простой импульсный детонационный двигатель.

И чтобы сделать отступление от исследования космоса, если по какой-то причине шум не является проблемой, опять же, двигатели импульсной детонации могут быть довольно простыми после того, как конструкция будет отлажена. Так что, если вам нужны самолеты в следующем фильме «Безумный Макс», это может иметь смысл. Фактически, для тряпичной авиации шум может даже быть особенностью. Сегодняшние самолеты иногда используют сверхзвуковой облет вражеской пехоты в качестве непосредственной авиационной поддержки.

Раджат Пай

Ingolifs

Импульсное движение, безусловно, возможно, но есть ряд технических проблем, которые означают, что такая конструкция никогда не будет более эффективной, чем сопоставимая химическая ракета с постоянным потоком. Для ядерной тяги инженерные задачи несколько иные.

Химическая пропульсия

Есть много проблем с импульсным химическим движителем.

1. Шок

Двигатель с постоянным потоком обеспечивает (более или менее) постоянную величину ускорения. Проектирование ракеты для выдерживания напряжений, скажем, 3-4 Гс устойчивого ускорения гораздо проще, чем найти конструкцию, которая выдержит 20 Гс прерывистого ускорения. Вы можете поставить амортизаторы и амортизаторы на конец ракеты, но это дополнительный вес. Все компоненты, которые получают всю основную нагрузку от удара, должны быть соответствующим образом усилены, и, следовательно, также внесут дополнительную массу в корабль.

2. Утечка

Как вы знаете, ракеты движутся вперед, производя высокоскоростные продукты сгорания и направляя их все назад. Двигатель с постоянным потоком очень хорош в этом — от камеры сгорания до горловины и сопла поток становится сверхзвуковым и направляется практически в одном и том же направлении.

При импульсной проекции взрыв должен происходить за пределами камеры. Только часть взрыва, которая поражает ударную пластину, способствует продвижению корабля вперед. Остальное теряется вбок и назад. Эта проблема может быть несколько смягчена путем использования зарядов соответствующей формы, но вы все равно получите большую неэффективность.

3. Выбор топлива

Этот, который я считаю относительно незначительным, но использование сверхзвуковой детонации, а не дефлаграции, ограничивает выбор топлива. Это может быть удивительным, но взрывчатые вещества, такие как HMX или TNT, имеют гораздо меньшую энергетическую емкость, чем керосин / LOX, и, следовательно, более низкий максимальный удельный импульс. Керосин / LOX просто сгорает медленнее, чем эти взрывчатые вещества, и не может создать сверхзвуковую ударную волну. Я не знаю точно, требуется ли сверхзвуковая ударная волна для импульсного движения или такая система пригодна для движения в вакууме.

Ядерное движение

Так почему же существуют конструкции для импульсного ядерного двигателя? В конце концов, любой дизайн все равно будет страдать от тех же проблем, что и с химическим двигателем.

Ответ заключается в том, что поддерживать ядерную реакцию с постоянным потоком гораздо сложнее, чем неоднократно взрывать ядерные бомбы. Ядерное оружие значительно выигрывает от эффекта масштаба, и поэтому несколько более крупных бомб будут гораздо более эффективными, чем те же массовые бомбы меньшего размера. Существуют предложения для такого двигателя с постоянным потоком, включающего соли обогащенного урана, растворенные в воде (см . Ракета Соленой воды Зубрина ), но связанные с этим инженерные трудности были бы огромными. Поддерживать ядерную реакцию (которая по своей природе нестабильна, легко истощается или убегает даже при небольших изменениях нейтронного потока) в среде, содержащей турбулентные потоки воды, было бы . трудно.

Ядерный двигатель с импульсным двигателем был бы сравнительно легче спроектировать и построить, чем ядерная ракета с соленой водой, но он страдал бы от той же неэффективности, что и химический импульсный двигатель. Теоретические расчеты для ракет «Соленая вода», как правило, дают намного больше, чем у космического корабля в стиле «Орион».

Важнейшие достижения 2012 года

1. Фемтосекундная лазерная нанохирургия
(д.ф.-м.н., проф. О.М. Саркисов)

Направление ФИ №36

Созданы фундаментальные основы технологии фемтосекундной лазерной микрохирургии эмбрионов млекопитающих. Разработаны лазерные методики микрохирургии клеток и эмбрионов — оптоперфорации блестящей оболочки, манипулирования стволовыми клетками с реконструированным геномом, слияния бластомеров. С использованием разработанных методик построена технологическая цепочка генетической реконструкции предимплантационного эмбриона млекопитающих. Впервые в мире проведены лазерные микрохирургические операции получения «чистой линии» мышей. Все стадии операции проведены только с использованием лазеров, без применения иных способов реконструкции эмбриона.

2. Энергосберегающие преимущества управляемого детонационного горения.
(д.ф.-м.н. С.М. Фролов)

Направление ФИ №37

В ИХФ РАН впервые в мире решена проблема реализации процесса управляемого импульсно-детонационного горения природного газа, в настоящее время идет рабочее проектирование инновационных импульсно-детонационных скоростных горелок, которые превосходят лучшие зарубежные аналоги, работающие на медленном горении (рис. 1). Разработан демонстратор ракетного двигателя нового типа – жидкостный импульсно-детонационный микродвигатель для систем стабилизации космических аппаратов, который прошел успешные огневые испытания и передан в Роскосмос. Микродвигатель может работать с управляемой частотой импульсов (до 200 Гц) и позволяет качественно повысить точность коррекции космического аппарата: становится возможным осуществлять коррекцию не по времени работы двигателя, а по количеству (и частоте) импульсов, то есть не в «аналоговом», а в высокоточном «цифровом» режиме. Получены расчетно-экспериментальные результаты (рис. 2), показывающие реальную возможность создания принципиально нового ракетного двигателя, работающего на управляемом детонационном горении керосина в кислороде и имеющего удельный импульс на 13-15% выше по сравнению с обычным жидкостным ракетным двигателем.

3. Аппаратно-программная система
(Д.ф.-м.н. Горшков А.В., д.х.н. Евреинов В.В., д.х.н. Тигер Р.П., ИХФ РАН)

Направление ФИ №36

Разработана аппаратно-программная система, содержащая жидкостной хроматограф, позволяющий провести разделение макромолекулярной смеси на нормальной гидрофильной (HILIC) и обращенной (RP C18) фазах, и масс-спектрометр для структурной идентификации компонентов. Методика использована для анализа большого массива данных по смесям полипептидов различного происхождения.

4. Селективный оксикрекинг тяжелых компонентов попутного газа
(д.х.н. Арутюнов В.С.)

Направление ФИ №38

Разработана и прошла пилотные испытания принципиально новая технология селективного оксикрекинга тяжелых компонентов попутных и природных газов. Тяжелые гомологи метана, имеющие низкую детонационную стойкость и склонные к саже- и смолообразованию, конвертируются в более легкие высокооктановые соединения. Полученный газ пригоден для использования в современных газопоршневых и газотурбинных установках. Технология сохраняет исходный углеводородный потенциал топлива, не требует использования катализаторов и других расходных материалов, не создает требующих утилизации отходов. Ведется проектирование опытно-промышленной установки для газопоршневой электростанции мощностью 1,5 МВт. Технология позволяет на 20-30% сократить объем факельного сжигания попутного газа за счет его использования для собственного энергообеспечения нефтедобывающих предприятий.

5. Полимерные фотохромные композиты, получаемые импрегнацией в сверхкритическом диоксиде углерода

Направление ФИ № 38

Впервые показано, что в полимерных фотохромных композитах, полученных импрегнацией в сверхкритическом диоксиде углерода (СК-СО2) термопластичных полимеров, содержащих донорно-акцепторные группы, индолиновыми спирооксазинами, фрагменты макромолекулярной цепи могут образовывать с окрашенными формами фотохромов комплексы с переносом зарядов, что приводит к длительной стабилизации мероцианиновых форм (В) спиросоединений с разными положениями максимумов поглощения в красной области спектра. При импрегнации в СК-СО2 полимеров в присутствии низкомолекулярных доноров электронов (толуол, дифталаты) окрашенные формы фотохромов могут переходить друг в друга. Благодаря своей фотостабильности и варьируемой скорости обесцвечивания такие материалы могут представлять большой интерес для создания трехмерных записывающих сред, голографических материалов и т.д. (Черкасова А.В., Глаголев Н.Н., Зайченко Н.Л., Кольцова Л.С., Шиенок А.И., Соловьева А.Б., ИХФ РАН; Баграташвили В.Н., ИПЛИТ РАН)

Рис.1. Предполагаемые конфигурации окрашенной формы (В) спиросоединений, образующиеся при фотовозбуждении в растворах разной полярности или при введении фотохромов в среде СК-СО2 в полимеры, с определенными донорно-акцепторными группами в структуре, с максимумами полос поглощения, отстоящими друг от друга на 70-150нм. В данной работе они зафиксированы впервые. Здесь Аи -исходная (неокрашенная) форма списросоединений, R – ароматическая часть молекул спиросоединений., В1, В2, В3 и В4 – возможные изомеры формы В.

6. Новый полимерный композиционный материал – теплопроводяший диэлектрик на основе СВМПЭ и Al

Направление ФИ № 36

Разработанный высоконаполненный полимерный композиционный материал на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена в качестве матрицы и наполнителя, совмещающего микронные и наноразмерные частицы алюминия с барьерным оксидным покрытием, сочетает диэлектрические и теплопроводящие (теплопроводность до 8 Вт/мК при содержании наполнителя 58 об. %) свойства. Композиты, включающие только микронные или только наноразмерные частицы алюминия, обладают теплопроводностью не выше 3 Вт/мК даже при более высоких наполнениях. Материалы характеризуются высокой монолитностью. В материалах заинтересованы потребители, работающие в электротехнической области и электронике. (Новокшонова Л.А., Кудинова О.И., Гринёв В.Г., Крашенинников В.Г., Нежный П.А., ИХФ РАН)