Импульсный детонационный двигатель (ИДД; пульсирующий детонационный двигатель) — двигателя, в котором горение смеси топлива и окислителя происходит путём детонации, а не дефлаграции, как в обычных двигателях[1][2]. Такой двигатель является импульсным, так как после прохождения детонационной волны по камере сгорания требуется обновление топливно-окислительной смеси.
Концепция
правитьПринцип действия схож с пульсирующими воздушно-реактивными двигателями. Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу расходится ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества тепла. В современных авиационных и ракетных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью; такой процесс называется дефлаграцией.
Теоретически, ИДД работоспособен в диапазоне от дозвуковых до гиперзвуковых скоростей (около 4—5 Мах)[3]. Идеальный ИДД может иметь термодинамическую эффективность большую, чем турбореактивный двигатель и турбовентиляторный двигатель за счёт того, что детонационная волна быстрее сжимает смесь и нагревает её практически без изменения объёма. Следовательно, многие движущиеся части, такие как нагнетатель, являются необязательными, уменьшая вес и стоимость. Теоретические расчёты показали, что детонационное горение на 25 % эффективней, чем изобарический цикл, соответствующий сгоранию топлива при постоянном давлении, который реализован в камерах современных жидкостно-реактивных двигателей. Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели.
Детонационные двигатели сегодня делятся на два основных типа: импульсные (пульсирующие) и «вращающиеся» (ротационные, их ещё называют спиновыми):
- Импульсный детонационный двигатель
- в импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси.
- Вращающийся детонационный двигатель
- во вращающемся детонационном двигателе (ВДД) происходит постоянная незатухающая детонация в кольцевой камере сгорания (горение смеси происходит постоянно без остановки, причем фронт горения «бежит» по кольцевой камере сгорания без перерыва)[4][5]. В них предусмотрена закольцованная камера сгорания, расположенная между двумя цилиндрами, находящимися один внутри другого; в этой камере тяга генерируется посредством ударной волны, удерживающейся в бесконечной петле.Через форсунки в камеру подаются газообразное топливо и окислитель, затем они поджигаются. Происходит первая детонация, в результате которой испускается сверхзвуковая ударная волна, которая проходит по закольцованной камере сгорания. Сделав один оборот и вернувшись к форсункам, она поджигает следующую партию топлива и окислителя: взрыв создает еще одну сверхзвуковую волну, потом еще и еще. В результате серии взрывов появляется тяга.
- Такой тип двигателя имеет ряд преимуществ[6]:
- они достаточна просты в конструкции, поскольку лишены подвижных частей;
- лёгкие и компактные;
- их производство обходится гораздо дешевле производства газотурбинных двигателей;
- их сложно вывести из строя;
- для их производства не требуются «экзотические» материалы;
- вращающийся детонационный двигатель можно использовать в тандеме с реактивным или газотурбинным.
История
правитьИДД изучаются уже более 70 лет[7]. Основные проблемы: быстрое и эффективное перемешивание топлива и окислителя, предотвращение самовозгорания, интеграция сопла и воздухозаборника. Серийно не производились, но несколько тестовых двигателей демонстрировались на низкоскоростных самолётах (Scaled Composites Long-EZ) в 2008 году.
В июле 2016 года на стенде ПНО «Энергомаш» в России состоялись первые в мире испытания экспериментального детонационного ЖРД.
В конце декабря 2016 года американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе вращающегося детонационного двигателя (ВДД). Работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планировалось завершить к середине 2019 года, однако сроки окончания проекта были перенесены[8]; испытания были проведены в январе 2023[9].
В начале 2021 года австралийские разработчики отчитались об успешном запуске ВДД на полигоне.
В 2021 г. в России завершен первый этап испытаний демонстратора прямоточного пульсирующего детонационного двигателя, разработанного на НПО «Энергомаш»[10]
Летом 2021 года Японское космическое агентство (JAXA) сообщило о проведении первых в истории испытаний такого двигателя на орбите. Запуск состоялся 27 июля с помощью восьмиметровой метеорологической ракеты S-520 (N31, стартовала с космодрома Утиноура), которая за четыре минуты по баллистической траектории достигла высоты 235 километров, а ещё через четыре — капсула с записанными результатами испытаний упала в море, где её подобрали специалисты. По заявлениям инженеров JAXA, тесты прошли успешно — после отделения первой ступени ракеты ВДД включился и проработал в течение шести секунд, создав тягу 500 Ньютон.[11]
В 2023 году Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) подписало контракт с военно-промышленной компанией Raytheon на создание рабочей версии воздушного ВДД под названием Gambit. Он не будет иметь подвижных элементов и сможет обеспечить более высокий КПД, чем обычные ракетные двигатели. Применение его планируются на крылатых ракетах.[6]
См. также
править- Импульсный двигатель
- Вращающийся детонационный двигатель
- Аврора (SR-91 Aurora) — мифический гиперзвуковой самолёт ВВС США
Литература
править- Импульсные детонационные двигатели. Под редакцией Фролова С. М. / М. :Торус пресс, 2006, 592 с. ISBN 5-94588-043-4
Ссылки
правитьПримечания
править- ↑ Kailasanath, K., "Review of Propulsion Applications of Detonation Waves, " AIAA Journal, Vol. 39, No. 9, pp. 1698—1708, 2000.
- ↑ Roy, G.D., Frolov, S.M., Borisov, A.A., and Netzer, D.W., "Pulse Detonation Propulsion: Challenges, Current Status, and Future Perspective, " Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 30, No. 6, pp. 545—672, 2004.
- ↑ Архивированная копия. Дата обращения: 19 августа 2015. Архивировано 23 сентября 2015 года.
- ↑ lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
- ↑ Navy researchers look to rotating detonation engines to power the future. Дата обращения: 10 ноября 2012. Архивировано 6 ноября 2012 года.
- ↑ 1 2 Американский ВПК разрабатывает революционный вращающийся детонационный двигатель Архивная копия от 16 января 2024 на Wayback Machine // naked-science.ru, 14.10.2023
- ↑ Hoffmann, N., Reaction Propulsion by Intermittent Detonative Combustion, German Ministry of Supply, Volkenrode Translation, 1940.
- ↑ В России испытали детонационный двигатель тягой две тонны // nplus1.ru, 19 янв 2018 / Архивная копия от 19 апреля 2021 на Wayback Machine
- ↑ Посмотрите на испытания самого мощного ракетного двигателя НАСА // hightech.fm, 28 января 2023 / Источник. Дата обращения: 13 февраля 2023. Архивировано 13 февраля 2023 года.
- ↑ впервые макет пульсирующего детонационного двигателя был представлен на выставке "Армия-2017"; первые испытания жидкостного детонационного ракетного двигателя состоялись летом 2016 года. На некоторых режимах работы двигатель показал 50-процентное увеличение удельной тяги по сравнению с силовыми установками традиционных схем. В перспективе он будет применяться в ракетно-космических системах, орбитальных самолетах и гиперзвуковых летательных аппаратах. Топливо взрывается - полет нормальный// РГ, 18.01.2018 / Архивная копия от 9 февраля 2018 на Wayback Machine [1] Архивная копия от 19 апреля 2021 на Wayback MachineРоссийский детонационный двигатель прошел первый этап испытаний Архивная копия от 19 апреля 2021 на Wayback Machine // РГ, 12.04.2021 Российский детонационный двигатель прошел первый этап испытаний Архивная копия от 19 апреля 2021 на Wayback Machine // nplus1.ru, 10 апр 2021
- ↑ Вращающийся детонационный двигатель испытали в космосе Архивная копия от 16 января 2024 на Wayback Machine // naked-science.ru, 20.08.2021 ...Также сообщается, что на борту имелся и импульсный детонационный двигатель, также успешно включившийся, хотя это событие и не стало первым в истории — демонстрационные полеты самолета Scaled Composites Long-EZ, оснащенного таким двигателем, состоялись еще в 2008 г.