Istniejące systemy napędowe dla lotnictwa i pocisków rakietowych wykazują bardzo wysokie osiągi, ale zbliżają się do granicy swoich możliwości. Aby jeszcze bardziej zwiększyć parametry ciągu, co stwarza podstawy do rozwoju rakiety lotniczej i przemysłu kosmicznego, potrzebne są inne silniki, m.in. z nowymi zasadami pracy. Wielkie nadzieje wiąże się z tzw. silniki detonacyjne. Takie systemy klasy impulsowej są już testowane w laboratoriach i na samolotach.
Zasady fizyczne
Istniejące i działające silniki na paliwo ciekłe wykorzystują spalanie poddźwiękowe lub deflagrację. Reakcja chemiczna z udziałem paliwa i utleniacza tworzy front, który przemieszcza się przez komorę spalania z prędkością poddźwiękową. Spalanie to ogranicza ilość i prędkość gazów reaktywnych wypływających z dyszy. W związku z tym maksymalny ciąg jest również ograniczony.
Alternatywą jest spalanie detonacyjne. W tym przypadku front reakcji porusza się z prędkością ponaddźwiękową, tworząc falę uderzeniową. Ten tryb spalania zwiększa wydajność produktów gazowych i zapewnia zwiększoną przyczepność.
Silnik detonacyjny może być wykonany w dwóch wersjach. Jednocześnie opracowywane są silniki impulsowe lub pulsacyjne (IDD/PDD) oraz obrotowe/obrotowe. Ich różnica polega na zasadach spalania. Silnik rotacyjny utrzymuje stałą reakcję, natomiast silnik impulsowy działa na zasadzie kolejnych „wybuchów” mieszanki paliwa i utleniacza.
Impulsy tworzą ciąg
Teoretycznie jego konstrukcja nie jest bardziej skomplikowana niż tradycyjny silnik odrzutowy lub silnik rakietowy na paliwo ciekłe. Zawiera komorę spalania i zespół dyszy, a także środki do dostarczania paliwa i utleniacza. W takim przypadku na wytrzymałość i trwałość konstrukcji nakładane są specjalne ograniczenia związane ze specyfiką pracy silnika.
Podczas pracy wtryskiwacze dostarczają paliwo do komory spalania; utleniacz jest dostarczany z atmosfery za pomocą urządzenia zasysającego powietrze. Po utworzeniu mieszaniny następuje zapłon. Dzięki właściwemu doborowi składników paliwa i proporcji mieszanki, optymalnej metodzie zapłonu oraz konfiguracji komory powstaje fala uderzeniowa poruszająca się w kierunku dyszy silnika. Obecny poziom technologii umożliwia uzyskanie prędkości fali do 2,5-3 km / s przy odpowiednim wzroście ciągu.
IDD wykorzystuje pulsacyjną zasadę działania. Oznacza to, że po detonacji i uwolnieniu gazów reaktywnych komora spalania zostaje przedmuchana, ponownie wypełniona mieszanką – i następuje nowa „eksplozja”. Aby uzyskać wysoki i stabilny ciąg, cykl ten musi być wykonywany z dużą częstotliwością, od dziesiątek do tysięcy razy na sekundę.
Trudności i zalety
Główną zaletą IDD jest teoretyczna możliwość uzyskania ulepszonych charakterystyk, które zapewniają przewagę nad istniejącymi i przyszłymi silnikami strumieniowymi i na paliwo ciekłe. Tak więc przy tym samym ciągu silnik impulsowy okazuje się bardziej kompaktowy i lżejszy. W związku z tym w tych samych wymiarach można stworzyć potężniejszą jednostkę. Ponadto taki silnik jest prostszy w konstrukcji, ponieważ nie potrzebuje części oprzyrządowania.
IDD działa w szerokim zakresie prędkości, od zera (na początku rakiety) do hipersonicznego. Może znaleźć zastosowanie w systemach rakietowych i kosmicznych oraz w lotnictwie - w dziedzinach cywilnych i wojskowych. We wszystkich przypadkach jego charakterystyczne cechy pozwalają na uzyskanie pewnych przewag nad tradycyjnymi systemami. W zależności od potrzeb możliwe jest stworzenie rakietowego IDD za pomocą utleniacza ze zbiornika lub reagującego z powietrzem, który pobiera tlen z atmosfery.
Istnieją jednak znaczne wady i trudności. Aby więc opanować nowy kierunek, konieczne jest przeprowadzenie różnych dość złożonych badań i eksperymentów na styku różnych nauk i dyscyplin. Specyficzna zasada działania stawia specjalne wymagania dotyczące konstrukcji silnika i jego materiałów. Ceną wysokiego ciągu są zwiększone obciążenia, które mogą uszkodzić lub zniszczyć konstrukcję silnika.
Wyzwaniem jest zapewnienie wysokiego tempa dostarczania paliwa i utleniacza, odpowiadającego wymaganej częstotliwości detonacji, a także przeprowadzenie oczyszczania przed dostarczeniem paliwa. Ponadto osobnym problemem inżynieryjnym jest uruchamianie fali uderzeniowej w każdym cyklu eksploatacji.
Należy zauważyć, że do tej pory IDD, pomimo wszelkich wysiłków naukowców i projektantów, nie są gotowe wyjść poza laboratoria i stanowiska testowe. Projekty i technologie wymagają dalszego rozwoju. Dlatego nie trzeba jeszcze mówić o wprowadzeniu do praktyki nowych silników.
Historia technologii
Ciekawe, że zasada pulsacyjnego silnika detonacyjnego została po raz pierwszy zaproponowana nie przez naukowców, ale przez pisarzy science fiction. Na przykład łódź podwodna „Pioneer” z powieści G. Adamova „Tajemnica dwóch oceanów” użyła IDD na mieszance gazowej wodoru i tlenu. Podobne idee pojawiały się w innych dziełach sztuki.
Badania naukowe na temat silników detonacyjnych rozpoczęły się nieco później, w latach czterdziestych, a pionierami kierunku byli radzieccy naukowcy. W przyszłości, w różnych krajach, wielokrotnie podejmowano próby stworzenia doświadczonego IDD, ale ich sukces był poważnie ograniczony przez brak niezbędnych technologii i materiałów.
31 stycznia 2008 r. agencja DARPA Departamentu Obrony USA i Laboratorium Sił Powietrznych rozpoczęły testowanie pierwszego latającego laboratorium z IDD typu oddychającego powietrzem. Oryginalny silnik został zainstalowany na zmodyfikowanym samolocie Long-EZ firmy Scale Composites. Elektrownia składała się z czterech rurowych komór spalania z doprowadzeniem paliwa płynnego i poboru powietrza z atmosfery. Przy częstotliwości detonacji 80 Hz ciąg około. 90 kgf, co wystarczało tylko na lekki samolot.
Testy te wykazały fundamentalną przydatność IDD do stosowania w lotnictwie, a także wykazały potrzebę udoskonalenia projektów i zwiększenia ich właściwości. W tym samym 2008 roku prototyp samolotu został wysłany do muzeum, a DARPA i powiązane organizacje kontynuowały pracę. Poinformowano o możliwości wykorzystania IDD w obiecujących systemach rakietowych - ale do tej pory nie zostały one opracowane.
W naszym kraju temat IDD był badany na poziomie teorii i praktyki. Na przykład w 2017 roku w czasopiśmie Combustion and Explosion ukazał się artykuł o testach detonacyjnego silnika strumieniowego działającego na gazowy wodór. Trwają również prace nad silnikami detonacyjnymi rotacyjnymi. Opracowano i przetestowano silnik rakietowy na paliwo ciekłe, nadający się do stosowania na pociskach. Badana jest kwestia wykorzystania takich technologii w silnikach lotniczych. W tym przypadku komora spalania detonacyjnego jest zintegrowana z silnikiem turboodrzutowym.
Perspektywa technologii
Silniki detonacyjne cieszą się dużym zainteresowaniem z punktu widzenia ich zastosowania w różnych dziedzinach i dziedzinach. Ze względu na oczekiwany wzrost głównych cech mogą przynajmniej wycisnąć systemy istniejących klas. Jednak złożoność rozwoju teoretycznego i praktycznego nie pozwala na ich zastosowanie w praktyce.
Jednak w ostatnich latach obserwuje się pozytywne tendencje. Silniki detonacyjne ogólnie, w tym. pulsujące, coraz częściej pojawiają się w wiadomościach z laboratoriów. Rozwój tego kierunku trwa, aw przyszłości będzie w stanie dać pożądane wyniki, chociaż czas pojawienia się obiecujących próbek, ich cechy i obszary zastosowania są nadal kwestionowane. Jednak przekazy ostatnich lat pozwalają z optymizmem patrzeć w przyszłość.
