Pod koniec stycznia pojawiły się doniesienia o nowych postępach w rosyjskiej nauce i technologii. Z oficjalnych źródeł wyszło na jaw, że jeden z krajowych projektów obiecującego silnika odrzutowego typu detonacyjnego przeszedł już etap testów. To przybliża moment całkowitego zakończenia wszystkich wymaganych prac, zgodnie z którymi pociski kosmiczne lub wojskowe rosyjskiej konstrukcji będą w stanie uzyskać nowe elektrownie o podwyższonych parametrach. Co więcej, nowe zasady działania silników mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w dziedzinie rakiet, ale także w innych dziedzinach.
Pod koniec stycznia wicepremier Dmitrij Rogozin poinformował prasę krajową o ostatnich sukcesach organizacji badawczych. Poruszył między innymi proces tworzenia silników odrzutowych z wykorzystaniem nowych zasad działania. Obiecujący silnik ze spalaniem detonacyjnym został już przetestowany. Zdaniem wicepremiera zastosowanie nowych zasad działania elektrowni pozwala na znaczne zwiększenie wydajności. W porównaniu z budowlami architektury tradycyjnej obserwuje się wzrost ciągu o około 30%.
Schemat silnika rakiety detonacyjnej
Nowoczesne silniki rakietowe różnych klas i typów, eksploatowane w różnych dziedzinach, wykorzystują tzw. cykl izobaryczny lub spalanie deflagracyjne. Ich komory spalania utrzymują stałe ciśnienie, przy którym paliwo spala się powoli. Silnik oparty na zasadach deflagracji nie potrzebuje szczególnie wytrzymałych jednostek, jednak ma ograniczoną maksymalną wydajność. Podnoszenie podstawowych cech, zaczynając od pewnego poziomu, okazuje się bezzasadnie trudne.
Alternatywą dla silnika z cyklem izobarycznym w kontekście poprawy osiągów jest system z tzw. spalanie detonacyjne. W tym przypadku reakcja utleniania paliwa zachodzi za falą uderzeniową poruszającą się z dużą prędkością przez komorę spalania. Nakłada to specjalne wymagania na konstrukcję silnika, ale jednocześnie oferuje oczywiste zalety. Pod względem efektywności spalania paliwa spalanie detonacyjne jest o 25% lepsze niż spalanie deflagracyjne. Od spalania przy stałym ciśnieniu różni się także zwiększoną mocą wydzielania ciepła na jednostkę powierzchni frontu reakcji. Teoretycznie możliwe jest zwiększenie tego parametru o trzy do czterech rzędów wielkości. W konsekwencji prędkość gazów reaktywnych można zwiększyć 20-25 razy.
W ten sposób silnik detonacyjny, o zwiększonej wydajności, jest w stanie rozwinąć większy ciąg przy mniejszym zużyciu paliwa. Jego przewaga nad tradycyjnymi wzorami jest oczywista, ale do niedawna postęp w tej dziedzinie pozostawiał wiele do życzenia. Zasady detonacyjnego silnika odrzutowego zostały sformułowane w 1940 roku przez radzieckiego fizyka Ya. B. Zeldovich, ale gotowe produkty tego rodzaju nie zostały jeszcze wykorzystane. Głównymi przyczynami braku realnych sukcesów są problemy ze stworzeniem dostatecznie mocnej konstrukcji, a także trudność wystrzelenia, a następnie utrzymania fali uderzeniowej przy wykorzystaniu istniejących paliw.
Jeden z najnowszych krajowych projektów w dziedzinie silników rakietowych detonacyjnych został uruchomiony w 2014 roku i jest rozwijany w NPO Energomash im. Akademik W. P. Głuszko. Według dostępnych danych celem projektu o kodzie „Ifrit” było zbadanie podstawowych zasad nowej technologii, a następnie stworzenie silnika rakietowego na paliwo ciekłe, wykorzystującego naftę i tlen gazowy. Nowy silnik, nazwany na cześć demonów ognia z arabskiego folkloru, opierał się na zasadzie spalania detonacji spinowej. Zatem zgodnie z główną ideą projektu fala uderzeniowa musi nieustannie poruszać się po okręgu wewnątrz komory spalania.
Głównym deweloperem nowego projektu był NPO Energomash, a właściwie stworzone na jego podstawie specjalne laboratorium. Ponadto w prace zaangażowanych było kilka innych organizacji badawczo-rozwojowych. Program otrzymał wsparcie Fundacji Advanced Research Foundation. Dzięki wspólnym wysiłkom wszystkim uczestnikom projektu Ifrit udało się stworzyć optymalny wygląd obiecującego silnika, a także stworzyć modelową komorę spalania o nowych zasadach działania.
Aby zbadać perspektywy całego kierunku i nowe pomysły, tzw. modelowa komora spalania detonacyjnego spełniająca wymagania projektu. Tak doświadczony silnik o zmniejszonej konfiguracji miał wykorzystywać jako paliwo płynną naftę. Jako środek utleniający sugerowano tlen. W sierpniu 2016 rozpoczęły się testy prototypowej kamery. Co ważne, po raz pierwszy w historii projekt tego typu został doprowadzony do etapu testów stanowiskowych. Wcześniej opracowano krajowe i zagraniczne silniki rakietowe detonacyjne, ale nie były one testowane.
Podczas badań próbki modelowej uzyskano bardzo ciekawe wyniki, świadczące o poprawności zastosowanych podejść. Tak więc, dzięki zastosowaniu odpowiednich materiałów i technologii, udało się doprowadzić ciśnienie wewnątrz komory spalania do 40 atmosfer. Ciąg eksperymentalnego produktu osiągnął 2 tony.
Komora modelowa na stole probierczym
Pewne wyniki uzyskano w ramach projektu Ifrit, ale krajowy silnik detonacyjny na paliwo płynne jest nadal daleki od pełnego praktycznego zastosowania. Przed wprowadzeniem takiego sprzętu do nowych projektów technologicznych projektanci i naukowcy muszą rozwiązać szereg najpoważniejszych problemów. Dopiero wtedy przemysł rakietowy i kosmiczny czy przemysł obronny będą mogły zacząć w praktyce wykorzystywać potencjał nowej technologii.
W połowie stycznia Rossiyskaya Gazeta opublikowała wywiad z głównym projektantem NPO Energomash Petrem Lewoczkinem na temat aktualnego stanu rzeczy i perspektyw silników detonacyjnych. Przedstawiciel firmy deweloperskiej przypomniał główne założenia projektu, a także poruszył temat osiągniętych sukcesów. Ponadto mówił o możliwych obszarach zastosowania „Ifrita” i podobnych struktur.
Na przykład silniki detonacyjne mogą być stosowane w samolotach naddźwiękowych. P. Lyovochkin przypomniał, że silniki proponowane obecnie do stosowania w takim sprzęcie wykorzystują spalanie poddźwiękowe. Przy naddźwiękowej prędkości aparatu lotu powietrze wlatujące do silnika musi zostać spowolnione do trybu dźwięku. Jednak energia hamowania musi prowadzić do dodatkowych obciążeń termicznych płatowca. W silnikach detonacyjnych szybkość spalania paliwa osiąga co najmniej M = 2, 5. Pozwala to na zwiększenie prędkości lotu samolotu. Taka maszyna z silnikiem typu detonacyjnego będzie w stanie rozpędzić się do prędkości ośmiokrotnej prędkości dźwięku.
Jednak realne perspektywy silników rakietowych typu detonacyjnego nie są jeszcze zbyt wielkie. Według P. Lyovochkin, „właśnie otworzyliśmy drzwi do obszaru spalania detonacyjnego”. Naukowcy i projektanci będą musieli zbadać wiele zagadnień, a dopiero potem będzie można tworzyć konstrukcje o praktycznym potencjale. Z tego powodu przemysł kosmiczny przez długi czas będzie musiał korzystać z tradycyjnych silników na paliwo ciekłe, co jednak nie neguje możliwości ich dalszego doskonalenia.
Ciekawostką jest to, że detonacyjna zasada spalania jest stosowana nie tylko w silnikach rakietowych. Istnieje już krajowy projekt systemu lotniczego z komorą spalania typu detonacyjnego działającego na zasadzie impulsu. Prototyp tego typu został przetestowany i w przyszłości może dać początek nowemu kierunkowi. Nowe silniki ze spalaniem stukowym mogą znaleźć zastosowanie w wielu różnych obszarach i częściowo zastąpić tradycyjne silniki turbinowe lub turboodrzutowe.
W OKB im. JESTEM. Kolebka. Informacje o tym projekcie zostały po raz pierwszy przedstawione na zeszłorocznym międzynarodowym forum wojskowo-technicznym „Army-2017”. Na stoisku firmy-dewelopera znajdowały się materiały dotyczące różnych silników, zarówno seryjnych, jak i będących w fazie rozwoju. Wśród tych ostatnich była obiecująca próbka detonacji.
Istotą nowej propozycji jest zastosowanie niestandardowej komory spalania zdolnej do pulsacyjnego spalania detonacyjnego paliwa w atmosferze powietrza. W takim przypadku częstotliwość „wybuchów” wewnątrz silnika musi osiągnąć 15-20 kHz. W przyszłości istnieje możliwość dalszego zwiększania tego parametru, w wyniku czego hałas silnika wykroczy poza zakres odbierany przez ludzkie ucho. Takie cechy silnika mogą być interesujące.
Pierwsze uruchomienie eksperymentalnego produktu „Ifrit”
Jednak główne zalety nowej elektrowni związane są z poprawą wydajności. Testy laboratoryjne prototypów wykazały, że przewyższają one tradycyjne silniki z turbiną gazową o około 30% w określonych wskaźnikach. Do czasu pierwszej publicznej demonstracji materiałów na silniku OKB im. JESTEM. Kołyski były w stanie uzyskać dość wysokie parametry wydajności. Doświadczony silnik nowego typu był w stanie pracować przez 10 minut bez przerwy. Całkowity czas pracy tego produktu na stoisku w tym czasie przekroczył 100 godzin.
Przedstawiciele firmy deweloperskiej wskazali, że już teraz możliwe jest stworzenie nowego silnika detonacyjnego o ciągu 2-2,5 tony, nadającego się do montażu na lekkich samolotach lub bezzałogowych statkach powietrznych. W konstrukcji takiego silnika proponuje się zastosowanie tzw. urządzenia rezonatorowe odpowiedzialne za prawidłowy przebieg spalania paliwa. Ważną zaletą nowego projektu jest fundamentalna możliwość zainstalowania takich urządzeń w dowolnym miejscu płatowca.
Eksperci OKB im. JESTEM. Kolebki pracują nad silnikami lotniczymi z impulsowym spalaniem detonacyjnym od ponad trzech dekad, ale jak dotąd projekt nie wyszedł z fazy badawczej i nie ma realnych perspektyw. Głównym powodem jest brak zamówienia i niezbędne fundusze. Jeśli projekt otrzyma niezbędne wsparcie, to w przewidywalnej przyszłości można stworzyć przykładowy silnik, odpowiedni do zastosowania na różnych urządzeniach.
Do tej pory rosyjskim naukowcom i projektantom udało się wykazać bardzo niezwykłe wyniki w dziedzinie silników odrzutowych wykorzystujących nowe zasady działania. Istnieje kilka projektów jednocześnie odpowiednich do zastosowania w przestrzeni rakietowej i hipersonicznej. Ponadto nowe silniki mogą znaleźć zastosowanie również w „tradycyjnym” lotnictwie. Niektóre projekty są wciąż na wczesnym etapie i nie są jeszcze gotowe do inspekcji i innych prac, podczas gdy w innych obszarach osiągnięto już najbardziej niezwykłe wyniki.
Badając temat detonacyjnych silników odrzutowych, rosyjscy specjaliści byli w stanie stworzyć model ławki komory spalania o pożądanych właściwościach. Eksperymentalny produkt „Ifrit” przeszedł już testy, podczas których zebrano dużą ilość różnych informacji. Przy pomocy uzyskanych danych rozwój kierunku będzie kontynuowany.
Opanowanie nowego kierunku i przełożenie pomysłów na praktyczną formę zajmie dużo czasu, dlatego w dającej się przewidzieć przyszłości rakiety kosmiczne i wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości będą wyposażone wyłącznie w tradycyjne silniki na paliwo ciekłe. Mimo to prace wyszły już z etapu czysto teoretycznego i teraz każde próbne uruchomienie eksperymentalnego silnika przybliża moment budowy pełnoprawnych pocisków z nowymi elektrowniami.
