Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych planuje w przyszłości zmodernizować elektrownie z turbiną gazową, które są obecnie zainstalowane na jej samolotach i statkach, zastępując konwencjonalne silniki cyklu Brighton silnikami rotacyjnymi z detonacją. Z tego powodu oczekuje się, że oszczędności paliwa wyniosą około 400 milionów dolarów rocznie. Jednak seryjne wykorzystanie nowych technologii jest, zdaniem ekspertów, możliwe nie wcześniej niż za dekadę.
Rozwój silników rotacyjnych lub wirujących w Ameryce jest prowadzony przez Laboratorium Badawcze Marynarki Wojennej USA. Według wstępnych szacunków nowe silniki będą mocniejsze, a także o około jedną czwartą oszczędniejsze od silników konwencjonalnych. Jednocześnie podstawowe zasady działania elektrowni pozostaną takie same - gazy ze spalonego paliwa dostaną się do turbiny gazowej, obracając jej łopatki. Według laboratorium US Navy, nawet w stosunkowo odległej przyszłości, kiedy cała flota amerykańska będzie zasilana energią elektryczną, za wytwarzanie energii nadal będą odpowiadać turbiny gazowe, w pewnym stopniu zmodyfikowane.
Przypomnijmy, że wynalazek pulsującego silnika odrzutowego sięga końca XIX wieku. Wynalazcą był szwedzki inżynier Martin Wiberg. Nowe elektrownie rozpowszechniły się w czasie II wojny światowej, chociaż ich parametry techniczne były znacznie gorsze od istniejących wówczas silników lotniczych.
Należy zauważyć, że w tym momencie flota amerykańska liczy 129 statków, które wykorzystują 430 silników z turbiną gazową. Każdego roku koszt zaopatrzenia ich w paliwo to około 2 miliardy dolarów. W przyszłości, gdy nowoczesne silniki zostaną zastąpione nowymi, zmieni się wysokość kosztów paliwa.
Obecnie stosowane silniki spalinowe pracują w cyklu Brightona. Jeśli w kilku słowach zdefiniujesz istotę tego pojęcia, wszystko sprowadza się do sukcesywnego mieszania utleniacza i paliwa, dalszego sprężania powstałej mieszanki, a następnie - podpalenia i spalania z rozszerzaniem produktów spalania. Ta ekspansja służy tylko do napędzania, poruszania tłokami, obracania turbiny, czyli wykonywania czynności mechanicznych, zapewniając stałe ciśnienie. Proces spalania mieszanki paliwowej przebiega z prędkością poddźwiękową - proces ten nazywa się dufflagacją.
Jeśli chodzi o nowe silniki, naukowcy zamierzają zastosować w nich spalanie wybuchowe, czyli detonację, w której spalanie następuje z prędkością ponaddźwiękową. I choć obecnie zjawisko detonacji nie zostało jeszcze w pełni zbadane, wiadomo, że przy tego typu spalaniu powstaje fala uderzeniowa, która rozchodząc się przez mieszaninę paliwa i powietrza wywołuje reakcję chemiczną, której wynikiem jest uwolnienie dość dużej ilości energii cieplnej. Kiedy fala uderzeniowa przechodzi przez mieszaninę, nagrzewa się, co prowadzi do detonacji.
Przy opracowywaniu nowego silnika planuje się wykorzystanie pewnych osiągnięć, które uzyskano w trakcie opracowywania silnika pulsacyjnego detonacji. Jego zasada działania polega na tym, że wstępnie sprężona mieszanka paliwowa jest podawana do komory spalania, gdzie jest zapalana i detonowana. Produkty spalania rozszerzają się w dyszy, wykonując czynności mechaniczne. Następnie cały cykl powtarza się od początku. Jednak wadą silników pulsacyjnych jest zbyt niska częstotliwość powtarzania cykli. Ponadto konstrukcja samych silników staje się bardziej złożona w przypadku wzrostu liczby pulsacji. Wynika to z konieczności synchronizacji działania zaworów, które odpowiadają za dostarczanie mieszanki paliwowej, a także bezpośrednio przez same cykle detonacyjne. Silniki pulsujące są również bardzo hałaśliwe, wymagają do działania dużej ilości paliwa, a praca możliwa jest tylko przy stałym dozowanym wtrysku paliwa.
Jeśli porównamy detonacyjne silniki obrotowe z pulsacyjnymi, to zasada ich działania jest nieco inna. W ten sposób w szczególności nowe silniki zapewniają stałą, ciągłą detonację paliwa w komorze spalania. Zjawisko to nazywa się spinem lub detonacją obrotową. Po raz pierwszy opisał go w 1956 roku radziecki naukowiec Bogdan Voitsekhovsky. Zjawisko to zostało odkryte znacznie wcześniej, w 1926 roku. Pionierami byli Brytyjczycy, którzy zauważyli, że w niektórych układach pojawiła się jasna świecąca „głowa”, która poruszała się po spirali zamiast płaskiej fali detonacyjnej.
Wojciechowski za pomocą zaprojektowanego przez siebie rejestratora sfotografował front fali, który poruszał się w pierścieniowej komorze spalania w mieszance paliwowej. Detonacja spinowa różni się od detonacji płaskiej tym, że powstaje w niej pojedyncza poprzeczna fala uderzeniowa, po której następuje ogrzany gaz, który nie przereagował, a już za tą warstwą znajduje się strefa reakcji chemicznej. I to właśnie taka fala zapobiega spaleniu samej komory, którą Marlene Topchiyan nazwała „spłaszczonym pączkiem”.
Należy zauważyć, że silniki detonacyjne były już używane w przeszłości. W szczególności mówimy o pulsującym silniku odrzutowym, który był używany przez Niemców pod koniec II wojny światowej w pociskach manewrujących V-1. Jego produkcja była dość prosta, jego użytkowanie było dość łatwe, ale jednocześnie silnik ten nie był zbyt niezawodny w rozwiązywaniu ważnych problemów.
Co więcej, w 2008 r. Rutang Long-EZ, eksperymentalny samolot wyposażony w pulsujący silnik detonacyjny, wzbił się w powietrze. Lot trwał zaledwie dziesięć sekund na wysokości trzydziestu metrów. W tym czasie elektrownia wytworzyła ciąg rzędu 890 Newtonów.
Eksperymentalny prototyp silnika, zaprezentowany przez amerykańskie laboratorium Marynarki Wojennej USA, to komora spalania w kształcie pierścieniowego stożka o średnicy 14 cm po stronie dopływu paliwa i 16 cm po stronie dyszy. Odległość między ściankami komory wynosi 1 centymetr, natomiast „tuba” ma długość 17,7 centymetra.
Jako mieszankę paliwową stosuje się mieszankę powietrza i wodoru, która jest dostarczana pod ciśnieniem 10 atmosfer do komory spalania. Temperatura mieszaniny wynosi 27,9 stopni. Należy zauważyć, że ta mieszanina jest uznawana za najwygodniejszą do badania zjawiska detonacji spinowej. Jednak zdaniem naukowców w nowych silnikach będzie można zastosować mieszankę paliwową składającą się nie tylko z wodoru, ale także z innych palnych składników i powietrza.
Badania eksperymentalne silnika rotacyjnego wykazały jego większą sprawność i moc w porównaniu z silnikami spalinowymi. Kolejną zaletą jest znaczna oszczędność paliwa. Jednocześnie podczas eksperymentu okazało się, że spalanie mieszanki paliwowej w obrotowym „testowym” silniku jest nierównomierne, dlatego konieczna jest optymalizacja konstrukcji silnika.
Produkty spalania, które rozprężają się w dyszy, można zebrać w jednym strumieniu gazu za pomocą stożka (jest to tzw. efekt Coandy), a następnie strumień ten można przesłać do turbiny. Turbina będzie się obracać pod wpływem tych gazów. W ten sposób część pracy turbiny można wykorzystać do napędzania statków, a częściowo do generowania energii, która jest niezbędna dla wyposażenia statku i różnych systemów.
Same silniki mogą być produkowane bez ruchomych części, co znacznie uprości ich konstrukcję, co z kolei obniży koszt całej elektrowni. Ale to tylko perspektywa. Przed wprowadzeniem nowych silników do produkcji seryjnej konieczne jest rozwiązanie wielu trudnych problemów, z których jednym jest dobór trwałych materiałów żaroodpornych.
Należy zauważyć, że obecnie silniki detonacyjne są uważane za jedne z najbardziej obiecujących silników. Opracowują je również naukowcy z University of Texas w Arlington. Elektrownia, którą stworzyli, została nazwana „silnikiem do ciągłej detonacji”. Na tej samej uczelni prowadzone są badania nad doborem różnych średnic komór pierścieniowych i różnych mieszanek paliwowych, które zawierają wodór i powietrze lub tlen w różnych proporcjach.
Rozwój w tym kierunku postępuje również w Rosji. Tak więc w 2011 roku, według dyrektora zarządzającego stowarzyszenia badawczo-produkcyjnego Saturn I. Fiodorowa, naukowcy z Centrum Naukowo-Technicznego Lyulka opracowują pulsujący silnik odrzutowy. Prace prowadzone są równolegle z rozwojem obiecującego silnika o nazwie „Produkt 129” dla T-50. Ponadto Fiodorow powiedział też, że stowarzyszenie prowadzi badania nad stworzeniem obiecujących samolotów kolejnego etapu, które mają być bezzałogowe.
Jednocześnie szef nie sprecyzował, o jaki silnik pulsujący chodzi. Obecnie znane są trzy typy takich silników - bezzaworowe, zaworowe i detonacyjne. Tymczasem powszechnie przyjmuje się, że silniki pulsacyjne są najprostsze i najtańsze w produkcji.
Obecnie kilka dużych firm zbrojeniowych prowadzi badania nad wysokowydajnymi pulsującymi silnikami odrzutowymi. Wśród tych firm są amerykańskie Pratt & Whitney i General Electric oraz francuska SNECMA.
Można więc wyciągnąć pewne wnioski: stworzenie nowego obiecującego silnika ma pewne trudności. Główny problem w tej chwili jest teoretyczny: co dokładnie dzieje się, gdy detonacyjna fala uderzeniowa porusza się po okręgu, wiadomo tylko ogólnie, a to znacznie komplikuje proces optymalizacji konstrukcji. Dlatego nowa technologia, choć jest bardzo atrakcyjna, jest mało realna w skali produkcji przemysłowej.
Jeśli jednak naukowcom uda się uporządkować kwestie teoretyczne, będzie można mówić o prawdziwym przełomie. W końcu turbiny znajdują zastosowanie nie tylko w transporcie, ale także w energetyce, w której wzrost wydajności może mieć jeszcze silniejszy wpływ.
