Sistemele de propulsie existente pentru aviație și rachete prezintă performanțe foarte ridicate, dar s-au apropiat de limita capacităților lor. Pentru a crește în continuare parametrii de tracțiune, ceea ce creează o bază pentru dezvoltarea rachetei de aviație și a industriei spațiale, sunt necesare alte motoare, incl. cu noi principii de lucru. Speranțe mari sunt fixate pe așa-numitele. motoare de detonare. Astfel de sisteme de impulsuri sunt deja testate în laboratoare și aeronave.
Principii fizice
Motoarele cu combustibil lichid existente și care funcționează folosesc combustie subsonică sau deflagrație. O reacție chimică care implică combustibil și un oxidant formează un front care se deplasează prin camera de ardere la o viteză subsonică. Această ardere limitează cantitatea și viteza gazelor reactive care curg din duză. În consecință, forța maximă este, de asemenea, limitată.
Arderea prin detonare este o alternativă. În acest caz, frontul de reacție se mișcă cu o viteză supersonică, formând o undă de șoc. Acest mod de ardere crește randamentul produselor gazoase și asigură o tracțiune sporită.
Motorul de detonare poate fi realizat în două versiuni. În același timp, sunt dezvoltate motoare cu impulsuri sau pulsatorii (IDD / PDD) și cele rotative / rotative. Diferența lor constă în principiile de ardere. Motorul rotativ menține o reacție constantă, în timp ce motorul cu impuls funcționează prin „explozii” succesive ale unui amestec de combustibil și oxidant.
Impulsurile formează împingere
În teorie, designul său nu este mai complicat decât un motor rachetă tradițional ramjet sau cu propulsie lichidă. Include o cameră de ardere și un ansamblu de duze, precum și mijloace pentru alimentarea cu combustibil și oxidant. În acest caz, se impun restricții speciale asupra rezistenței și durabilității structurii asociate cu particularitățile funcționării motorului.
În timpul funcționării, injectoarele furnizează combustibil camerei de ardere; oxidantul este furnizat din atmosferă cu ajutorul unui dispozitiv de admisie a aerului. După formarea amestecului, are loc aprinderea. Datorită selecției corecte a componentelor combustibilului și a proporțiilor amestecului, a metodei optime de aprindere și a configurației camerei, se formează o undă de șoc, care se deplasează în direcția duzei motorului. Nivelul actual al tehnologiei face posibilă obținerea unei viteze de undă de până la 2,5-3 km / s cu o creștere corespunzătoare a impulsului.
IDD utilizează un principiu pulsatoriu de funcționare. Aceasta înseamnă că, după detonare și eliberarea gazelor reactive, camera de ardere este suflată, reumplută cu un amestec - și urmează o nouă „explozie”. Pentru a obține o forță ridicată și stabilă, acest ciclu trebuie efectuat la o frecvență ridicată, de la zeci la mii de ori pe secundă.
Dificultăți și avantaje
Principalul avantaj al IDD este posibilitatea teoretică de a obține caracteristici îmbunătățite care oferă superioritate față de motoarele ramjet și propulsor lichid existente și potențiale. Deci, cu aceeași forță, motorul de impuls se dovedește a fi mai compact și mai ușor. În consecință, o unitate mai puternică poate fi creată în aceleași dimensiuni. În plus, un astfel de motor are un design mai simplu, deoarece nu are nevoie de o parte din instrumentație.
IDD este operațional într-o gamă largă de viteze, de la zero (la începutul rachetei) la hipersonic. Poate găsi aplicații în rachete și sisteme spațiale și în aviație - în domenii civile și militare. În toate cazurile, caracteristicile sale caracteristice permit obținerea anumitor avantaje față de sistemele tradiționale. În funcție de nevoi, este posibil să creați o rachetă IDD folosind un oxidant dintr-un rezervor sau unul reactiv la aer care preia oxigenul din atmosferă.
Cu toate acestea, există dezavantaje și dificultăți semnificative. Deci, pentru a stăpâni o nouă direcție, este necesar să se efectueze diverse studii și experimente destul de complexe la intersecția diferitelor științe și discipline. Principiul de funcționare specific solicită în mod special designul motorului și materialele acestuia. Prețul unei forțe ridicate este o sarcină crescută care poate deteriora sau distruge structura motorului.
Provocarea constă în asigurarea unei rate ridicate de livrare a combustibilului și oxidantului, corespunzătoare frecvenței de detonare cerute, precum și efectuarea unei purjări înainte de livrarea combustibilului. În plus, o problemă de inginerie separată este lansarea unei unde de șoc la fiecare ciclu de funcționare.
Trebuie remarcat faptul că până în prezent, IDD, în ciuda tuturor eforturilor oamenilor de știință și a proiectanților, nu sunt gata să depășească laboratoarele și locurile de testare. Proiectele și tehnologiile necesită o dezvoltare ulterioară. Prin urmare, nu este încă necesar să vorbim despre introducerea în practică a noilor motoare.
Istoria tehnologiei
Este curios că principiul unui motor de detonare pulsată a fost propus mai întâi nu de către oamenii de știință, ci de scriitorii de science fiction. De exemplu, submarinul „Pionier” din romanul lui G. Adamov „Misterul celor două oceane” a folosit IDD pe un amestec de hidrogen-oxigen gazos. Idei similare figurează în alte opere de artă.
Cercetările științifice pe tema motoarelor de detonare au început puțin mai târziu, în anii patruzeci, iar pionierii direcției au fost oamenii de știință sovietici. În viitor, în diferite țări, s-au încercat în mod repetat să se creeze un IDD cu experiență, dar succesul lor a fost serios limitat de lipsa tehnologiilor și materialelor necesare.
La 31 ianuarie 2008, agenția DARPA a Departamentului Apărării al SUA și Laboratorul Forțelor Aeriene au început testarea primului laborator zburător cu un IDD de tip respirator de aer. Motorul original a fost instalat pe un avion Long-EZ modificat de la Scale Composites. Centrala electrică a inclus patru camere de ardere tubulare cu alimentare cu combustibil lichid și admisie de aer din atmosferă. La o frecvență de detonare de 80 Hz, un impuls de aprox. 90 kgf, ceea ce era suficient doar pentru un avion ușor.
Aceste teste au arătat adecvarea fundamentală a IDD pentru utilizarea în aviație și, de asemenea, au demonstrat necesitatea îmbunătățirii proiectelor și a creșterii caracteristicilor acestora. În același 2008, prototipul aeronavei a fost trimis la muzeu, iar DARPA și organizațiile conexe au continuat să lucreze. S-a raportat despre posibilitatea utilizării IDD în sisteme promițătoare de rachete - dar până acum nu au fost dezvoltate.
În țara noastră, subiectul IDD a fost studiat la nivel de teorie și practică. De exemplu, în 2017, a apărut în jurnalul Combustion and Explosion un articol despre testele unui motor ramjet de detonare care funcționează pe hidrogen gazos. De asemenea, lucrările continuă la motoarele cu detonare rotativă. A fost dezvoltat și testat un motor de rachetă cu combustibil lichid, potrivit pentru utilizarea pe rachete. Problema utilizării unor astfel de tehnologii în motoarele aeronavelor este în curs de studiu. În acest caz, camera de combustie de detonare este integrată în motorul turbojet.
Perspective tehnologice
Motoarele de detonare sunt de mare interes din punctul de vedere al aplicării lor în diverse domenii și domenii. Datorită creșterii preconizate a principalelor caracteristici, ele pot, cel puțin, stoarce sistemele claselor existente. Cu toate acestea, complexitatea dezvoltării teoretice și practice nu le permite încă să intre în practică.
Cu toate acestea, în ultimii ani s-au observat tendințe pozitive. Motoare de detonare în general, incl. pulsat, apar din ce în ce mai mult în știrile din laboratoare. Dezvoltarea acestei direcții continuă și, în viitor, va putea da rezultatele dorite, deși calendarul apariției probelor promițătoare, caracteristicile și domeniile lor de aplicare sunt încă în discuție. Cu toate acestea, mesajele din ultimii ani ne permit să privim spre viitor cu optimism.
