Marina SUA intenționează să modernizeze în viitor centralele electrice cu turbină cu gaz instalate în prezent pe aeronavele și navele sale, înlocuind motoarele convenționale cu ciclu Brighton cu motoarele rotative cu detonare. Datorită acestui fapt, se așteaptă ca economiile de combustibil să se ridice la aproximativ 400 de milioane de dolari anual. Cu toate acestea, utilizarea în serie a noilor tehnologii este posibilă, potrivit experților, nu mai devreme de un deceniu.
Dezvoltarea motoarelor rotative sau rotative în America este realizată de Laboratorul de Cercetare al Marinei SUA. Conform estimărilor inițiale, noile motoare vor fi mai puternice și, de asemenea, cu aproximativ un sfert mai economice decât motoarele convenționale. În același timp, principiile de bază ale funcționării centralei vor rămâne aceleași - gazele din combustibilul ars vor pătrunde în turbina cu gaz, rotindu-i lamele. Potrivit laboratorului US Navy, chiar și într-un viitor relativ îndepărtat, când întreaga flotă americană va fi alimentată cu energie electrică, turbinele cu gaz vor fi în continuare responsabile pentru generarea de energie, într-o oarecare măsură modificată.
Amintiți-vă că invenția motorului cu reacție pulsantă datează de la sfârșitul secolului al XIX-lea. Inventatorul a fost inginerul suedez Martin Wiberg. Noile centrale electrice s-au răspândit în timpul celui de-al doilea război mondial, deși erau semnificativ inferioare în ceea ce privește caracteristicile lor tehnice față de motoarele de aeronave care existau la acea vreme.
Trebuie remarcat faptul că, în acest moment, flota americană are 129 de nave, care utilizează 430 de motoare cu turbină cu gaz. În fiecare an, costul furnizării lor de combustibil este de aproximativ 2 miliarde de dolari. În viitor, când motoarele moderne vor fi înlocuite cu altele noi, volumul costurilor cu combustibilul se va schimba.
Motoarele cu ardere internă utilizate în prezent funcționează pe ciclul Brighton. Dacă definiți esența acestui concept în câteva cuvinte, atunci totul se reduce la amestecarea succesivă a oxidantului și combustibilului, la comprimarea ulterioară a amestecului rezultat, atunci - incendierea și arderea cu expansiunea produselor de ardere. Această expansiune este folosită doar pentru a acționa, deplasa pistoanele, roti o turbină, adică pentru a efectua acțiuni mecanice, asigurând o presiune constantă. Procesul de ardere al amestecului de combustibil se mișcă la o viteză subsonică - acest proces se numește dufflagration.
În ceea ce privește noile motoare, oamenii de știință intenționează să folosească combustia explozivă în ele, adică detonarea, în care arderea are loc la viteza supersonică. Și, deși în prezent fenomenul detonării nu a fost încă studiat pe deplin, se știe că odată cu acest tip de combustie apare o undă de șoc care se propagă printr-un amestec de combustibil și aer, provocând o reacție chimică, al cărei rezultat este eliberarea unei cantități destul de mari de energie termică. Când unda de șoc trece prin amestec, aceasta se încălzește, ceea ce duce la detonare.
În dezvoltarea unui nou motor, este planificat să se utilizeze anumite dezvoltări care au fost obținute în procesul de dezvoltare a unui motor pulsator de detonare. Principiul său de funcționare este acela că un amestec de combustibil precomprimat este introdus în camera de ardere, unde este aprins și detonat. Produsele de ardere se extind în duză, efectuând acțiuni mecanice. Apoi întregul ciclu se repetă de la început. Dar dezavantajul motoarelor care pulsează este că rata de repetare a ciclurilor este prea mică. În plus, proiectarea acestor motoare în sine devine mai complexă în cazul creșterii numărului de pulsații. Acest lucru se datorează necesității de a sincroniza funcționarea supapelor, care sunt responsabile pentru alimentarea amestecului de combustibil, precum și direct de ciclurile de detonare în sine. Motoarele cu impulsuri sunt, de asemenea, foarte zgomotoase, necesită o cantitate mare de combustibil pentru a funcționa și lucrul este posibil doar cu injecție măsurată constantă de combustibil.
Dacă comparăm motoarele rotative cu detonație cu cele care pulsează, atunci principiul funcționării lor este ușor diferit. Astfel, în special, noile motoare asigură o detonare continuă constantă a combustibilului din camera de ardere. Acest fenomen se numește spin sau detonație rotativă. A fost descris pentru prima dată în 1956 de către omul de știință sovietic Bogdan Voitsekhovsky. Și acest fenomen a fost descoperit mult mai devreme, în 1926. Pionierii au fost britanicii, care au observat că în anumite sisteme a apărut un „cap” strălucitor, care se mișca în spirală, în locul unei unde de detonare plate.
Voitsekhovsky, folosind un reportofon pe care el însuși l-a proiectat, a fotografiat fața de undă, care se deplasa într-o cameră de ardere inelară într-un amestec de combustibil. Detonarea spinului diferă de detonarea plană prin aceea că apare o singură undă transversală de șoc, urmată de un gaz încălzit care nu a reacționat și deja în spatele acestui strat există o zonă de reacție chimică. Și tocmai un astfel de val împiedică arderea camerei în sine, pe care Marlene Topchiyan a numit-o „o gogoasă turtită”.
Trebuie remarcat faptul că motoarele de detonare au fost deja utilizate în trecut. În special, vorbim despre motorul cu jet de aer pulsatoriu, care a fost folosit de germani la sfârșitul celui de-al doilea război mondial pe rachetele de croazieră V-1. Producția sa a fost destul de simplă, utilizarea sa a fost suficient de ușoară, dar în același timp acest motor nu a fost foarte fiabil pentru rezolvarea problemelor importante.
Mai mult, în 2008, Rutang Long-EZ, un avion experimental echipat cu un motor de detonare pulsatorie, a ieșit în aer. Zborul a durat doar zece secunde la o altitudine de treizeci de metri. În acest timp, centrala a dezvoltat un impuls de ordinul a 890 Newtoni.
Prototipul experimental al motorului, prezentat de laboratorul american al US Navy, este o cameră de ardere inelară în formă de con, având un diametru de 14 centimetri pe partea de alimentare cu combustibil și 16 centimetri pe partea duzei. Distanța dintre pereții camerei este de 1 centimetru, în timp ce „tubul” are o lungime de 17,7 centimetri.
Un amestec de aer și hidrogen este utilizat ca amestec de combustibil, care este alimentat la o presiune de 10 atmosfere în camera de ardere. Temperatura amestecului este de 27,9 grade. Rețineți că acest amestec este recunoscut ca fiind cel mai convenabil pentru studierea fenomenului detonației de spin. Dar, potrivit oamenilor de știință, în noile motoare va fi posibil să se utilizeze un amestec de combustibil format nu numai din hidrogen, ci și din alte componente combustibile și aer.
Studiile experimentale ale unui motor rotativ au demonstrat eficiența și puterea acestuia mai mari în comparație cu motoarele cu ardere internă. Un alt avantaj este economia semnificativă de combustibil. În același timp, în timpul experimentului s-a dezvăluit că arderea amestecului de combustibil în motorul rotativ „de testare” este neuniformă, prin urmare este necesar să se optimizeze proiectarea motorului.
Produsele de ardere care se extind în duză pot fi colectate într-un singur jet de gaz folosind un con (acesta este așa-numitul efect Coanda), iar apoi acest jet poate fi trimis la turbină. Turbina se va roti sub influența acestor gaze. Astfel, o parte din activitatea turbinei poate fi utilizată pentru a propulsa navele și parțial pentru a genera energie, care este necesară pentru echipamentele navei și diverse sisteme.
Motoarele în sine pot fi produse fără piese în mișcare, ceea ce le va simplifica foarte mult designul, ceea ce, la rândul său, va reduce costul centralei în ansamblu. Dar acest lucru este doar în perspectivă. Înainte de a lansa noi motoare în producția de serie, este necesar să se rezolve multe probleme dificile, dintre care una este selecția de materiale rezistente la căldură.
Rețineți că în acest moment, motoarele cu detonare rotativă sunt considerate unul dintre cele mai promițătoare motoare. Ele sunt, de asemenea, dezvoltate de oamenii de știință de la Universitatea din Texas la Arlington. Centrala pe care au creat-o a fost numită „motorul de detonare continuă”. La aceeași universitate, se efectuează cercetări privind selectarea diferitelor diametre ale camerelor inelare și a diferitelor amestecuri de combustibili, care includ hidrogen și aer sau oxigen în proporții diferite.
Dezvoltarea în această direcție este în curs de desfășurare și în Rusia. Deci, în 2011, potrivit directorului general al asociației de cercetare și producție Saturn I. Fedorov, oamenii de știință de la Centrul Științific și Tehnic Lyulka dezvoltă un motor cu jet de aer pulsatoriu. Lucrarea se desfășoară în paralel cu dezvoltarea unui motor promițător numit „Produsul 129” pentru T-50. În plus, Fedorov a mai spus că asociația efectuează cercetări privind crearea de avioane promițătoare în etapa următoare, care ar trebui să fie fără pilot.
În același timp, capul nu a specificat ce fel de motor pulsatoriu era în cauză. În prezent, sunt cunoscute trei tipuri de astfel de motoare - fără supapă, supapă și detonare. Între timp, este general acceptat faptul că motoarele pulsatorii sunt cele mai simple și mai ieftine de fabricat.
Astăzi, mai multe firme mari de apărare efectuează cercetări cu privire la motoarele cu reacție cu impulsuri de înaltă performanță. Printre aceste firme se numără americanul Pratt & Whitney și General Electric și franceza SNECMA.
Astfel, se pot trage anumite concluzii: crearea unui nou motor promițător are anumite dificultăți. Principala problemă în acest moment este în teorie: ce se întâmplă exact atunci când unda de șoc de detonare se mișcă într-un cerc este cunoscută doar în termeni generali și acest lucru complică foarte mult procesul de optimizare a proiectelor. Prin urmare, noua tehnologie, deși este foarte atractivă, este greu de realizat la scara producției industriale.
Cu toate acestea, dacă cercetătorii reușesc să rezolve problemele teoretice, va fi posibil să vorbim despre o adevărată descoperire. La urma urmei, turbinele sunt utilizate nu numai în transport, ci și în sectorul energetic, în care o creștere a eficienței poate avea un efect și mai puternic.
