ОЦЕНКА РАЗВИТИЯ ДЕТОНАЦИОННЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ОБРАЗЦОВ ВВТ В 21 ВЕКЕ
Современное состояние уровня развития двигательных установок для ракетной и авиационной техники не предполагает в ближайшем будущем существенного улучшения тягово-экономических характеристик за счет совершенствования термодинамического рабочего процесса. В настоящее время эти характеристики близки к теоретически возможному и технически достижимому пределу. Добиться качественного улучшения удельных характеристик двигательных установок образцов 1ШТ, в особенности гиперзвуковой авиакосмической и ракетной техники, возможно за счет организации термодинамического цикла на основе пульсирующей детонации. Процесс физико-химического превращения топлива в детонационных волнах, в отличие от обычного дефлаграционного горения, происходит при давлениях и температурах, принципиально недостижимых в классических схемах двигательных установок. Практическая реализация данного процесса позволит обеспечить высокую удельную мощность и экономичность двигателя.
Вестник Академии военных наук 03-2004г стр.109-113.
ОЦЕНКА РАЗВИТИЯ ДЕТОНАЦИОННЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ОБРАЗЦОВ ВВТ В 21 ВЕКЕ
Подполковник И.С. КОНЮХОВ,
кандидат технических наук, доцент, профессор АВН
Современное состояние уровня развития двигательных установок для ракетной и авиационной техники не предполагает в ближайшем будущем существенного улучшения тягово-экономических характеристик за счет совершенствования термодинамического рабочего процесса. В настоящее время эти характеристики близки к теоретически возможному и технически достижимому пределу. Добиться качественного улучшения удельных характеристик двигательных установок образцов 1ШТ, в особенности гиперзвуковой авиакосмической и ракетной техники, возможно за счет организации термодинамического цикла на основе пульсирующей детонации. Процесс физико-химического превращения топлива в детонационных волнах, в отличие от обычного дефлаграционного горения, происходит при давлениях и температурах, принципиально недостижимых в классических схемах двигательных установок. Практическая реализация данного процесса позволит обеспечить высокую удельную мощность и экономичность двигателя.
В течение последних десяти лет в высокоразвитых их странах активизированы исследования по созданию пульсирующих двигателей детонационного горения для летательных аппаратов широкого спектра применения. Создание силовой установки на основе детонационного горения, по мнению зарубежных специалистов, позволит обеспечить технический прорыв в военной сфере, космической и авиационной отраслях, на транспорте. По опубликованным в Открытой печати данным использование эффекта детонации в жидкостных ракетных двигателях позволило снизить удельный расход топлива по сравнению с двигателями классической схемы.
Детонационные реактивные двигатели (ДРД)- по новый класс двигательных установок, создающих тягу за счет детонационного сгорания рабочей смеси. Принцип их работы заключается в использовании детонационной волны, распространяющейся со сверхзвуковой скоростью по заранее сметанной топливовоздушной смеси и вызывающей повышение давления в камере сгорания и, вследствие этого, больший импульс тяги.
Детонационные реактивные двигатели по сравнению с воздушно-реактивными (СПВРД, ГПВРД) имеют ряд преимуществ:
I. Более высокое значение термодинамического КПД при детонации по сравнению с аналогичным КПД при горении. На рис.1 приводятся результаты вычислений термических КПД циклов горения при p=const и детонации при v=const как функции от степени повышения давления В=р2/р1,.
Процесс детонации при постоянном объеме четко предлагает значительное улучшение эффективности по сравнению с изобарическим циклом.
Выполненные расчеты показали, что термический КПД цикла с подводом тепла при v=const возрастает с ростом степени повышения давления В и степени изохорного повышения давления К. Например, при степени повышения давления В=12 процесс при постоянном объеме, в зависимости от показателя адиабаты, предполагает увеличение КПД от 18 до 37% по сравнению с циклом постоянного давления. Следовательно, замена процесса горения при постоянном давлении детонацией даст экономию в расходе топлива.
2. Более высокое значение удельного импульса при скоростях полета до 4М, чем для всех других типов реактивных двигателей (на рис.2 приведены данные, полученные из зарубежных источников). Это преимущество объясняется более полным использованием энергии топлива за счет подвода тепла к газовому потоку при постоянном объеме (с использованием цикла v = const) и, значит, при более высоких степенях повышения давления в цикле, недостижимых для ВРД традиционных схем.
Дальнейшие исследования позволяют сделать вывод о том, что ДРД также будут иметь высокий удельный импульс при скоростях полета М =7... 10 за счет разработки принципиально нового типа двигателя с организацией непрерывного детонационного процесса с образования стационарной детонационной волны.
3. Для ДРД характерно большое разнообразие используемых компонентов топлива, как по агрегатному состоянию, так и по структуре. ДРД может быть разработан на компонентах топлива любого агрегатного состояния (твердое, жидкое, пастообразное, газообразное, газифицированное, псевдо-сжиженное) с обязательной их последующей газификацией. Это позволяет подобрать нетоксичные и дешевые компоненты топлива с широкой сырьевой базой. В качестве окислителя для ДРД при полете в пределах атмосферы целесообразно использоваться забортный воздух.
4. Скорость преобразования химической энергии топлива в продуктах детонации значительно выше, чем в продуктах сгорания, поэтому скорость детонации в отличие от скорости горения не зависит от изменения параметров окружающей среды.
Более полное преобразование химической энергии топлива позволит получить экологически более чистые конечные продукты реакции, что частично может затруднить работу средств ПРО и ПВО.
5.ДРД являются работоспособными при малом давлении на входе. Детонационный процесс возможен даже при атмосферном давлении.
6. В ДРД за малое время в небольшом объеме сжигается большое количество топливно-воздушной смеси, что позволяет несколько уменьшить массовые или геометрические характеристики ЛА.
Разработка ДРД является сложной научно-технической проблемой, требующей от ученых ведущих стран мира совместных усилий, что проявляется в проведении по данной тематике различных международных конференций, совещаний и коллоквиумов. Многие страны приступили к интенсивным теоретическим и экспериментальным исследованиям таких двигателей, получая необходимую финансовую поддержку от своих правительств.
Как происходило развитие детонационных двигателей? Первые предложения об использовании двигателей с неустойчивым горением были впервые оценены в самом начале XX века и повторно предложены в 40-х годах –
Первые зарубежные экспериментальные попытки по возможности использования детонационных процессов для разработки двигателей были проведены в 1941 г., а затем продолжены исследователем Nicholls в 1957 г. применительно к водородно-воздушной смеси (рис.3).
На основании выполненных теоретических расчетов и экспериментальных исследований был проведен сопоставительный анализ возникновения и развития детонации в водородно-кислородных и ацетиленокислородных смесях.
В 1962 г. исследователь Krzycki продолжил работу, но применительно к другой топливной паре и другой конструкции детонационной камеры. Он пришел к выводу, что ошибка в экспериментальном определении импульса тяги, полученная в опытах Nicholls составляет до 50%, а его теоретические выводы по практическому использованию детонационного импульса были расплывчаты. Krzycki считал, что импульсная детонация не является перспективной для создания детонационных двигателей из-за низкой частоты их срабатывания.
Проведенные эксперименты были чрезвычайно важны, так как они продемонстрировали возможность разработки одно- и многоцикличных детонационных двигателей. Они легли в основу конструкции модели детонационного двигателя с ротационным клапаном и подготовили условия для дальнейших исследований в области разработки данного класса двигателей.
.С целью разработки детонационных двигателей исследователи Bussing (1995) и Hinkey (1995) приступают к фундаментальным исследованиям механизмов возникновения и развития детонационных процессов. Bussing в 1995 г. предложил схему детонационного двигателя с использованием инициатора, размещенного в передней части детонационной трубы. Выполненные исследования помогли выявить основные составные части и системы детонационного двигателя, а также довести их до конструктивного совершенства. Основой всех исследований являлась ударная детонационная труба. Причем стендовое оборудование различных организаций значительно отличалось друг от друга (рис.4-7).
Модели детонационных двигателей также сильно отличаются друг от друга. На рис.8 представлена модель ДРД, разработанная концерном ASI.На этой модели была получена частота срабатывания детонационных импульсов 11 Гц и исследованы вопросы по переходу горения в детонацию для различных компонентов топливной смеси.
В настоящее время ASI разрабатывает несколько многоцелевых ДРД. Один из них - воздушно-реактивный ДРД на углеводородном топливе для ВВС США (рис.9).
Испытатели и промышленные партнеры космического центра Marshall сконструировали небольшую модель ДРД для наземных испытаний. После трех лет лабораторных испытаний было установлено, что можно разработать данный тип двигателя на водородно-кислородной топливной смеси с частотой 100 Гц. В свою очередь NASA со своими промышленными партнерами также доказали, что ДРД может обеспечить тягу в условиях космоса.
В 2002 году в США завершена разработка модели комбинированной (гибридной) двигательной установки, которая отвечает требованиям, целям и задачам NASA и аэрокосмических фирм. Комбинированная установка должна обеспечить в себе нее преимущества, характерные для термодинамического цикла с V=const.
Технология ДРД в космическом центре Marshall разрабатывается для верхних ступеней pакет-носителей, которые выводят спутники на высокие орбиты. Усовершенствованную технологию двигателя можно также использовать для космических целей, требующих широкого диапазона изменения тяги.
На рис. 10 представлен внешний вид детонационного двигателя для верхних ступеней ракет-носителей.
По мнению специалистов центра Marchall экспериментальный вариант ДРД для ракетно-космических систем будет отработан только к 2006 году, а полномасштабный двигатель - на 4 года позже.
После многолетних испытаний моделей ДРД, выполненных различными фирмами США, было установлено, что можно реализовать детонационный процесс с частотой 100 Гц на топливной паре Н2+О2.
Внастоящеевремямногиеорганизации (ASI, NPS, NRL идр.) иВУЗы (Uniyersite de Poitiers, University of Texas at Arlington, Uniyersite de Poitiers идр.) США успешно paботают над проблемой разработки детонационных двигателей.
Кроме того, информацию по детонационным процессам в газовых средах исследуют в Институте горения в Питтсбурге (шт. Пенсильвания), где один раз в два года организуется симпозиум (с сокращенным названием NthSymp. (Int.) Comb.], на котором обычно целая секция посвящается работам по газовой детонации. Кроме того, журнал Института горения CombustionandFlame (Comb, andFlame) публикует большую подборку работ по детонации. Аналогичное отечественное издание, посвященное этим вопросам журнал «Физика горения и взрыва».
Из анализа зарубежного состояния вопроса можно сделать следующие выводы:
все высокоразвитые в техническом отношении страны интенсивно работают над созданием ДРД.
Концепция использования детонационных процессов для летательных аппаратов была и остается предметом многочисленных исследований, являясь перспективным направлением развития двигателестроения;
многими организациями были выполнены как теоретические, так и экспериментальные фундаментальные исследования, направленные на разработку ДРД. В настоящее время в США планово отрабатываются их действующие модели, причем модели ДРД и испытательные стенды значительно отличаются друг от друга;
экспериментально доказана возможность получения частоты детонационных процессов 100 Гц на водородно-кислородной топливной смеси, а также доказано, что ДРД могут обеспечить тягу в условиях космоса;
основными конструктивными направлениями в разработке ДРД являются создание многосекционных детонационных камер, повышение частоты детонационных процессов, использование более энергоемких компонентов топлива.
Первые отечественные экспериментальные исследования относятся к 70-м годам и к настоящему времени создан определенный научно-техническийI кий задел по конструктивному оформлению ДРД, Особенностям организации рабочего процесса и динамического расчета.
По данной проблеме в нашей стране регулярно проводятся солидные международные обсуждения. Например, в 2002 г. в Москве прошел Международный коллоквиум по управлению детонационным взрывом. Коллоквиум проводился под эгидой Научного Совета по горению и взрыву при Президиуме РАН и при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, Управлении Военно-Морских Исследований (УВМИ) США и Международных отделов УВМИ США в Европе. Коллоквиум рассматривался как продолжение серии Международных коллоквиумов, успешно проведенных в России с 1997 г. (Москва, '.и Санкт-Петербург).
Международные коллоквиумы, совещания и конференции ставят целью собрать представительней международный форум для обсуждения современного состояния, достижений и перспектив в экспериментальном и теоретическом исследовании управления инициированием и распространенном детонационного взрыва, а также переходом трения в детонацию в газовых и гетерогенных реагирующих системах.
На них определяются приоритетные направлении исследований, необходимых для разработки И проектирования двигателей нового поколения для летательных аппаратов и стационарных энергетических установок, работающих на детонационном принципе сжигания топлива. Планируется обсуждение возможностей международного научно-технического сотрудничества. В них принимают участие специалисты, как из Российской Федерации, так и из стран ближнего и дальнего зарубежья.
Решением Научного совета по горению и взрыву при Президиуме РАН РФ от 22.05.2001 г. отмечено, что развитие ДРД является актуальной и перспективной задачей.
Создание отечественных ДРД характеризуется следующими основными направлениями:
появилась тенденция к увеличению частоты детонационных процессов за счет различных технических устройств и разработке высокочастотных ДРД;
перспективными, применительно к летательным аппаратам, являются разработки сверхзвуковых ДРД (например, СПДПД);
практически во всех разработках просматривается идея о переходе горения в детонацию.
В случае отработки надежно работающего ДРД могут быть решены следующие задачи:
1.Придание максимально возможной скорости полета летательному аппарату, использующему химические компоненты топлива, за счет реализации непрерывного детонационного процесса.
2.Возможность полета летательного аппарата в широком диапазоне изменения высот и скоростей за счет разработки комбинированных детонационных двигателей.
3.Улучшение маневренных свойств летательного аппарата при подлете к цели (причаливании, стыковке, коррекции на орбите и т.д.) за счет использования высокоточных, стабильных и быстродействующих (тимп=104с) детонационных импульсов в реактивных системах управления повышенной точности.
Следовательно, в случае окончательной отработки модели ДРД с непрерывным детонационным горением и подтверждения ее работоспособности открываются широкие перспективы не только для разработки новых и модернизации штатных образцов ВВТ, но и ракетно-космических и авиационных систем.
Вестник академии военных наук2004