De eksisterende fremdriftssystemer til luftfart og missiler viser meget høj ydeevne, men er kommet tæt på grænsen for deres kapacitet. For yderligere at øge trykparametrene, som skaber et grundlag for udviklingen af luftfartsraketten og rumindustrien, er der brug for andre motorer, inkl. med nye arbejdsprincipper. Store håb er knyttet til den såkaldte. detonationsmotorer. Sådanne pulsklasse-systemer testes allerede i laboratorier og på fly.
Fysiske principper
Eksisterende og fungerende flydende brændstofmotorer anvender subsonisk forbrænding eller deflagration. En kemisk reaktion, der involverer brændstof og en oxidator, danner en front, der bevæger sig gennem forbrændingskammeret med en subsonisk hastighed. Denne forbrænding begrænser mængden og hastigheden af reaktive gasser, der strømmer ud af dysen. Derfor er det maksimale tryk også begrænset.
Detonationsforbrænding er et alternativ. I dette tilfælde bevæger reaktionsfronten sig med en supersonisk hastighed og danner en chokbølge. Denne forbrændingsmetode øger udbyttet af gasformige produkter og giver øget trækkraft.
Detonationsmotoren kan laves i to versioner. Samtidig udvikles impuls- eller pulserende motorer (IDD / PDD) og roterende / roterende. Deres forskel ligger i principperne om forbrænding. Den roterende motor opretholder en konstant reaktion, mens impulsmotoren fungerer ved successive "eksplosioner" af en blanding af brændstof og oxidationsmiddel.
Impulser danner tryk
I teorien er dets design ikke mere kompliceret end en traditionel ramjet- eller flydende raketmotor. Det omfatter et forbrændingskammer og en dysemontage samt midler til levering af brændstof og oxidationsmiddel. I dette tilfælde pålægges særlige restriktioner for styrken og holdbarheden af strukturen, der er forbundet med motorens særegenheder.
Under drift forsyner injektorerne brændstof til forbrændingskammeret; oxidatoren tilføres fra atmosfæren ved hjælp af et luftindtag. Efter dannelsen af blandingen sker der antændelse. På grund af det korrekte valg af brændstofkomponenter og blandingsforhold, den optimale tændingsmetode og kammerets konfiguration dannes der en stødbølge, der bevæger sig i motorens dyse. Det nuværende teknologiske niveau gør det muligt at opnå en bølgehastighed på op til 2,5-3 km / s med en tilsvarende stigning i tryk.
IDD anvender et pulserende funktionsprincip. Det betyder, at efter detonation og frigivelse af reaktive gasser blæses forbrændingskammeret ud, fyldes igen med en blanding - og en ny "eksplosion" følger. For at opnå et højt og stabilt tryk skal denne cyklus udføres med en høj frekvens, fra titusindvis til tusinder af gange i sekundet.
Vanskeligheder og fordele
Den største fordel ved IDD er den teoretiske mulighed for at opnå forbedrede egenskaber, der giver overlegenhed i forhold til eksisterende og potentielle ramjet- og flydende drivmotorer. Så med samme tryk viser impulsmotoren at være mere kompakt og lettere. Følgelig kan der oprettes en mere kraftfuld enhed i de samme dimensioner. Derudover er en sådan motor enklere i design, da den ikke har brug for en del af instrumenteringen.
IDD opererer i en lang række hastigheder, fra nul (i starten af raketten) til hypersonisk. Det kan finde anvendelse i raket- og rumsystemer og i luftfart - på civile og militære områder. I alle tilfælde gør dens karakteristiske træk det muligt at opnå visse fordele i forhold til traditionelle systemer. Afhængigt af behovene er det muligt at oprette en raket-IDD ved hjælp af en oxidator fra en tank eller en luftreaktiv, der tager ilt fra atmosfæren.
Der er imidlertid betydelige ulemper og vanskeligheder. Så for at mestre en ny retning er det nødvendigt at udføre forskellige ret komplekse undersøgelser og eksperimenter ved krydset mellem forskellige videnskaber og discipliner. Det specifikke driftsprincip stiller særlige krav til motordesignet og dets materialer. Prisen på højt tryk er øgede belastninger, der kan beskadige eller ødelægge motorstrukturen.
Udfordringen er at sikre en høj hastighed af brændstof og oxidant, der svarer til den nødvendige detonationsfrekvens, samt at udføre en rensning før brændstoflevering. Derudover er et separat teknisk problem lanceringen af en stødbølge ved hver driftscyklus.
Det skal bemærkes, at IDD til trods for alle forskere og designeres indsats ikke er klar til at gå ud over laboratorier og teststeder. Design og teknologier har brug for yderligere udvikling. Derfor er det endnu ikke nødvendigt at tale om introduktionen af nye motorer i praksis.
Teknologiens historie
Det er mærkeligt, at princippet om en pulserende detonationsmotor først blev foreslået ikke af forskere, men af science fiction -forfattere. For eksempel brugte ubåden "Pioneer" fra romanen af G. Adamov "The Mystery of Two Oceans" IDD på en hydrogen-oxygen-gasblanding. Lignende ideer figurerede i andre kunstværker.
Videnskabelig forskning om emnet detonationsmotorer begyndte lidt senere, i firserne, og pionererne i retning var sovjetiske forskere. I fremtiden blev der i forskellige lande gentagne gange forsøgt at skabe en erfaren IDD, men deres succes blev alvorligt begrænset af manglen på de nødvendige teknologier og materialer.
Den 31. januar 2008 begyndte DARPA-agenturet i det amerikanske forsvarsministerium og luftvåbnets laboratorium at teste det første flyvende laboratorium med en luftåndende type IDD. Den originale motor blev installeret på et modificeret Long-EZ-fly fra Scale Composites. Kraftværket omfattede fire rørformede forbrændingskamre med flydende brændstofforsyning og luftindtag fra atmosfæren. Ved en detonationsfrekvens på 80 Hz er et tryk på ca. 90 kgf, hvilket kun var nok til et let fly.
Disse test viste IDD's grundlæggende egnethed til brug inden for luftfart og demonstrerede også behovet for at forbedre designs og øge deres egenskaber. I samme 2008 blev prototypeflyet sendt til museet, og DARPA og beslægtede organisationer fortsatte med at arbejde. Det blev rapporteret om muligheden for at bruge IDD i lovende missilsystemer - men indtil videre er de ikke blevet udviklet.
I vores land blev emnet IDD undersøgt på teori- og praksisniveau. For eksempel, i 2017, en artikel om test af en detonation ramjet motor, der kører på gasformigt brint, dukkede op i tidsskriftet Combustion and Explosion. Der arbejdes også med roterende detonationsmotorer. En flydende drivmotor, der er egnet til brug på missiler, er udviklet og testet. Spørgsmålet om brug af sådanne teknologier i flymotorer undersøges. I dette tilfælde er detonation -forbrændingskammeret integreret i turbojet -motoren.
Teknologisk perspektiv
Detonationsmotorer er af stor interesse med hensyn til deres anvendelse inden for forskellige områder og områder. På grund af den forventede stigning i hovedegenskaberne kan de i det mindste presse systemerne i eksisterende klasser ud. Imidlertid tillader kompleksiteten af teoretisk og praktisk udvikling dem endnu ikke at komme i brug i praksis.
Der er imidlertid observeret positive tendenser i de seneste år. Detonationsmotorer generelt, inkl. pulserende, fremkommer i stigende grad i nyhederne fra laboratorier. Udviklingen af denne retning fortsætter, og i fremtiden vil den være i stand til at give de ønskede resultater, selvom tidspunktet for fremkomsten af lovende prøver, deres egenskaber og anvendelsesområder stadig er i tvivl. Men de seneste års beskeder giver os mulighed for at se optimistisk på fremtiden.
