De eksisterende fremdriftssystemene for luftfart og missiler viser svært høy ytelse, men har kommet nær grensen for evner. For ytterligere å øke skyveparametrene, som skaper et grunnlag for utviklingen av luftfartsraketten og romfartsindustrien, er det nødvendig med andre motorer, inkl. med nye arbeidsprinsipper. Store håp er festet til den såkalte. detonasjonsmotorer. Slike pulsklassesystemer testes allerede i laboratorier og på fly.
Fysiske prinsipper
Eksisterende og opererende flytende drivstoffmotorer bruker subsonisk forbrenning eller deflagrering. En kjemisk reaksjon som involverer drivstoff og en oksydator danner en front som beveger seg gjennom forbrenningskammeret med en subsonisk hastighet. Denne forbrenningen begrenser mengden og hastigheten av reaktive gasser som strømmer ut av munnstykket. Følgelig er maksimal skyvekraft også begrenset.
Detonasjonsforbrenning er et alternativ. I dette tilfellet beveger reaksjonsfronten seg med en supersonisk hastighet og danner en sjokkbølge. Denne forbrenningsmodusen øker utbyttet av gassformige produkter og gir økt trekkraft.
Detonasjonsmotoren kan lages i to versjoner. Samtidig utvikles impuls- eller pulserende motorer (IDD / PDD) og roterende / roterende. Deres forskjell ligger i forbrenningsprinsippene. Den roterende motoren opprettholder en konstant reaksjon, mens impulsmotoren fungerer ved påfølgende "eksplosjoner" av en blanding av drivstoff og oksydasjonsmiddel.
Impulser danner skyvekraft
I teorien er utformingen ikke mer komplisert enn en tradisjonell ramjet- eller væskedrivende rakettmotor. Den inkluderer et forbrenningskammer og dysemontasje, samt midler for tilførsel av drivstoff og oksydasjonsmiddel. I dette tilfellet er det pålagt spesielle restriksjoner på styrken og holdbarheten til strukturen knyttet til særtrekkene ved motoroperasjonen.
Under drift forsyner injektorene drivstoff til forbrenningskammeret; oksidatoren tilføres fra atmosfæren ved hjelp av en luftinntaksenhet. Etter dannelsen av blandingen oppstår antennelse. På grunn av riktig valg av drivstoffkomponenter og blandingsforhold, den optimale tenningsmetoden og konfigurasjonen av kammeret, genereres en sjokkbølge som beveger seg i motorens dyse. Det nåværende teknologinivået gjør det mulig å oppnå en bølgehastighet på opptil 2,5-3 km / s med en tilsvarende økning i skyvekraften.
IDD bruker et pulserende operasjonsprinsipp. Dette betyr at etter detonasjon og frigjøring av reaktive gasser blåses brennkammeret ut, fylles på nytt med en blanding - og en ny "eksplosjon" følger. For å oppnå et høyt og stabilt trykk må denne syklusen utføres med en høy frekvens, fra titalls til tusenvis av ganger i sekundet.
Vanskeligheter og fordeler
Hovedfordelen med IDD er den teoretiske muligheten for å oppnå forbedrede egenskaper som gir overlegenhet i forhold til eksisterende og potensielle ramjet- og flytende drivmotorer. Så, med samme skyvekraft, viser seg impulsmotoren å være mer kompakt og lettere. Følgelig kan en kraftigere enhet opprettes i samme dimensjoner. I tillegg er en slik motor enklere i utformingen, siden den ikke trenger en del av instrumenteringen.
IDD opererer i et bredt spekter av hastigheter, fra null (ved starten av raketten) til hypersonisk. Den kan finne anvendelse i rakett- og romsystemer og i luftfart - på sivile og militære felt. I alle tilfeller gjør dens karakteristiske trekk det mulig å oppnå visse fordeler i forhold til tradisjonelle systemer. Avhengig av behovene er det mulig å lage en rakett-IDD ved hjelp av en oksydator fra en tank, eller en luftreaktiv som tar oksygen fra atmosfæren.
Imidlertid er det betydelige ulemper og vanskeligheter. Så, for å mestre en ny retning, er det nødvendig å utføre forskjellige ganske komplekse studier og eksperimenter i krysset mellom forskjellige vitenskaper og disipliner. Det spesifikke driftsprinsippet stiller spesielle krav til motordesignet og dets materialer. Prisen på høyt trykk er økte belastninger som kan skade eller ødelegge motorstrukturen.
Utfordringen er å sikre en høy hastighet på drivstoff og oksidanttilførsel, tilsvarende den nødvendige detonasjonsfrekvensen, samt å utføre en rensing før drivstofflevering. I tillegg er et eget ingeniørproblem lansering av en sjokkbølge ved hver operasjonssyklus.
Det skal bemerkes at IDD, til tross for all innsats fra forskere og designere, til dags dato ikke er klar til å gå utover laboratorier og teststeder. Design og teknologi trenger videre utvikling. Derfor er det ennå ikke nødvendig å snakke om introduksjon av nye motorer i praksis.
Teknologiens historie
Det er merkelig at prinsippet om en pulserende detonasjonsmotor først ble foreslått ikke av forskere, men av science fiction -forfattere. For eksempel brukte ubåten "Pioneer" fra romanen av G. Adamov "The Mystery of Two Oceans" IDD på en hydrogen-oksygen gassblanding. Lignende ideer fantes i andre kunstverk.
Vitenskapelig forskning om temaet detonasjonsmotorer begynte litt senere, på førtiårene, og pionerene i retningen var sovjetiske forskere. I fremtiden, i forskjellige land, ble det gjentatte ganger forsøkt å lage en erfaren IDD, men suksessen deres ble alvorlig begrenset av mangel på nødvendige teknologier og materialer.
31. januar 2008 begynte DARPA-byrået i det amerikanske forsvarsdepartementet og luftvåpenlaboratoriet å teste det første flygende laboratoriet med en luftpustende type IDD. Den originale motoren ble installert på et modifisert Long-EZ-fly fra Scale Composites. Kraftverket inkluderte fire rørformede forbrenningskamre med flytende drivstofftilførsel og luftinntak fra atmosfæren. Ved en detonasjonsfrekvens på 80 Hz vil en skyvekraft på ca. 90 kgf, som bare var nok for et lett fly.
Disse testene viste den grunnleggende egnetheten til IDD for bruk i luftfart, og demonstrerte også behovet for å forbedre design og øke deres egenskaper. I samme 2008 ble prototypeflyet sendt til museet, og DARPA og relaterte organisasjoner fortsatte å jobbe. Det ble rapportert om muligheten for å bruke IDD i lovende missilsystemer - men så langt har de ikke blitt utviklet.
I vårt land ble emnet IDD studert på teori- og praksisnivå. For eksempel, i 2017, dukket det opp en artikkel om tester av en detonasjonsramjetmotor som kjørte på gassformig hydrogen i tidsskriftet Combustion and Explosion. Arbeidet fortsetter også med roterende detonasjonsmotorer. En rakettmotor for flytende drivstoff, egnet for bruk på missiler, er utviklet og testet. Spørsmålet om bruk av slike teknologier i flymotorer blir undersøkt. I dette tilfellet er detonasjonens forbrenningskammer integrert i turbojetmotoren.
Teknologiperspektiv
Detonasjonsmotorer er av stor interesse med tanke på bruken av dem på forskjellige felt og felt. På grunn av den forventede økningen i hovedegenskapene, kan de i det minste presse ut systemene til eksisterende klasser. Imidlertid tillater kompleksiteten i teoretisk og praktisk utvikling dem ikke å komme i bruk i praksis ennå.
Imidlertid har positive trender blitt observert de siste årene. Detonasjonsmotorer generelt, inkl. pulserende, stadig mer vises i nyhetene fra laboratorier. Utviklingen av denne retningen fortsetter, og i fremtiden vil den kunne gi de ønskede resultatene, selv om tidspunktet for utseendet på lovende prøver, deres egenskaper og anvendelsesområder fortsatt er i tvil. Budskapene fra de siste årene lar oss imidlertid se optimistisk på fremtiden.
