Что такое детонационный двигатель

Кратко к вопросу о детонационых двигателях

В связи с непонятками у народа по детонационным двигателям, решил малость поумничать простым языком, чисто от себя и даже без ссылок на авторитеты.

Что дает применение детонационного сгорания в двигателях? Сильно упрощая и обобщая, примерно следующее:

1.Замена обычного горения детонационным за счет особенностей газодинамики фронта ударной волны, увеличивает теоретическую предельно достижимую полноту сгорания смеси, что позволяет повысить КПД двигателя, и снизить расход, примерно на 5-20%. Это актуально для всех типов двигателей, как ДВС, так и реактивных.

2. Скорость сгорания порции топливной смеси увеличивается примерно в 10-100 раз, значит теоретически можно для ДВС увеличить литровую мощность (или удельную тягу на килограмм массы для реактивных двигателей) примерно в такое же количество раз. Этот фактор актуален тоже для всех типов двигателей.

3. Фактор актуальный только для реактивных двигателей всех типов: так как процессы горения идут в камере сгорания на сверхзвуковых скоростях, а температуры и давления в камере сгорания возрастают в разы, то появляется отличная теоретическая возможность многократно увеличить и скорость истечения реактивной струи из сопла. Что в свою очередь ведет к пропорциональному росту тяги, удельного импульса, экономичности, и/или снижению массы двигателя и требуемого топлива.

Все эти три фактора очень важны, но носят не революционный, а так сказать эволюционный характер. Революционными являются четвертый и пятый фактор, и относятся они только к реактивным двигателям:

4. Только применение детонационных технологий позволяет создать прямоточный (а значит, — на атмосферном окислителе!) универсальный реактивный двигатель приемлемой массы, размеров и тяги, для практического и широкомасштабного освоения диапазона до-, сверх-, и гиперзвуковых скоростей 0-20Мах.

5.Только детонационные технологии позволяют выжать из химических ракетных двигателей (на паре топливо-окислитель) скоростные параметры требуемые для их широкого применения в межпланетных перелетах.

П.4 и 5. теоретически открывают нам а) дешевую дорогу в ближний космос, и б)дорогу к пилотируемым пускам к ближайшим планетам, без необходимости делать монструозные сверхтяжелые ракетоносители массой over 3500 tonnes.

Недостатки детонационных двигателей вытекают из их достоинств:

1. Скорость горения настолько высока, что чаще всего эти двигатели удается заставить работают лишь циклически: впуск-горение-выпуск. Что как минимум втрое снижает максимально достижимую литровую мощность и/или тягу, иногда лишая смысла саму затею.

2. Температура, давление и скорости их нарастания в камере сгорания детонационных двигателей таковы, что исключают прямое применение большинства известных нам материалов. Все они слишком слабы для построения простого, дешевого и эффективного двигателя. Требуется либо целое семейство принципиально новых материалов, либо применение пока неотработанных конструкторских ухищрений. Материалов у нас нет, а усложнение конструкции опять таки часто лишает смысла всю затею.

Однако есть область в которой без детонационных двигателей не обойтись. Это экономически оправданный атмосферный гиперзвук с диапазоном скоростей 2-20 Max. Поэтому битва идет по трем направлениям:

1. Создание схемы двигателя с непрерывной детонацией в камере сгорания. Что требует суперкомпьютеров и нетривиальных теоретических подходов для расчета их гемодинамики. В этой области проклятые ватники как всегда вырвались вперед, и впервые в мире теоретически показали, что непрерывная детогация вообще возможна. Изобретение, открытие, патент, — все дела. И приступили к изготовлению практической конструкции из ржавых труб и керосина.

2. Создание конструктивных решений делающих возможными применение классических материалов. Проклятые ватники с пьяными медведями и тут первыми придумали и сделали лабораторный многокамерный двигатель, который уже работает сколь угодно долго. Тяга как у двигателя Су27, а вес такой, что его в руках держит 1 (один!) дедушка. Но так как водка была паленая, то двигатель получился пока пульсирующий. Зато, сволочь работает настолько чисто, что его можно включать даже на кухне (где ватники его собственно и запилили в промежутках между водкой и балалайкой)

3. Создание суперматериалов для будущих двигателей. Эта область наиболее тугая и наиболее секретная. О прорывах в ней информации я не имею.

Источник

Детонационный двигатель

Детонационный двигатель.

Технология находится в процессе разработки!

Детонационный двигатель более простой и дешевле в изготовлении, на порядок мощнее и экономичнее обычного реактивного двигателя, по сравнению с ним обладает более высоким КПД.

Детонационный двигатель, сущность, строение и принцип работы:

Обычный реактивный двигатель устроен следующим образом.

В детонационном (импульсном или пульсирующем) двигателе горение происходит путем детонации. Детонация — это процесс горения, но которое происходит в сотни раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. При детонационном горении образуется детонационная ударная волна, несущая со сверхзвуковой скоростью. Она составляет порядка 2500 м/сек. Давление в результате детонационного горения стремительно возрастает, а объем камеры сгорания остается неизменным. Продукты горения вырываются с огромной скоростью через сопло. Частота пульсаций детонационной волны достигает несколько тысяч в секунду. В детонационной волне нет стабилизации фронта пламени, на каждую пульсацию обновляется топливная смесь и волна запускается вновь.

Преимущества детонационного двигателя:

– детонационный двигатель более простой в изготовлении. Отсутствует необходимость в использовании турбонасосных агрегатов,

– имеет более высокий КПД,

– дешевле в изготовлении,

– нет необходимости создавать высокое давление подачи топливной смеси и окислителя, высокое давление создается за счет самой детонации,

– детонационное горение в 100 раз быстрее, чем обычное горение топлива.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

как работает российский спиновый непрерывно импульсный ротационный пульсирующий детонационный жидкостный ракетный реактивный двигатель принцип работы последние новости россия википедия энергомаш видео испытан в россии 2017 2018 рогозин
принцип действия устройство испытания импульсного ракетного детонационного двигателя будущее российского двигателестроения
двигатель детонационное сгорание
какие страны разрабатывают фролов импульсные детонационные двигатели скачать с незатухающей детонационной волной cdw внутреннего сгорания

Источник

Математика в космонавтике: ротационный детонационный двигатель

Отправка кого-то или чего-то за пределы нашей планеты и по сей день является крайне сложным и дорогостоящим удовольствием. В то время как космические путешественники из различных научно-фантастических произведений массовой культуры используют ретрансляторы («Mass Effect»), варп-двигатели («Стартрек») или даже звездные врата («Звездные врата»), в реальности же все куда прозаичнее. На данный момент нам не известны такие нереальные технологии, потому мы используем ракетное топливо. Естественно, для запуска одного шаттла или ракеты-носителя топлива нужно крайне много. Решить эту проблему может новый вид двигателей — ротационный детонационный. Пока процесс его разработки далек от завершения, ученые из Вашингтонского университета решили создать математическую модель данного устройства, чтобы лучше понять принцип его работы. Это позволит инженерам проводить точные тесты прототипов и лучше понимать, какие именно улучшения необходимо внедрять. Итак, как выглядит ракетный двигатель глазами математика и что удалось узнать благодаря моделированию? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Вполне очевидно, что для вывода космического аппарата за пределы атмосферы Земли требуется огромное количество энергии. Количество этой энергии зависит от используемого топлива и от двигателя аппарата. Вариантов первого существует немало, однако они далеки от научно-фантастических эквивалентов по своей эффективности. Потому немало внимания уделяется разработке именно нового типа двигателей.

Классический ракетный двигатель работает за счет экзотермической химической реакции горючего и окислителя. Когда эти два компонента топлива вступают в реакцию, генерируется много тепловой энергии и газообразного рабочего тела, которое расширяется. Это приводит к тому, что его внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи. По своей сути этот химический процесс дефлаграционный, т.е. процесс дозвукового горения.

Дефлаграцию можно заменить на детонацию, когда по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения. Тип двигателя, реализующий такую модель, называется импульсный детонационный двигатель, однако он также пока еще в разработке.

В рассматриваемом исследовании речь идет о ротационном детонационном двигателе (RDE, т.е. rotating detonation engine) — устройстве, создающее тягу, в котором самоподдерживающиеся ударные волны, вызванные горением (детонации) распространяются азимутально в кольцевой камере сгорания.

Горючее и окислитель впрыскиваются в канал, обычно через небольшие отверстия или щели (кольцевые зазоры). Благодаря узкому кольцевому зазору градиенты плотности и давления, вызванные тепловыделением, самоусиливаются, в конечном итоге образуя ударные волны, достаточно сильные для самовоспламенения топлива.

Стабильная работа RDE, являющаяся объектом исследования, объединяет в себе баланс нескольких аспектов: горение, впрыск и смешивание, выпуск и выброс энергии. Если эти переменные не сбалансированы, то возникает дестабилизация работы двигателя, которая проявляется в виде перехода к другому количеству волн или в виде модуляции скорости волны.

Изображение №1: схема RDE.

Вычислительное гидродинамическое моделирование RDE позволяет детально исследовать волновую структуру и потоковое поле* двигателя.

Потоковое поле* — распределение плотности и скорости жидкости в пространстве и времени.

Векторное поле* — преобразования пространства, где каждая его точка отображается в виде вектора с началом в этой точке.

Бифуркация* — качественное изменение поведения динамической системы при бесконечно малом изменении её параметров.

Несмотря на ожидаемые сложности, было решено проводить моделирование, но с использованием новых экспериментальных данных по нелинейной динамики вращающихся детонационных волн. Это позволило создать модель, которая учитывает самые незначительные изменения, тем самым фиксируя бифуркации, наблюдаемые на практике во время экспериментов.

Экспериментальная часть

Для проведения полноценно исследования и соответствующего моделирования были проведены определенные эксперименты. Для этого был специально подготовлен RDE и тестовая камера для изучения динамики вращающейся волны детонации. Двигатель, используемый для этого исследования, уникален тем, что его внутренние компоненты являются модульными. Части двигателя могут быть заменены для получения различных кольцевых зазоров и длины камеры сгорания. Также можно заменить инжектор, что позволяет исследовать разные варианты соединения и смешивания топлива.

Изображение №2

Тестовая камера оптически доступна, что позволяет регистрировать полную кинематическую историю всех детонационных волн с высоким пространственно-временным разрешением (2а).

Каждый эксперимент представляет собой 0.5 секундное сжигание газообразного метана и кислорода с заданной пропорцией и скоростью подачи. В успешном эксперименте искра зажигает смесь и производит ускоряющее пламя, которое переходит в ряд бегущих детонационных волн.

В основе данного исследования лежит предположение, что наблюдаемая светимость в экспериментах коррелирует с прогрессом сгорания. Следовательно, более яркие области демонстрируют более высокое тепловыделение, чем более темные области. Если это предположение правдиво, то можно рассмотреть несколько примеров форм сигналов, извлеченных из данных с высокоскоростной камеры.

Кинематика волны может быть получена из данных камеры с помощью алгоритма интеграции интенсивности пикселей и зафиксирована в виде диаграммы (2b).

Изображение №3

Записи камеры также могут быть преобразованы в волновую систему отчета, в этом случае разности фаз между волнами будет отчетливо видна.

На графике 3а представлены данные с 2b в виде волновой системе отчета, а на 3с показана соответствующая скорость отслеживаемой волны.

Для этих данных время было определено как τ = t(D_wave/L), где L — длина периодической области, а D_wave — скорость волны в состоянии синхронизации мод.

На 3а виден переход от одной волны к двум во время процесса запуска. При таком переходе мод после критической точки образуется вторая детонационная волна, которая начинает распространяться вокруг кольца. Однако расстояние между двумя волнами в кольцевом пространстве асимметрично, что вызывает дисбаланс в количестве топлива, потребляемого каждой из волн. Волна с координатой θ₁, идущая за предыдущей волной θ₂, существует с разностью фаз Ψ = θ₂ — θ₁ 2 (x — x₀) и λ (x, 0) = 0 и λ(x, 0) = 0.

Была определена скорость Чепмена—Жуге (CJ) для данной системы (невязкой устойчивой волны, в которой вся энергия была передана в волну в бесконечно тонкой реакционной зоне). Эта постоянная скорость волны определяется как минимальная скорость, которая удовлетворяет условиям Ранкина-Гюгонио* для заданного тепловыделения. В отсутствие потерь эта минимальная скорость равна DCJ = (η₁ + q₀) + √ q₀ (q₀ + 2η₁). В случае η₁ = 0 скорость волны становится равной 2q₀.

Адиабата Ранкина-Гюгонио* — математическое соотношение, связывающее термодинамические величины до и после ударной волны.

Эта скорость является метрикой, по которой измеряются бегущие волны в рассматриваемой модели.

Изображение №8

На изображении выше представлена эволюция стандартного экспериментального моделирования. Поскольку начальный sech-импульс значительно выше ηc, среда локально и быстро выделяет тепло. Волна становится «острее» и образует детонацию. Этот начальный импульс распространяется со скоростью CJ, пока не достигнет своего хвоста, и в этот момент волна начинает быстро рассеиваться и замедляться: ограниченная величина горения не может продолжать поддерживать волну при DCJ = 2q₀. Кроме того, быстрое тепловыделение (по сравнению со шкалой времени рассеяния энергии) исходной волны CJ приводит к увеличению среднего значения η в области, значительно превышающего значение η₀ окружающей среды и значение η_c воспламенения.

Таким образом, эффективная энергия активации активной среды уменьшается, и во всей области повышается паразитная дефлаграция или медленное тепловыделение, не связанное с бегущими волнами. Поскольку время прохождения исходной бегущей волны было увеличено за счет рассеяния, паразитная дефлаграция имеет достаточно времени для завершения процесса дефлаграции-детонации (DDT, т.е. deflagration-to-detonation) и формирования множества детонационных волн с меньшей амплитудой.

Чтобы вызвать процесс перехода мод, когда имеется состояние стабильной моды, было использовано ступенчатое изменение s, что вызвало бифуркацию. Пример такого перехода показан на 4b, где две первоначально вращающиеся детонационные волны с синхронизацией мод становятся неустойчивыми и разрушительно раздваиваются.

Низкоамплитудные разности фаз возрастают экспоненциально, что наблюдалось и во время экспериментов (4а). В течение периода колебаний две волны обмениваются силой (амплитудой) и скоростью. Для заданной функции впрыска β и потерь скорость роста неустойчивости и период колебаний параметризуются степенью примененного шага в изменении параметров s и η_p.

При зарождении новой волны или разрушении существующей совокупность волн в тестовой камере действует дисперсионно, в конечном итоге формируя состояние с синхронизацией мод.

Изображение №9

Выше изображены бифуркационные диаграммы, показывающие зависимость количества волн, скорости волны и амплитуды волны от s и значения потерь. При увеличении s от нуля устойчивые плоские фронты дефлаграции образуются для небольших значений. Как только значение s может способствовать образованию бегущей волны, волны начинают демонстрировать лестницы, где их скорость постепенно увеличивается, пока не произойдет еще одна бифуркация. Эти волны возникают в результате паразитной дефлаграции в процессе DDT. При каждой бифуркации с увеличением числа волн скорость волны падает. Когда значение s становится достаточно большим, число волн увеличивается до тех пор, пока волновые фронты не станут малыми по амплитуде и не сольются в плоскостный фронт дефлаграции.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

25% выше, чем у классической дефлаграции), однако есть и ряд проблем. Основной является нестабильность таких волн. Как говорят сами ученые, любая детонация это неконтролируемый процесс, который протекает так, как ему вздумается.

Для того, чтобы понять этот хаотичный, на первый взгляд, процесс ученые создали математическую модель. Основой модели стали практические эксперименты с двигателем, продолжительность которых составила всего полсекунды, однако этого было достаточно для получения данных, необходимых для формирования модели.

Исследователи говорят, что их модель является первой в своем роде. Она дает возможность понять будет ли такой тип двигателей работать стабильно или же нет, а также оценить работу конкретного двигателя, использованного во время практической части опытов.

Другими словами, модель раскрывает карты того, какие физические процессы протекают во время работы системы. В дальнейшем ученые намерены усовершенствовать свое творение, чтобы его можно было применять уже для определения тех или иных аспектов, которые требуют особого внимания для реализации работающего и стабильного ротационного двигателя.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы 🙂

Источник

Импульсные детонационные двигатели как будущее ракет и авиации

Существующие двигательные установки для авиации и ракет показывают весьма высокие характеристики, но вплотную приблизились к пределу своих возможностей. Для дальнейшего повышения параметров тяги, создающего задел для развития авиационной ракетно-космической отрасли, необходимы другие двигатели, в т.ч. с новыми принципами работы. Большие надежды возлагаются на т.н. детонационные двигатели. Подобные системы импульсного класса уже испытываются в лабораториях и на летательных аппаратах.

Физические принципы

В существующих и эксплуатируемых двигателях на жидком топливе используется дозвуковое горение или дефлаграция. Химическая реакция с участием топлива и окислителя образует фронт, перемещающийся по камере сгорания с дозвуковой скоростью. Такое горение ограничивает количество и скорость реактивных газов, истекающих из сопла. Соответственно, ограничивается и максимальная тяга.

Альтернативой является детонационное горение. В этом случае фронт реакции перемещается со сверхзвуковой скоростью, образуя ударную волну. Подобный режим горения увеличивает выход газообразных продуктов и обеспечивает повышенную тягу.

Детонационный двигатель может быть выполнен в двух вариантах. Одновременно разрабатываются импульсные или пульсирующие двигатели (ИДД / ПДД) и ротационные / вращающиеся. Их отличие заключается в принципах горения. Ротационный двигатель поддерживает постоянную реакцию, а импульсный работает за счет последовательных «взрывов» смеси топлива и окислителя.

Импульсы образуют тягу

В теории, по своей конструкции ИДД не сложнее традиционного прямоточного воздушно-реактивного или жидкостного ракетного двигателя. Он включает камеру сгорания и сопловой аппарат, а также средства подачи топлива и окислителя. При этом накладываются особые ограничения на прочность и стойкость конструкции, связанные с особенностями работы двигателя.

Во время работы форсунки подают в камеру сгорания топливо; окислитель подводится из атмосферы помощи воздухозаборного устройства. После образования смеси происходит воспламенение. За счет правильного подбора компонентов топлива и пропорций смеси, оптимального способа воспламенения и конфигурации камеры образуется ударная волна, движущаяся в направлении сопла двигателя. Текущий уровень технологий позволяет получить скорость волны до 2,5-3 км/с с соответствующим повышением тяги.

ИДД использует пульсирующий принцип работы. Это означает, что после детонации и выхода реактивных газов камера сгорания продувается, вновь наполняется смесью – и следует новый «взрыв». Для получения высокой и стабильной тяги этот цикл должен осуществляться с большой частотой, от десятков до тысяч раз в секунду.

Сложности и преимущества

Главным преимуществом ИДД является теоретическая возможность получения повышенных характеристик, обеспечивающих превосходство над существующими и перспективными ПВРД и ЖРД. Так, при той же тяге импульсный двигатель получается компактнее и легче. Соответственно, в тех же габаритах можно создать более мощную установку. Кроме того, такой двигатель проще по своей конструкции, поскольку не нуждается в части приборного оснащения.

ИДД работоспособен в широком диапазоне скоростей, от нулевых (при старте ракеты) до гиперзвуковых. Он может найти применение в ракетно-космических системах и в авиации – в гражданских и военных областях. Во всех случаях его характерные особенности позволяют получить те или иные преимущества перед традиционными системами. В зависимости от потребностей, возможно создание ракетного ИДД, использующего окислитель из бака, или воздушно-реактивного, принимающего кислород из атмосферы.

Впрочем, имеются существенные недостатки и затруднения. Так, для освоения нового направления приходится проводить различные достаточно сложные исследования и опыты на стыке разных наук и дисциплин. Специфический принцип работы предъявляет особые требования к конструкции двигателя и ее материалам. Ценой высокой тяги оказываются повышенные нагрузки, способные повредить или разрушить конструкцию двигателя.

Сложной задачей является обеспечение высокой скорости подачи топлива и окислителя, соответствующей необходимой частоте детонаций, а также выполнение продувки перед подачей топлива. Кроме того, отдельной инженерной проблемой является запуск ударной волны при каждом цикле работы.

Следует отметить, что к настоящему времени ИДД, несмотря на все усилия ученых и конструкторов, не готовы к выходу за пределы лабораторий и полигонов. Конструкции и технологии нуждаются в дальнейшей отработке. Поэтому пока не приходится говорить о внедрении новых двигателей в практику.

История технологии

Любопытно, что принцип импульсного детонационного двигателя впервые был предложен не учеными, но писателями-фантастами. К примеру, подлодка «Пионер» из романа Г. Адамова «Тайна двух океанов» использовала ИДД на водородно-кислородной газовой смеси. Схожие идеи фигурировали и в других художественных произведениях.

Научные изыскания по теме детонационных двигателей начались чуть позже, в сороковых годах, причем пионерами направления были советские ученые. В дальнейшем в разных странах неоднократно предпринимались попытки создания опытного ИДД, но их успех серьезно ограничивало отсутствие необходимых технологий и материалов.

31 января 2008 г. агентство DARPA министерства обороны США и Лаборатория ВВС начали испытания первой летающей лаборатории с ИДД воздушно-реактивного типа. Оригинальный двигатель установили на доработанном самолете Long-EZ от фирмы Scale Composites. Силовая установка включала четыре трубчатые камеры сгорания с подачей жидкого топлива и забором воздуха из атмосферы. При частоте детонаций 80 Гц развивалась тяга ок. 90 кгс, чего хватало только для легкого летательного аппарата.

Эти испытания показали принципиальную пригодность ИДД для применения в авиации, а также продемонстрировали необходимость совершенствования конструкций и повышения их характеристик. В том же 2008 г. опытный самолет отправили в музей, а DARPA и смежные организации продолжили работу. Сообщалось о возможности применения ИДД в перспективных ракетных комплексах – но пока они не разработаны.

В нашей стране тематика ИДД изучалась на уровне теории и практике. К примеру, в 2017 г. в журнале «Горение и взрыв» появилась статья об испытаниях детонационного прямоточного двигателя на газообразном водороде. Также продолжаются работы по ротационным детонационным двигателям. Создан и испытан РДД на жидком топливе, пригодный для использования на ракетах. Прорабатывается вопрос использования таких технологий в авиационных двигателях. В этом случае детонационная камера сгорания интегрируется в состав турбореактивного двигателя.

Перспективы технологии

Детонационные двигатели представляют большой интерес с точки зрения применения в разных областях и сферах. За счет ожидаемого прироста основных характеристик они могут, как минимум, потеснить системы существующих классов. Однако сложность теоретической и практической разработки пока не позволяет им дойти до использования на практике.

Впрочем, в последние годы наблюдаются положительные тенденции. Детонационные двигатели в целом, в т.ч. импульсные, все чаще появляются в новостях из лабораторий. Развитие этого направления продолжается, и в будущем сможет дать желаемые результаты, хотя сроки появления перспективных образцов, их характеристики и области применения пока остаются под вопросом. Однако сообщения последних лет позволяют смотреть в будущее с оптимизмом.

Источник