Кіріспе
Жанар-жағар майды және тотықтырғышты жандыру үшін жарылыс толқындарын пайдаланатын ракеталық қозғалтқыш. Импульстік жарылыс қозғалтқышы (ИЖҚ) – отын мен тотықтырғыш қоспасын жандыру үшін жарылыс толқындарын пайдаланатын қозғалтқыш жүйесі. Қозғалтқыш импульстік режимде жұмыс істейді, себебі әрбір жарылыс толқынынан кейін жану камерасындағы қоспа жаңаруы тиіс. Теориялық тұрғыдан алғанда, ИЖҚ 5 Мах шамасындағы гипердыбыстық жылдамдыққа дейін, яғни дыбыс жылдамдығынан еселеп жоғары жылдамдықпен жұмыс істей алады. Идеалды ИЖҚ конструкциясы турбоұшқыштар мен турбожелдеткіштерге қарағанда жоғары термодинамикалық тиімділікке ие болуы мүмкін, өйткені жарылыс толқыны қоспаны жылдам қысып, тұрақты көлемде жылуды ұсынады. Осының салдарынан, компрессор роторлары сияқты қозғалмалы бөлшектер қозғалтқышта міндетті түрде қажет емес, бұл жалпы салмақты және құнын айтарлықтай төмендетуге мүмкіндік береді. Әрі қарышта дамыту үшін маңызды мәселелер: отын мен тотықтырғышты жылдам және тиімді араластыру, өздігінен тұтанудың алдын алу, сондай-ақ кіріс және соплоны интеграциялау. 2023 жылдың мамыр айына дейін ешбір практикалық ИЖҚ өндіріске енгізілген жоқ, бірақ бірнеше сынақ қозғалтқыштары жасалды және олардың біреуі 2008 жылы ИЖҚ-мен қамтамасыз етілген демонстрациялық ұшаққа сәтті орнатылып, тұрақты ИЖҚ қуатымен ұшты.
A pulse detonation engine (PDE) is a type of propulsion system that uses detonation waves to combust the fuel and oxidizer mixture. The engine is pulsed because the mixture must be renewed in the combustion chamber between each detonation wave and the next. Theoretically, a PDE can operate from subsonic up to a hypersonic flight speed of roughly Mach 5. An ideal PDE design can have a thermodynamic efficiency higher than other designs like turbojets and turbofans because a detonation wave rapidly compresses the mixture and adds heat at constant volume. Consequently, moving parts like compressor spools are not necessarily required in the engine, which could significantly reduce overall weight and cost. Key issues for further development include fast and efficient mixing of the fuel and oxidizer, the prevention of autoignition, and integration with an inlet and nozzle. as of May 2023, no practical PDE has been put into production, but several testbed engines have been built and one was successfully integrated into a low speed demonstration aircraft that flew in sustained PDE powered flight in 2008.
Тарих
ПДЭ 1940 жылдан бері жылдамдық үшін қарастырылып келеді. Импульстік жарылыс қозғалтқышымен қоздырылатын ұшақтың алғашқы ұшуы 2008 жылдың 31 қаңтарында Мохаве әуе және ғарыш портында өтті. Жобаны Әскери-әуе күштерінің ғылыми-зерттеу зертханасы және Innovative Scientific Solutions, Inc. бірлесіп жасады. Ұшуға Scaled Composites Long EZ ұшағы таңдалды, ол Borealis деп аталды. Қозғалтқыш 80 Гц жиілікте импульстік жарылыстар тудыратын төрт түтікшені құрады, бұл 200 фунт (890 Ньютон) итермелеу күшін қамтамасыз етті. Соңғы жылдары қозғалтқыш жасаушылар көптеген отындарды қарастырып, сынақтан өткізді, бірақ осы ұшу үшін тазартылған октан отыны қолданылды. Long EZ ұшағының ұшып шығуын жеңілдету үшін шағын ракеталық жүйе пайдаланылды, бірақ ПДЭ шамамен 100 фут (30 м) биіктікте 10 секунд бойы өз күшімен жұмыс істеді. Ұшу төмен жылдамдықпен жүргізілді, алайда ПДЭ қозғалтқышының артықшылығы жоғары жылдамдықтарда көрінеді, бірақ демонстрация ПДЭ-ні ұшақ конструкциясына 195 200 дБ детонациялық толқындардан туындайтын құрылымдық мәселелерсіз интеграциялауға болатынын көрсетті. Өзгертілген Long EZ үшін қосымша ұшулар жоспарланбаған, бірақ осы жетістік ПДЭ зерттеулеріне қаржыландыруды арттыруы мүмкін. Ұшақ АҚШ Әуе күштерінің ұлттық мұражайына қойылды. 2008 жылдың маусым айында Қорғаныс саласындағы кеңейтілген зерттеулер жобалары агенттігі (DARPA) осы технологияны қолданып, 6 Мах жылдамдыққа жете алатын Blackswift жобасын таныстырды. Алайда, жобаның көп ұзамай, 2008 жылдың қазан айында тоқтатылғаны хабарланды.
Операция
PDE негізгі жұмысы импульстік реактивті қозғалтқыштың жұмысына ұқсас. Импульстік ұшқышта ауа отынмен араласып, жанғыш қоспа жасалады, содан кейін ашық камерада тұтанады. Нәтижесінде пайда болған жану қоспаның қысымын шамамен 100 атмосфераға (10 МПа) дейін арттырады, содан кейін итермелеу үшін соқпақ арқылы кеңейеді. Қоспаның артқы жағына шығып, ұшақты алға итеріп отыруын қамтамасыз ету үшін қозғалтқыштың алдыңғы жағын жабу үшін бірнеше жақтаулар қолданылады. Ауаның кіруін мұқият реттеу, жапқыштардың дұрыс уақытта жабылуын қамтамасыз етеді, бұл ауаны қозғалтқыш арқылы бір бағытта ғана жүруге мәжбүр етеді. Кейбір импульстік ұшқыш конструкциялары жүйедегі ауа ағыны арқылы клапандық әрекетті қамтамасыз ету үшін резонаторлық қуысты пайдаланады. Бұл үлгілер әдетте екі жағынан ашық, U пішінді түтік сияқты көрінеді. Екі жүйеде де импульстік ұшқыштың жану процесінде проблемалары бар. Отын жанған сайын, күш пайда болу үшін кеңейе түседі, сонымен қатар ол қалған жанбаған зарядты артқа, соқпақтан шығарады. Көп жағдайда зарядтың бір бөлігі жану алдында шығарылады, бұл V-1 ұшатын бомбасында және басқа импульстік ұшқыштарда көрінетін жалынның ізіне себеп болады. Тіпті қозғалтқыштың ішінде қоспаның көлемі үнемі өзгеріп отырады, бұл отынды тиімді емес түрде пайдалы энергияға айналдырады. Барлық қалыпты реактивтік және көптеген ракеталық қозғалтқыштар отынның дефлаграциясы, яғни отынның жылдам, бірақ дыбыс астындағы жануы арқылы жұмыс істейді. Импульстік детонациялық қозғалтқыш – қазіргі уақытта отынның үстіркіштік детонациясымен жұмыс істейтін реактивтік қозғалтқыш жасау үшін белсенді даму үстіндегі тұжырымдама. Жану өте тез жүретіндіктен, заряд (отын/ауа қоспасы) осы процесте кеңейуге уақыты жоқ, сондықтан ол шамамен тұрақты көлемде өтеді. Тұрақты көлемді жану газ турбиналары сияқты ашық циклді конструкцияларға қарағанда тиімді, бұл отынның тиімділігін арттырады. Жану процесінің жылдамдығы өте жоғары болғандықтан, механикалық жапқыштарды қажетті өнімділікпен орналастыру қиын. Оның орнына, PDE процесін мұқият уақытқа келтіру үшін әдетте бірнеше клапанды қолданады. PDE зерттеулерінің көпшілігі әскери сипатта, өйткені қозғалтқыш қазіргі кез-келген әуе шабуылына қарсы қорғаныс аясынан тыс болатын биік ұшақтарды, SR-71-ден әлдеқайда үлкен қашықтықты ұсына отырып, үлкен танкерлік қолдау флотын қажет ететін жаңа буынның жоғары жылдамдықты, ұзақ қашықтықтағы барлау ұшақтарын әзірлеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Импульстік детонациялық қозғалтқыштардағы негізгі қиындықтар – ДДТ-ге жету үшін жеткілікті ұзын түтік қажет болмайтындай етіп, ұшаққа салған жүктемені азайту (түтікке U бұрылысын қосу детонациялық толқынды сөндіреді); шуды азайту (көбінесе диодты балға сияқты естіледі); және қозғалтқыштың жұмыс істеуі салдарынан болатын қатты дірілдерді басу.
Қолданылуы
Егер көлік құралында отын мен тотықтырғыш болса, импульстік детонациялық қозғалтқыш атмосферадан тәуелсіз болады және оны ғарышқа ұшу кезінде қолдануға болады. 2021 жылдың 26 шілдесінде (UTC) Жапонияның JAXA ғарыш агенттігі S 520 зымыранды ұшуы кезінде ғарыш кеңістігінде импульстік детонациялық зымыран қозғалтқышын сәтті сынады. Зымыранның жоғарғы сатысында негізгі қозғалтқыш ретінде айналмалы детонациялық қозғалтқыш (RDE) пайдаланылды, ал негізгі қозғалтқыш жұмысын аяқтағаннан кейін сатыны бұру үшін S пішіндес импульстік детонациялық қозғалтқыш қолданылды. ПДЭ ұшу кезінде үш рет, жалпы 14 цикл іске қосылды.