Двигатель на детонационных волнах: разработка и испытания

Введение

Ракетный двигатель, использующий детонационные волны для сжигания топлива и окислителя.

Двигатель импульсного детонационного типа (PDE) – это тип двигательной установки, использующий детонационные волны для сжигания смеси топлива и окислителя. Двигатель работает в импульсном режиме, поскольку смесь необходимо обновлять в камере сгорания между каждой детонационной волной и следующей. Теоретически, PDE может работать в диапазоне скоростей от дозвуковой до гиперзвуковой, примерно до 5 Махов. Идеальная конструкция PDE может обладать более высокой термодинамической эффективностью, чем другие типы двигателей, такие как турбореактивные и турбовентиляторные, поскольку детонационная волна быстро сжимает смесь и добавляет тепло при постоянном объеме. Следовательно, в двигателе не обязательно использовать движущиеся части, такие как шпули компрессора, что может значительно снизить общий вес и стоимость. Ключевыми задачами для дальнейшей разработки являются быстрое и эффективное смешивание топлива и окислителя, предотвращение самовоспламенения, а также интеграция с воздухозаборником и соплом. По состоянию на май 2023 года ни один практический двигатель PDE не был запущен в серийное производство, однако было построено несколько опытных образцов, и один из них был успешно интегрирован в демонстрационный самолет малой скорости, который в 2008 году совершил продолжительный полет с использованием двигателя PDE.

История

Импульсные детонационные двигатели (PDE) рассматриваются для использования в качестве двигателей с 1940 года. Первый известный полет самолета, оснащенного импульсным детонационным двигателем, состоялся 31 января 2008 года в аэропорту Мохаве. Проект был разработан Исследовательской лабораторией ВВС и компанией Innovative Scientific Solutions, Inc. Для полета был выбран сильно модифицированный самолет Scaled Composites Long EZ, получивший название Borealis. Двигатель состоял из четырех труб, генерирующих импульсные детонации с частотой 80 Гц, создавая тягу до 200 фунтов (890 ньютонов). За последние годы разработчики двигателя рассматривали и испытывали множество видов топлива, но для этого полета был использован очищенный октан. Небольшая ракетная система была использована для облегчения взлета Long EZ, но PDE работал на собственной тяге в течение 10 секунд на высоте около 100 футов (30 м). Полет проходил на низкой скорости, в то время как преимущество концепции двигателя PDE заключается в более высоких скоростях. Однако демонстрация показала, что PDE может быть интегрирован в конструкцию самолета без возникновения структурных проблем из-за детонационных волн мощностью 195 200 дБ. Дальнейшие полеты на модифицированном Long EZ не планируются, но успех, вероятно, привлечет дополнительное финансирование для исследований PDE. Самолет был передан в Национальный музей ВВС США для экспозиции. В июне 2008 года Агентство передовых исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) представило Blackswift, который должен был использовать эту технологию для достижения скорости до 6 Махов. Однако вскоре после этого, в октябре 2008 года, проект был отменен.

Операция

Основная работа PDE аналогична работе импульсного реактивного двигателя. В импульсном реактивном двигателе воздух смешивается с топливом для создания воспламеняющейся смеси, которая затем воспламеняется в открытой камере. В результате сгорания давление смеси значительно возрастает примерно до 100 атмосфер (10 МПа), после чего она расширяется через сопло, создавая тягу. Для обеспечения выхода смеси в заднюю часть, тем самым продвигая самолет вперед, используется ряд заслонок, перекрывающих переднюю часть двигателя. Точная настройка воздухозаборника гарантирует закрытие заслонок в нужный момент, чтобы направить воздушный поток только в одном направлении через двигатель. Некоторые конструкции импульсных реактивных двигателей использовали настроенную резонансную полость для обеспечения клапанной функции за счет потока воздуха в системе. Эти конструкции обычно имеют вид U-образной трубы, открытой с обоих концов. В любой из этих систем импульсный реактивный двигатель сталкивается с проблемами в процессе сгорания. Когда топливо сгорает и расширяется, создавая тягу, оно также выталкивает оставшийся несгоревший заряд назад через сопло. Во многих случаях часть заряда выбрасывается до сгорания, что вызывает знаменитый огненный след, наблюдаемый на летающей бомбе V-1 и других импульсных реактивных двигателях. Даже внутри двигателя объем смеси постоянно меняется, что неэффективно преобразует топливо в полезную энергию. Все обычные реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей работают на дефлаграции топлива, то есть на быстром, но дозвуковом сгорании топлива. Импульсный детонационный двигатель – это концепция, находящаяся в активной разработке для создания реактивного двигателя, работающего на сверхзвуковой детонации топлива. Поскольку сгорание происходит настолько быстро, заряд (топливовоздушная смесь) не успевает расширяться в процессе, поэтому оно происходит при почти постоянном объеме. Объемное сгорание более эффективно, чем конструкции с открытым циклом, такие как газотурбинные двигатели, что приводит к повышению топливной эффективности. Из-за высокой скорости процесса сгорания сложно обеспечить требуемую производительность механических заслонок. Вместо этого в PDE обычно используется ряд клапанов для точной синхронизации процесса. Большинство исследований PDE ведутся в военных целях, поскольку двигатель может быть использован для разработки нового поколения высокоскоростных разведывательных самолетов большой дальности, способных летать на такой высоте, чтобы находиться вне досягаемости современных средств противовоздушной обороны, при этом обеспечивая дальность полета, значительно превышающую дальность SR-71, которому требовался огромный парк самолетов-заправщиков. Основные трудности при создании импульсных детонационных двигателей заключаются в достижении ДДТ (детонационного сгорания) без использования трубы, настолько длинной, чтобы это стало непрактичным и создавало сопротивление для самолета (добавление U-образного изгиба в трубу гасит волну детонации); снижении шума (который часто описывают как звук отбойного молотка); и подавлении сильных вибраций, возникающих при работе двигателя.

The basic operation of the PDE is similar to that of the pulse jet engine. In the pulse jet, air is mixed with fuel to create a flammable mixture that is then ignited in an open chamber. The resulting combustion greatly increases the pressure of the mixture to approximately 100 atmospheres (10 MPa), which then expands through a nozzle for thrust. To ensure that the mixture exits to the rear, thereby pushing the aircraft forward, a series of shutters are used to close off the front of the engine. Careful tuning of the inlet ensures the shutters close at the right time to force the air to travel in one direction only through the engine. Some pulse jet designs used a tuned resonant cavity to provide the valving action through the airflow in the system. These designs normally look like a U shaped tube, open at both ends. In either system, the pulse jet has problems during the combustion process. As the fuel burns and expands to create thrust, it is also pushing any remaining unburnt charge rearward, out of the nozzle. In many cases some of the charge is ejected before burning, which causes the famous trail of flame seen on the V 1 flying bomb and other pulse jets. Even while inside the engine, the mixture's volume is constantly changing which inefficiently converts fuel into usable energy. All regular jet engines and most rocket engines operate on the deflagration of fuel, that is, the rapid but subsonic combustion of fuel. The pulse detonation engine is a concept currently in active development to create a jet engine that operates on the supersonic detonation of fuel. Because the combustion takes place so rapidly, the charge (fuel/air mix) does not have time to expand during this process, so it takes place under almost constant volume. Constant volume combustion is more efficient than open cycle designs like gas turbines, which leads to greater fuel efficiency. As the combustion process is so rapid, mechanical shutters are difficult to arrange with the required performance. Instead, PDEs generally use a series of valves to time the process carefully. Most PDE research is military in nature, as the engine could be used to develop a new generation of high speed, long range reconnaissance aircraft that would fly high enough to be out of range of any current anti aircraft defenses, while offering range considerably greater than the SR 71, which required a massive tanker support fleet. Key difficulties in pulse detonation engines are achieving DDT without requiring a tube long enough to make it impractical and drag imposing on the aircraft (adding a U bend into the tube extinguishes the detonation wave); reducing the noise (often described as sounding like a jackhammer); and damping the severe vibration caused by the operation of the engine.

Применение

Если на борту аппарата имеются как топливо, так и окислитель, то импульсный детонационный двигатель не зависит от атмосферы и может использоваться в космических полетах. 26 июля 2021 года (UTC) японское космическое агентство JAXA успешно испытало импульсный детонационный ракетный двигатель в космосе во время полета зондирующей ракеты S 520. Верхняя ступень ракеты использовала вращающийся детонационный двигатель (RDE) в качестве основного двигателя, а импульсный детонационный двигатель S-образной формы был использован для прекращения вращения ступени после работы основного двигателя. Импульсный детонационный двигатель работал три раза в ходе полета, выполнив в общей сложности 14 циклов.