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
Ракетный двигатель: современные возможности покорения космоса
Детонационный двигатель, сущность, строение и принцип работы:
Детонационный двигатель (импульсный, пульсирующий двигатель) идет на смену обычного реактивного двигателя. Чтобы понять сущность детонационного двигателя надо разобрать обычный реактивный двигатель.
Обычный реактивный двигатель устроен следующим образом.
В камере сгорания происходит сгорание топлива и окислителя, в качестве которого выступает кислород из воздуха. При этом давление в камере сгорания постоянно. Процесс горения резко повышает температуру, создает неизменный пламенный фронт и постоянную реактивную тягу, истекающую из сопла. Фронт обычного пламени распространяется в газовой среде со скоростью 60-100 м/сек. За счет этого и происходит движение летательного аппарата. Однако современные реактивные двигатели достигли определенного предела КПД, мощности и других характеристик, повышение которых практически невозможно либо крайне затруднительно.
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.
Давление в детонационном двигателе создается за счет самой детонации, что исключает подачу топливной смеси и окислителя при высоком давлении. В обычном реактивном двигателе, чтобы создать давление тяги в 200 атм., необходимо подавать топливную смесь под давлением в 500 атм. В то время как в детонационном двигателя – давление подачи топливной смеси – 10 атм.
Камера сгорания детонационного двигателя конструктивно имеет кольцевую форму с форсунками, размещёнными по её радиусу для подачи топлива. Волна детонации пробегает по окружности вновь и вновь, топливная смесь сжимается и выгорает, выталкивая продукты сгорания через сопло.
История космонавтики
Жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос — на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.
Практическое создание ядерных ракетных двигателей (ЯРД) вели только СССР и США. В 1955 году в США началась реализация программы «Rover» по разработке ядерного ракетного двигателя для космических кораблей. Через три года, в 1958 году, проектом стало заниматься НАСА, которое поставило конкретную задачу для кораблей с ЯРД — полет на Луну и Марс. С этого времени программа стала называться NERVA, что расшифровывается как — «ядерный двигатель для установки на ракеты».
К середине 70-х годов в рамках этой программы предполагалось спроектировать ЯРД с тягой около 30 тонн (для сравнения у ЖРД этого времени характерная тяга была примерно 700 тонн), но со скоростью истечения газов — 8,1 км/с. Однако, в 1973 году программа была закрыта из-за смещения интересов США в сторону космических челноков.
В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. При этом советские конструкторы, вместо создания полномасштабной модели, стали делать отдельные части ЯРД. А потом эти наработки испытывались во взаимодействии со специально разработанным импульсным графитовым реактором (ИГР).
В 70—80-е годы прошлого века в КБ «Салют», КБ «Химавтоматики» и НПО «Луч» были созданы проекты космических ЯРД РД-0411 и РД-0410 с тягой 40 и 3,6 т соответственно. В течение процесса проектирования были изготовлены реактор, «холодный» двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний.
Принципиальная и конструктивная схемы взрыволета А. Д. Сахарова
В июле 1961 года советский академик Андрей Сахаров сообщил о проекте ядерного взрыволета на совещании ведущих атомщиков в Кремле. Взрыволет имел обычные жидкостные ракетные двигатели для взлета, в космосе же предполагалось взрывать небольшие ядерные заряды. Возникающие при взрыве продукты деления передавали свой импульс кораблю, заставляя его лететь. Однако 5 августа 1963 года в Москве был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. Это послужило причиной закрытия программы ядерных взрыволетов.
ракетный двигатель РД-0410
Возможно, что разработки ЯРД опережали свое время. Однако они не были слишком преждевременными. Ведь подготовка пилотируемого полета к другим планетам длится несколько десятилетий, и двигательные установки для него должны готовиться заранее.
Конструкция ядерного ракетного двигателя
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).
Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:
- твердофазный;
- жидкофазный;
- газофазный.
Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке. С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.
Жидкофазный — ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.
В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.
Принцип действия ЯРД
По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).
Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.
Основными преимуществами ЯРД являются:
- высокий удельный импульс;
- значительный энергозапас;
- компактность двигательной установки;
- возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.
Основным недостатком является высокая радиоционная опасность двигательной установки:
- потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
- вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
- истечение радиоактивных газов с рабочим телом.
Поэтому запуск ядерного двигателя неприемлем для стартов с поверхности Земли из-за риска радиоактивного загрязнения.
Воспалился палец как лечить панариций на пальце руки nmedik.org. Гадание таро на картах онлайн гадания на картах таро www.gadalka-angelika.com. Последние новости про Макса Полякова смотрите у нас. торговое оборудование оптом и в розницу. Охлаждение туманом Днепр еще по теме. Морской контейнер Купить бу в спб.
Детонация — это взрыв. Можно ли ее сделать управляемой? Можно ли на базе таких двигателей создать гиперзвуковое оружие? Какие ракетные двигатели будут выводить необитаемые и пилотируемые аппараты в ближний космос? Об этом наш разговор с заместителем гендиректора — главным конструктором «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко» Петром Левочкиным.
Петр Сергеевич, какие возможности открывают новые двигатели?
Петр Левочкин: Если говорить о ближайшей перспективе, то сегодня мы работаем над двигателями для таких ракет, как «Ангара А5В» и «Союз-5», а также другими, которые находятся на предпроектной стадии и неизвестны широкой публике. Вообще наши двигатели предназначены для отрыва ракеты от поверхности небесного тела. И она может быть любой — земной, лунной, марсианской. Так что, если будут реализовываться лунная или марсианская программы, мы обязательно примем в них участие.
Какова эффективность современных ракетных двигателей и есть ли пути их совершенствования?
Петр Левочкин: Если говорить об энергетических и термодинамических параметрах двигателей, то можно сказать, что наши, как, впрочем, и лучшие зарубежные химические ракетные двигатели на сегодняшний день достигли определенного совершенства. Например, полнота сгорания топлива достигает 98,5 процента. То есть практически вся химическая энергия топлива в двигателе преобразуется в тепловую энергию истекающей струи газа из сопла.
Совершенствовать двигатели можно по разным направлениям. Это и применение более энергоемких компонентов топлива, введение новых схемных решений, увеличение давления в камере сгорания. Другим направлением является применение новых, в том числе аддитивных, технологий с целью снижения трудоемкости и, как следствие, снижение стоимости ракетного двигателя. Все это ведет к снижению стоимости выводимой полезной нагрузки.
Однако при более детальном рассмотрении становится ясно, что повышение энергетических характеристик двигателей традиционным способом малоэффективно.
Использование управляемого взрыва топлива может дать ракете скорость в восемь раз выше скорости звука
Почему?
Петр Левочкин: Увеличение давления и расхода топлива в камере сгорания, естественно, увеличит тягу двигателя. Но это потребует увеличение толщины стенок камеры и насосов. В результате сложность конструкции и ее масса возрастают, энергетический выигрыш оказывается не таким уж и большим. Овчинка выделки стоить не будет.
То есть ракетные двигатели исчерпали ресурс своего развития?
Петр Левочкин: Не совсем так. Выражаясь техническим языком, их можно совершенствовать через повышение эффективности внутридвигательных процессов. Существуют циклы термодинамического преобразования химической энергии в энергию истекающей струи, которые гораздо эффективнее классического горения ракетного топлива. Это цикл детонационного горения и близкий к нему цикл Хамфри.
Сам эффект топливной детонации открыл наш соотечественник — впоследствии академик Яков Борисович Зельдович еще в 1940 году. Реализация этого эффекта на практике сулила очень большие перспективы в ракетостроении. Неудивительно, что немцы в те же годы активно исследовали детонационный процесс горения. Но дальше не совсем удачных экспериментов дело у них не продвинулось.
Теоретические расчеты показали, что детонационное горение на 25 процентов эффективней, чем изобарический цикл, соответстветствующий сгоранию топлива при постоянном давлении, который реализован в камерах современных жидкостно-рактивных двигателей.
А чем обеспечиваются преимущества детонационного горения по сравнению с классическим?
Петр Левочкин: Классический процесс горения — дозвуковой. Детонационный — сверхзвуковой. Быстрота протекания реакции в малом объеме приводит к огромному тепловыделению — оно в несколько тысяч раз выше, чем при дозвуковом горении, реализованному в классических ракетных двигателях при одной и той же массе горящего топлива. А для нас, двигателистов, это означает, что при значительно меньших габаритах детонационного двигателя и при малой массе топлива можно получить ту же тягу, что и в огромных современных жидкостных ракетных двигателях.
Не секрет, что двигатели с детонационным горением топлива разрабатывают и за рубежом. Каковы наши позиции? Уступаем, идем на их уровне или лидируем?
Петр Левочкин: Не уступаем — это точно. Но и сказать, что лидируем, не могу. Тема достаточно закрыта. Один из главных технологических секретов состоит в том, как добиться того, чтобы горючее и окислитель ракетного двигателя не горели, а взрывались, при этом не разрушая камеру сгорания. То есть фактически сделать настоящий взрыв контролируемым и управляемым. Для справки: детонационным называют горение топлива во фронте сверхзвуковой ударной волны. Различают импульсную детонацию, когда ударная волна движется вдоль оси камеры и одна сменяет другую, а также непрерывную (спиновую) детонацию, когда ударные волны в камере движутся по кругу.
Насколько известно, с участием ваших специалистов проведены экспериментальные исследования детонационного горения. Какие результаты были получены?
Петр Левочкин: Были выполнены работы по созданию модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя. Над проектом под патронажем Фонда перспективных исследований работала большая кооперация ведущих научных центров России. В их числе Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, МАИ, «Энергия» мы пытаемся определить, как может в перспективе выглядеть двигатель в целом с детонационной камерой применительно к разгонным блокам.
На каких двигателях человек полетит к дальним планетам?
Петр Левочкин: По-моему мнению, еще долго мы будем летать на традиционных ЖРД занимаясь их совершенствованием. Хотя безусловно развиваются и другие типы ракетных двигателей, например, электроракетные (они значительно эффективнее ЖРД — удельный импульс у них в 10 раз выше). Увы, сегодняшние двигатели и средства выведения не позволяют говорить о реальности массовых межпланетных, а уж тем более межгалактических перелетов. Здесь пока все на уровне фантастики: фотонные двигатели, телепортация, левитация, гравитационные волны. Хотя, с другой стороны, всего сто с небольшим лет назад сочинения Жюля Верна воспринимались как чистая фантастика. Возможно, революционного прорыва в той сфере, где мы работаем, ждать осталось совсем недолго. В том числе и в области практического создания ракет, использующих энергию взрыва.
Досье «РГ»
«Научно-производственное объединение Энергомаш» основано Валентином Петровичем Глушко в 1929 году. Сейчас носит его имя. Здесь разрабатывают и выпускают жидкостные ракетные двигатели для I, в отдельных случаях II ступеней ракет-носителей. В НПО разработано более 60 различных жидкостных реактивных двигателей. На двигателях «Энергомаша» был запущен первый спутник, состоялся полет первого человека в космос, запущен первый самоходный аппарат «Луноход-1». Сегодня на двигателях, разработанных и произведенных в НПО «Энергомаш», взлетает более девяноста процентов ракет-носителей в России.
В России испытали детонационные ракетные двигатели
Испытания детонационного двигателя
FPI_RUSSIA / Vimeo
Специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» научно-производственного объединения «Энергомаш» провела испытания первых в мире полноразмерных демонстраторов технологий детонационного жидкостного ракетного двигателя. Как сообщает ТАСС, новые силовые установки работают на топливной паре кислород-керосин.
Новый двигатель, в отличие от других силовых установок, работающих по принципу внутреннего сгорания, функционирует за счет детонации топлива. Детонацией называется сверхзвуковое горение какого-либо вещества, в данном случае топливной смеси. При этом по смеси распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества тепла.
Изучение принципов работы и разработка детонационных двигателей ведется в некоторых странах мира уже больше 70 лет. Первые такие работы начались еще в Германии в 1940-х годах. Правда тогда работающего прототипа детонационного двигателя исследователям создать не удалось, но были разработаны и серийно выпускались пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Они ставились на ракеты «Фау-1».
В пульсирующих воздушно-реактивных двигателях топливо сгорало с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией. Пульсирующим двигатель называется потому, что в его камеру сгорания топливо и окислитель подавались небольшими порциями через равные промежутки времени.
Карта давления в камере сгорания ротационного детонационного двигателя. A — детонационная волна; B — задний фронт ударной волны; C — зона смешения свежих и старых продуктов горения; D — область заполнения топливной смесью; E — область несдетонировавшей сгоревшей топливной смеси; F — зона расширения со сдетонировавшей сгоревшей топливной смесью
Детонационные двигатели сегодня делятся на два основных типа: импульсные и ротационные. Последние еще называют спиновыми. Принцип работы импульсных двигателей схож с таковым у пульсирующих воздушно-реактивных двигателей. Основное отличие заключается в детонационном горении топливной смеси в камере сгорания.
В ротационных детонационных двигателях используется кольцевая камера сгорания, в которой топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. В таких силовых установках детонация не затухает — детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться. Ротационный двигатель впервые начали изучать в СССР в 1950-х годах.
Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от нуля до пяти чисел Маха (0-6,2 тысячи километров в час). Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствует компрессор и многие движущиеся части.
Все детонационные двигатели, испытывавшиеся до сих пор, разрабатывались для экспериментальных самолетов. Испытанная в России такая силовая установка является первой, предназначенной для установки на ракету. Какой именно тип детонационного двигателя прошел испытания, не уточняется.
Судя по видеозаписи, опубликованной Фондом перспективных исследований России, речь идет о ротационном, или спиновом, детонационном двигателе. Об этом свидетельствует отсутствие обычных пульсаций, стабильность пламени на выходе из сопла и закручивание топливно-воздушной смеси, выходящей из двигателя в момент зажигания и после выключения. Испытания состоялись в июле-августе 2016 года.
Практические работы по созданию ротационного детонационного двигателя ведутся и в США Научно-исследовательской лабораторией ВМС с 2008 года. Американские военные намерены использовать такие силовые установки на надводных кораблях вместо традиционных газотурбинных двигателей. Их преимуществом является высокая выдаваемая мощность при компактных размерах.
Благодаря установке новых двигателей на корабли ВМС США рассчитывают высвободить больше места на них, а также повысить эффективность энергетических систем. Сегодня в состав американский флот использует 430 газотурбинных двигателей на 129 кораблях. Ежегодно эти силовые установки потребляют топлива почти на три миллиарда долларов.
В американском ротационном детонационном двигателе используется стехиометрическая смесь водорода и воздуха. Стехиометрической называется такая топливная смесь, в которой окислителя содержится ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания горючего. Смесь водорода и кислорода считается наиболее удобной для изучения спиновой, незатухающей, детонации.
В космосе надвигается революция
Испытательный комплекс «Ресурс» будет построен в Сосновом Бору к 2018 году. О соответствующем конкурсе на выполнение строительно-монтажных и пусконаладочных работ объявил сегодня Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова (НИТИ) — единственный в России научно-технологический центр комплексных испытаний корабельных ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и доведения их на стендах-прототипах до требуемого уровня надежности и безопасности.
Это сообщение могло бы остаться незамеченным, если бы… Если бы речь не шла о комплексе по испытанию ядерного двигателя для космических кораблей!
И это — хороший повод посмотреть, а что же вообще делается в российском космическом двигателестроении. Ибо есть ощущение, что Россия обходит в этой области всех конкурентов.
Первый в мире детонационный
Первый в мире детонационный ракетный двигатель испытан в России еще в августе. Однако сегодня накопились данные, позволяющие предполагать, что уже в ближайшем будущем можно ожидать массированных прорывов в космическом двигателестроении. А это, в свою очередь, обещает революцию в освоении космоса. Как минимум разрешения «марсианского проклятия» — ситуации, когда слишком длительный полет к этой планете на современных кораблях ставит под угрозу жизни космонавтов из-за запредельной дозы космического радиационного излучения.
Разумеется, новые двигатели пригодны не только для космоса, но и для земных нужд — прежде всего, оборонных.
В конце августа 2020 года в НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках был запущен первый в мире жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива. Причем двигатель полноразмерный — не модель и не макет.
Что такое — детонационный двигатель?
Фото: Алексей Филиппов/ТАСС
Собственно, то же, что и обычный, в котором энергия рождается за счет сжигания топлива. Возникает стационарный фронт пламени, горение в котором происходит при неизменном давлении. Детонация — тоже процесс горения, но такого быстрого, что вместо стационарного фронта пламени в топливной смеси формируется волна сжатия, в которой и происходит практически взрыв смеси горючего и окислителя. Давление для более эффективного сгорания рождает сама детонация. Поэтому если взрывная волна распространяется со скоростью звука, то детонационная — с быстротой до 2,5 км/с.
Благодаря этому эффективность процесса сгорания топлива повышается на 25-30 процентов в сравнении с обычным ЖРД. То есть при том же количестве горючего возникает больше тяги. Из-за того же, что зона горения получается более компактной, детонационный двигатель по мощности на единицы объема может на порядок превосходить обычные.
Примечательно, что и в теории этого процесса приоритет — за отечественной наукой: сама идея была предложена советским физиком академиком Яковом Зельдовичем из Института химической физики АН СССР еще в 1940 году.
В чем еще принципиальная важность события в Химках? Как рассчитывают специалисты, практическое внедрение детонационных двигателей поможет преодолеть кризис не только в пилотируемой космонавтике, которая, по сути, с 1972 года топчется на земной орбите, но и в авиации, двигатели которой тоже достигли своих технологических пределов.
Еще одно преимущество — эффективное снижение сложности конструкции. Одной из главных проблем нынешних ЖРД является необходимость подавать топливо в камеру сгорания при большом давлении. Естественно, чем мощнее двигатель, тем давление должно быть больше, тем сложнее должен быть механизм его подачи, тем мощнее турбонасосный агрегат (ТНА). И так далее — по всем законам техники: чем сложнее агрегат, тем больше усилий — и денег! — надо вложить в его создание, управление и эксплуатацию. И в этом смысле детонационный двигатель не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и гораздо проще и дешевле.
Впрочем, предостерегают ученые и инженеры НПО «Энергомаш», успехом испытаний не стоит обольщаться: путь до использования этой технологии в составе реальных космических ракет и других летательных аппаратов предстоит еще долгий. Но главное все же — что он уже открыт. Детонационный двигатель — уже не теория. И приоритет в его практической разработке — навсегда у России.
Ядерный ракетный двигатель
А вот еще одной отечественной разработке пытаются закрыть путь в космос уже через законодательные меры. Условия примерно те же: Россия вырвалась вперед в разработке ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) для космических аппаратов. Запад отстает. Причем так далеко, что как бы и не навсегда. Во всяком случае, если Россия планирует создание космического аппарата с ЯЭДУ к 2025 году, а действующий образец должен быть построен к 2020 году, то ни США, ни какая другая страна Запада вообще не ведут разработок в этой области. И тут же целый ряд стран выступили в ООН с предложением пересмотреть принципы, касающиеся использования ядерных источников в космосе.
В принципе, тема эта не новая, работы такие велись еще в СССР, было построено пять таких энергоустановок. Но в 1989 году работы были свернуты. Возобновились они в 2010 году, о чем было заявлено на заседании президиума Российской академии наук.
Такой двигатель необходим вновь для дальних космических экспедиций. Нет, ему и на орбите найдется применение — в силу его куда большей энергетической эффективности, нежели нынешние солнечные батареи. Так, специалисты немедленно приводят такой пример: для того чтобы энерговооруженность Международной космической станции достигла своего нынешнего — кстати, очень недостаточного — значения, 110 киловатт, оказалось необходимым развернуть вокруг МКС солнечные панели общей площадью 70 на 17 метров. Больше 1000 квадратных метров! А вот ЯЭДУ позволит выйти на новый порядок энерговооруженности — на мегаваттные мощности.
Это тем более важно, что при полетах к Марсу космический корабль от Солнца будет удаляться. Значит, для поддержания одного и того же уровня энергии площадь солнечных батарей нужно увеличивать. А этот процесс не может длиться до бесконечности — упрется в технологические пределы.
Наконец, ядерный двигатель решает две проблемы — создает постоянную тягу, так что космонавтам не нужно будет полтора года болтаться в невесомости, и сокращает время полета, благодаря чему экипаж успеет не нахвататься протонов и прочих тяжелых частиц сверх безопасного предела.
Головной организацией по созданию самой энергодвигательной установки является ФГУП «зеленых», практически все из которых кормятся из рук западных спецслужб, что не раз и не два доказывалось в ходе журналистских расследований.
Так что здесь, скорее всего, российский приоритет останется неоспоримым, а космический корабль с ядерным двигателем позволит России первой запустить своих граждан к Марсу.
Наконец, комбинированный
Наконец, третья линейка двигателей, в том числе и для космоса, также почти создана в России. Во всяком случае еще летом комбинированный двигатель, с помощью которого самолеты смогут выполнять полеты и в атмосфере, и в ближнем космосе, был представлен на форуме «Армия-2016». А сообщение об этом звучало с уровня командующего Ракетными войсками стратегического назначения (РВСН) Сергея Каракаева.
Командующий Ракетными войсками стратегического назначения Сергей Каракаев
«В филиале Военной академии РВСН им. Петра Великого, город Серпухов, разработан двигатель для перспективного воздушно-космического самолета, — рассказал тогда он. — Данное ноу-хау позволило решить задачу создания комбинированной силовой установки летательного аппарата для перевода двигателя с воздушного режима работы при полете в атмосфере на ракетный — в космическом пространстве».
Правда, потом прошел ряд не слишком убедительных публикаций, призванных опровергнуть слова генерала, что модель прошла огневые испытания и «работоспособность агрегата доказана». Но здесь, собственно, детали конкретных испытаний и обеспечения режима секретности не столь важны. Информированным военным обозревателям вполне точно известно, что ежели о какой-то разработке начинают говорить военные — значит, она не просто возможна и близка к воплощению в металле.
Нет, это значит, что у армии убежденность в такой возможности достаточно велика, чтобы она выделила на нее деньги. И убежденность в ее пользе для обороны — тоже. Скажем, на тот же детонационный двигатель армия денег пока не дала. Во всяком случае — по сообщениям открытых источников.
Тем не менее в целом развитие космического двигателестроения в России явно идет вперед и в правильном направлении. Закрываются все уровни и высоты — от взлета с земли до выхода на орбиту и далее — в межпланетное пространство.
Может быть, в Россию приходит время для возвращения в обиход романтичных песенок о яблонях на Марсе и наших следах на пыльных тропинках далеких планет?
Немного физики или как это работает
Разные типы ракетных двигателей имеют существенные отличия в своей конструкции, но работа любого из них базируется на знаменитом третьем законе Ньютона, который гласит, что «каждому действию есть равное противодействие». РД выбрасывает струю рабочего тела в одном направлении, а сам, в соответствии с ньютоновским постулатом, движется в противоположную. Продукты сгорания топлива выходят через сопло, образуя тягу – это основы теории ракетных двигателей.
Если вы, стоя в лодке, отбросите от кормы камень, то ваше судно немного уплывет вперед. Это и есть наглядная модель функционирования всех ракетных двигателей. Еще одним примером может быть работа пожарного шланга, из которого под большим давлением выбрасывается вода. Для его удержания необходимо приложить определенные усилия. Если поставить пожарного на скейборд и дать ему в руки шланг, то он будет двигаться с довольно высокой скоростью.
Главной характеристикой, определяющей эффективность подобных систем, является тяга (сила тяги). Она образуется в результате превращения исходной энергии в кинетическую реактивной струи рабочего тела. В метрической системе тяга ракетного двигателя измеряется в ньютонах, а американцы считают ее в фунтах.
Схема работы простейшего жидкостного ракетного двигателя
Еще одним важнейшим параметром ракетных двигателей является удельный импульс. Это отношение силы тяги (или количества движения) к расходу топлива в единицу времени. Данный параметр рассматривается в качестве степени совершенства того или иного РД, и является мерой его экономичности.
Химические двигатели работают за счет экзотермической реакции сгорания горючего и окислителя. Этот тип РД имеет две составные части:
Источник