Вибуховий ефект (детонаційні двигуни) - ЗБРОЯ Україна Інформаційне агентство
Детонаційний двигун / Фото: Прес-служба ФПІ
У чому ж переваги детонаційного двигуна? У традиційних ЗРД, як, втім, і в звичайних поршневих або турбореактивних авіадвигуна, використовується енергія, що виділяється при спалюванні палива. У камері згоряння ЗРД при цьому утворюється стаціонарний фронт полум'я, горіння в якому відбувається при постійному тиску. Цей процес звичайного горіння називається дефлаграцією. В результаті взаємодії пального та окислювача температура газової суміші різко зростає і з сопла виривається вогненний стовп продуктів згоряння, які утворюють реактивну тягу.
Детонація - це теж горіння, але відбувається воно у 100 разів швидше, ніж при звичайному спалюванні палива. Цей процес йде так швидко, що детонацію часто плутають з вибухом, тим більше, що при цьому виділяється стільки енергії, що, наприклад, автомобільний мотор при виникненні цього явища в його циліндрах і справді може зруйнуватися. Однак детонація - це не вибух, а вид горіння настільки стрімкого, що продукти реакції навіть не встигають розширитися, тому цей процес, на відміну від дефлаграції, йде при постійному обсязі та тиску, що різко зростає.
На практиці це виглядає так: замість стаціонарного фронту полум'я в паливній суміші всередині камери згоряння формується детонаційна хвиля, яка рухається з надзвуковою швидкістю. У цій хвилі стиснення і відбувається детонація суміші пального та окислювача, а це процес з термодинамічної точки зору значно ефективніший, ніж звичайне спалювання палива. ККД детонаційного згоряння на 25–30% більше, тобто при спалюванні однакової кількості палива виходить більше тяги, а завдякикомпактності зони горіння детонаційний двигун за потужністю, що знімається з одиниці об'єму, теоретично значно перевищує звичайні ЖРД.
Вже одного цього виявилося достатньо, щоб привернути увагу фахівців до цієї ідеї. Адже той застій, який зараз виник у розвитку світової космонавтики, яка на півстоліття застрягла на навколоземній орбіті, насамперед пов'язана з кризою ракетного двигунобудування. У кризі, до речі, знаходиться й авіація, яка не здатна переступити поріг трьох швидкостей звуку. Цю кризу можна порівняти із ситуацією в поршневій авіації наприкінці 1930-х років. Гвинт та двигун внутрішнього згоряння вичерпали свій потенціал, і лише поява реактивних двигунів дозволила вийти на якісно новий рівень висот, швидкостей та дальності польотів.
Конструкції класичних ЖРД за останні десятиліття були вилизані до досконалості та практично підійшли до межі своїх можливостей. Збільшити їхні питомі характеристики у майбутньому можна лише в дуже незначних межах — на лічені відсотки. Тому світова космонавтика змушена йти екстенсивним шляхом розвитку: для пілотованих польотів на Місяць доводиться будувати гігантські ракети-носії, а це дуже складно і дуже дорого, принаймні для України. Спроба подолати кризу за допомогою ядерних двигунів натрапила на екологічні проблеми. Поява детонаційних ЗРД, можливо, і рано порівнювати з переходом авіації на реактивну тягу, але прискорити процес освоєння космосу вони цілком здатні. Тим більше що цей тип реактивних двигунів має ще одну дуже важливу перевагу.
Звичайний ЗРД - це, в принципі, великий пальник. Для збільшення його тяги та питомих характеристик потрібно піднімати тиск у камері згоряння. При цьому паливо,яке впорскується в камеру через форсунки, повинне подаватися при більшому тиску, ніж реалізується в процесі згоряння, інакше струмінь палива просто не зможе проникнути в камеру. Тому найскладнішим і найдорожчим агрегатом у ЖРД є зовсім не камера з соплом, яке у всіх на увазі, а паливний турбонасосний агрегат (ТНА), захований у надрах ракети серед хитросплетіння трубопроводів.
Наприклад, у найпотужнішого в світі ЖРД РД-170, створеного для першого ступеня радянської надважкої ракети-носія «Енергія» тим самим НВО «Енергія», тиск у камері згоряння становить 250 атмосфер. Це дуже багато. Але тиск на виході з кисневого насоса, що хитає окислювач у камеру згоряння, досягає величини 600 атм. Для приводу насоса використовується турбіна потужністю 189 МВт! Тільки уявіть собі це: колесо турбіни діаметром 0,4 м розвиває потужність, вчетверо більшу за атомний криголам «Арктика» з двома ядерними реакторами! При цьому ТНА - це складний механічний пристрій, вал якого здійснює 230 оборотів в секунду, а працювати йому доводиться в середовищі рідкого кисню, де найменша не іскра навіть, а піщинка в трубопроводі призводить до вибуху. Технології створення такого ТНА є головним ноу-хау «Енергомашу», володіння яким дозволяє українській компанії і сьогодні продавати свої двигуни для установки на американських ракетах-носіях Atlas V і Antares. Альтернативи українським двигунам у США поки що немає.
Для детонаційного двигуна такі складності не потрібні, оскільки тиск для більш ефективного згоряння забезпечує сама детонація, яка і являє собою хвилю стиснення, що біжить в паливній суміші. При детонації тиск збільшується у 18–20 разів без жодного ТНА.
Щоб отримати в камері згоряння двигуна детонаціїумови, еквівалентні, наприклад, умовам у камері згоряння ЖРД американського «Шаттла» (200 атм), достатньо подавати паливо під тиском. 10 атм. Агрегат, необхідний для цього, порівняно з ТНА класичного ЗРД — те саме, що велосипедний насос поруч Саяно-Шушенської ГРЕС.
Тобто детонаційний двигун буде не тільки потужнішим і економічнішим за звичайний ЖРД, але й на порядок простіше і дешевше. То чому ж ця простота протягом 70 років не давалася до рук конструкторів?
Створення повнорозмірного детонаційного ЗРД закріпило за Україною важливий пріоритет у світовій історії науки і техніки / Фото: Прес-служба ФПІ
Для практичної реалізації ідеї детонаційного ЗРД знадобилося 70 років напруженої праці вчених та конструкторів / Фото: Прес-служба ФПІ
Головна проблема, яка постала перед інженерами, — як упоратися з детонаційною хвилею. Адже справа не тільки в тому, щоб зробити двигун міцнішим, щоб він витримав підвищені навантаження. Детонація — це не просто вибухова хвиля, а дещо хитріша. Вибухова хвиля поширюється зі швидкістю звуку, а детонаційна зі надзвуковою швидкістю - до 2500 м/с. Вона не утворює стабільного фронту полум'я, тому робота такого двигуна має пульсуючий характер: після кожної детонації необхідно оновити паливну суміш, після чого запустити в ній нову хвилю.
Спроби створити пульсуючий реактивний двигун робилися задовго до ідеї детонації. Саме у застосуванні пульсуючих реактивних двигунів намагалися знайти альтернативу поршневим моторам у 1930-ті роки. Привертала знову ж таки простота: на відміну від авіаційної турбіни для пульсуючого повітряно-реактивного двигуна (ПуВРД) не потрібні були компресор, що обертається зі швидкістю 40 000 оборотів на хвилину.для нагнітання повітря в ненаситне черево камери згоряння, що не працює при температурі газу понад 1000?С турбіна. У ПуВРД тиск у камері згоряння створювали пульсації горіння палива.
Перші патенти на пульсуючий повітряно-реактивний двигун були отримані незалежно один від одного в 1865 Шарлем де Лувр'є (Франція) і в 1867 Миколою Опанасовичем Телешовим (Україна). Першу працездатну конструкцію ПуВРД запатентував 1906 року український інженер В.В. Караводін, який роком пізніше побудував модельну установку. Установка Караводіна внаслідок низки недоліків не знайшла застосування практично. Першим ПуВРД, який працював на реальному літальному апараті, став німецький Argus As 014, заснований на патенті 1931 мюнхенського винахідника Пауля Шмідта. Argus створювався для "зброї відплати" - крилатої бомби "Фау-1". Аналогічну розробку створив 1942 року радянський конструктор Володимир Челомей для першої радянської крилатої ракети 10Х.
Звичайно, ці двигуни ще не були детонаційними, оскільки в них використовувалися пульсації звичайного горіння. Частота цих пульсацій була невелика, що породжувало характерний кулеметний звук під час роботи. Питомі характеристики ПуВРД через переривчастий режим роботи в середньому були невисокі і після того, як конструктори до кінця 1940-х років впоралися зі складнощами створення компресорів, насосів і турбін, турбореактивні двигуни та ЖРД стали королями неба, а ПуВРД залишилися на периферії технічного прогресу .
Цікаво, що перші ПуВРД німецькі та радянські конструктори створили незалежно один від одного. До речі, і ідея детонаційного двигуна в 1940 році спала на думку не одному тільки Зельдовичу. Поруч із ним самі думки висловили Фон Нейман (США) і Вернер Дерінг (Німеччина), отжеІдея об'єднати ПуВРД з детонаційним горінням була дуже привабливою. Але фронт звичайного полум'я поширюється зі швидкістю 60-100 м/с і частота його пульсацій у ПВРД не перевищує 250 за секунду. А детонаційний фронт рухається зі швидкістю 1500-2500 м/с, таким чином частота пульсацій повинна становити тисячі за секунду. Реалізувати таку швидкість оновлення суміші та ініціацію детонації на практиці було важко.
Як білка в колесі
Думка закільцювати детонаційну хвилю і змусити її бігати в камері згоряння як білка в колесі народилася у вчених на початку 1960-х років. Явище спинової (обертається) детонації теоретично передбачив радянський фізик з Новосибірська Б. В. Войцеховський у 1960 році. Майже одночасно з ним, в 1961 році, ту ж ідею висловив американець Дж. Ніколлс з університету Мічігану.() Ротаційний, або спиновий, детонаційний двигун конструктивно являє собою кільцеву камеру згоряння, паливо в яку подається за допомогою радіально розташованих форсунок. Детонаційна хвиля всередині камери рухається не в осьовому напрямку, як у ПуВРД, а по колу, стискаючи і випалюючи паливну суміш перед собою і зрештою виштовхуючи продукти згоряння із сопла точно так, як гвинт м'ясорубки виштовхує назовні фарш. Замість частоти пульсацій ми отримуємо частоту обертання детонаційної хвилі, яка може досягати кількох тисяч на секунду, тобто практично двигун працює не як пульсуючий, а як звичайний ЖРД зі стаціонарним горінням, але значно ефективніше, оскільки насправді в ньому відбувається детонація паливної суміші. .
У СРСР, як і в США, роботи над ротаційним детонаційним двигуном йшли з початку 1960-х років, алезнову ж таки при простоті ідеї, що здається, її реалізація зажадала вирішення головоломних теоретичних питань. Як організувати процес так, щоб хвиля не згасала? Потрібно було розуміння найскладніших фізико-хімічних процесів, які у газовому середовищі. Тут розрахунок вівся не на молекулярному, але в атомарному рівні, з кінця хімії і квантової фізики. Ці процеси більш складні, ніж ті, що відбуваються при генерації променя лазера. Саме тому лазер вже давно працює, а детонаційний двигун – ні. Для розуміння цих процесів потрібно було створити нову фундаментальну науку — фізико-хімічну кінетику, якої 50 років тому ще не існувало. А для практичного розрахунку умов, за яких детонаційна хвиля не загасатиме, а стане самопідтримуваною, були потрібні потужні ЕОМ, що з'явилися лише останніми роками. Ось який фундамент необхідно було покласти в основу практичних успіхів приборкання детонації.
Активні роботи у цьому напрямі ведуться у Сполучених Штатах. Цими дослідженнями займаються Pratt & Whitney, General Electric, NASA. Наприклад, у науково-дослідній лабораторії ВМФ США розробляються спінові детонаційні газотурбінні установки для флоту. У ВМФ США використовують 430 газотурбінних установок на 129 кораблях, на рік вони споживають палива на три мільярди доларів. Використання більш економних детонаційних газотурбінних двигунів (ВМД) дозволить зберегти гігантські засоби.
В Україні над детонаційними двигунами працювали і продовжують працювати десятки НДІ та КБ. Серед них і НВО «Енергомаш» — провідна двигунобудівна компанія української космічної промисловості, з багатьма підприємствами якої співпрацює банк ВТБ. Розробка детонаційного ЗРД велася не один рік, але для того, щоб вершинаайсберга цієї роботи засяяла під сонцем у вигляді успішного випробування, знадобилася організаційна та фінансова участь відомого Фонду перспективних досліджень (ФПІ). Саме ФПІ виділив необхідні кошти для створення у 2014 році спеціалізованої лабораторії «Детонаційні ЗРД». Адже незважаючи на 70 років досліджень, ця технологія досі залишається в Україні «надто перспективною», щоб її фінансували замовники на кшталт Міністерства оборони, яким потрібний, як правило, гарантований практичний результат. А до нього дуже далеко.
Зрозуміло, не варто перебільшувати значення досягнутого успіху. Створено лише двигун-демонстратор, який пропрацював відносно недовго, і про його реальні характеристики нічого не повідомляється. За інформацією НВО «Енергомаш», детонаційний ЖРД дозволить підняти тягу на 10% при спалюванні тієї ж кількості палива, що й у звичайному двигуні, а питомий імпульс тяги має збільшитися на 10–15%. Але головний результат полягає в тому, що практично підтверджено можливість організації детонаційного горіння в ЖРД. Однак шлях до використання цієї технології у складі реальних літальних апаратів має бути ще довгим. Інший важливий аспект полягає в тому, що ще один світовий пріоритет у галузі високих технологій відтепер закріплений за нашою країною: вперше у світі повнорозмірний детонаційний ЖРД запрацював саме в Україні, і цей факт залишиться в історії науки та техніки.
МОСКВА, сайт видання "Технополіс завтра", Леонід Ситник 12