Детонационный двигатель: расчеты и практика
Ключевое отличие рассматриваемого двигателя от прочих заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. Если в обычном двигателе внутреннего сгорания сжатие топлива производится поршнем, то в детонационном двигателе его обеспечивает ударная волна: она либо проходит по объему топливной смеси, либо находится на месте, в то время как в камере сгорания движется газ. С теоретической точки зрения детонационный двигатель является самым эффективным типом теплового двигателя, однако создать рабочую установку, которая воплощает в реальность «бумажные» расчеты, пока никому не удавалось.
По словам руководителя международной лаборатории Университета ИТМО «Новые материалы и нанопленки для компонентной базы силовой, СВЧ электроники и микросенсорики» Павла Булата, группа ученых лаборатории потратила полтора года на серьезные теоретические исследования, в основу которых легли фундаментальные результаты основоположника советско-российской школы ударных волн Владимира Ускова. Удалось выяснить, что серьезные сомнения вызывает сама модель течения, на основе которой проектируют современные детонационные двигатели.
«Мы поняли, что ударно-волновые структуры, которые используются в известных проектах детонационных двигателей, неоптимальны. Ударно-волновая структура должна создавать максимальное давление в камере сгорания. Но в любом существующем проекте она начинает свободно распространяться по объему камеры сгорания, и, как любая термодинамическая система, стремится занять положение с наименьшим уровнем энергии. Это как раз обратно тому, что нам требуется от ракетного реактивного или газотурбинного двигателя, – рассказывает Павел Булат. – Нам удалось выяснить, что оптимальные ударно-волновые структуры существуют, мы выделили классы этих систем и создали макет газотурбинной установки для проведения экспериментов».
В поисках идеальной ударной волны
Павел Булат отмечает, что выяснение оптимальных параметров ударно-волновой структуры знаменует новый подход в проектировании двигателей. Это можно сравнить с тем, как в начале 80-х годов прошлого века аэродинамик Дитрих Кюхеман выдвинул предложение, что летательные аппараты следует проектировать в обратном порядке: не совершенствовать аэродинамику уже почти готового аппарата, а проектировать их на основе того, каким должно быть течение воздуха. Ученые лаборатории нанопленок и новых материалов пытаются делать то же самое с двигателями: если требуется осуществить прорыв в получении удельных характеристик, снизить на 25% расход топлива или в разы уменьшить размеры камеры сгорания, необходимо для начала найти абсолютный оптимум термодинамического процесса.
Получив первые результаты исследования ударно-волновых структур, ученые начали изготовление опытной установки, которая будет имитировать разложенную по циклам работу детонационного двигателя: вместо турбины и компрессора сейчас используются массогабаритные аналоги. Согласно планам, с помощью численных расчетов и экспериментов на установке ученые попытаются нащупать конструктивное решение в течение следующего года. В случае успеха, отмечает Павел Булат, можно будет ожидать смену технологического уклада в газотурбостроении: результаты работы обеспечат повышение КПД и минимизацию существующих установок, снижение стоимости их изготовления и эксплуатации.
Одним из преимуществ также может стать решение задачи охлаждения. За счет того, что ударная волна движется относительно стенок камеры сгорания со скоростью минимум 1 км/с, пик воздействия высокой температуры на них минимальный по времени. Для тех же проектов, где ударная волна неподвижна относительно камеры, удалось найти ударно-волновые структуры, в которых волна «оторвана» от стенок, между которыми создается воздушная прослойка.
Новое слово в двигателестроении
Две потенциальных сферы применения разработки – наземная энергетика и дешевые ракетные двигатели. У лаборатории уже есть планы по коммерциализации проекта и применению создаваемой технологии на микроспутниках и вспомогательных силовых установках летательных аппаратов.
«В этой сфере сложилось так, что детонацией и ударными волнами занимаются разные исследователи. Специалисты по горению и взрыву привыкли изучать, с чем взаимодействует и от чего отражается ударная волна, какая энергия должна подводиться, чтобы возникла детонация, а не горение, и так далее; считается, что детонационная волна возникла сама по себе, ученые пытаются ее "оседлать". Есть специалисты в области теории ударных волн, но они никогда не исследовали именно детонацию, то есть горение, возникающее вслед за ударной волной. Поэтому то, чем занимается наша лаборатория, никто раньше не делал, – комментирует Павел Булат. – Всплеск интереса к теме возник три года назад, когда в США появилась новость, что их Министерство обороны решило переоснастить все корабельные турбины детонационной камерой сгорания. Замечу, что после этой новости научные статьи по теме в Америке выходить перестали. Я считаю, что они сумели разобраться, что к чему, и наша задача – тоже не отстать».
Отметим, что только в этом году была опубликована 41 работа по теме проекта; с их списком можно ознакомиться на сайте лаборатории. По оценке Павла Булата, работать над созданием новой технологии еще предстоит как минимум два года. Исследование ведется при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Соглашение № 14.575.21.0057).
Александр Пушкаш,
Редакция новостного портала Университета ИТМО
