Импульсной детонации двигателя ( ФДЭ ) представляет собой тип двигательной системы , которая использует детонационные волны для сжигания топлива и окислителя смеси. [1] [2] Двигатель работает в импульсном режиме, потому что смесь должна обновляться в камере сгорания между каждой детонационной волной и следующей. Теоретически PDE может работать от дозвуковой до гиперзвуковой скорости полета примерно 5 Махов . Идеальная конструкция PDE может иметь термодинамический КПД выше, чем у других конструкций, таких как турбореактивные и турбовентиляторные.потому что детонационная волна быстро сжимает смесь и добавляет тепло при постоянном объеме. Следовательно, двигателю не обязательно требуются движущиеся части, такие как катушки компрессора , что может значительно снизить общий вес и стоимость. PDE рассматривались для двигателей с 1940 года. [3] Ключевые вопросы для дальнейшего развития включают быстрое и эффективное смешивание топлива и окислителя, предотвращение самовоспламенения и интеграцию с впускным отверстием и соплом.
На сегодняшний день никаких практических PDE не было запущено в производство, но было построено несколько испытательных двигателей, и один был успешно интегрирован в низкоскоростной демонстрационный самолет, который выполнял устойчивый полет с PDE в 2008 году. В июне 2008 года Defense Advanced Research Projects Агентство (DARPA) представило Blackswift , который должен был использовать эту технологию для достижения скорости до 6 Маха [4]. Однако вскоре после этого, в октябре 2008 года, было сообщено, что проект был отменен.
Концепция
Импульсные форсунки
Основная работа PDE аналогична работе импульсного реактивного двигателя . В импульсной струе воздух смешивается с топливом, образуя горючую смесь, которая затем воспламеняется в открытой камере. Получающееся сгорание значительно увеличивает давление смеси примерно до 100 атмосфер (10 МПа) [5], которая затем расширяется через сопло для тяги.
Чтобы смесь выходила сзади и тем самым толкала самолет вперед, используется серия заслонок, закрывающих переднюю часть двигателя. Тщательная настройка воздухозаборника гарантирует, что заслонки закрываются в нужное время, чтобы воздух двигался в одном направлении только через двигатель. В некоторых конструкциях импульсных струй использовалась настроенная резонансная полость для обеспечения действия клапана через воздушный поток в системе. Эти конструкции обычно выглядят как U-образная трубка, открытая с обоих концов.
В любой системе импульсная струя имеет проблемы во время процесса сгорания. Когда топливо сгорает и расширяется, создавая тягу, оно также выталкивает оставшийся несгоревший заряд назад из сопла. Во многих случаях часть заряда выбрасывается перед горением, что вызывает знаменитый след пламени, наблюдаемый на летающей бомбе Фау-1 и других импульсных реактивных двигателях. Даже находясь внутри двигателя, объем смеси постоянно меняется, что приводит к неэффективному преобразованию топлива в полезную энергию.
PDEs
Все обычные реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей работают на дефлаграции топлива, то есть быстрое , но дозвуковое сгорание из топлива . В настоящее время активно разрабатывается концепция импульсного детонационного двигателя для создания реактивного двигателя, работающего на сверхзвуковой детонации топлива. Поскольку сгорание происходит очень быстро, заряд (смесь топлива и воздуха) не успевает расшириться во время этого процесса, поэтому оно происходит при почти постоянном объеме . Сжигание постоянного объема более эффективно, чем конструкции с открытым циклом, такие как газовые турбины , что приводит к большей эффективности использования топлива .
Поскольку процесс сгорания происходит очень быстро, механические заслонки трудно установить с требуемой производительностью. Вместо этого PDE обычно используют серию клапанов, чтобы тщательно рассчитать время процесса. В некоторых конструкциях PDE от General Electric жалюзи устраняются за счет тщательного выбора времени с использованием разницы давлений между различными частями двигателя для обеспечения выброса «дроби» назад. [ необходима цитата ]
Другой побочный эффект, еще не продемонстрированный на практике, - время цикла. Традиционный струйный импульсный преобразователь выдает около 250 импульсов в секунду из-за продолжительности цикла механических заслонок, но цель PDE - тысячи импульсов в секунду, [ цитата необходима ] настолько быстро, что с инженерной точки зрения это в основном непрерывно. Это должно помочь сгладить в противном случае сильно вибрирующий импульсный реактивный двигатель - многие небольшие импульсы создают меньший объем, чем меньшее количество более крупных импульсов при той же чистой тяге. К сожалению, взрывы во много раз громче горящих.
Основная трудность с импульсным детонационным двигателем - запуск детонации. Хотя можно запустить детонацию непосредственно с помощью большой искры, количество потребляемой энергии очень велико и непрактично для двигателя. Типичным решением является использование перехода от дефлаграции к детонации (DDT), то есть начало высокоэнергетического дефлаграции и его ускорение вниз по трубе до точки, где она становится достаточно быстрой, чтобы превратиться в детонацию. [ необходима цитата ] В качестве альтернативы детонация может быть направлена по кругу, а клапаны гарантируют, что только самая высокая пиковая мощность может просочиться в выхлоп. Также для решения проблемы инициирования может быть применена детонационная система с импульсным сжатием .
Этот процесс намного сложнее, чем кажется, из-за сопротивления, с которым сталкивается продвигающийся волновой фронт (аналогично волновому сопротивлению ). ДДТ возникает гораздо быстрее, если в трубке есть препятствия. Наиболее широко используется « Спираль Щелкина », которая предназначена для создания наиболее полезных водоворотов с наименьшим сопротивлением движущейся топливно-воздушно-выхлопной смеси. Вихри приводят к тому, что пламя разделяется на несколько фронтов, некоторые из которых движутся назад и сталкиваются с другими фронтами, а затем ускоряются на фронты впереди них.
Такое поведение сложно смоделировать и предсказать, и исследования продолжаются. Как и в случае с обычными импульсными струями, существует два основных типа конструкции: клапанная и бесклапанная. Конструкции с клапанами сталкиваются с теми же трудными для решения проблемами износа, что и их эквиваленты для струйной печати. Бесклапанные конструкции обычно полагаются на отклонения в воздушном потоке для обеспечения одностороннего потока, и этого очень трудно добиться с помощью обычного ДДТ.
НАСА поддерживает программу исследований PDE, которая нацелена на высокоскоростные гражданские транспортные системы со скоростью около 5 Маха . [ необходимая цитата ] Однако большая часть исследований PDE носит военный характер, поскольку двигатель может быть использован для разработки нового поколения высокоскоростных самолетов - разведчиков дальнего действия, которые будут летать достаточно высоко, чтобы быть вне зоны досягаемости любых существующих зенитных ракет. защиты, при этом предлагая значительно большую дальность действия, чем у SR-71 , который требовал для использования в боевых действиях большого флота поддержки танкеров.
В то время как большинство исследований посвящено высокоскоростному режиму, новые конструкции с гораздо более высокой частотой следования импульсов в сотни тысяч, похоже, хорошо работают даже на дозвуковых скоростях. В то время как традиционные конструкции двигателей всегда включают в себя компромиссы, которые ограничивают их "лучшим диапазоном скоростей", PDE, похоже, превосходит их на всех скоростях. И Pratt & Whitney, и General Electric теперь имеют активные исследовательские программы PDE в попытке коммерциализировать разработки. [ необходима цитата ]
Основные трудности в импульсных двигателях детонации заключаются в получении ДДТ без необходимости использования трубки достаточно длинной, чтобы сделать ее непрактичной и вызывающей сопротивление летательного аппарата (добавление U-образного изгиба в трубку гасит детонационную волну); уменьшение шума (часто описываемого как звук отбойного молотка); и гашение сильной вибрации, вызванной работой двигателя.
Первый полет с приводом от PDE
Первый известный полет самолета с питанием от импульсного детонационного двигателя прошел в Air & Space Port Мохаве на 31 января 2008 года [6] Проект был разработан научно - исследовательской лаборатории военно - воздушных сил и инновационных научных решений, Inc. . Для полета был выбран сильно модифицированный самолет Scaled Composites Long-EZ , получивший название Borealis . [7] Двигатель состоял из четырех трубок, производящих импульсные детонации с частотой 80 Гц, создавая тягу до 200 фунтов (890 ньютонов). Многие виды топлива рассматривались и тестировались разработчиками двигателей в последние годы, но для этого полета использовалось улучшенное октановое число . Для облегчения взлета Long-EZ использовалась небольшая ракетная система, но PDE работала на собственной мощности в течение 10 секунд на высоте примерно 100 футов (30 м). Очевидно, что этот полет проходил на низкой скорости, тогда как привлекательность концепции двигателя PDE заключается в большей степени на высоких скоростях, но демонстрация показала, что PDE может быть интегрирован в корпус самолета, не испытывая структурных проблем из-за взрывных волн 195-200 дБ. . Больше полетов модифицированного Long-EZ не планируется, но успех, вероятно, приведет к увеличению финансирования исследований PDE. Самолет был перемещен в Национальный музей ВВС США для демонстрации. [8]
Популярная культура
- В научно-фантастическом романе « Аэлита» (1923) двое россиян отправляются на Марс на импульсной детонационной ракете, используя «мелкодисперсный порошок необычной взрывной силы» (стр. 19).
- В основе советского романа 1939 года «Тайна двух океанов » Григория Адамова - подводная лодка, использующая детонационный двигатель (среди других передовых технологий). Топливо представляет собой смесь водорода и кислорода, полученную путем электролиза воды. В какой-то момент подводная лодка саботируется путем отключения индикаторов давления, что вызывает накопление взрывоопасной смеси.
- В видеоигре X-COM: UFO Defense представлен вымышленный истребитель «Перехватчик», который, согласно описанию в игре, оснащен двумя импульсными детонационными двигателями.
- В драматическом телесериале ОКГ , то сезон Девять эпизод «Тот , который получил Away» (оригинальная дата выхода в эфир 17 октября 2003) показывает Aurora - что в шоу супер-секретный гиперзвуковой самолет , разрабатываемый в ЦРУ , который использует импульс -детонационный двигатель.
- В фильме « Стелс» (2005) продвинутые истребители используют импульсные двигатели с ГПВРД .
- PDE использовался в качестве сюжета в ряде современных романов, таких как триллер Дэна Брауна « Точка обмана» (на второй странице книги говорится, что все технологии в этой истории не вымышленные и существуют, хотя и без ссылки на какие-либо источники. ) и научно-фантастический роман Виктора Комана « Короли высоких рубежей» .
Смотрите также
- Ядерный импульсный двигатель
- Вращающийся детонационный двигатель
- Scramjet
- Список самолетов с импульсным двигателем
Рекомендации
- ^ Kailasanath, К., "Обзор Propulsion применения детонационных волн," AIAA Journal , Vol. 39, No. 9, pp. 1698-1708, 2000.
- ^ Рой, Г.Д., Фролов, С.М., Борисов, А.А., и Нетцер, Д.В., "Импульсная детонационная тяга: проблемы, текущее состояние и перспективы на будущее", Прогресс в области энергетики и науки о сгорании , Vol. 30, No. 6, pp. 545-672, 2004.
- ^ Хоффманн, Н., Реакционное движение за счет прерывистого детонирующего горения, Министерство снабжения Германии, Volkenrode Translation, 1940.
- ^ Шахтману, Ноа (24 июня 2008). "Взрывной ключ двигателя к гиперзвуковому самолету" . Проводной . Сан-Франциско, Калифорния : публикации Condé Nast . Проверено 27 июня 2009 года .
- ^ "Pulse Detonation Engines" , интервью с доктором Джоном Хоуком, главным исследователем программы PDE Innovative Scientific Solutions Incorporated по контракту с Исследовательской лабораторией ВВС США, передано по радио Новой Зеландии, 14 апреля 2007 г.
- ^ Норрис, Г., "Импульсная мощность: демонстрация полета с импульсным детонационным двигателем знаменует веху в Мохаве", Aviation Week & Space Technology , Vol. 168, No. 7, 2008, pp. 60.
- ^ Borealis показывает текст плаката в Музее ВВС США
- ^ "Двигатель импульсной детонации летит в историю" , Новости печати ВВС сегодня , 16 мая 2008 г., по состоянию на 16 августа 2008 г.
Внешние ссылки
- Innovative Scientific Solutions Inc.
- Двигатели с импульсной детонацией
- Популярная наука
- Патент на реактивное движение с импульсной детонацией 1952 года Уильямом Боллаем
- Аппарат питается от энергии лазера, патент США. Выдан 6 августа 1996 г. Бойд Б. Бушман.
- (Видео) Высокая температура детонации внутри трубки экспериментального PDE вызывает нагрев уплотнений и возгорание.
- (Видео) Экспериментальный PDE, работающий с частотой детонации 1 Гц, где импульсы четко определены.
- (Видео) Экспериментальный ИДД, работающий с частотой детонации 25 Гц.
- 2-мерное моделирование импульсного детонационного двигателя
- Репортаж Fox News о Blackswift
- Примечания DARPA от мая 2009 г. по PDE