De bestaande voortstuwingssystemen voor de luchtvaart en raketten vertonen zeer hoge prestaties, maar hebben de grens van hun mogelijkheden bereikt. Om de stuwkrachtparameters verder te vergroten, wat een basis vormt voor de ontwikkeling van de luchtvaartraket- en ruimtevaartindustrie, zijn andere motoren nodig, incl. met nieuwe werkprincipes. Grote verwachtingen zijn gevestigd op de zogenaamde. detonatie motoren. Dergelijke pulsklasse-systemen worden al getest in laboratoria en in vliegtuigen.
fysieke principes
Bestaande en werkende motoren op vloeibare brandstof maken gebruik van subsonische verbranding of deflagratie. Een chemische reactie met brandstof en een oxidatiemiddel vormt een front dat met een subsonische snelheid door de verbrandingskamer beweegt. Deze verbranding beperkt de hoeveelheid en snelheid van reactieve gassen die uit het mondstuk stromen. Dienovereenkomstig is ook de maximale stuwkracht beperkt.
Detonatieverbranding is een alternatief. In dit geval beweegt het reactiefront met een supersonische snelheid en vormt een schokgolf. Deze verbrandingsmodus verhoogt de opbrengst van gasvormige producten en zorgt voor meer tractie.
De detonatiemotor kan in twee uitvoeringen worden gemaakt. Tegelijkertijd worden impuls- of pulserende motoren (IDD / PDD) en roterende / roterende motoren ontwikkeld. Hun verschil ligt in de principes van verbranding. De rotatiemotor handhaaft een constante reactie, terwijl de impulsmotor werkt door opeenvolgende "explosies" van een mengsel van brandstof en oxidatiemiddel.
Impulsen vormen stuwkracht
In theorie is het ontwerp niet ingewikkelder dan een traditionele raketmotor met straalmotor of vloeibare stuwstof. Het omvat een verbrandingskamer en mondstuksamenstel, evenals middelen voor het toevoeren van brandstof en oxidatiemiddel. In dit geval worden speciale beperkingen opgelegd aan de sterkte en duurzaamheid van de constructie in verband met de eigenaardigheden van de werking van de motor.
Tijdens bedrijf leveren de injectoren brandstof aan de verbrandingskamer; de oxidator wordt toegevoerd vanuit de atmosfeer met behulp van een luchtinlaatapparaat. Na de vorming van het mengsel vindt ontsteking plaats. Door de juiste selectie van brandstofcomponenten en mengselverhoudingen, de optimale ontstekingsmethode en de configuratie van de kamer, wordt een schokgolf gegenereerd die zich in de richting van het motormondstuk beweegt. Het huidige niveau van technologie maakt het mogelijk om een golfsnelheid van maximaal 2,5-3 km / s te verkrijgen met een overeenkomstige toename van de stuwkracht.
IDD maakt gebruik van een pulserend werkingsprincipe. Dit betekent dat na detonatie en het vrijkomen van reactieve gassen, de verbrandingskamer wordt uitgeblazen, opnieuw gevuld met een mengsel - en een nieuwe "explosie" volgt. Om een hoge en stabiele stuwkracht te verkrijgen, moet deze cyclus met een hoge frequentie worden uitgevoerd, van tien tot duizenden keren per seconde.
Moeilijkheden en voordelen
Het belangrijkste voordeel van de IDD is de theoretische mogelijkheid om verbeterde eigenschappen te verkrijgen die superioriteit bieden ten opzichte van bestaande en toekomstige straalmotoren en motoren met vloeibare stuwstof. Dus met dezelfde stuwkracht blijkt de impulsmotor compacter en lichter te zijn. Dienovereenkomstig kan een krachtigere eenheid worden gecreëerd in dezelfde afmetingen. Bovendien is zo'n motor eenvoudiger van ontwerp, omdat hij geen onderdeel van de instrumentatie nodig heeft.
IDD is operationeel in een breed scala aan snelheden, van nul (aan het begin van de raket) tot hypersonisch. Het kan worden toegepast in raket- en ruimtesystemen en in de luchtvaart - op civiel en militair gebied. In alle gevallen maken zijn karakteristieke kenmerken het mogelijk om bepaalde voordelen te behalen ten opzichte van traditionele systemen. Afhankelijk van de behoeften is het mogelijk om een raket-IDD te maken met behulp van een oxidatiemiddel uit een tank, of een luchtreactieve die zuurstof uit de atmosfeer haalt.
Er zijn echter belangrijke nadelen en moeilijkheden. Dus om een nieuwe richting onder de knie te krijgen, is het noodzakelijk om verschillende vrij complexe studies en experimenten uit te voeren op het kruispunt van verschillende wetenschappen en disciplines. Het specifieke werkingsprincipe stelt bijzondere eisen aan het motorontwerp en de materialen. De prijs van hoge stuwkracht is verhoogde belasting die de motorstructuur kan beschadigen of vernietigen.
De uitdaging is om een hoge toevoer van brandstof en oxidatiemiddel te garanderen, die overeenkomt met de vereiste detonatiefrequentie, en om een zuivering uit te voeren vóór de brandstoftoevoer. Bovendien is een afzonderlijk technisch probleem de lancering van een schokgolf bij elke bedrijfscyclus.
Opgemerkt moet worden dat de IDD, ondanks alle inspanningen van wetenschappers en ontwerpers, tot op heden niet klaar is om verder te gaan dan laboratoria en testlocaties. Ontwerpen en technologieën moeten verder worden ontwikkeld. Over de introductie van nieuwe motoren in de praktijk hoeft daarom nog niet te worden gesproken.
Geschiedenis van de technologie
Het is merkwaardig dat het principe van een gepulseerde detonatiemotor niet voor het eerst werd voorgesteld door wetenschappers, maar door sciencefictionschrijvers. De onderzeeër "Pioneer" uit de roman van G. Adamov "The Mystery of Two Oceans" gebruikte bijvoorbeeld IDD op een waterstof-zuurstofgasmengsel. Soortgelijke ideeën kwamen voor in andere kunstwerken.
Wetenschappelijk onderzoek naar het onderwerp detonatiemotoren begon iets later, in de jaren veertig, en de pioniers van de richting waren Sovjetwetenschappers. In de toekomst werden in verschillende landen herhaaldelijk pogingen ondernomen om een ervaren IDD te creëren, maar hun succes werd ernstig beperkt door het ontbreken van de nodige technologieën en materialen.
Op 31 januari 2008 begon het DARPA-agentschap van het Amerikaanse ministerie van Defensie en het Air Force Laboratory met het testen van het eerste vliegende laboratorium met een luchtademende IDD. De originele motor was geïnstalleerd op een aangepast Long-EZ-vliegtuig van Scale Composites. De krachtcentrale omvatte vier buisvormige verbrandingskamers met vloeibare brandstoftoevoer en luchtinlaat uit de atmosfeer. Bij een detonatiefrequentie van 80 Hz is een stuwkracht van ca. 90 kgf, wat alleen genoeg was voor een licht vliegtuig.
Deze tests toonden de fundamentele geschiktheid van de IDD voor gebruik in de luchtvaart aan en toonden ook de noodzaak aan om ontwerpen te verbeteren en hun kenmerken te vergroten. In hetzelfde 2008 werd het prototype vliegtuig naar het museum gestuurd, en DARPA en aanverwante organisaties bleven werken. Er werd gerapporteerd over de mogelijkheid om IDD te gebruiken in veelbelovende raketsystemen - maar tot nu toe zijn ze niet ontwikkeld.
In ons land werd het onderwerp IDD bestudeerd op het niveau van theorie en praktijk. Zo verscheen in 2017 in het tijdschrift Combustion and Explosion een artikel over testen van een detonatiestraalmotor op gasvormige waterstof. Ook wordt er verder gewerkt aan roterende detonatiemotoren. Een raketmotor met vloeibare stuwstof, geschikt voor gebruik op raketten, is ontwikkeld en getest. De kwestie van het gebruik van dergelijke technologieën in vliegtuigmotoren wordt bestudeerd. In dit geval is de detonatieverbrandingskamer geïntegreerd in de turbojetmotor.
Technologische perspectieven
Detonatiemotoren zijn van groot belang vanuit het oogpunt van hun toepassing in verschillende velden en velden. Door de verwachte toename van de hoofdkenmerken kunnen ze in ieder geval de systemen van bestaande klassen eruit persen. De complexiteit van de theoretische en praktische ontwikkeling maakt het echter nog niet mogelijk om ze in de praktijk te gebruiken.
De laatste jaren zijn er echter positieve trends waar te nemen. Detonatiemotoren in het algemeen, incl. gepulseerd, verschijnen steeds vaker in het nieuws van laboratoria. De ontwikkeling van deze richting gaat door en in de toekomst zal het in staat zijn om de gewenste resultaten te geven, hoewel de timing van het verschijnen van veelbelovende monsters, hun kenmerken en toepassingsgebieden nog steeds ter discussie staan. De berichten van de afgelopen jaren stellen ons echter in staat om met optimisme naar de toekomst te kijken.
