De Amerikaanse marine is van plan om de gasturbine-energiecentrales die momenteel in haar vliegtuigen en schepen zijn geïnstalleerd, in de toekomst te upgraden, waarbij conventionele Brighton-cyclusmotoren worden vervangen door detonatie-rotatiemotoren. Hierdoor zal de brandstofbesparing naar verwachting jaarlijks zo'n 400 miljoen dollar bedragen. Het seriële gebruik van nieuwe technologieën is volgens experts echter niet eerder dan in een decennium mogelijk.
De ontwikkeling van roterende of draaiende rotatiemotoren in Amerika wordt uitgevoerd door het US Navy Research Laboratory. Volgens de eerste schattingen zullen de nieuwe motoren krachtiger en ook ongeveer een kwart zuiniger zijn dan conventionele motoren. Tegelijkertijd blijven de basisprincipes van de werking van de energiecentrale hetzelfde: de gassen van de verbrande brandstof komen de gasturbine binnen en draaien de bladen ervan. Volgens het laboratorium van de Amerikaanse marine zullen zelfs in de relatief verre toekomst, wanneer de hele Amerikaanse vloot door elektriciteit wordt aangedreven, gasturbines nog steeds verantwoordelijk zijn voor het opwekken van stroom, tot op zekere hoogte aangepast.
Bedenk dat de uitvinding van de pulserende straalmotor dateert uit de late negentiende eeuw. De uitvinder was de Zweedse ingenieur Martin Wiberg. Nieuwe energiecentrales werden wijdverbreid tijdens de Tweede Wereldoorlog, hoewel ze qua technische kenmerken aanzienlijk inferieur waren aan vliegtuigmotoren die toen bestonden.
Opgemerkt moet worden dat de Amerikaanse vloot op dit moment 129 schepen heeft, die 430 gasturbinemotoren gebruiken. Elk jaar bedragen de kosten om hen van brandstof te voorzien ongeveer $ 2 miljard. In de toekomst, wanneer moderne motoren worden vervangen door nieuwe, zullen de brandstofkosten veranderen.
Verbrandingsmotoren die momenteel in gebruik zijn, werken volgens de Brighton-cyclus. Als je de essentie van dit concept in een paar woorden definieert, dan komt het allemaal neer op het achtereenvolgens mengen van de oxidator en brandstof, verdere compressie van het resulterende mengsel, dan - brandstichting en verbranding met de expansie van verbrandingsproducten. Deze expansie wordt alleen gebruikt om aan te drijven, zuigers te verplaatsen, een turbine te draaien, dat wil zeggen mechanische acties uit te voeren en constante druk te leveren. Het verbrandingsproces van het brandstofmengsel beweegt met een subsonische snelheid - dit proces wordt dufflagration genoemd.
Wat de nieuwe motoren betreft, zijn wetenschappers van plan er explosieve verbranding in te gebruiken, dat wil zeggen detonatie, waarbij verbranding met supersonische snelheid plaatsvindt. En hoewel het fenomeen van detonatie op dit moment nog niet volledig is bestudeerd, is het bekend dat bij dit type verbranding een schokgolf ontstaat, die zich voortplant door een mengsel van brandstof en lucht, een chemische reactie veroorzaakt, waarvan het resultaat is het vrijkomen van een vrij grote hoeveelheid thermische energie. Wanneer de schokgolf door het mengsel gaat, warmt het op, wat leidt tot ontploffing.
Bij de ontwikkeling van een nieuwe motor is het de bedoeling om bepaalde ontwikkelingen te gebruiken die zijn verkregen tijdens het ontwikkelen van een detonatie-pulserende motor. Het werkingsprincipe is dat een voorgecomprimeerd brandstofmengsel in de verbrandingskamer wordt gevoerd, waar het wordt ontstoken en tot ontploffing wordt gebracht. Verbrandingsproducten zetten uit in het mondstuk en voeren mechanische acties uit. Daarna wordt de hele cyclus vanaf het begin herhaald. Maar het nadeel van pulserende motoren is dat de herhalingssnelheid van de cycli te laag is. Daarnaast wordt het ontwerp van deze motoren zelf complexer bij een toename van het aantal pulsaties. Dit komt door de noodzaak om de werking van de kleppen, die verantwoordelijk zijn voor het leveren van het brandstofmengsel, te synchroniseren, evenals rechtstreeks door de detonatiecycli zelf. Pulserende motoren zijn ook erg luidruchtig, ze hebben een grote hoeveelheid brandstof nodig om te werken en werken is alleen mogelijk met een constante, gedoseerde brandstofinjectie.
Als we detonatie-rotatiemotoren vergelijken met pulserende, dan is het principe van hun werking iets anders. Zo zorgen met name de nieuwe motoren voor een constante continue ontploffing van de brandstof in de verbrandingskamer. Dit fenomeen wordt spin of roterende detonatie genoemd. Het werd voor het eerst beschreven in 1956 door de Sovjetwetenschapper Bogdan Voitsekhovsky. En dit fenomeen werd veel eerder ontdekt, in 1926. De pioniers waren de Britten, die merkten dat in bepaalde systemen een helder gloeiende "kop" verscheen, die in een spiraal bewoog, in plaats van een platte detonatiegolf.
Voitsekhovsky fotografeerde met behulp van een zelfontworpen fotorecorder het golffront, dat zich bewoog in een ringvormige verbrandingskamer in een brandstofmengsel. Spindetonatie verschilt van vliegtuigdetonatie doordat daarin een enkele schokgolf ontstaat, gevolgd door een verwarmd gas dat niet heeft gereageerd, en al achter deze laag bevindt zich een chemische reactiezone. En het is precies zo'n golf die de verbranding van de kamer zelf verhindert, die Marlene Topchiyan "een afgeplatte donut" noemde.
Opgemerkt moet worden dat in het verleden al detonatiemotoren zijn gebruikt. In het bijzonder hebben we het over de pulserende luchtstraalmotor, die aan het einde van de Tweede Wereldoorlog door de Duitsers werd gebruikt op de V-1 kruisraketten. De productie was vrij eenvoudig, het gebruik was eenvoudig genoeg, maar tegelijkertijd was deze motor niet erg betrouwbaar voor het oplossen van belangrijke problemen.
Verder ging in 2008 de Rutang Long-EZ, een experimenteel vliegtuig uitgerust met een pulserende detonatiemotor, de lucht in. De vlucht duurde slechts tien seconden op een hoogte van dertig meter. Gedurende deze tijd ontwikkelde de krachtcentrale een stuwkracht in de orde van 890 Newton.
Het experimentele prototype van de motor, gepresenteerd door het Amerikaanse laboratorium van de Amerikaanse marine, is een ringvormige kegelvormige verbrandingskamer met een diameter van 14 centimeter aan de brandstoftoevoerzijde en 16 centimeter aan de verstuiverzijde. De afstand tussen de wanden van de kamer is 1 centimeter, terwijl de "buis" 17,7 centimeter lang is.
Als brandstofmengsel wordt een mengsel van lucht en waterstof gebruikt, dat onder een druk van 10 atmosfeer aan de verbrandingskamer wordt toegevoerd. De temperatuur van het mengsel is 27,9 graden. Merk op dat dit mengsel wordt erkend als het meest geschikt voor het bestuderen van het fenomeen van spindetonatie. Maar volgens wetenschappers zal het in de nieuwe motoren mogelijk zijn om een brandstofmengsel te gebruiken dat niet alleen uit waterstof bestaat, maar ook uit andere brandbare componenten en lucht.
Experimentele studies van een rotatiemotor hebben zijn grotere efficiëntie en vermogen aangetoond in vergelijking met verbrandingsmotoren. Een ander voordeel is het aanzienlijke brandstofverbruik. Tegelijkertijd werd tijdens het experiment onthuld dat de verbranding van het brandstofmengsel in de roterende "test" -motor niet-uniform is, daarom is het noodzakelijk om het motorontwerp te optimaliseren.
Verbrandingsproducten die uitzetten in de nozzle kunnen met een kegel (dit is het zogenaamde Coanda-effect) in één gasstraal worden opgevangen en vervolgens kan deze straal naar de turbine worden gestuurd. Onder invloed van deze gassen gaat de turbine draaien. Zo kan een deel van het werk van de turbine worden gebruikt om schepen voort te stuwen, en deels om energie op te wekken, die nodig is voor scheepsuitrusting en diverse systemen.
De motoren zelf kunnen worden geproduceerd zonder bewegende delen, wat hun ontwerp aanzienlijk zal vereenvoudigen, wat op zijn beurt de kosten van de centrale als geheel zal verlagen. Maar dit is slechts in perspectief. Voordat nieuwe motoren in serieproductie worden gelanceerd, moeten veel moeilijke problemen worden opgelost, waaronder de selectie van duurzame hittebestendige materialen.
Merk op dat op dit moment roterende detonatiemotoren worden beschouwd als een van de meest veelbelovende motoren. Ze worden ook ontwikkeld door wetenschappers van de Universiteit van Texas in Arlington. De energiecentrale die ze creëerden, werd de "continue detonatiemotor" genoemd. Aan dezelfde universiteit wordt onderzoek gedaan naar de keuze van ringvormige kamers met verschillende diameters en verschillende brandstofmengsels, waaronder waterstof en lucht of zuurstof in verschillende verhoudingen.
Ook in Rusland is een ontwikkeling in deze richting gaande. Dus, volgens de directeur van de Saturn-onderzoeks- en productievereniging I. Fedorov, ontwikkelen wetenschappers van het Lyulka Wetenschappelijk en Technisch Centrum in 2011 een pulserende luchtstraalmotor. Het werk wordt parallel uitgevoerd met de ontwikkeling van een veelbelovende motor genaamd "Product 129" voor de T-50. Bovendien zei Fedorov ook dat de vereniging onderzoek doet naar de creatie van veelbelovende vliegtuigen van de volgende fase, die onbemand zouden moeten zijn.
Tegelijkertijd specificeerde het hoofd niet om wat voor soort pulserende motor het ging. Op dit moment zijn er drie soorten van dergelijke motoren bekend: ventielloos, ventiel en detonatie. Het is ondertussen algemeen aanvaard dat pulserende motoren het eenvoudigst en goedkoopst te vervaardigen zijn.
Tegenwoordig doen verschillende grote defensiebedrijven onderzoek naar krachtige pulserende straalmotoren. Tot deze firma's behoren het Amerikaanse Pratt & Whitney en General Electric en het Franse SNECMA.
Er kunnen dus bepaalde conclusies worden getrokken: het creëren van een nieuwe veelbelovende motor heeft bepaalde moeilijkheden. Het grootste probleem op dit moment is in theorie: wat er precies gebeurt als de detonatieschokgolf in een cirkel beweegt, is alleen in algemene termen bekend, en dit bemoeilijkt het proces van optimalisatie van ontwerpen enorm. Daarom is de nieuwe technologie, hoewel zeer aantrekkelijk, nauwelijks haalbaar op de schaal van industriële productie.
Als onderzoekers er echter in slagen de theoretische vraagstukken op een rijtje te zetten, kan er sprake zijn van een echte doorbraak. Turbines worden immers niet alleen in de transportsector gebruikt, maar ook in de energiesector, waarbij een verhoging van de efficiëntie een nog sterker effect kan hebben.
