Експлозивен ефект (детонационни двигатели) - Технополис утре
Какво всъщност се крие зад докладите за първия в света детонационен ракетен двигател, тестван в България
На гребена на вълната
Какви са предимствата на детонационния двигател? В традиционните ракетни двигатели, както и в конвенционалните бутални или турбореактивни авиационни двигатели, се използва енергията, която се отделя при изгаряне на гориво. В този случай в горивната камера на LRE се образува неподвижен фронт на пламъка, изгарянето в което се извършва при постоянно налягане. Този процес на нормално горене се нарича дефлаграция. В резултат на взаимодействието на горивото и окислителя температурата на газовата смес рязко се повишава и от дюзата излиза огнен стълб от продукти на горенето, които образуват реактивната тяга.
Детонацията също е горене, но се случва 100 пъти по-бързо, отколкото при конвенционалното изгаряне на гориво. Този процес протича толкова бързо, че детонацията често се бърка с експлозия, особено след като в същото време се освобождава толкова много енергия, че например автомобилен двигател, когато това явление се случи в неговите цилиндри, може действително да се срине. Детонацията обаче не е експлозия, а вид горене, толкова бързо, че продуктите на реакцията дори нямат време да се разширят, така че този процес, за разлика от дефлаграцията, се случва при постоянен обем и рязко нарастващо налягане.
На практика това изглежда така: вместо неподвижен фронт на пламъка в горивната смес вътре в горивната камера се образува детонационна вълна, която се движи със свръхзвукова скорост. При тази вълна на компресия се получава детонация на сместа от гориво и окислител и от термодинамична гледна точка този процес е много по-ефективен от конвенционалното изгаряне на гориво. Тогава ефективността на детонационното горене е с 25–30% по-високаима при изгаряне на същото количество гориво се получава по-голяма тяга и поради компактността на горивната зона детонационният двигател по отношение на отстранената мощност на единица обем теоретично надминава конвенционалните ракетни двигатели с порядък.
Само това беше достатъчно, за да привлече вниманието на специалистите към тази идея. В края на краищата стагнацията, която сега възникна в развитието на световната космонавтика, която е заседнала в околоземна орбита в продължение на половин век, е свързана преди всичко с кризата в производството на ракетни двигатели. Между другото, авиацията също е в криза, не може да премине прага на трите скорости на звука. Тази криза може да се сравни със ситуацията в буталната авиация в края на 30-те години. Витлото и двигателят с вътрешно горене са изчерпали потенциала си и само появата на реактивни двигатели направи възможно достигането на качествено ново ниво на височини, скорости и обхват на полета.
Конструкциите на класическите ракетни двигатели през последните десетилетия бяха изгладени до съвършенство и на практика достигнаха предела на своите възможности. Повишаване на специфичните им характеристики в бъдеще е възможно само в много малки граници - с няколко процента. Затова световната космонавтика е принудена да върви по екстензивен път на развитие: за пилотирани полети до Луната трябва да се строят гигантски ракети-носители, а това е много трудно и безумно скъпо, поне за България. Опит за преодоляване на кризата с помощта на ядрени двигатели се натъкна на екологични проблеми. Може би е твърде рано да се сравнява появата на детонационни ракетни двигатели с прехода на авиацията към реактивно задвижване, но те са напълно способни да ускорят процеса на изследване на космоса. Освен това този тип реактивни двигатели имат още едно много важно предимство.
GRES в миниатюра
Един конвенционален ракетен двигател по принцип е голямгорелка. За увеличаване на тягата и специфичните му характеристики е необходимо да се повиши налягането в горивната камера. В този случай горивото, което се впръсква в камерата през дюзите, трябва да се подава при по-високо налягане, отколкото се реализира по време на процеса на горене, в противен случай горивната струя просто не може да проникне в камерата. Следователно най-сложният и скъп агрегат в ракетен двигател изобщо не е камера с дюза, която е в пълен изглед, а горивен турбопомпеен агрегат (TPU), скрит в дълбините на ракета сред тънкостите на тръбопроводите.
Например, най-мощният течно-ракетен двигател в света РД-170, създаден за първата степен на съветската свръхтежка ракета-носител „Енергия“ от същата НПО „Енергия“, има налягане в горивната камера от 250 атмосфери. Това е много. Но налягането на изхода на кислородната помпа, изпомпваща окислителя в горивната камера, достига 600 атм. Тази помпа се захранва от 189 MW турбина! Само си представете това: турбинно колело с диаметър 0,4 м развива четири пъти повече мощност от ядрения ледоразбивач Арктика с два ядрени реактора! В същото време TNA е сложно механично устройство, чийто вал прави 230 оборота в секунда и трябва да работи в среда на течен кислород, където най-малката искра, дори и песъчинка в тръбопровода, не води до експлозия. Технологията за създаване на такъв ТНА е основното ноу-хау на Енергомаш, притежаването на което позволява днес българската компания да продава своите двигатели за монтиране на американските ракети-носители Atlas V и Antares. Алтернативи на българските двигатели в САЩ все още няма.
За детонационен двигател такива трудности не са необходими, тъй като самата детонация осигурява налягане за по-ефективно изгаряне, което е вълна на компресия, протичаща в горивната смес. При детонацияналягането се повишава 18-20 пъти без TNA.
За да се получат условия в горивната камера на детонационен двигател, еквивалентни например на условията в горивната камера на LRE на американската совалка (200 атм), е достатъчно да се подаде гориво под налягане. 10 атм. Устройството, необходимо за това, в сравнение с TNA на класически ракетен двигател, е като велосипедна помпа в близост до Саяно-Шушенската държавна електроцентрала.
Това означава, че детонационният двигател не само ще бъде по-мощен и по-икономичен от конвенционалния ракетен двигател, но и с порядък по-прост и по-евтин. Така че защо тази простота не беше дадена на дизайнерите в продължение на 70 години?
Пулс на напредъка
Основният проблем, пред който са изправени инженерите, е как да се справят с детонационната вълна. Въпросът не е само да направим двигателя по-здрав, за да може да издържа на повишени натоварвания. Детонацията не е просто взривна вълна, а нещо по-фино. Взривната вълна се разпространява със скоростта на звука, а детонационната вълна се разпространява със свръхзвукова скорост до 2500 m/s. Той не образува стабилен фронт на пламъка, така че работата на такъв двигател е пулсираща: след всяка детонация е необходимо да се поднови горивната смес и след това да се започне нова вълна в нея.
Опитите за създаване на пулсиращ реактивен двигател бяха направени много преди идеята за детонация. Именно в прилагането на пулсиращи реактивни двигатели те се опитват да намерят алтернатива на буталните двигатели през 30-те години. Простотата отново е привлечена: за разлика от самолетната турбина, импулсният въздушно-реактивен двигател (PuVRD) не се нуждае от компресор, въртящ се със скорост от 40 000 rpm, за да накара въздуха да влезе в ненаситната утроба на горивната камера, нито турбина, работеща при температура на газа над 1000 ° C. В PuVRD се създава налягане в горивната камерапулсации при изгаряне на гориво.
Първите патенти за пулсиращ реактивен двигател са получени независимо през 1865 г. от Шарл дьо Луврие (Франция) и през 1867 г. от Николай Афанасиевич Телешов (България). Първият работещ дизайн на PuVRD е патентован през 1906 г. от българския инженер В.В. Караводин, който година по-късно построява образцов завод. Поради редица недостатъци инсталацията Караводин не е намерила приложение на практика. Първият PUVRD, който работи на истински самолет, беше немският Argus As 014, базиран на патент от 1931 г. на мюнхенския изобретател Пол Шмид. Argus е създаден за "оръжието за отмъщение" - крилата бомба V-1. Подобна разработка е създадена през 1942 г. от съветския конструктор Владимир Челомей за първата съветска крилата ракета 10Х.
Разбира се, тези двигатели все още не бяха детонационни двигатели, тъй като използваха конвенционални импулси на горене. Честотата на тези пулсации беше ниска, което пораждаше характерен звук от картечница по време на работа. Специфичните характеристики на PuVRD поради периодичната работа бяха средно ниски и след като дизайнерите се справиха с трудностите при създаването на компресори, помпи и турбини до края на 40-те години на миналия век, турбореактивните двигатели и LRE станаха царете на небето, а PuVRD остана в периферията на техническия прогрес.
Любопитно е, че германските и съветските дизайнери създадоха първия PuVRD независимо един от друг. Между другото, идеята за детонационен двигател през 1940 г. дойде на ум не само на Зелдович. В същото време същите мисли бяха изразени от Фон Нойман (САЩ) и Вернер Дьоринг (Германия), така че в международната наука моделът за използване на детонационно горене беше наречен ZND.
Идеята да се комбинира PUVRD с детонационно изгаряне беше много примамлива. Но преднатаконвенционален пламък се разпространява със скорост 60–100 m/s, а честотата на неговите пулсации в PWRD не надвишава 250 в секунда. А детонационният фронт се движи със скорост 1500?2500 m/s, така че честотата на пулсациите трябва да е хиляди в секунда. На практика беше трудно да се приложи такава скорост на обновяване на сместа и иницииране на детонация.
Междувременно отдавна е изобретена друга, много по-обещаваща схема за детонационен двигател.
Като катерица в колело
Идеята да се завърти детонационната вълна и да се движи в горивната камера като катерица в колело е родена от учени в началото на 60-те години. Явлението спинова (въртяща се) детонация е теоретично предсказано от съветския физик от Новосибирск Б. В. Войцеховски през 1960 г. Почти едновременно с него през 1961 г. същата идея изказва и американецът Дж. Николс от Мичиганския университет.
Ротационният или въртящ се детонационен двигател структурно представлява пръстеновидна горивна камера, към която горивото се подава с помощта на радиално разположени дюзи. Детонационната вълна вътре в камерата не се движи в аксиална посока, както при PuVRD, а в кръг, като компресира и изгаря горивната смес пред себе си и в крайна сметка изтласква продуктите от горенето от дюзата по същия начин, както винтът на месомелачката изтласква каймата. Вместо честотата на пулсациите получаваме честотата на въртене на детонационната вълна, която може да достигне няколко хиляди в секунда, тоест двигателят практически не работи като пулсиращ, а като конвенционален ракетен двигател с течно гориво със стационарно горене, но много по-ефективно, тъй като всъщност детонира горивната смес.
В СССР, както и в САЩ, работата по роторно-детонационен двигател продължава от началото на 60-те години, но отново с привидната простота на идеятаизпълнението изискваше решаването на озадачаващи теоретични въпроси. Как да организираме процеса, така че вълната да не изчезне? Беше необходимо да се разберат най-сложните физични и химични процеси, протичащи в газова среда. Тук изчисленията вече не се извършват на молекулярно, а на атомно ниво, на кръстовището на химията и квантовата физика. Тези процеси са по-сложни от тези, които възникват при генерирането на лазерен лъч. Затова лазерът работи отдавна, но детонационният двигател не. За да се разберат тези процеси, беше необходимо да се създаде нова фундаментална наука - физическа и химична кинетика, която не съществуваше преди 50 години. А за практическото изчисляване на условията, при които детонационната вълна няма да изчезне, а ще се самоподдържа, бяха необходими мощни компютри, които се появиха едва през последните години. Това е основата, която трябваше да се постави в основата на практическия успех в укротяването на детонацията.
В САЩ се работи активно в тази посока. Тези проучвания са проведени от Pratt & Уитни, Дженерал Електрик, НАСА. Например Лабораторията за военноморски изследвания на САЩ разработва газови турбини със спинова детонация за флота. Военноморските сили на САЩ използват 430 газови турбини на 129 кораба, консумирайки гориво на стойност 3 милиарда долара годишно. Въвеждането на по-икономични детонационни газотурбинни двигатели (GTE) ще спести огромни суми пари.
В България десетки научни институти и конструкторски бюра са работили и продължават да работят върху детонационни двигатели. Сред тях е НПО Енергомаш, водещата двигателостроителна компания в българската космическа индустрия, с много от чиито предприятия банка ВТБ си сътрудничи. Разработването на детонационен ракетен двигател се извършва повече от една година, но за да може върхът на айсберга на тази работа да блести под слънцетопод формата на успешен тест, той взе организационното и финансовото участие на небезизвестната Фондация за напреднали изследвания (FPI). Именно ФПИ отпусна необходимите средства за създаването през 2014 г. на специализирана лаборатория „Детонационни ЖРД”. В края на краищата, въпреки 70 години изследвания, тази технология все още е „твърде обещаваща“ в България, за да бъде финансирана от клиенти като Министерството на отбраната, които по правило се нуждаят от гарантиран практически резултат. И все още е много далече.
Укротяване на опърничавата
Разбира се, не бива да се преувеличава значението на постигнатия успех. Създаден е само демонстрационен двигател, който е работил сравнително кратко време, а за реалните му характеристики не се съобщава нищо. Според NPO Energomash, детонационен ракетен двигател ще увеличи тягата с 10%, докато изгаря същото количество гориво, както в конвенционален двигател, а специфичният импулс на тягата трябва да се увеличи с 10–15%.
Но основният резултат е, че практически е потвърдена възможността за организиране на детонационно изгаряне в ракетен двигател с течно гориво. Все още обаче има да се извърви дълъг път преди използването на тази технология в реални самолети. Друг важен аспект е, че на страната ни вече е отреден друг световен приоритет в областта на високите технологии: за първи път в света в България беше изстрелян пълноразмерен детонационен ракетен двигател и този факт ще остане в историята на науката и технологиите.