Експлозивен ракетен двигател - Наука - Комерсант
Нова физическа идея - използването на детонационно изгаряне вместо обичайното, дефлаграционно - дава възможност за радикално подобряване на характеристиките на реактивния двигател.
Говорейки за космически програми, ние на първо място мислим за мощни ракети, които извеждат космически кораби в орбита. Сърцето на ракетата носител са нейните двигатели. Ракетният двигател е най-сложното енергопреобразуващо устройство, което в много отношения прилича на жив организъм със собствен характер и поведение, което е създадено от поколения учени и инженери. Следователно е практически невъзможно да се промени нещо в работеща машина: ракетните учени казват: „Не се намесвайте в работата на машината.“ Такъв консерватизъм, въпреки че многократно се оправдава от практиката на космически изстрелвания, все още забавя изграждането на ракети и космически двигатели - една от най-наукоемките области на човешката дейност. Нуждата от промяна отдавна е назряла: за редица задачи са необходими много по-енергийно ефективни двигатели от тези, които работят днес и които са достигнали предела на своето съвършенство.
Необходими са нови идеи, нови физически принципи. По-долу ще говорим точно за такава идея и нейното въплъщение в демонстрационен образец на нов тип ракетен двигател.
Дефлаграция и детонация
В повечето съществуващи ракетни двигатели химическата енергия на горивото се преобразува в топлина и механична работа поради бавно (дозвуково) горене - дефлаграция - при почти постоянно налягане: P=const. Въпреки това, освен дефлаграция, е известен и друг начин на горене - детонация. По време на детонация химическата реакция на окисление на горивото протича в режим на самозапалване при високи температури и налягания зад силна ударна вълна, движеща се при високасвръхзвукова скорост. Ако по време на дефлаграция на въглеводородно гориво скоростта на отделяне на топлина на единица повърхност на фронта на реакцията е
1 MW/m2, то мощността на топлоотделяне във фронта на детонацията е с три до четири порядъка по-висока и може да достигне 10 000 MW/m2 (по-висока от мощността на излъчване от повърхността на Слънцето!). Освен това, за разлика от продуктите на бавно горене, продуктите на детонация имат огромна кинетична енергия: скоростта на продуктите на детонация в
20-25 пъти по-висока от скоростта на бавните продукти на горене. Възникват въпроси: възможно ли е да се използва детонация вместо дефлаграция в ракетен двигател и ще доведе ли замяната на режима на горене до повишаване на енергийната ефективност на двигателя?
Нека дадем прост пример, който илюстрира предимствата на детонационното горене в ракетен двигател пред дефлаграционното горене. Да разгледаме три еднакви горивни камери (ГК) под формата на тръба с единия затворен край и другия отворен край, които се пълнят с една и съща горима смес при еднакви условия и се поставят вертикално върху теглителна везна със затворен край (фиг. 1). Енергията на запалване ще се счита за незначителна в сравнение с химическата енергия на горивото в тръбата.
Ориз. 1. Енергийна ефективност на детонационен двигател
Нека горимата смес в първата тръба се запали от един източник, например автомобилна свещ, разположена в затворения край. След запалване по тръбата ще се движи бавен пламък, чиято видима скорост обикновено не надвишава 10 m / s, т.е. много по-малка от скоростта на звука (около 340 m / s). Това означава, че налягането в тръбата P ще се различава много малко от атмосферното налягане Pa и показанията на баланса почти няма да се променят. С други думи, такова (дефлаграционно) изгаряне на сместа всъщност не води до появата на излишъкналягане в затворения край на тръбата, а оттам и допълнителната сила, действаща върху везната. В такива случаи се казва, че полезната работа на цикъла с P = Pa = const е равна на нула и, следователно, термодинамичният коефициент на ефективност (COP) е равен на нула. Ето защо в съществуващите електроцентрали изгарянето се организира не при атмосферно, а при повишено налягане P Pa, получено с помощта на турбопомпи. В съвременните ракетни двигатели средното налягане в CS достига 200-300 atm.
Нека се опитаме да променим ситуацията, като инсталираме множество източници на запалване във втората тръба, които едновременно запалват горимата смес в целия обем. В този случай налягането в тръбата P бързо ще се увеличи, като правило, с коефициент от седем до десет и показанията на скалите ще се променят: за известно време върху затворения край на тръбата ще действа достатъчно голяма сила, която е в състояние да извърши много работа. Какво се промени? Организацията на горивния процес в горивната камера се промени: вместо горене при постоянно налягане P = const, ние организирахме горене при постоянен обем V = const.
Сега нека си припомним възможността да организираме детонационното изгаряне на нашата смес и в третата тръба, вместо много разпределени слаби източници на запалване, ще инсталираме, както в първата тръба, един източник на запалване в затворения край на тръбата, но не слаб, а силен - такъв, който ще доведе до появата не на пламък, а на детонационна вълна. Възниквайки, детонационната вълна ще се движи нагоре по тръбата с висока свръхзвукова скорост (около 2000 m / s), така че цялата смес в тръбата ще изгори много бързо и налягането ще се увеличи средно като при постоянен обем - седем до десет пъти. При по-внимателно разглеждане се оказва, че работата се извършва в цикъл с детонацияизгаряне, ще бъде дори по-високо, отколкото в цикъла V = const .
По този начин, ceteris paribus, детонационното изгаряне на горимата смес в горивната камера позволява да се получи максимална полезна работа в сравнение с дефлаграционното изгаряне при P = const и V = const, т.е. дава възможност да се получи максимална термодинамична ефективност. Ако се използват двигатели с детонационно горене вместо съществуващите дефлаграционни ракетни двигатели, тогава такива двигатели биха могли да осигурят изключително големи предимства. Този резултат е получен за първи път от нашия велик сънародник академик Яков Борисович Зелдович през 1940 г., но все още не е намерил практическо приложение. Основната причина за това е сложността на организирането на контролирано детонационно изгаряне на обикновените горива.
Силата на отделяне на топлина във фронта на детонацията е с 3-4 порядъка по-висока от тази на фронта на конвенционалното дефлаграционно горене и може да надвишава мощността на излъчване от повърхността на Слънцето. Скоростта на продуктите от детонация е 20-25 пъти по-висока от скоростта на продуктите с бавно горене
Демонстрационен образец на DRD, инсталиран на тестовия стенд
Снимка: Сергей Фролов
Импулсен и непрекъснат режим
Към днешна дата са предложени много схеми за организиране на контролирано детонационно изгаряне, включително схеми с импулсна детонация и непрекъснати детонационни работни процеси. Импулсно-детонационният работен процес се основава на циклично запълване на КС с горима смес, последвано от запалване, разпространение на детонация и изтичане на продуктите в околното пространство (както в третата тръба в горния пример). Работният процес на непрекъсната детонация се основава на непрекъснатото подаване на горима смес към горивната камера и нейното непрекъснато изгаряне в една или повечедетонационни вълни, непрекъснато циркулиращи в тангенциална посока през потока.
Концепцията за CS с непрекъсната детонация е предложена през 1959 г. от академик Богдан Вячеславович Войцеховски и е изучавана дълго време в Института по хидродинамика на Сибирския клон на Руската академия на науките. Най-простият КС с непрекъсната детонация е пръстеновиден канал, образуван от стените на два коаксиални цилиндъра (фиг. 2). Ако на дъното на пръстеновидния канал се постави смесителна глава, а другият край на канала е оборудван с струйна дюза, тогава ще се получи проточен пръстеновиден реактивен двигател. Детонационното изгаряне в такава горивна камера може да се организира чрез изгаряне на горимата смес, подадена през смесителната глава, в детонационна вълна, непрекъснато циркулираща над дъното. В този случай горимата смес ще изгори в детонационната вълна, която отново е навлязла в CS по време на един оборот на вълната по обиколката на пръстеновидния канал. Други предимства на такива CS включват простота на дизайна, еднократно запалване, квазистационарно изтичане на детонационни продукти, висока честота на цикъла (kHz), малък надлъжен размер, ниски емисии на вредни вещества, ниски нива на шум и вибрации.
Даден специфичен импулс в детонационния ракетен двигател се постига при много по-ниско налягане, отколкото в традиционния ракетен двигател с течност. Това ще позволи в бъдеще радикално да се променят теглото и размерите на ракетните двигатели.
Ориз. 2. Схема на детонационен ракетен двигател
В рамките на проекта на Министерството на образованието и науката е създаден демонстрационен образец на ракетен двигател с непрекъсната детонация (РДД) с КС с диаметър 100 mm и ширина на пръстеновидния канал 5 mm, който е тестван при работа на горивни пари водород-кислород, втечнен природен газ-кислород и пропан-бутан-кислород.Противопожарните изпитания на DRD бяха проведени на специално проектиран стенд. Продължителността на всеки тест за пожар е не повече от 2 s. През това време с помощта на специално диагностично оборудване бяха регистрирани десетки хиляди обороти на детонационни вълни в пръстеновидния канал на горивната камера. По време на работата на FRD върху горивна двойка водород-кислород за първи път в света беше експериментално доказано, че термодинамичният цикъл с детонационно горене (цикъл на Зелдович) е 7-8% по-ефективен от термодинамичния цикъл с конвенционално горене при равни други условия.
В рамките на проекта е създадена уникална, несравнима изчислителна технология, предназначена за пълномащабна симулация на работния процес в DRD. Тази технология всъщност позволява проектирането на нови видове двигатели. При сравняване на резултатите от изчисленията с измерванията се оказа, че изчислението точно предсказва броя на детонационните вълни, циркулиращи в тангенциална посока в пръстеновидния DRE на даден дизайн (четири, три или една вълна, фиг. 3). Изчислението с приемлива точност прогнозира и работната честота на процеса, т.е. дава стойности на скоростта на детонация, близки до измерените, и тягата, реално развита от DRE. В допълнение, изчислението правилно прогнозира тенденциите в промяната на параметрите на работния процес с увеличаване на потреблението на горима смес в DRE на дадена конструкция - както в експеримента, броят на детонационните вълни, честотата на детонационното въртене и нарастването на тягата.
Ориз. Фиг. 3. Квазистационарни изчислени полета на налягане (a, b) и температура (c) при условията на три експеримента (отляво надясно). Както и в експериментите, изчисленията дават режими с четири, три и една детонационни вълни
Основният показател за енергийната ефективност на ракетен двигател е специфичният импулс на тягата,равно на съотношението на тягата, развивана от двигателя, към теглото на разхода на горимата смес за секунда. Специфичният импулс се измерва в секунди (s). Зависимостта на специфичния импулс на тягата на DRE от средното налягане в горивната камера, получена в хода на огневи тестове на нов тип двигател, е такава, че специфичният импулс се увеличава с увеличаване на средното налягане в горивната камера. Основният целеви показател на проекта - специфичен импулс от 270 s в условия на морско ниво - беше постигнат при огневи тестове при средно налягане в CS, равно на 32 atm. Измерената тяга на DRD в същото време надвишава 3 kN.
При сравняване на специфичните характеристики на ЖРД със специфичните характеристики в традиционните течни ракетни двигатели (РРД) се оказва, че зададеният специфичен импулс в РРД се постига при много по-ниско средно налягане, отколкото в РРД. Така в DRE специфичен импулс от 260 s се постига при налягане в CC от само 24 atm, докато специфичен импулс от 263,3 s в добре познатия домашен двигател RD-107A се постига при налягане в CC от 61,2 atm, което е 2,5 пъти по-високо. Обърнете внимание, че двигателят RD-107A работи с горивна двойка керосин-кислород и се използва в първата степен на ракетата-носител Союз-FG. Такова значително намаляване на средното налягане в DRE ще позволи в бъдеще радикално да се променят характеристиките на теглото и размерите на ракетните двигатели и да се намалят изискванията за турбопомпени агрегати.
Ето нова идея и нови физически принципи.
Един от резултатите от проекта е разработеното техническо задание за провеждане на експериментално-конструкторска работа (R&D) за създаване на прототип на DRD. Основният проблем, който се планира да бъде решен в рамките на НИРД, е да се осигури непрекъсната работа на DRD за дълго време (десетки минути). За да направите това, ще е необходимо да се разработи ефективна система за охлаждане на стените на двигателя.
С оглед напоради своята пробивна природа, задачата за създаване на практичен DRD несъмнено трябва да се превърне в една от приоритетните задачи на местната индустрия за космическо задвижване.
Сергей Фролов, доктор на физико-математическите науки, Институт по химическа физика. Н.Н. Семенов RAS, професор на NRNU-MEPhI
Газ вместо керосин
Снимка: Сергей Фролов
През 2014-2016 г. Министерството на образованието и науката на България подкрепи проект „Разработване на технологии за използване на втечнен природен газ (метан, пропан, бутан) като гориво за ракетно-космическа техника от ново поколение и създаване на стенд демонстрационен образец на ракетен двигател“. Проектът предвижда създаването на демонстрационен образец на ракетен двигател с непрекъсната детонация (РДД), работещ на горивна двойка „втечнен природен газ (ВПГ) – кислород“. Изпълнител на проекта е Центърът за импулсно детонационно горене на Института по химическа физика на Руската академия на науките. Индустриален партньор на проекта е Тураевското машиностроително конструкторско бюро "Союз". В заявлението за проекта целесъобразността от използване на продължително детонационно изгаряне в течен ракетен двигател (LRE) се обяснява с по-висока термодинамична ефективност в сравнение с традиционния цикъл, използващ бавно изгаряне, а целесъобразността от използване на LNG се обяснява с редица предимства в сравнение с керосина: повишен специфичен импулс на тяга, достъпност и ниска цена, значително по-малко образуване на сажди по време на горене и по-високи екологични показатели. Теоретично замяната на керосина с LNG в традиционния LRE обещава увеличение на специфичния импулс с 3-4%, а преходът от традиционен LRE към FRE с 13-15%.