Импульсный детонационный двигатель ( ИДД ) — это тип двигательной установки, которая использует детонационные волны для сжигания смеси топлива и окислителя . [1] [2]
Двигатель импульсный, потому что смесь должна обновляться в камере сгорания между каждой волной детонации и следующей. Теоретически, PDE может работать от дозвуковой до гиперзвуковой скорости полета примерно 5 Маха . Идеальная конструкция PDE может иметь термодинамическую эффективность выше, чем другие конструкции, такие как турбореактивные и турбовентиляторные, потому что детонационная волна быстро сжимает смесь и добавляет тепло при постоянном объеме. Следовательно, движущиеся части, такие как компрессорные катушки, не обязательно требуются в двигателе, что может значительно снизить общий вес и стоимость. Ключевые вопросы для дальнейшего развития включают быстрое и эффективное смешивание топлива и окислителя, предотвращение самовоспламенения и интеграцию с впускным отверстием и соплом.
По состоянию на май 2023 года [обновлять]ни один практический ИДД не был запущен в производство, но было построено несколько испытательных двигателей, и один из них был успешно интегрирован в демонстрационный самолет на низкой скорости, совершивший длительный полет с двигателем ИДД в 2008 году.
ИДД рассматривались в качестве двигателей с 1940 года. [3]
Первый известный полет самолета с импульсным детонационным двигателем состоялся в Мохаве Air & Space Port 31 января 2008 года. [4] Проект был разработан Научно-исследовательской лабораторией ВВС и Innovative Scientific Solutions, Inc. Для полета был выбран самолет Scaled Composites Long-EZ , сильно модифицированный под названием Borealis . [5] Двигатель состоял из четырех труб, производящих импульсную детонацию с частотой 80 Гц, создавая до 200 фунтов тяги (890 ньютонов). Многие виды топлива были рассмотрены и испытаны разработчиками двигателя в последние годы, но для этого полета использовался очищенный октан . Для облегчения взлета Long-EZ использовалась небольшая ракетная система, но PDE работал на собственной мощности в течение 10 секунд на высоте примерно 100 футов (30 м). Полет проходил на низкой скорости, тогда как привлекательность концепции двигателя PDE больше лежит на высоких скоростях, но демонстрация показала, что PDE может быть интегрирован в каркас самолета без возникновения структурных проблем от волн детонации 195-200 дБ. Больше полетов для модифицированного Long-EZ не запланировано, но успех, вероятно, подстегнет большее финансирование исследований PDE. Сам самолет был перемещен в Национальный музей ВВС США для показа. [6]
В июне 2008 года Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) представило проект Blackswift , который должен был использовать эту технологию для достижения скорости до 6 Махов. [7] Однако вскоре после этого, в октябре 2008 года, было сообщено об отмене проекта.
Основная работа PDE похожа на работу пульсирующего реактивного двигателя . В пульсирующем реактивном двигателе воздух смешивается с топливом, чтобы создать горючую смесь, которая затем воспламеняется в открытой камере. В результате сгорания давление смеси значительно увеличивается примерно до 100 атмосфер (10 МПа), [8] которая затем расширяется через сопло для создания тяги.
Чтобы гарантировать, что смесь выходит сзади, тем самым толкая самолет вперед, используется ряд заслонок, закрывающих переднюю часть двигателя. Тщательная настройка впускного отверстия обеспечивает закрытие заслонок в нужный момент, чтобы заставить воздух проходить только в одном направлении через двигатель. Некоторые конструкции импульсных реактивных двигателей использовали настроенную резонансную полость для обеспечения клапанного действия через воздушный поток в системе. Эти конструкции обычно выглядят как U-образная трубка, открытая с обоих концов.
В любой из систем импульсный реактивный двигатель имеет проблемы в процессе сгорания. Поскольку топливо сгорает и расширяется, создавая тягу, оно также выталкивает любой оставшийся несгоревший заряд назад, из сопла. Во многих случаях часть заряда выбрасывается до сгорания, что вызывает знаменитый след пламени, который можно увидеть на летающей бомбе V-1 и других импульсных реактивных двигателях. Даже находясь внутри двигателя, объем смеси постоянно меняется, что неэффективно преобразует топливо в полезную энергию.
Все обычные реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей работают на дефлаграции топлива, то есть быстром, но дозвуковом сгорании топлива . Импульсный детонационный двигатель — это концепция, которая в настоящее время [ когда? ] находится в активной разработке для создания реактивного двигателя, работающего на сверхзвуковой детонации топлива. Поскольку сгорание происходит так быстро, заряд (смесь топлива и воздуха) не успевает расширяться во время этого процесса, поэтому он происходит при почти постоянном объеме . Сгорание при постоянном объеме более эффективно, чем конструкции с открытым циклом, такие как газовые турбины , что приводит к большей топливной эффективности .
Поскольку процесс сгорания происходит так быстро, механические затворы трудно установить с требуемой производительностью. Вместо этого PDE обычно используют ряд клапанов, чтобы тщательно рассчитать время процесса. [ необходима цитата ]
Большинство исследований PDE носят военный характер, поскольку двигатель может быть использован для разработки нового поколения высокоскоростных разведывательных самолетов большой дальности , которые будут летать достаточно высоко, чтобы быть вне досягаемости любой современной противовоздушной обороны, при этом обеспечивая дальность полета значительно большую, чем SR -71 , которому требовался огромный флот заправщиков. [ необходима цитата ]
Основные трудности в импульсных детонационных двигателях заключаются в достижении DDT без использования трубы достаточной длины, что делает ее непрактичной и увеличивает сопротивление самолета (добавление U-образного изгиба в трубу гасит волну детонации); снижении шума (часто описываемого как звук отбойного молотка); и гашении сильной вибрации, вызванной работой двигателя. [ необходима ссылка ]
Если и топливо, и окислитель перевозятся транспортным средством, импульсный детонационный двигатель не зависит от атмосферы и может использоваться в космическом полете . 26 июля 2021 года (UTC) японское космическое агентство JAXA успешно испытало импульсный детонационный ракетный двигатель в космосе на зондовой ракете S-520 . [9] Верхняя ступень ракеты использовала вращающийся детонационный двигатель (RDE) в качестве основного двигателя, а S-образный импульсный детонационный двигатель использовался для раскручивания ступени после сгорания основного двигателя. PDE срабатывал три раза в полете, в общей сложности 14 циклов. [10]