Импульсно -детонационный двигатель ( ИДД ) — это тип двигательной установки, которая использует детонационные волны для сжигания смеси топлива и окислителя . [1] [2]
Двигатель работает импульсно, потому что смесь должна обновляться в камере сгорания между каждой детонационной волной и следующей. Теоретически PDE может работать от дозвуковой до гиперзвуковой скорости полета примерно 5 Маха . Идеальная конструкция PDE может иметь термодинамический КПД выше, чем другие конструкции, такие как турбореактивные и турбовентиляторные двигатели, поскольку детонационная волна быстро сжимает смесь и добавляет тепло при постоянном объеме. . Следовательно, в двигателе не обязательно требуются движущиеся части , такие как золотники компрессора , что может значительно снизить общий вес и стоимость. Ключевые вопросы для дальнейшей разработки включают быстрое и эффективное смешивание топлива и окислителя, предотвращение самовоспламенения и интеграцию с впускным патрубком и соплом.
По состоянию на май 2023 года [обновлять]ни один практический PDE не был запущен в производство, но было построено несколько двигателей для испытательного стенда, и один был успешно интегрирован в низкоскоростной демонстрационный самолет, который совершил продолжительный полет с двигателем PDE в 2008 году.
PDE рассматривались в качестве двигательной установки с 1940 года. [3]
Первый известный полет самолета с импульсно-детонационным двигателем состоялся в аэрокосмическом порту Мохаве 31 января 2008 года. [4] Проект был разработан Исследовательской лабораторией ВВС и компанией Innovative Scientific Solutions, Inc. Самолет выбран Для полета использовался сильно модифицированный Scaled Composites Long-EZ , названный Borealis . [5] Двигатель состоял из четырех трубок, производящих импульсную детонацию с частотой 80 Гц, создающих тягу до 200 фунтов (890 ньютонов). В последние годы разработчиками двигателей рассматривались и испытывались многие виды топлива, но для этого полета использовалось очищенное октановое число . Для облегчения взлета Long-EZ использовалась небольшая ракетная система, но PDE работал своим ходом в течение 10 секунд на высоте примерно 100 футов (30 м). Полет проходил на низкой скорости, тогда как привлекательность концепции двигателя PDE больше связана с высокими скоростями, но демонстрация показала, что PDE можно интегрировать в корпус самолета, не испытывая структурных проблем, связанных с детонационными волнами мощностью 195-200 дБ. Больше полетов модифицированного Long-EZ не планируется, но успех, вероятно, будет способствовать увеличению финансирования исследований PDE. Сам самолет был перевезен для экспонирования в Национальный музей ВВС США . [6]
В июне 2008 года Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) представило Blackswift , который должен был использовать эту технологию для достижения скорости до 6 Маха. [7] Однако вскоре после этого, в октябре 2008 года, сообщалось, что проект был отменен.
Основная работа PDE аналогична работе импульсного реактивного двигателя . В импульсной струе воздух смешивается с топливом, образуя горючую смесь, которая затем воспламеняется в открытой камере. В результате сгорания значительно увеличивается давление смеси примерно до 100 атмосфер (10 МПа), [8] которая затем расширяется через сопло для тяги.
Чтобы смесь выходила назад, толкая самолет вперед, используется ряд заслонок, закрывающих переднюю часть двигателя. Тщательная настройка воздухозаборника гарантирует, что жалюзи закрываются в нужный момент, заставляя воздух проходить через двигатель только в одном направлении. В некоторых конструкциях импульсной струи использовалась настроенная резонансная полость для обеспечения клапанного действия воздушного потока в системе. Эти конструкции обычно выглядят как U-образная трубка, открытая с обоих концов.
В любой системе импульсная струя имеет проблемы в процессе сгорания. Когда топливо сгорает и расширяется, создавая тягу, оно также выталкивает оставшийся несгоревший заряд назад, из сопла. Во многих случаях часть заряда выбрасывается перед горением, что приводит к появлению знаменитого следа пламени, который можно увидеть на летающих бомбах Фау-1 и других импульсных струях. Даже находясь внутри двигателя, объем смеси постоянно меняется, что приводит к неэффективному преобразованию топлива в полезную энергию.
Все обычные реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей работают на дефлаграции топлива, то есть на быстром, но дозвуковом сгорании топлива . Импульсно-детонационный двигатель - это концепция в настоящее время [ когда? ] в активной разработке по созданию реактивного двигателя, работающего на сверхзвуковой детонации топлива. Поскольку сгорание происходит так быстро, заряд (топливно-воздушная смесь) не успевает расшириться во время этого процесса, поэтому оно происходит при почти постоянном объеме . Сгорание при постоянном объеме более эффективно, чем конструкции с открытым циклом, такие как газовые турбины , что приводит к большей эффективности использования топлива .
Поскольку процесс горения очень быстрый, механические жалюзи сложно обеспечить требуемой производительностью. Вместо этого PDE обычно используют ряд клапанов для тщательного расчета времени процесса. [ нужна цитата ]
Большинство исследований PDE носят военный характер, поскольку двигатель может быть использован для разработки нового поколения высокоскоростных самолетов-разведчиков дальнего действия , которые будут летать достаточно высоко, чтобы находиться вне досягаемости любой существующей системы ПВО, обеспечивая при этом дальность полета. значительно больше, чем SR-71 , который требовал огромного флота танкерной поддержки. [ нужна цитата ]
Основные трудности в импульсно-детонационных двигателях заключаются в том, что ДДТ не требует достаточно длинной трубы, чтобы сделать ее непрактичной и создавать сопротивление самолету (добавление U-образного изгиба в трубе гасит детонационную волну); уменьшение шума (часто описываемого как звук отбойного молотка); и гашение сильной вибрации, вызванной работой двигателя. [ нужна цитата ]
Если на корабле перевозятся и топливо, и окислитель, импульсно-детонационный двигатель не зависит от атмосферы и может использоваться в космических полетах . 26 июля 2021 года (UTC) японское космическое агентство JAXA успешно испытало импульсно-детонационный ракетный двигатель в космосе во время полета ракеты-зонда S-520 . [9] Верхняя ступень ракеты использовала вращающийся детонационный двигатель (РДЭ) в качестве основного двигателя, а импульсный детонационный двигатель S-образной формы использовался для раскрутки ступени после сгорания основного двигателя. ПДЭ сработал трижды в полете, всего 14 циклов. [10]