stringtranslate.com

Импульсно-детонационный двигатель

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 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.

История

Фотография сильно модифицированного Rutan Long-EZ с импульсно-детонационным двигателем в полете, 31 января 2008 г.

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.

Операция

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 ]

Использование

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кайласанатх, К. (сентябрь 2000 г.). «Обзор применения детонационных волн в двигательной установке». Журнал АИАА . 38 (9): 1698–1708. Бибкод : 2000AIAAJ..38.1698K. дои : 10.2514/2.1156 . Проверено 28 ноября 2021 г.
  2. ^ Рой, Грузия; Фролов С.М.; Борисов А.А.; Нетцер, Д.В. (январь 2004 г.). «Импульсно-детонационная двигательная установка: проблемы, текущий статус и перспективы на будущее». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 30 (6): 545–672. дои :10.1016/j.pecs.2004.05.001 . Проверено 28 ноября 2021 г.
  3. ^ Хоффманн, Н., Реакционное движение при прерывистом детонационном горении, Министерство снабжения Германии, Volkenrode Translation, 1940.
  4. ^ Норрис, Г., «Импульсная мощность: демонстрация полета с приводом от импульсно-детонационного двигателя знаменует собой важную веху в Мохаве», Aviation Week & Space Technology , Vol. 168, № 7, 2008, стр. 60.
  5. ^ Borealis демонстрирует текст плаката в Музее ВВС США.
  6. ^ «Импульсно-детонационный двигатель уходит в историю», Air Force Print News Today , 16 мая 2008 г., по состоянию на 16 августа 2008 г.
  7. Шахтман, Ной (24 июня 2008 г.). «Ключ от взрывного двигателя от гиперзвукового самолета». Проводной . Сан-Франциско, Калифорния: Публикации Condé Nast . Проверено 27 июня 2009 г.
  8. ^ «Импульсно-детонационные двигатели», интервью с доктором Джоном Хоком, главным исследователем программы PDE Innovative Scientific Solutions Incorporated по контракту с Исследовательской лабораторией ВВС США, транслировалось по радио Новой Зеландии, 14 апреля 2007 г.
  9. Хебден, Керри (28 июля 2021 г.). «Япония успешно испытывает ракетный двигатель, приводимый в движение ударными волнами». Комната, Космический журнал Асгардии . Проверено 20 августа 2021 г.
  10. ^ Буякофу, Валентин; и другие. (2023) [2022]. «Летная демонстрация импульсно-детонационного двигателя с использованием зондирующей ракеты С-520-31 в космосе» (PDF) . Журнал космических кораблей и ракет . 60 (1): 181–189. дои : 10.2514/1.A35394. ISSN  0022-4650.

Внешние ссылки