Postojeći pogonski sistemi za vazduhoplovstvo i projektile pokazuju vrlo visoke performanse, ali su se približili granici svojih mogućnosti. Za daljnje povećanje parametara potiska, što stvara temelje za razvoj zrakoplovne raketne i svemirske industrije, potrebni su drugi motori, uključujući sa novim principima rada. Velike nade polažu se u tzv. detonacijski motori. Takvi sistemi klase impulsa već se testiraju u laboratorijama i na avionima.
Fizički principi
Postojeći i aktivni motori na tekuća goriva koriste podzvučno sagorijevanje ili deflagraciju. Hemijska reakcija koja uključuje gorivo i oksidator stvara front koji se kreće kroz komoru za izgaranje podzvučnom brzinom. Ovo sagorijevanje ograničava količinu i brzinu reaktivnih plinova koji izlaze iz mlaznice. U skladu s tim, maksimalni potisak je također ograničen.
Alternativa je detonacijsko sagorijevanje. U ovom slučaju, reakcijski front se kreće supersoničnom brzinom, tvoreći udarni val. Ovaj način sagorijevanja povećava prinos plinovitih proizvoda i osigurava povećanje vuče.
Motor za detonaciju može se izraditi u dvije verzije. Istodobno se razvijaju impulsni ili pulsirajući motori (IDD / PDD) i rotacijski / rotirajući. Njihova razlika leži u principima sagorijevanja. Rotacijski motor održava stalnu reakciju, dok impulsni motor radi uzastopnim "eksplozijama" mješavine goriva i oksidanta.
Impulsi stvaraju potisak
U teoriji, njegov dizajn nije ništa kompliciraniji od tradicionalnog raketnog motora na ramjet ili raketnog motora na tekuće gorivo. Uključuje komoru za izgaranje i sklop mlaznica, kao i sredstva za dovod goriva i oksidanta. U ovom slučaju nameću se posebna ograničenja na čvrstoću i izdržljivost konstrukcije povezane s posebnostima rada motora.
Tokom rada injektori dovode gorivo u komoru za sagorijevanje; oksidator se dovodi iz atmosfere pomoću uređaja za usisavanje zraka. Nakon stvaranja smjese dolazi do paljenja. Zbog pravilnog odabira komponenti goriva i proporcija smjese, optimalne metode paljenja i konfiguracije komore, stvara se udarni val koji se kreće u smjeru mlaznice motora. Trenutni nivo tehnologije omogućuje postizanje valne brzine do 2,5-3 km / s uz odgovarajuće povećanje potiska.
IDD koristi pulsirajući princip rada. To znači da se nakon detonacije i oslobađanja reaktivnih plinova komora za izgaranje ispuhuje, ponovno napuni smjesom - i slijedi nova "eksplozija". Da bi se postigao veliki i stabilan potisak, ovaj ciklus se mora izvoditi velikom frekvencijom, od desetina do hiljada puta u sekundi.
Teškoće i prednosti
Glavna prednost IDD-a je teoretska mogućnost postizanja poboljšanih karakteristika koje pružaju superiornost u odnosu na postojeće i buduće motore na ramjet i tečne pogone. Dakle, s istim potiskom, impulsni motor ispada kompaktniji i lakši. U skladu s tim, može se stvoriti snažnija jedinica u istim dimenzijama. Osim toga, takav je motor jednostavnijeg dizajna jer mu nije potreban dio instrumentacije.
IDD je operativan u širokom rasponu brzina, od nule (na početku rakete) do hipersonične. Može naći primjenu u raketnim i svemirskim sistemima i u vazduhoplovstvu - u civilnom i vojnom području. U svim slučajevima, njegove karakteristične karakteristike omogućavaju postizanje određenih prednosti u odnosu na tradicionalne sisteme. Ovisno o potrebama, moguće je stvoriti raketni IDD pomoću oksidanta iz spremnika ili zračno reaktivnog koji uzima kisik iz atmosfere.
Međutim, postoje značajni nedostaci i poteškoće. Dakle, da bi se savladao novi smjer, potrebno je provesti različite prilično složene studije i eksperimente na spoju različitih nauka i disciplina. Poseban princip rada postavlja posebne zahtjeve prema dizajnu motora i njegovim materijalima. Cijena velikog potiska je povećano opterećenje koje može oštetiti ili uništiti konstrukciju motora.
Izazov je osigurati visoku stopu isporuke goriva i oksidansa, koja odgovara potrebnoj frekvenciji detonacije, kao i izvršiti čišćenje prije isporuke goriva. Osim toga, poseban inženjerski problem predstavlja pokretanje udarnog vala pri svakom ciklusu rada.
Treba napomenuti da do danas IDD, unatoč svim naporima znanstvenika i dizajnera, nije spreman ići dalje od laboratorija i poligona. Dizajni i tehnologije trebaju daljnji razvoj. Stoga još nije potrebno govoriti o uvođenju novih motora u praksu.
Istorija tehnologije
Zanimljivo je da princip impulsnog detonacijskog motora prvi nisu predložili naučnici, već pisci naučne fantastike. Na primjer, podmornica "Pioneer" iz romana G. Adamova "Misterija dva okeana" koristila je IDD na mješavini vodika i kisika. Slične ideje zastupljene su i u drugim umjetničkim djelima.
Naučna istraživanja na temu motora za detonaciju započela su nešto kasnije, četrdesetih godina, a pioniri smjera bili su sovjetski naučnici. U budućnosti su se u različitim zemljama više puta pokušavali stvoriti iskusni IDD, ali njihov uspjeh bio je ozbiljno ograničen nedostatkom potrebnih tehnologija i materijala.
Dana 31. januara 2008. godine, agencija DARPA Ministarstva odbrane SAD-a i Laboratorija Vazdušnih snaga započele su testiranje prve leteće laboratorije sa IDD-om tipa vazduha. Originalni motor instaliran je na modificiranom avionu Long-EZ kompanije Scale Composites. Elektrana je uključivala četiri cjevaste komore za sagorijevanje sa dovodom tekućeg goriva i usisavanjem zraka iz atmosfere. Pri frekvenciji detonacije od 80 Hz, potisak od cca. 90 kgf, što je bilo dovoljno samo za laki avion.
Ova ispitivanja pokazala su fundamentalnu prikladnost IDD -a za upotrebu u vazduhoplovstvu, a takođe su pokazala i potrebu za poboljšanjem dizajna i povećanjem njihovih karakteristika. Iste 2008. prototip aviona poslan je u muzej, a DARPA i srodne organizacije nastavile su s radom. Objavljeno je o mogućnosti upotrebe IDD -a u obećavajućim raketnim sistemima - ali do sada oni nisu razvijeni.
Kod nas se tema IDD izučavala na nivou teorije i prakse. Na primjer, 2017. godine u časopisu "Sagorijevanje i eksplozija" pojavio se članak o ispitivanjima detonacijskog ramjetskog motora na plinovitom vodiku. Također, nastavljaju se radovi na motorima s rotacijskom detonacijom. Raketni motor na tečno gorivo, pogodan za upotrebu na projektilima, razvijen je i testiran. Proučava se pitanje upotrebe takvih tehnologija u avionskim motorima. U ovom slučaju detonacijska komora za izgaranje integrirana je u turboreaktivni motor.
Tehnološka perspektiva
Detonacijski motori su od velikog interesa sa stajališta njihove primjene u različitim područjima i područjima. Zbog očekivanog povećanja glavnih karakteristika, oni mogu barem istisnuti sisteme postojećih klasa. Međutim, složenost teorijskog i praktičnog razvoja još im ne dopušta upotrebu u praksi.
Međutim, posljednjih godina uočeni su pozitivni trendovi. Detonacijski motori općenito, uklj. pulsiraju, sve se češće pojavljuju u vijestima iz laboratorija. Razvoj ovog smjera nastavlja se i u budućnosti će moći dati željene rezultate, iako su vrijeme pojavljivanja obećavajućih uzoraka, njihove karakteristike i područja primjene još uvijek upitni. Međutim, poruke posljednjih godina omogućuju nam da s optimizmom gledamo u budućnost.
