Доброго времени суток товарищи, с вами на связи Miron_Bleek в вечерней космической рубрике, и сегодня у нас на очереди статья о детонационном жидкостном ракетном двигателе, вышедшем на испытания в рамках опытно-конструкторских работ НПО "Энергомаш". Поехали!
Москва, 11 ноября. Информационное агентство "ТАСС", источник в НПО "Энергомаш"
в годовом отчете научно-производственного объединения сообщил, что программа разработки российского детонационного двигателя, включающая в себя исследование принципов работы и создание демонстрационного образца кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя со спиновым детонационным режимом горения - получила название "Ифрит".
- Также в отчёте напомнили, что работы по проекту проводятся с 2014 года, а этим летом успешно прошли испытания двух полноразмерных детонационных жидкостных ракетных двигателей с многократными пусками в рамках испытаний.
Короткое описание конструкции двигателя - детонационный двигатель отличается от обычного жидкостного ракетного двигателя тем, что реактивная струя создается не просто за счет горения топлива, а путем многократных контролируемых взрывов, с крайне высокой их частотой, при этом ударная волна закручивается в камере сгорания двигателя. Все это обеспечивает меньший расход топлива при сохранении мощности.
- Грубо говоря, детонационное горение в двухкомпонентном ЖРД с высоким УИ, на лучших материалах - это достижение технологического предела во всей отрасли разработки и производства жидкостных двигателей вообще.
А теперь более подробно. В конце августа 2016 года мировые информационные агентства облетела новость: на одном из стендов НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках заработал первый в мире полноразмерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с использованием детонационного горения топлива.
К этому событию отечественная наука и техника шла 70 лет. Идея детонационного двигателя была предложена советским физиком Я. Б. Зельдовичем в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания», опубликованной в «Журнале технической физики» еще в 1940 году.
- С тех пор во всем мире шли исследования и эксперименты по практической реализации перспективной технологии. В этой гонке умов вперед вырывались то Германия, то США, то СССР. И вот к финальному результату ближе всех подошло российское предприятие двигателестроения, занимающееся производством лучших в мире ЖРД, НПО "Энергомаш". На данный момент её двигателями пользуются сразу две американских ракетно-космических компании, в лице Orbital ATK и Lockheed Martin, а также все российские предприятия, занимающихся сборкой ракет-носителей.
Итак, теперь переходим к описанию работы традиционных ЖРД и двигателей с детонационным горением.
- В традиционных ЖРД используется энергия, которая выделяется при сжигании топлива. В камере сгорания жидкостного ракетного двигателя при этом образуется стационарный фронт пламени, горение топливной пары, а именно сжигание горючего с использованием собственного окислителя ракеты, в котором происходит при неизменном давлении. Этот процесс обычного горения называется дефлаграцией. В результате взаимодействия распылённого из форсунок в камеру сгорания горючего и окислителя, либо путём пиро/электро-поджига, либо из-за химических процессов самовоспламенения при контакте оных, происходит возгорание топливной пары, температура газовой смеси резко возрастает и из сопла под огромным давлением вырывается огненный столб продуктов сгорания, которые и образуют реактивную тягу, толкающую ракету.
*В реактивном двигателе самолёта проходят идентичные процессы, через топливопровод авиационный керосин подаётся в камеру сгорания, но вместо бортового запаса окислителя - двигатель использует кислород, содержащийся во внешней среде, то есть атмосфере планеты.
Детонация — это то же самое горение, но происходит оно в сотни раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. Этот процесс идет крайне быстро. Детонацию даже часто путают со взрывом. Это можно обусловить тем, что это крайне энергоёмкий процесс, автомобильный мотор при возникновении этого явления в его цилиндрах от избытка энергии и в самом деле может разрушиться.
Однако детонация это не взрыв, а просто вид очень быстрого горения. Это настолько стремительный процесс, что при нём продукты реакции даже не успевают расшириться, поэтому детонация, в отличие от дефлаграции, идет при постоянном объеме и резко возрастающем давлении.
- Как же это выглядит на практике? Я уже говорил, что при обычном сжигании топлива - внутри камеры сгорания формируется стационарный фронт пламени. Так вот, при детонационном горении, вместо него, в топливной смеси образуется детонационная волна, которая движется со сверхзвуковой скоростью. В этом сверхзвуковом ударном фронте и происходит детонация смеси горючего и окислителя.
В чём же "прикол", спросите вы? Для ответа на этот вопрос нам нужно обратится к старушке термодинамике, ибо она нам говорит, что удельный КПД (Коэффициент полезного действия) сгорания топливной пары в детонационной волне выше, чем при стационарном фронте пламени с постоянным давлением. В зависимости от конструкции он может превосходить оригинальный ЖРД по КПД от 23-27% для типовой конструкции с расширяющимся соплом, значительно переработанной под детонационное горение, вплоть до 36-37% прироста в КВРД (клиновоздушные ракетные двигатели), которые, кстати говоря, сами по совокупному удельному импульсу на участке выведения перекрывают обычные ЖРД.
Прим.: КВРД - это один из типов жидкостных двигателей, с клиновидным соплом, который поддерживает аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот над поверхностью Земли с разным давлением атмосферы. Они способны изменять давление истекающей газовой струи в зависимости от атмосферного давления, и экономить до 8-12% топлива на всём участке выведения конструкции (Основная экономия происходит на малых высотах, где она доходит до 25-30%).
- Конструкция КВРД имеет свою фишку. Вместо одной точки выхода тяги, как в традиционных ЖРД, в виде небольшого отверстия в центре сопла - в клиновоздушной ДУ (Двигательной установке) используется клиновидный выступ, вокруг которого устанавливается ряд камер сгорания. Это может быть плоский клин, с двумя рядами камер сгорания по обе стороны от него, или тороидальный клин (Конус), где реактивные струи из камер сгорания - сходятся в одну точку, на конце конуса тороида.
Однако основное преимущество КВРД сводится к приспосабливаемости к атмосферному давлению на участке траектории, при работе в условиях вакуума всё же больший УИ будет иметь традиционный вакуумный ЖРД.
Кхм, то есть при сжигании одинакового количества топлива в детонационном двигателе получается больше тяги, а благодаря компактности зоны горения детонационник по мощности, снимаемой с единицы объема, теоретически на порядок превосходит обычные ЖРД.
Уже одного этого оказалось достаточно, чтобы привлечь самое пристальное внимание специалистов к этой идее. Конструкции классических ЖРД за последние десятилетия были вылизаны до совершенства и практически подошли к пределу своих возможностей.
- Увеличить их удельные характеристики в будущем возможно лишь в очень незначительных пределах — на считаные проценты. Поэтому мировая космонавтика вынуждена идти по экстенсивному пути развития: для пилотируемых полетов на Луну приходится строить гигантские ракеты–носители, а это очень сложно и безумно дорого, во всяком случае для России.
Попытка преодолеть кризис с помощью ядерных двигателей наткнулась на проблемы с энергоёмкостью, компактностью установок и снимаемой мощности с единицы веса. Появление детонационных ЖРД, быть может, и рано сравнивать с переходом авиации на реактивную тягу, но ускорить процесс освоения космоса они вполне способны. Тем более что у этого типа реактивных двигателей есть еще одно очень важное преимущество...
Что, при переводе на примитивный язык, представляет из себя ракетный жидкостник? Это, в принципе, если очень всё упростить - большая горелка.
- Для увеличения его тяги и удельных характеристик нужно поднимать давление в камере сгорания.
Но при этом топливо, которое впрыскивается в камеру через форсунки-распылители, должно подаваться при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива просто не сможет проникнуть в камеру. Поэтому самым сложным и дорогим агрегатом в ЖРД является вовсе не камера с соплом, которое у всех на виду, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), спрятанный в недрах ракеты среди хитросплетения трубопроводов.
- Этим кстати объясняется сложность старта АМС с поверхности Венеры. На её поверхности давление порядка 90-95 атмосфер, а соответственно давление среды в камере сгорания до запуска будет тоже порядка 90-95 атмосфер. Если рабочее давление в камере сгорания будет ниже, чем давление атмосферы - то никакого выброса реактивной струи не будет. А если турбонасос не будет подавать топливо при большем давлении, чем атмосфера - то форсунки даже топливную пару распылить не смогут. Чтобы адекватно стартовать с поверхности, нужно чтобы давление в двигателях было совсем уж чудовищным.
*Да, кроме этой проблемы есть и ещё одна, чтобы выбраться с её поверхности - аппарату необходимо порядка 27 км/сек дельты (delta-V, характеристическая скорость. Скорость, которую аппарат в лице полезной нагрузки, сможет набрать в вакууме, если выработать абсолютно все топливные ресурсы в его баках), для сравнения - выход на низкую опорную земли требует порядка 9,4 км/сек.
Не забывайте, что для разгона аппарата необходимо разогнать не только его, но и верхние ступени, топливо, двигатели и сухой балласт, поэтому по мере наращивания дельты конструкции путём размещения на ней новых ступеней или разгонных блоков - стартовая масса растёт по экспоненте.
Кхм, что-то мы отвлеклись. Так вот, переходим к тому, что я обожаю. Давайте я вам предоставляю пример:
- У самого мощного в мире ЖРД, а именно керосин/кислородного РД–170 с тягой порядка 680 тонн силы, созданного для первой ступени советской сверхтяжелой ракеты–носителя «Энергия» тем же НПО «Энергия», давление в камере сгорания составляет 250 атмосфер. Это очень много.
*А если вспомнить, что он потом дорабатывался до версии РД-171 в советском "Зените", а потом и до РД-171М/173, где рабочая тяга доросла сначала до 700-705, а потом и до 740-755 тонн силы, а рабочее давление выросло до 280 атмосфер - то это ещё больше. РД-175 с тягой > 1000 т/с и ещё большим давлением рассматривать пока не будем.
Но давление, под которым из форсунок распыляется топливная пара - гораздо больше. К примеру, давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель в камеру сгорания, достигает величины 600 атм (653 атм. в РД-173). Для привода этого насоса используется турбина мощностью 189 Мегаватт.
- Представили себе эту мощность? Колесо турбины, диаметром всего 40 мм, которое крутит вал на скорости 15 тысяч оборотов в минуту развивает мощность, сопоставимую с ОК-650В, водо-водяным ядерным реактором на тепловых нейтронах. 190 мегаватт это энергопотребление целого атомного подводного крейсера проекта 955 "Борей" или 855 "Ясень" (У них один и тот же реактор стоит на борту).
Примерные размеры я, пожалуй, сюда тоже приложу. Сравнение РПКСН (Ракетный подводный крейсер стратегического назначения) пр. 955 "Борей" с РКН (Ракетой космического назначения) серии "Зенит", средним автобусом, седаном ВАЗ-2105 и двигательной установкой РД-180. Ну и крайне приблизительные размеры, которые в крейсере занимает ядерная силовая установка.
*Турбонасосный агрегат двигателя занимает далеко не всю его часть.
При этом ТНА — это сложное механическое устройство,работать ему приходится в среде жидкого кислорода, где малейшая не искра даже, а песчинка в трубопроводе приводит к взрыву. Технологии создания такого ТНА и есть главное ноу–хау «Энергомаша», обладание которым позволяет российской компании и сегодня продавать свои двигатели для установки на американских ракетах–носителях Atlas V и Antares.
Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, поскольку давление для более эффективного сгорания обеспечивает сама детонация, которая и представляет собой бегущую в топливной смеси волну сжатия. При детонации давление увеличивается в 18–20 раз без всякого ТНА.
- Чтобы получить в камере сгорания детонационного двигателя условия, эквивалентные, к примеру, условиям в камере сгорания ЖРД американского «Шаттла» (200 атм), достаточно подавать топливо под давлением всего лишь 10 атмосфер. Агрегат, необходимый для этого, по сравнению с ТНА классического ЖРД — все равно что автомобильный насос КАМАЗа, в сравнении с водяным агрегатом Саяно–Шушенской ГРЭС.
То есть детонационный двигатель будет не только мощнее и экономичнее обычного ЖРД, но и на порядок проще и дешевле. Вопрос, почему конструкторы раньше этого не делали?
- Главная проблема, которая встала перед инженерами, — как совладать с детонационной волной. Дело ведь не только в том, чтобы сделать двигатель прочнее, чтобы он выдержал повышенные нагрузки. Детонация - это не просто взрывная волна. Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью, до 2,5 - 3 км/сек против 330 м/с. Кроме того, она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер. После каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну.
*Осложняется эта задача тем, что такие циклы "обновления" - необходимо проводить с огромнейшей частотой, вплоть до десятков тысяч раз в секунду.
Старым-старым примером будет пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД). Попытки создать пульсирующий реактивный двигатель предпринимались задолго до идеи с детонацией.
- Привлекала опять же простота: в отличие от авиационной турбины для пульсирующего воздушно–реактивного двигателя (ПуВРД) не нужны были ни вращающийся со скоростью 40 000 оборотов в минуту компрессор для нагнетания воздуха в ненасытное чрево камеры сгорания, ни работающая при температуре газа свыше 1000˚С турбина. В ПуВРД давление в камере сгорания создавали пульсации в горении топлива. Один из примеров - двигательная установка летающего снаряда "Фау-1".
Первые патенты на пульсирующий воздушно–реактивный двигатель были получены независимо друг от друга в 1865 году Шарлем де Луврье (Франция) и в 1867 году Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия).
- Первую работоспособную конструкцию ПуВРД запатентовал в 1906 году русский инженер В.В. Караводин, годом позже построивший модельную установку. Установка Караводина вследствие ряда недостатков не нашла применения на практике.
Первым ПуВРД, работавшим на реальном летательном аппарате, стал немецкий Argus As 014, основанный на патенте 1931 года мюнхенского изобретателя Пауля Шмидта. Argus создавался для «оружия возмездия» — крылатой бомбы «Фау–1». Аналогичную разработку создал в 1942 году советский конструктор Владимир Челомей для первой советской крылатой ракеты 10Х.
* Конечно, эти двигатели еще не были детонационными, поскольку в них использовались пульсации обычного горения. Частота этих пульсаций была невелика, что порождало характерный пулеметный звук при работе.
Удельные характеристики ПуВРД из–за прерывистого режима работы в среднем были невысоки и после того, как конструкторы к концу 1940–х годов справились со сложностями создания компрессоров, насосов и турбин, турбореактивные двигатели и ЖРД стали королями неба, а ПуВРД остались на периферии технического прогресса.
- Любопытно, что первые ПуВРД немецкие и советские конструкторы создали независимо друг от друга. Кстати, и идея детонационного двигателя в 1940 году пришла в голову не одному только Зельдовичу. Одновременно с ним те же мысли высказали Фон Нейман (США) и Вернер Деринг (Германия), так что в международной науке модель использования детонационного горения назвали ZND.
Идея объединить ПуВРД с детонационным горением была очень заманчивой. Но фронт обычного пламени распространяется со скоростью 60–100 м/с и частота его пульсаций в ПуВРД не превышает 250 в секунду. А детонационный фронт движется со скоростью 1500‒2500 м/с, таким образом частота пульсаций должна составлять тысячи в секунду. Реализовать такую скорость обновления смеси и инициации детонации на практике было затруднительно.
Тем не менее попытки создания работоспособных пульсирующих детонационных двигателей продолжались. Работа специалистов ВВС США в этом направлении увенчалась созданием двигателя–демонстратора, который 31 января 2008 года впервые поднялся в небо на экспериментальном самолете Long–EZ.
- В том полёте двигатель проработал 10 секунд на высоте 30 метров. Тем не менее приоритет в данном случае остался за Соединенными Штатами, а самолет по праву занял место в Национальном музее ВВС США.
Кроме того, существует и иной принцип работы детонационного двигателя. Кольцевая, вращающаяся детонация.
- Математические модели, в которых просчитывалось как закольцевать детонационную волну и заставить ее вращаться как ротору в камере сгорания - появились в начале 1960–х годов. Явление спиновой (вращающейся) детонации теоретически предсказал советский физик из Новосибирска Б. В. Войцеховский в 1960 году. Почти одновременно с ним, в 1961 году, ту же идею высказал американец Дж. Николлс из Мичиганского университета.
Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопл как пресс
- Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.
В СССР, как и в США, работы над двигательными установками кольцевой, ротационной детонации шли с начала 1960–х годов. Реализация потребовала решения огромного количества теоретических вопросов.
- Как организовать процесс так, чтобы волна не затухала? Необходимо было понимание сложнейших физико–химических процессов, происходящих в газовой среде. Тут расчет велся уже не на молекулярном, а на атомарном уровне. Для расчётов нужно было углубляться в поведение материи при огромных температурах, скоростях и давлениях, брать в расчёт атомарное притяжение в молекулах рабочей смеси.
Процессы эти в моделировании куда более сложны, чем те, что происходят при генерации луча лазера. Именно поэтому лазер у нас есть ещё с 1960-ых годов, а детонационный двигатель вышел а испытания только сейчас. Для понимания этих процессов потребовалось создать новую фундаментальную науку, физико–химическую кинетику, которой 50 лет назад еще просто не существовало.
- Ну и как же не упомянуть проблемы вычислительных мощностей, ведь для практического расчета условий, при которых детонационная волна не будет затухать, а станет самоподдерживающейся - нужны эпически мощные ЭВМ, появившиеся лишь в последние годы. Вот какой фундамент необходимо было положить в основание практических успехов по укрощению детонационного горения.
А теперь, в последнее время - даже двигатели внутреннего сгорания начали проектировать с учётом их работы с детонационным дожигом топлива (Проект ООО НПП "ИННЭКС"), правда тут малость опоздали, электродвигатели скоро на 90% вытеснят ДВС (Ну, многим нравится ручная коробка передач, выжимать сцепление и звук работы двигателя, так что полностью хренушки они вытеснят ДВС, но это уже дело вкуса).
Возвращаемся к детонационным ЖРД. На данный момент активные работы над ними ведутся в США и РФ. Китай из-за отсталости передового сегмента технологий пока до практических работ не добрался, ему нужно ещё лет 10-12. Остальные страны вообще практически не в состоянии производить даже обычные ЖРД.
- В USA - исследованиями занимаются Pratt & Whitney, General Electric, при поддержке NASA. К примеру, в научно–исследовательской лаборатории ВМФ США разрабатываются спиновые детонационные газотурбинные установки для флота. В ВМФ США используется 430 газотурбинных установок на 129 кораблях, в год они потребляют топлива на три миллиарда долларов. Внедрение более экономных детонационных газотурбинных двигателей (ГТД) позволит сберечь гигантские средства.
В России над детонационными двигателями работали и продолжают работать десятки НИИ и КБ. В их числе и НПО «Энергомаш».
- Разработка детонационного ЖРД велась не один год, но несмотря на 70 лет исследований, эта технология до сих пор остается в России «слишком перспективной», чтобы ее финансировали заказчики вроде Министерства обороны, которым нужен, как правило, гарантированный практический результат. А до него еще очень далеко, и первый двигатель можно будет ждать минимум к 2018-2020 годам, не говоря о завершении тестов на надёжность, выход проекта с ОКР (Опытно-конструкторских работ) и принятие заказа на разработку носителя под серийный двигатель (Или пересадку на них существующих носителей, с созданием серии разномощностных ДУ).
Ну а пока давайте порадуемся за наших конструкторов, ведь они в этом году сделали ещё один шаг в, может и не очень светлое, но технологически продвинутое будущее. А с вами на связи был Miron_Bleek в вечерней космической рубрике, надеюсь вам нравятся мои посты, и удачи вам, товарищи.
P.S. Все остальные новости будут тут: https://vk.com/spacelaunches_tm
