Импульсно-детонационные
камеры сгорания
Импульсно-детонационные камеры сгорания активно изучаются с середины 1990-х гг. Циклический рабочий процесс в импульсно-детонационных камерах включает следующие стадии: заполнение камеры горючей смесью; зажигание смеси, ускорение пламени и переход горения в детонацию; сжигание смеси в бегущей детонационной волне; опустошение камеры от продуктов горения и детонации. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) или ракетные двигатели с импульсно-детонационными камерами называют импульсными детонационными двигателями (ИДД).
Достоинства импульсно-детонационных камер сгорания:
(1) простота конструкции;
(2) простота охлаждения;
(3) простота масштабирования тяги за счет изменения количества труб;
(4) простота управления тягой с помощью частичного заполнения труб и изменением частоты импульсов;
(5) низкий уровень эмиссии вредных веществ (NO, CO и др.);
(6) газодинамическое управление вектором тяги в многотрубной конструкции за счет фазировки подачи топлива;
(7) возможность работы при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета без разгонных блоков.
Недостатки импульсно-детонационных камер:
(1) необходимость многократного зажигания;
(2) нестационарное истечение продуктов детонации в атмосферу (работа сопла в нерасчетном режиме);
(3) низкая частота циклов (до 100–200 Гц);
(4) интерференция вибрационных волн в многотрубных системах;
(5) высокий уровень шума и вибраций.
Наиболее крупными инвестициями в НИОКР по исследованиям в области ИДД отличаются США (ВВС, ВМФ, НАСА, частные корпорации аэрокосмической отрасли) и Япония (Министерство энергетики, Японское космическое агентство, ведущие университеты страны). В последнее десятилетие к странам с быстро растущими инвестициями в эту область науки и техники присоединились Китай, Тайвань, Корея и Сингапур. В Европе наиболее активно такие работы проводятся во Франции (ЕАДС, Французское космическое агентство), Швеции (Вольво-Аэро) и Польше (Институт авиации, Варшавский политехнический институт). В России исследования в этом направлении наиболее активно проводятся в НП «Центр ИДГ».
Наибольших успехов в практической реализации научных исследований в области ИДД добились в США: ВВС США в 2008 г. провели первые летные испытания легкого одноместного самолета с воздушно-реактивным ИДД и продемонстрировали новую концепцию силовой установки, работающей на пропане. Также сообщалось, что в США проводились стендовые испытания мощных многотрубных ИДД, работающих на этилене и предыспаренном авиационном керосине с применением устройств-предетонаторов, использующих кислород. В Японии основное внимание исследователей уделялось отработке ИДД в компоновке с газовой турбиной. На сегодняшний день японским специалистам удалось разработать демонстраторы силовых установок с эффективностью турбины, КПД которой достигает 80%.
В Центре ИДГ (Россия) предложены принципиально новые методы инициирования процесса детонации, которые в настоящее время обеспечивают Российской Федерации опережающее развитие работ в этом направлении. С помощью этих методов впервые в мире получен циклический переход горения в детонацию в двухфазной смеси капель жидкого керосина ТС-1 с воздухом в коротких трубах (длиной до 2 м) при зажигании автомобильной свечой, т.е. фактически доказана возможность организации импульсно-детонационного цикла при работе ПВРД на штатном топливе без предварительного испарения и без активных добавок (кислород и др.). Впервые в мире разработан и испытан демонстратор ИДД для коррекции орбиты искусственных спутников Земли, работающий на керосинокислородной смеси с частотой до 200 Гц (в вакууме). Впервые в мире разработана и испытана горелка импульсно-детонационная скоростная (ГИДС), работающая на природном газе с воздухом.
Важнейшая проблема, с которой сталкиваются разработчики при создании импульсно-детонационных камер сгорания, работающих на штатном топливе, – низкая детонационная способность видов такого топлива в воздухе, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик силовой установки и усложнению ее конструкции. Другая важная проблема – это организация рабочего цикла в силовой установке многотрубной конструкции ввиду возможной интерференции вибрационных волн. Еще одна проблема для разработчиков - организация эффективного рабочего цикла без использования механических клапанов. В настоящее время существуют способы преодоления большинства таких проблем. |
