Esošās vilces sistēmas aviācijai un raķetēm uzrāda ļoti augstu veiktspēju, taču ir tuvu savu spēju robežai. Lai vēl vairāk palielinātu vilces parametrus, kas rada pamatu aviācijas raķešu un kosmosa nozares attīstībai, nepieciešami citi dzinēji, t.sk. ar jauniem darba principiem. Lielas cerības tiek liktas uz t.s. detonācijas dzinēji. Šādas impulsa klases sistēmas jau tiek pārbaudītas laboratorijās un lidmašīnās.
Fiziskie principi
Esošie un darbojošie šķidrā kurināmā dzinēji izmanto zemskaņas sadegšanu vai degšanu. Ķīmiskā reakcija, kurā iesaistīta degviela un oksidētājs, veido fronti, kas pārvietojas zem sadegšanas kameras ar zemskaņas ātrumu. Šī sadegšana ierobežo reaktīvo gāzu daudzumu un ātrumu, kas izplūst no sprauslas. Attiecīgi arī maksimālais vilces spēks ir ierobežots.
Detonācijas sadedzināšana ir alternatīva. Šajā gadījumā reakcijas fronte pārvietojas virsskaņas ātrumā, veidojot šoka vilni. Šis degšanas režīms palielina gāzveida produktu ražu un nodrošina lielāku vilkmi.
Detonācijas dzinēju var izgatavot divās versijās. Tajā pašā laikā tiek izstrādāti impulsu vai pulsējoši motori (IDD / PDD) un rotējoši / rotējoši motori. To atšķirība ir sadegšanas principos. Rotējošais dzinējs uztur nemainīgu reakciju, savukārt impulsa dzinējs darbojas ar secīgiem degvielas un oksidētāja maisījuma "sprādzieniem".
Impulsi veido vilces spēku
Teorētiski tā konstrukcija nav sarežģītāka par tradicionālo raķešu vai šķidro propelentu raķešu dzinēju. Tas ietver sadegšanas kameru un sprauslu komplektu, kā arī līdzekļus degvielas un oksidētāja padevei. Šajā gadījumā tiek noteikti īpaši ierobežojumi konstrukcijas izturībai un izturībai, kas saistīta ar motora darbības īpatnībām.
Darbības laikā inžektori piegādā degvielu sadegšanas kamerai; oksidētājs tiek piegādāts no atmosfēras, izmantojot gaisa ieplūdes ierīci. Pēc maisījuma veidošanās notiek aizdegšanās. Pateicoties pareizai degvielas sastāvdaļu izvēlei un maisījuma proporcijām, optimālai aizdedzes metodei un kameras konfigurācijai, veidojas triecienvilnis, kas virzās motora sprauslas virzienā. Pašreizējais tehnoloģiju līmenis ļauj iegūt viļņu ātrumu līdz 2,5-3 km / s, attiecīgi palielinot vilces spēku.
IDD izmanto pulsējošu darbības principu. Tas nozīmē, ka pēc detonācijas un reaktīvo gāzu izdalīšanās sadegšanas kamera tiek izpūsta, atkal piepildīta ar maisījumu - un seko jauns "sprādziens". Lai iegūtu augstu un stabilu vilces spēku, šis cikls jāveic augstā frekvencē, no desmitiem līdz tūkstošiem reižu sekundē.
Grūtības un priekšrocības
IDD galvenā priekšrocība ir teorētiska iespēja iegūt uzlabotus raksturlielumus, kas nodrošina pārākumu salīdzinājumā ar esošajiem un topošajiem ramjet un šķidro propelentu dzinējiem. Tātad ar tādu pašu vilci impulsa motors izrādās kompaktāks un vieglāks. Attiecīgi vienādos izmēros var izveidot jaudīgāku vienību. Turklāt šāds dzinējs ir vienkāršāka dizaina, jo tam nav nepieciešama daļa no instrumentiem.
IDD darbojas visdažādākajos ātrumos, sākot no nulles (raķetes sākumā) un beidzot ar hiperskaņu. To var izmantot raķešu un kosmosa sistēmās, kā arī aviācijā - civilajā un militārajā jomā. Visos gadījumos tā raksturīgās iezīmes ļauj iegūt noteiktas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām sistēmām. Atkarībā no vajadzībām ir iespējams izveidot raķešu IDD, izmantojot oksidētāju no tvertnes, vai gaisa reaģējošu, kas ņem skābekli no atmosfēras.
Tomēr ir būtiski trūkumi un grūtības. Tātad, lai apgūtu jaunu virzienu, dažādu zinātņu un disciplīnu krustojumā ir jāveic dažādi diezgan sarežģīti pētījumi un eksperimenti. Īpašais darbības princips izvirza īpašas prasības motora konstrukcijai un tā materiāliem. Augstas vilces cena ir palielinātas slodzes, kas var sabojāt vai iznīcināt motora konstrukciju.
Izaicinājums ir nodrošināt augstu degvielas un oksidētāja piegādes ātrumu, kas atbilst vajadzīgajai detonācijas biežumam, kā arī veikt tīrīšanu pirms degvielas padeves. Turklāt atsevišķa inženiertehniskā problēma ir triecienviļņa palaišana katrā darbības ciklā.
Jāatzīmē, ka līdz šim IDD, neskatoties uz visiem zinātnieku un dizaineru centieniem, nav gatavs pārsniegt laboratorijas un pārbaudes vietas. Dizains un tehnoloģijas ir jāattīsta tālāk. Tāpēc vēl nav jārunā par jaunu dzinēju ieviešanu praksē.
Tehnoloģijas vēsture
Ir ziņkārīgi, ka impulsa detonācijas dzinēja principu vispirms ierosināja nevis zinātnieki, bet zinātniskās fantastikas rakstnieki. Piemēram, zemūdene "Pioneer" no G. Adamova romāna "Divu okeānu noslēpums" izmantoja IDD uz ūdeņraža-skābekļa gāzu maisījuma. Līdzīgas idejas figurēja arī citos mākslas darbos.
Zinātniskie pētījumi par detonācijas dzinēju tēmu sākās nedaudz vēlāk, četrdesmitajos gados, un virziena pionieri bija padomju zinātnieki. Nākotnē dažādās valstīs atkārtoti tika mēģināts izveidot pieredzējušu IDD, taču to panākumus nopietni ierobežoja nepieciešamo tehnoloģiju un materiālu trūkums.
2008. gada 31. janvārī ASV Aizsardzības departamenta DARPA aģentūra un Gaisa spēku laboratorija sāka pārbaudīt pirmo lidojošo laboratoriju ar gaisu elpojošu IDD. Oriģinālais dzinējs tika uzstādīts modificētā Long-EZ lidmašīnā no Scale Composites. Elektrostacijā bija četras cauruļveida sadegšanas kameras ar šķidrās degvielas padevi un gaisa ieplūdi no atmosfēras. Pie detonācijas frekvences 80 Hz, vilces spēks ir apm. 90 kgf, ar ko pietika tikai vieglai lidmašīnai.
Šie testi parādīja IDD būtisko piemērotību izmantošanai aviācijā, kā arī parādīja nepieciešamību uzlabot dizainu un uzlabot to īpašības. Tajā pašā 2008. gadā lidmašīnas prototips tika nosūtīts uz muzeju, un DARPA un ar to saistītās organizācijas turpināja darbu. Tika ziņots par iespēju izmantot IDD daudzsološās raķešu sistēmās, taču līdz šim tās nav izstrādātas.
Mūsu valstī IDD tēma tika pētīta teorijas un prakses līmenī. Piemēram, 2017. gadā žurnālā Combustion and Explosion parādījās raksts par detonācijas ramjet dzinēja, kas darbojas ar gāzveida ūdeņradi, testiem. Tāpat turpinās darbs pie rotācijas detonācijas dzinējiem. Ir izstrādāts un pārbaudīts šķidrās degvielas raķešu motors, kas piemērots lietošanai raķetēs. Tiek pētīts jautājums par šādu tehnoloģiju izmantošanu lidmašīnu dzinējos. Šajā gadījumā detonācijas sadegšanas kamera ir integrēta turboreaktīvā dzinējā.
Tehnoloģiju perspektīva
Detonācijas dzinēji rada lielu interesi no to pielietojuma viedokļa dažādās jomās. Sakarā ar paredzamo galveno raksturlielumu pieaugumu tie var vismaz izspiest esošo klašu sistēmas. Tomēr teorētiskās un praktiskās attīstības sarežģītība vēl neļauj tos izmantot praksē.
Tomēr pēdējos gados ir novērotas pozitīvas tendences. Detonācijas dzinēji kopumā, t.sk. pulsējoši, arvien biežāk parādās ziņās no laboratorijām. Šī virziena attīstība turpinās, un nākotnē tā spēs dot vēlamos rezultātus, lai gan daudzsološo paraugu parādīšanās laiks, to īpašības un pielietojuma jomas joprojām ir apšaubāmas. Tomēr pēdējo gadu vēstījumi ļauj ar optimismu raudzīties nākotnē.
