Ротационные детонационные двигатели – экономичная перспектива

Ротационные детонационные двигатели – экономичная перспектива


Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых газотурбинных установок, которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на детонационные ротационные двигатели. За счет этого предполагается экономия топлива на сумму около 400 миллионов долларов ежегодно. Однако серийное использование новых технологий возможно, по оценкам экспертов, не ранее, чем через десятилетие.

Разработки ротационных, или спиновых ротационных двигателей в Америке проводятся Научно-исследовательской лабораторией флота США. Согласно первоначальным подсчетам, новые двигатели будут обладать большей мощностью, а также примерно на четверть экономичнее обычных двигателей. При этом, основные принципы работы силовой установки останутся прежними – газы от сгоревшего топлива будут поступать в газовую турбину, вращая ее лопасти. Согласно данным лаборатории ВМС США, даже в относительно далеком будущем, когда весь американский флот будет приводиться в действие при помощи электричества, за выработку энергии по-прежнему будут отвечать газовые турбины, в определенной степени видоизмененные.


Напомним, что изобретение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя приходится на конец девятнадцатого века. Автором изобретения был шведский инженер Мартин Виберг. Широкое распространение новые силовые установки получили в годы Второй мировой войны, хотя они значительно уступали по своим техническим характеристикам авиадвигателям, которые существовали в то время.

Надо заметить, что на данный момент времени американский флот насчитывает 129 кораблей, на которых используется 430 газотурбинных двигателя. Каждый год расходы на обеспечение их топливом составляют порядка 2 миллиардов долларов. В будущем, когда современные двигатели будут заменены новыми, изменятся и объемы затрат на топливную составляющую.

Двигатели внутреннего сгорания, используемые в настоящее время, работают по циклу Брайтона. Если определить суть данного понятия в нескольких словах, то все сводится к последовательному смешиванию окислителя и топлива, дальнейшем сжатии полученной смеси, затем – поджоге и горении с расширением продуктов горения. Это расширение как раз и используется для приведения в движение, перемещения поршней, вращения турбины, то есть выполнения механических действий, обеспечивая постоянное давление. Процесс горения топливной смеси двигается с дозвуковой скоростью – этот процесс носит название дафлаграция.

Что касается новых двигателей, то ученые намерены использовать в них взрывное горение, то есть детонацию, при которой горение происходит со сверхзвуковой скоростью. И хотя в настоящее время явление детонации еще изучено не в полной мере, однако известно, что при таком виде горения возникает ударная волна, которая распространяясь по смеси топлива и воздуха вызывает химическую реакцию, следствием которой является выделение довольно большого количества тепловой энергии. Когда ударная волна проходит через смесь, происходит ее нагрев, что и приводит к детонации.

В разработке нового двигателя планируется использовать определенные наработки, которые были получены в процессе разработки детонационного пульсирующего двигателя. Его принцип работы состоит в том, что предварительно сжатая топливная смесь подается в камеру сгорания, где осуществляется ее поджог и детонация. Продукты горения расширяются в сопле, выполняя механические действия. Затем весь цикл повторяется сначала. Но недостатком пульсирующих двигателей является то, что частота повторения циклов слишком мала. Помимо этого, конструкция самих этих двигателей в случае увеличения числа пульсаций становится более сложной. Это объясняется необходимостью синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонирования. Пульсирующие двигатели ко всему прочему еще и очень шумные, для их работы необходимо большое количество топлива, а работа возможна только при постоянном дозированном вспрыскивании топлива.

Если сравнивать детонационные ротационные двигатели с пульсирующими, то принцип их работы немного отличается. Так, в частности, в новых двигателях предусмотрена постоянная незатухающая детонация топлива в камере сгорания. Подобное явление получило название спиновая, или вращающаяся детонация. Впервые она была описана в 1956 году советским ученым Богданом Войцеховским. А открыто это явление было гораздо раньше, еще в 1926 году. Первопроходцами стали британцы, которые заметили, что в определенных системах возникала яркая светящаяся «голова», которая двигалась по спирали, вместо детонационной волны, имеющей плоскую форму.

Войцеховский же, использовав фоторегистратор, который сам же и сконструировал, сфотографировал фронт волны, которая двигалась в кольцевой камере сгорания в топливной смеси. Спиновая детонация отличается от плоской тем, что в ней возникает единственная ударная поперечная волна, затем следует нагретый газ, который не прореагировал, а уже за этим слоем находится зона химической реакции. И именно такая волна предотвращает сгорание самой камеры, которую Марлен Топчиян обозвал «сплющенным бубликом».

Необходимо отметить, что в прошлом детонационные двигатели уже применялись. В частности речь идет и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, который использовался немцами в конце Второй мировой войны на крылатых ракетах «Фау-1». Производство его было достаточно простое, использование достаточно легкое, однако при этом этот двигатель был не очень надежным для решения важных задач.

Далее, в 2008 году, в воздух поднялся Rutang Long-EZ - экспериментальный самолет, оснащенный детонационным пульсирующим двигателем. Полет длился всего десять секунд на высоте тридцати метров. За это время силовая установка развила тягу порядка 890 ньютонов.

Экспериментальный образец двигателя, представленный американской лабораторией ВМС США, - это кольцевая конусообразная камера сгорания, имеющая диаметр 14 сантиметров со стороны подачи топлива и 16 сантиметров со стороны сопла. Между стенками камеры расстояние составляет 1 сантиметр, при этом «трубка» имеет длину 17,7 сантиметров.

Смесь воздуха и водорода используется в качестве топливной смеси, которая подается под давлением 10 атмосфер в камеру сгорания. Температура смеси составляет 27,9 градусов. Отметим, данная смесь признана самой удобной для изучения явления спиновой детонации. Но, как утверждают ученые, в новых двигателях вполне можно будет использовать топливную смесь, состоящую не только из водорода но и из других горючих компонентов и воздуха.

Экспериментальные исследования ротационного двигателя показали его большую эффективность и мощность по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Еще одно достоинство – значительная экономия топлива. В то же время, в ходе проведения эксперимента было выявлено, что сгорание топливной смеси в ротационном «пробном» двигателе происходит неоднородно, поэтому необходимо оптимизировать конструкцию двигателя.

Продукты горения, которые расширяются в сопле, можно собрать в одну газовую струю с помощью конуса (это так называемый эффект Коанда), а затем эту струю отправлять в турбину. Под действием этих газов турбина будет вращаться. Таким образом, частично работу турбины можно будет использовать для приведения в движение кораблей, а частично – для выработки энергии, которая необходима для корабельного оборудования и различных систем.

Сами двигатели можно производить без подвижных частей, что значительно упростит их конструкцию, что, в свою очередь, снизит стоимость силовой установки в целом. Но это только в перспективе. Перед тем, как запускать новые двигатели в серийное производство, необходимо решить немало непростых задач, одной из которых является подбор прочных термостойких материалов.

Отметим, что в данный момент ротационные детонационные двигатели считаются одними из наиболее перспективных двигателей. Разработками их также занимаются ученые из Техасского университета в Арлингтоне. Силовая установка, которая были ими создана, была названа «двигателем непрерывной детонации». В том же университете проводятся исследования по подбору различных диаметров кольцевых камер и различных топливных смесей, в состав которых входят водород и воздух или кислород в различных пропорциях.

В России также ведутся разработки в данном направлении. Так, в 2011 году, по словам управляющего директора научно-производственного объединения «Сатурн» И.Федорова, силами ученых Научно-технического центра имени Люльки, ведутся разработки пульсирующего воздушного реактивного двигателя. Работа ведется параллельно с разработками перспективного двигателя, получившего название «Изделие 129» для Т-50. Помимо этого, Федоров также сказал, что объединение ведет исследования по созданию перспективных самолетов следующего этапа, которые, как предполагается, будут беспилотными.

При этом руководитель не уточнил, о каком именно виде пульсирующего двигателя идет речь. В данный момент известны три типа таких двигателей – бесклапанный, клапанный и детонационный. Общепринятым, между тем, признан факт, что пульсирующие двигатели являются наиболее простыми и дешевыми в производстве.

На сегодняшний день некоторые крупные оборонные фирмы занимаются проведением исследований в сфере создания пульсирующих высокоэффективных реактивных двигателей. Среди этих фирм – американские Pratt & Whitney и General Electric и французская SNECMA.

Таким образом, можно сделать определенные выводы: создание нового перспективного двигателя имеет определенные трудности. Главная проблема в данный момент заключается в теории: что именно происходит при движении ударной детонационной волны по кругу, известно лишь в общих чертах, а это в значительной степени усложняет процесс оптимизации разработок. Поэтому новая технология, хотя и имеет очень большую привлекательность, но в масштабах промышленного производства она малореализуема.

Однако если исследователям удастся разобраться с теоретическими вопросами, можно будет говорить о настоящем прорыве. Ведь турбины используются не только на транспорте, но и в энергетической сфере, в которой повышение КПД может иметь еще более сильный эффект.

Использованы материалы:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
Автор: Валерий Бовал


Мнение редакции "Военного обозрения" может не совпадать с точкой зрения авторов публикаций

CtrlEnter
Если вы заметили ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter

Видео в тему



Читайте также
Комментарии 19
  1. Стрежевчанин 19 ноября 2012 08:21
    Как я уже неоднократно говорил-все то что уже придумано давно и очень много мы, можем внедрять и дорабатывать еще и еще, потенциал огромен, работай нехочу!
    А вот про Ротационные детонационные двигатели, я могу ошибаться но помоему данная технология использовалась в проэкте Аврора или как там ее.
    Да точно
    1. snek 19 ноября 2012 11:02
      Аврора - это мифический проект. Никаких реальных доказательств его существования нет.
      snek
      1. Стрежевчанин 19 ноября 2012 11:21
        Не спорю hi но шума было много, засера эфира в общей сложности дня на 2 безпрерывного просмотра smile
      2. matvey.z 20 ноября 2012 00:30
        Цитата: snek
        Никаких реальных доказательств его существования нет.

        Кроме,конечно,некоторых "странностей" с бюджетом
        Запрос $2,227 млрд на 1987( $80 млн в 1086),jnrfp
        И резкое (в 10 раз увеличение бюджета на "специальные программы обновления", хотя запрос был $139млн
        matvey.z
    2. kostello2004 3 декабря 2012 12:21
      нет никакой авроры, есть большое воображение и лайв ньюс
      kostello2004
  2. tronin.maxim 19 ноября 2012 08:22
    Как не сложно мне говорить но американцы молодцы ! Есть интересные технологии!
    1. Стрежевчанин 19 ноября 2012 08:29
      Этим технологиям сто лет в обед. Все новое хорошо забыто старое, или недавно рассекреченное опятьже hi
      1. iCuD 19 ноября 2012 08:48
        Полностью с вами согласен. Как говорил мой преподаватель по микропроцессорным системам: "Эти ваши iPhone'ы сделаны по технологиям 60-70гг"
        1. snek 19 ноября 2012 11:08
          Цитата: iCuD
          Полностью с вами согласен. Как говорил мой преподаватель по микропроцессорным системам: "Эти ваши iPhone'ы сделаны по технологиям 60-70гг"

          Мне вот всегда было интересно, а что значат фразы типа " "Х" было сделано по технологиям 19ХХ годов". Ну вот в каменном веке веке знали, что если камнеи по камню долбить, то разломается - выходит все измельчители основаны на технологиях каменного века. А в античности знали, что если металл сильно нагреть, то он превратится в жидкость, а если в эту жидкость добавить другой расплавленный металл, то может получится сплав. Получается, что вся металургия основана на античных технологиях. Ну это если пользоваться логикой в стиле "айфон на технологиях 60-ых" в любом современном устройстве куча технологий и подовляющее их большинство появилось ближайшие 10-20 лет.
          snek
          1. ikrut 19 ноября 2012 16:55
            По большому счету - так и есть. Реализацию замыслов же всегда сдерживает эффективная технология. В середине 19-го века алюминий стоил дороже золота и применялся исключительно в ювелирном деле. После создания технологий его эффективного получения и обработки он стал основой авиастроения. А теория крыла кт ому времени уже была хорошо известна и просчитана.
          2. iCuD 20 ноября 2012 01:59
            Ваш сарказм тут не уместен.
            Цитата: snek
            в любом современном устройстве куча технологий и подовляющее их большинство появилось ближайшие 10-20 лет.

            Хех, никогда не любил спорить с человеком, который даже поленился перед написанием комментария банально разузнать о теме разговора. Давайте глянем основное, что из них разработано за последние 20 лет: сенсорный экран - разработка конца 60-х начала 70-х. аккумуляторы? опять нет. или неужели микропроцессоры? И что же вы называете
            Цитата: snek
            куча технологий и подовляющее их большинство появилось ближайшие 10-20 лет
            ??? Неужели ПО??? хмм.. а вот это как раз и подходит под ваше определение.. и то с большой натяжкой. Или же вы называете те вещи которые просто оказались небольшим усовершенствованием старого?
            За примерами даже далеко ходить не надо: вы наверняка знаете почему нобелевскую премию дают не сразу после какого-либо открытия, неправда ли?
          3. Lone gunman 9 января 2013 23:33
            учёные физики, математики,химики и др. живущие сейчас мыслями живут на 100-200 лет в будущем и то , что создают они сейчас в секретных лабораториях и в НИИ - (ЭТО ИНФОРМАЦИЯ проверенна ), по словам одного неизвестного физика, который на таких фантастичных проектах и работает,(...что и не снилось нашим мудрецам... )для нас обывателей просто не подвластно нашему пониманию и мироощущению,то что ОНИ изобретают и создают . цивилизация развивается двойным путём, есть"боги", и есть рабы , и у каждого свой путь... кто ты?!
  3. Marmon 19 ноября 2012 08:30
    Двигатель перспективный. А главное порадовало что может вообще не иметь движущихся частей, а если так то он будет очень надежным.А все проблемы решимы, при современном развитие суперкомпьютеров.
    1. Стрежевчанин 19 ноября 2012 08:37
      Я помню бог знает в каких лохматых годах были толи автобусы толи грузовики на газовых турбинах в СССР, а сейчас в европе это перспективный двигатель!
      1)В конце XIX в. в книге «Самодвижущиеся экипажи», изданной в 1898 г. в Петербурге, русский автомобилист Н. Песоцкий приводит конструкцию газовой турбины, считая ее перспективной в качестве автомобильного двигателя. В более поздних трудах по автомобильным двигателям наиболее дальновидные авторы (П. Орловский, Н. Бриллинг и др.) дают сведения по газовым турбинам и указывают их возможные преимущества для применения в качестве автомобильного двигателя.
      2)ХАРАКТЕРИСТИКИ Jaguar С-Х75 CONCEPT
      Двигатель: Две газовые турбины, 4 электродвигателя
      Мощность: 790 л/с
      Скорость: 390 км/ч
      Разгон: 0…100 км/ч 3,4 с
      0…160 км/ч 5,5 с
      0…300 км/ч 10,3 с
  4. ИльяКув 19 ноября 2012 09:07
    Цитата: tronin.maxim
    Как не сложно мне говорить но американцы молодцы ! Есть интересные технологии!

    Американцы молодцы только в одном,воровать чужие открытия , патентовать их,а затем верх мастерства ,убеждать весь мир ,что это придумали именно они,если не верите по ищете данные по вертолетам Сикорского(русский эмигрант) ,по лампочке Резерфорда(самый главный элемент в лампочке),по космическим кораблям(как немцы строили ракету) и многое другое.Уверен эта разработка тоже не их,а какого нибудь бедного приезжего азиата или русского эмигранта.
    ИльяКув
    1. Стрежевчанин 19 ноября 2012 09:23
      О том и речь, изобрел и начал внедрять не одно и тоже, буду надеятсяя на то что внедрение собственных технологий у нас пойдет быстрее.
    2. snek 19 ноября 2012 11:17
      Цитата: ИльяКув
      Американцы молодцы только в одном,воровать чужие открытия , патентовать их,а затем верх мастерства ,убеждать весь мир ,что это придумали именно они

      Да вообще реальные наглецы: мало того, что скопировали с нашего замечательного ту-4 свой убогий б-29, а с нашего Ли-2 свой ДиСи-3, так еще какой-то их мошенник по фамилии Кристи подсмотрел за нашим таками БТ и пытался их за свои выдавать, только у гамургоеда ума хватила только платформу скопировать - башню так он и не доделал.
      Англичане тоже не лучше взяли и с нашего т-26 скопиравали якобы свой викерс 6-ти тонный, а потом еще и движок у нашего миг-15 украли. И еще у них хватает наглости заявлять, что мол, это мы у них брали! Но мы то знаем, что все это лишь байки мирового правительства, которое пытается скрыть истину.
      Подлость англо-саксов не знает предела!
      snek
    3. blat 19 ноября 2012 13:46
      сикорский поляк))))))))))))))))))))))))))а то что собирают талланты по зерну со всего мира то молодцы и как говориться и результат.а то что вы тут слюной брызжете так это вам факт на лицо или.....................продолжение знаете
      blat
      1. ikrut 19 ноября 2012 17:00
        Сикорский поляк по крови. Но в крови нет генов самолетостроения. А Польша входила в состав Российской империи. Сикорский же прежде всего представитель и выходец из РУССКОЙ авиационной школы. Со всеми вытекающими. Как Жуковский (основатель теории крыла), Можайский. Цандер (теоретик реактивного движителя) и многие другие. А поляки они, евреи или мордва - это уже дело десятое. Американцев по крови вообще не бывает. Однако некоторых ученых называют американцами, а не ирландцами. к примеру. Как и британских тоже. Жалко вот, молдавских самолетостроителей нет и не было. Или я что-то пропустил?:)))))))
        1. blat 19 ноября 2012 19:31
          вот что я заметил характерно для таких как ты.вот если дима билан победитель евровидения то он чуть-ли не русский,а вот его родной брат ну сам знаеш как вы их называете.не хочу просто употреблять это слово здесь,а то адекватность модераторов зашкаливает и я получу предупреждение.так вот сикорский поляк.и сравнение с американцами глупо.как нестрано ,но именно сша это интернациональная страна,то о чём говорили только такие как ты 70 лет
          blat
          1. Zynaps 20 ноября 2012 01:29
            Цитата: blat
            то о чём говорили только такие как ты 70 лет


            потому что правильно говорили. это только последние лет 30 США такие мультикультурные. а теперь наморщи мозг и вспомни, в каком году в США официально отменена сегрегация по расовому признаку? что, меньше 70 лет? и презиком Обамка у них стал только недавно. а ещё в 80-х (я-то помню, потому что был тогда в Штатах) шли яростные дискуссии - быть или не быть чёрному президентом бейсбольной лиги США.

            во время ВМВ нацменьшинства становились генералами Красной Армии и адмиралами ВМФ, а в Штатах неграм на флоте едва позволялось быть прислугой и поварами - считали, что на бОльшее они не способны. так что не свисти, знаток. тем более, что ты уже с оппонентом не споришь, а тупо решил передернуть.
            Zynaps
            1. blat 21 ноября 2012 10:27
              вот ты так и не понял что ты сам и хотел показать превосходство одних людей над другими.и по незнанию или умышленно назвав сикорского русским.но сикорский поляк.а раз ты так мыслиш то фашистское я увидел именно в тебе
              blat
  5. webdog 19 ноября 2012 09:57
    Пульсирующий двигатель был изобретен в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. Новая силовая установка получила свое развитие во время Второй мировой войны и серийно использовалась на немецких крылатых ракетах Фау-1. На эти ракеты устанавливался двигатель Argus As-014 производства компании Argus-Werken. Силовая установка уступала по своим характеристикам уже имеющимся в то время авиационным двигателям, но была дешева и проста в производстве
    как то так))))))
    webdog
  6. Волхов 19 ноября 2012 14:46
    Судя по фото и видео это модели никому не нужные, фокус не удался и ищут желающих слазить в тот же тупик.
    Если бы был эффект, то были бы и крупные образцы, а так - чисто лабораторные.
    Волхов
  7. Я так думаю 19 ноября 2012 18:26
    Попахивает пустышкой. Если за столько лет даже теорию не смогли придумать для этого процесса, то значит там не все так просто даже в теории. И уж не говоря о практике. Както не видно за счет чего КПД больше. Сгорает одинаковое количество топлива, температура горения одинакова тогда и КПД в принципе одинаков ... Если температура горения значительно выше, тогда проблемы как и в термояде удержать горение не дать дойти до стенок, а это пока нерешаемая проблема ... Сомнительно все это ...
  8. Garik1971 19 ноября 2012 22:43
    Может конечно двигатель такой и несделают ,Но науку это двинет вперед "детонационно" ). Разберутся в процессе детонации и на его основе создатут что-нибудь по-настаящему революционное! Русскую и советскую науку и характерезовала жажда познания . А что в России было создано-вы сами прекрасно знаете от лампочки до даухконторного реактивного двигателя и скажем тех-же широкофезюляжных самолетов. Только вот мы мир не грабили и столько ресусов поэтому у нас небыло. Но это уже цивилизационный вопрос.
  9. Garik1971 19 ноября 2012 23:26
    Очень понравилось утверждение господина блата о том что" сша инернацианальная страна".Я прямтаки умилился ) Блажен кто верует.
  10. gridasov 1 декабря 2012 22:02
    Мы создали достаточную теоретическую базу , на основе которой можно говорить о решительном прорыве в движителе строении. Сразу скажу , что все аналитические расчеты можно и нужно осуществлять только и только на основе поведения магнитных силовых процессов и векторально направленных потоков. Уже несколько лет мы говорим о физическом процессе и том устройстве которым можно заменить физический процесс организованный винтом, пропеллером или теми турбинами которые являются производным первого. Так называемый цикл Брайтона упрощается кардинально. Ни каких клапанов или регулирующей аппаратуры. Все абсолютно просто , но , почему-то недоступно пониманию. Более того для гипперскоростных движителей турбина вообще не имеет подвижных деталей , но функционально полностью обеспечивается управление изменением плотности энергии. Более того превращение вещества среды осуществляется без пред-подготовки, а использование всех иных топлив и окислителей остается менее эффективным.
    И первое и второе видео только подтвержадает, что методом экспериментов без базовой теоретической основы движения вперед не будет. Видеть можно много. Главное понимать , что происходит и следствием чего это явление является и, что оно предопределяет. Поэтому , даже если что-то рациональное обнаруживается , то воспринимается как аномалия.

    В данном случае стоит добавить , что современными математическими методами анализа нельзя описать и обосновать уровень данных физических процессов . Поэтому мы говорим о методе высокоемкостных и высокопроизводительных вычислений который осуществляется не на основе бинарного кодирования информации, а основанного на использовании всех чисел натурального ряда. В таком случае можно моделировать не только турбулентные процессы , но и более быстротечные и комплексные в том локальном пространстве которое анализируется как энергетически связанное. И т.д.

Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Картина дня