ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЖИДКОСТНО-ВОЗДУШНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЖВРД)

POSSIBILITIES OF CREATING A LIQUID-AIR ROCKET ENGINE (LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE)

Nikolay Kaushan

student, Department of Aircraft Engines Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В качестве цели настоящей статьи определена необходимость отражения основных тенденций ближайшего будущего развития ракетостроения, которое связано с созданием и внедрением в практику жидкостно-воздушного ракетного двигателя. Необходимость развития направления создания жидкостно-воздушного ракетного двигателя (ЖВРД) связана с тем, что появление детонационных двигателей позволит снизить массу верхних ступеней ракет, увеличит дальность полетов и эффективность расходования топлива - она в 10 раз выше.

Выявлена проблема недостаточного внимания к данному направлению, однако, успехи в этом направлении российских учеными значительны и требуется продолжение экспериментальной деятельности.

ABSTRACT

The purpose of this article is to determine the need to reflect the main trends in the near future development of rocket science, which is associated with the creation and introduction of a liquid-air rocket engine into practice. The need to develop the direction of creating a liquid-air rocket engine (liquid-propellant rocket engine) is due to the fact that the appearance of detonation engines will reduce the mass of the upper stages of rockets, increase the flight range and fuel consumption efficiency - it is 10 times higher.

The problem of insufficient attention to this direction has been identified, however, the success in this direction by Russian scientists is significant and it is necessary to continue experimental activities.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель; детонационное сжигание топлива; энергетические характеристики.

Keywords: liquid rocket engine; detonation fuel combustion; energy characteristics.

В настоящее время специалисты в качестве перспективного направления развития жидкостных ракетных двигателей назвали создание жидкостно-воздушного ракетного двигателя. Тяга в таком движке генерируется за счёт серии детонаций. В теории он значительно превосходит ЖРД по множеству параметров, таких как скорость сгорания, термическая эффективность, расход топлива и даже проста конструкции.

Впервые технически осуществимая идея организации детонационного сжигания топлива для повышения энергетических характеристик двигательных установок была выдвинута почти 60 лет назад [4]. Первая камера сгорания, в которой удалось осуществить непрерывный детонационный режим сжигания заранее приготовленных ацетиленокислородных смесей, представляла собой плоский кольцевой канал. Подача топливной смеси осуществлялась от центра через внутренний узкий щелевой зазор, выброс продуктов сгорания - по периметру внешней границы кольцевого канала.

Поперечные детонационные волны (ПДВ) распространялись по кругу внутри канала перпендикулярно натекающей смеси. Устойчивость существования ПДВ обеспечивалась режимами подачи и смешения компонентов топлива [2, с.126-136].

Поскольку компоненты поступали в камеру постоянно, ПДВ, возвращаясь на «старое» место, двигались по невозмущенной (непрореагировавшей) горючей смеси. Этот процесс получил название непрерывной спиновой детонации (НСД) [1, c.95-108].

Однако, вплоть до конца ХХ века детонационное горение не нашло широкого распространения в технике. Прежде всего это связано с рядом серьезных проблем, вызванных высокими температурами свыше 3500 К, давлениями порядка 1000 атмосфер, сложностью математического моделирования процессов, протекающих в детонационной волне.

По мере внедрения современных технологий, создания новых материалов с уникальными свойствами, развития численных методов и средств вычислительной техники в последние десятилетия резко возрос интерес к проблеме применения детонационного горения в двигателестроении.

Масштабные работы широко развернуты в США, Китае, Франции, Японии, Корее. С помощью методов вычислительной газовой динамики проек­тируются и исследуются камеры сгорания, работающие в режиме НСД. Проводятся сотни огневых испытаний с использованием разных топливных пар: водород - кислород, метан - кислород, керосин - кислород и др.

Специалисты, занимающиеся ЖВРД, рассматривают принципы работы ЖРД на компонентах газообразный кислород - керосин, в котором сжигание топлива осуществляется в поперечных детонационных волнах, непрерывно циркулирующих по кругу в кольцевой камере сгорания. В своих публикациях специалисты фиксируют результаты испытаний со спиновым детонационным режимом горения, отмечая, что при использовании детонационного механизма сжигания топлива возможен прирост удельного импульса в пределах до 4÷5%[4].

В связи с наличием многочисленных факторов, влияющих на процессы детонационного горения и течения продуктов сгорания, теоретическое (методами численного моделирования) определение эффективности работы детонационных камер различных конструктивных модификаций чрезвычайно затруднительно. Однако, в целом, отмечена необходимость дальнейших исследований в части оптимизации геометрии КС и форсуночной головки с целью улучшения смесеобразования при одновременном уменьшении перепада давления на форсунках, а также повышения давления в КС детонационных двигателей до уровня современных ЖРД. И испытания продолжаются, в настоящее время в США разработали и испытали ротационный детонационный двигатель, работающий на водороде и кислороде, реализация которого ранее считалась невозможной [3].

В настоящее время над новым типом двигателя работают российские специалисты НПО «Энергомаш», которое испытало первый в мире детонационный двигатель «Ифрит» еще в 2018году.

Интерес к проблеме применения детонационного горения в ракетном двигателестроении обусловлен соответствующими характеристиками детонационного двигателя (табл. 1).

Таблица 1.

Преимущества применения НСД в ЖРД

Кроме этого в поперечных детонационных волнах достигается практически стопроцентная полнота сгорания. В лучших современных ЖРД этот показатель достигает 98-98,5%, что дает детонационному двигателю еще 1,5-2% прироста по удельному импульсу.

Детонационный ЖРД в перспективе должен отличаться меньшими габаритами и массой, поскольку процесс НСД допускает существенное уменьшение длины КС вплоть до размера поперечного детонационного фронта (для топлива кислород-керосин 30^50 мм), а также обеспечивает тот же расход топлива при меньшем давлении в системе подачи. НСД является устойчивым высокочастотным процессом, следовательно, устраняются ограничения на размеры КС и меры борьбы с высокочастотной неустойчивостью.

Список литературы:

1. Быковский Ф. А. Исследование непрерывной спиновой детонации водородокислородных смесей. 2. камера с расширением кольцевого канала / Ф. А. Быковский, С. А. Ждан, Е. Ф. Ведерников // Физика горения и взрыва. – 2008. – Т. 44. – № 3. – С. 95-108
2. Журавская Т. А. Исследование некоторых способов стабилизации детонационной волны в сверхзвуковом потоке / Т. А. Журавская, В. А. Левин // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. – 2012. – № 6. – С. 126-136
3. Макаренко Н., Новый прорыв в создании детонационного двигателя, работающего на водороде и кислороде. Технологии. 05 мая 2020 [Электронный ресус] Режим доступа: https://naukatehnika.com/detonacionnyj-dvigatel-na-vodorode-i-kislorode.html (Дата обращения 06.09.2021)
4. Создание и исследование стендового кислородно-керосинового детонационного ЖРД) / И. А. Арбузов, Е. А. Белов, П. С. Левочкин [и др.] // Труды НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко. – 2017. – № 34. – С. 4-45