ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В РАКЕТНО – КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены вопросы о возможности использования и дальнейшей эксплуатации детонационного ракетного двигателя в ракетно – космической технике. Рассмотрены его отличия от традиционного жидкостного ракетного двигателя, по этой аналогии приведены преимущества использования детонационного двигателя в период его жизненного цикла. Предложены пути решения контролирования выходных параметров из сопла двигателя.

Ключевые слова: детонационный ракетный двигатель; жидкостный ракетный двигатель; дефлаграция; детонация; коэффициент полезного действия; турбонасосный агрегат, ротационный детонационный двигатель, ракета – носитель.

К применению детонационного горения топлива в ракетных двигателях производственная наука и техника шла около 75 лет, и вот наконец, на одном из стендов НПО «Энергомаш» в Подмосковье, в июле — августе 2016 года, был запущен первый полногабаритный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) с детонационным горением компонентов ракетного сырья – детонационный ракетный двигатель.

Как правило, традиционные ЖРД используют энергию, распространяемую при нагревании топлива, при этом в камере сгорания образуются установившиеся фронты пламени, в которых происходит горение при постоянном давлении. Этот процесс именуют дефлаграцией, в результате которого температура газовой смеси резко возрастает и из сопла вырывается огненный столб, образуя реактивную тягу.

В отличие от дефлаграции, детонация — это стремительное горение, при котором продукты горения не успевают расшириться, поэтому процесс протекает при устойчивом объеме и резко увеличивающемся давлении. Так, коэффициент полезного действия детонационного сгорания на 30% выше, то есть при сжигании одинакового количества топлива образуется большее количество тяги, а благодаря небольшой площади зоны горения двигатель по мощности превосходит обычные ЖРД.

Также у детонационных двигателей есть ещё одно преимущество.

Для увеличения тяги и удельных характеристик традиционных ЖРД нужно повышать давление в камере сгорания. Так топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания через форсунки, подается при большем давлении, чем реализуется в процессе сгорания, иначе струя топлива не сможет поступить в камеру. Поэтому самым сложным агрегатом в ЖРД является топливный турбонасосный агрегат (ТНА). К примеру, давление в камере сгорания ЖРД РД-170 составляет 250 атмосфер, а давление на выходе из кислородного насоса, качающего окислитель, достигает около 600 атм. Для привода этого насоса используется турбина мощностью 180 МВт. Так колесо турбины диаметром 0,4 м может развивать мощность, в четыре раза больше, чем два ядерных реактора. При этом устройство, вал которого совершает 230 оборотов в секунду, работает в среде жидкого кислорода, где малейшая искра приводит к взрыву.

Для детонационного двигателя такие сложности не нужны, так как давление для более действенного сгорания обеспечивает детонация, представляющая бегущую волну сжатия в топливе, так при детонации давление увеличивается в 20 раз без дополнительных систем.

Это означает, что детонационный двигатель будет мощнее и дешевле обычного ракетного двигателя, работающего на жидком топливе.

Проблемой внедрения детонационного двигателя, в число эксплуатируемых ракетных двигателей, является затрудненность в регулировании пламени детонационной волны.

Взрывная волна распространяется со скоростью звука до 380 м/с, а детонационная со сверхзвуковой скоростью — до 2500 м/с. Так детонационная волна не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер.

Решением этой проблемы стало создание ротационного (спинового) детонационного двигателя. Идея закольцевать детонационную волну и заставить ее вращаться в камере сгорания родилась у ученых в начале 1960-х годов. Явление ротационной детонации было теоретически предсказано в 1960 году советским физиком Б. В. Войцеховским. Камера сгорания такого двигателя спроектирована в виде кольца, к которому топливо подается с помощью радиально расположенных форсунок. Движение детонационной волны в такой камере сгорания происходит по кругу, а значит сжимая и выжигая топливную смесь сверхзвуковая волна выталкивает продукты сгорания из сопла. Из этого следует, что частота пульсаций переходит в частоту вращения детонационной волны, которая достигает нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как традиционный ЖРД со стационарным горением, но куда более результативно ввиду того, что на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

Работы над таким двигателем ведутся ещё с начала 1960-х годов. На сегодняшний день создан лишь двигатель-демонстратор, который проработал небольшое количество времени, и о его характеристиках ничего не известно.

Таким образом, актуальность в эксплуатации детонационных двигателей заключается в том, что детонационный ЖРД позволит поднять тягу на 10% при сжигании того же количества топлива, что и в обычном двигателе, а удельный импульс должен повыситься на 10–15%, при этом двигательная установка не предполагает внедрение дополнительных систем, которые уменьшили бы хоть один из критериев РН, например: её стартовую массу.

Список литературы:

1. Теория горения и взрыва : учеб. пособие / Н. Н. Вершинин, Г. В. Козлов, Ю. А. Григорьев. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2014. – 156 с.
2. Математика в космонавтике: ротационный детонационный двигатель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habr.com/ru/companies/ua-hosting/articles/490808/ (дата обращения: 6.12.23)
3. Детонационный ракетный двигатель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://sneg5.com/nauka/tehnika-i-tehnologii/detonacionnyy-raketnyy-dvigatel.html (дата обращения 6.12.23)