Импульсный детонационный двигатель — ИДД (Pulse detonation engine — PDE)

В 2016 году в НПО «Энергомаш» испытан экспериментальный импульсный детонационный двигатель для ЖРД.
Источник: https://pikabu.ru/

Импульсный детонационный двигатель — ИДД (Pulse detonation engine — PDE)

ИДД ещё называют пульсирующий детонационный двигатель (ПДД) — тип двигателя, в котором горение смеси топлива и окислителя происходит путём детонации.

Двигатель является импульсным, так как после прохождения детонационной волны по камере сгорания требуется обновление топливно-окислительной смеси.

Классический процесс горения — дозвуковой. Детонационный — сверхзвуковой. Быстрота протекания реакции в малом объеме приводит к огромному тепловыделению — оно в несколько тысяч раз выше, чем при дозвуковом горении, реализованному в классических ракетных двигателях при одной и той же массе горящего топлива.

Основной задачей при разработке ИДД — сделать взрыв управляемым (как запуск, так и процесс) и обеспечение конструкцию камеры сгорания такой, чтобы она не разрушалась при постоянно повторяющихся мощных взрывах внутри неё.

Для понимания обсуждаемых параметров, приводим ряд параметров детонационной модельной камеры испытанной в 2017-м году в России:

  • горючее — керосин, окислитель — газообразный кислород;
  • тяга — 2 тонны
  • давление в камере сгорания — 40 атм.

Детонационным называют горение топлива во фронте сверхзвуковой ударной волны. Различают импульсную детонацию, когда ударная волна движется вдоль оси камеры и одна сменяет другую, а также непрерывную (спиновую) детонацию, когда ударные волны в камере движутся по кругу.

Взрывная волна распространяется со скоростью звука, а детонационная со сверхзвуковой скоростью, до 2,5 — 3 км/сек.

При импульсной детонации детонационная волна она не образует стабильного фронта пламени, поэтому работа такого двигателя носит пульсирующий характер. После каждой детонации необходимо обновить топливную смесь, после чего запустить в ней новую волну. Циклы «обновления» необходимо проводить с огромнейшей частотой, вплоть до десятков тысяч раз в секунду.

Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель конструктивно представляет собой кольцевую камеру сгорания, топливо в которую подается с помощью радиально расположенных форсунок. Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопл как пресс.

Вместо частоты пульсаций контролируется частота вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси.

Теоретически, ИДД

  • работоспособен в диапазоне от дозвуковых до гиперзвуковых скоростей;

    имеет термодинамическую эффективность на 25% выше, чем турбореактивный двигатель и турбовентиляторный двигатель;

    имеет меньший вес и стоимость за счет исключения ряда движущиеся частей;

    имеет значительно меньший вес и габариты, чем ДРД, при сохранении той же тяги, что и в огромных современных жидкостных ракетных двигателях.

Примечательно, что для решения задач обеспечения устойчивости детонации в ИДД была создана новая наука — физико–химическая кинетика!

  • Связанные темы

Изображения к ИДД…

  • Библиотека
  • Обсуждаемое

    Обновить


США отреагировали на начало российских военных маневров у границ Украины


Как насчёт юмористического раздела?


ВВС США и Northrop Grumman представят новый стратегический бомбардировщик B-21 Raider 2 декабря


«Благодаря «Сычу» Су-34 стали истребителями шестого поколения»


«Сухого» место: новейшие истребители поступят в морскую авиацию


Новый российский истребитель получит технологии Су-57


В России оценили возможное переоснащение украинских авиабомб


В России создадут опытные образцы самолета «Партизан» в 2023 году


Расчеты комплексов «Аистенок» ВВО продолжают эффективно вести контрбатарейную борьбу в зоне СВО


Гуманитарная ситуация в Нагорном Карабахе из-за действий Азербайджана обострилась, заявил Пашинян


Главные события 2022 года в военной сфере


Многоразовая первая ступень ракеты Falcon 9 совершила успешную посадку во Флориде


ВВС США «показали» массированный удар по России


Минобороны рассказало о работе минометов «Тюльпан» в зоне проведения СВО


Саратовская область и ФПИ будут вместе развивать высокотехнологичные оборонные проекты

другие обсуждаемые темы

Ростех испытал «взрывной» двигатель для орбитальных самолётов будущего

09 апреля 2021
12:03

Анатолий Глянцев

Новый двигатель может поднять над Землёй орбитальные самолёты.

Фото Pixabay.

Новый двигатель может обеспечить прорыв в космической технике.

Иллюстрация «Ростех».

Российские инженеры испытали двигатель, который может приводить в движение самые разные летательные аппараты будущего, от гиперзвуковых ракет до орбитальных самолётов.

Российские инженеры испытали демонстрационный вариант двигателя, который может приводить в движение самые разные летательные аппараты будущего, от гиперзвуковых ракет до орбитальных самолётов. Новая установка значительно эффективнее традиционных реактивных двигателей, как ракетных, так и авиационных.

О пульсирующих, или импульсных, детонационных двигателях заговорили ещё в середине XX века. Основная идея такого подхода проста: смесь горючего и окислителя не горит, как в традиционных двигателях, а взрывается.

Для этого в камеру сгорания подаётся скромная порция этой смеси, после чего происходит небольшой и безопасный для аппарата взрыв. В двигатель сразу же поступает новая порция смеси, которая детонирует от предыдущей взрывной волны, и так далее. Получается непрерывный «фейерверк».

Волны от всех этих взрывов вырываются из сопла и создают реактивную струю. Она летит сквозь пространство со сверхзвуковой или даже гиперзвуковой скоростью. Этим подобный двигатель выгодно отличается от традиционных систем, создающих дозвуковую реактивную струю.

Напомним, что чем выше скорость «выхлопа», тем больше тяга двигателя в пересчёте на килограмм топлива.

Однако только в теории всё выглядит так гладко. А на практике детонация – куда менее стабильный и предсказуемый процесс, чем привычное горение, и научиться ею управлять непросто. Вот почему импульсные детонационные двигатели за более чем полвека исследований так и не дошли до стадии серийного производства.


Новый двигатель может обеспечить прорыв в космической технике.


Иллюстрация "Ростех".

Но теперь, похоже, момент внедрения подобных систем стал значительно ближе. Объединенная двигателестроительная корпорация, входящая в «Ростех», завершила первый этап испытаний демонстрационной версии такого двигателя.

Система продемонстрировала все требуемые показатели, сообщает «Ростех». На отдельных режимах работы тяга двигателя в пересчёте на килограмм топлива была в 1,5 раза выше, чем у традиционных установок.

В перспективе подобные двигатели помогут в 1,3–1,5 раза увеличить скорость и массу полезной нагрузки летательных аппаратов. Повысится и их маневренность.

Это позволит реализовать самые смелые идеи, от гиперзвуковых ракет до «космических самолётов», способных летать как в атмосфере Земли, так и в ближнем космосе.

Разработчики подчёркивают, что в новом двигателе используются многие технологии, отработанные на его более традиционных аналогах. Это удешевит производство новой системы и сделает его экономически выгодным.

К слову, ранее мы рассказывали об испытаниях ещё одной разновидности подобного двигателя.

Больше новостей из мира науки и технологий вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука
космос
техника
космонавтика
двигатели
общество
новости
Россия

Ранее по теме

  • Путин: космодром Восточный должен стать местом притяжения туристов
  • В регионах телебашни включат подсветку в честь Дня космонавтики
  • Рогозин назвал Россию великой космической державой
  • Россиян поздравили с Днем космонавтики с МКС
  • На фасаде здания российского посольства в Мадриде появился портрет Гагарина
  • «Циолковский» объединил самых разных режиссеров

Импульсно-детонационные двигатели

Импульсно-детонационные двигатели
Обязательно ознакомьтесь с видео и презентациями PDE!

PDE представляет собой силовую установку, которая в последнее десятилетие вызывает значительный интерес благодаря многочисленным преимуществам, которые она предлагает по сравнению с традиционными реактивными двигателями. PDE работают прерывистым циклическим образом, вызывая волны детонации, которые сжигают смесь топлива и окислителя внутри двигателя, высвобождают огромное количество энергии и развивают гораздо более высокое давление, чем процесс дефлаграции.

Рисунок 1: Схема турбореактивного двигателя
 

В обычных реактивных двигателях воздух сжимается и замедляется с помощью компрессора, а затем смешивается с топливом перед стадией сгорания, где сгорание также является медленным дозвуковым процессом. Затем горячие продукты реакции приводят в действие турбину, которая также приводит в действие компрессор, а затем ускоряются через сопло, тем самым создавая тягу. Тот факт, что турбина и компрессор соединены, означает, что двигатель не может запуститься из состояния покоя сам по себе и требует использования стартера, чтобы разогнать компрессор до скорости, прежде чем двигатель сможет поддерживать себя. Реактивные двигатели следуют циклу Брайтона, который требует сжатия воздуха до высокого давления, прежде чем станет возможным выделение тепла, что требует тяжелых компрессоров и турбин.

 

PDE, с другой стороны, теоретически могут эксплуатироваться из состояния покоя при числе Маха до 5. PDE не требуют тяжелого роторного оборудования для сжатия воздуха перед сгоранием, что снижает общий вес и сложность двигатель. Более того, геометрия ПДЭ очень проста и состоит по существу из трубы с регулирующими клапанами для подачи жидкости. Процесс детонации также обеспечивает более высокое давление и температуру реакции и обеспечивает более высокую эффективность. PDE преодолевают разрыв между дозвуковым режимом и гиперзвуковым режимом, когда на смену приходят реактивные двигатели и ракеты. Как видно из рис. 2, ПДЭ обеспечивают более высокие удельные импульсы, чем ракеты и обычные воздушно-реактивные двигатели, при всех числах Маха. Поэтому в настоящее время ведутся исследования, пытающиеся интегрировать импульсный детонационный режим горения в ракеты и реактивные двигатели аварийного сброса, в котором используется преимущество повышения производительности, достигаемое за счет процесса детонации, по сравнению с процессом дефлаграции. Все вышеперечисленное объясняет взрыв в области исследований детонации и ПДЭ в последнее время. Это привело к запуску нескольких конкурирующих исследовательских программ с целью разработки работающей системы PDE.

Рисунок 2: Число Маха в зависимости от удельного импульса для различных силовых установок

 

Рис. 3. Различные этапы цикла PDE показаны выше

 

Рисунок 4: Диаграммы T-S и графики зависимости давления от удельного объема для различных циклов двигателя, цикл турбореактивного двигателя Brayton показан в правом нижнем углу.

 

Разница между детонацией и дефлаграцией

Детонация — это сверхзвуковой процесс горения, тогда как дефлаграция — дозвуковой процесс горения. Почти все двигатели, которые сжигают топливо, используют дефлаграцию для высвобождения энергии, содержащейся в топливе. При детонации ударная волна сжимает газ, за ​​чем следует быстрое выделение тепла и резкое повышение давления. В теории Чепмена-Жуге детонационная волна состоит из ударной волны и фронта пламени. Когда фронт волны проходит через газ, газ сжимается, и химическая реакция завершается в задней части фронта волны. Другая теория, известная как теория Зельдовича-фон Неймана-Деринга (ZND), использует химию конечной скорости для описания модели. В модели ZND детонационная волна изображается как ударная волна, за которой следует фронт реакции, а индукционная зона разделяет их. В действительности детонационная волна представляет собой не двумерный фронт волны, а состоит из более мелких вейвлетов, которые создают позади себя ячеистые структуры в форме ромба.

 

Одним из факторов, влияющих на практическое применение ПДЭ, является сложность достижения стабильных детонаций в камере сгорания на небольшой длине трубы. Детонацию часто трудно инициировать в топливно-воздушных смесях в более коротких трубах, что требует добавления большого количества энергии. Более полезный метод состоит в том, чтобы начать дефлагративное горение, а затем довести реакцию до детонации, установив препятствия на пути, которые создадут турбулентное перемешивание, а также ускорят поток. Процесс ускорения волны давления в волну детонации известен. как переход дефлаграции в детонацию (ДДТ). Наиболее эффективным объектом, индуцирующим ДДТ, является спираль Щелкина, аналогичная винтовой пружине. Другие устройства DDT включают диафрагмы и сужающиеся-расширяющиеся сопла.

Анализ импульсных характеристик импульсно-детонационного двигателя с соплами


В настоящее время у вас нет доступа для просмотра или загрузки этого содержимого. Пожалуйста, войдите в свою институциональную или личную учетную запись, если у вас должен быть доступ к этому контенту через любой из них.

Показ ограниченного предварительного просмотра этой публикации:

Abstract

Для изучения влияния различных конфигураций сопла на характеристики двигательной установки газожидкостного двухфазного импульсного детонационного двигателя (ИДД) была построена измерительная система на основе технологии перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии (TDLAS) для измерения скорости и температуры, а высокочастотный датчик динамического давления используется для измерения давления газа в сопле. На основе принципа импульса механизм вклада нестационарной газовой струи в тягу получен косвенно по данным TDLAS. Результаты показывают, что импульсы ИДД с несоплом, сужающимся соплом, расширяющимся соплом и сужающимся-расширяющимся соплом составляют 1,9.5, 2,08, 1,85 и 2,16 Н∙с в течение 20 мс периода выпуска соответственно. Анализ показал, что импульсы ДДЭ с сужающимся и сужающе-расширяющимся соплами больше, чем с несоплом, а импульс ДДЭ с расширяющимся соплом меньше, чем с несоплом. Результаты исследования в этой статье могут служить ориентиром для проектирования сопел для PDE.

Ключевые слова: импульс; сопло; ПДЭ; TDLAS

Автор, ответственный за переписку: Нин Ли , Национальная ключевая лаборатория физики переходных процессов, Нанкинский университет науки и технологий, Nanjing210094, Китай, электронная почта: [email protected]

Источник финансирования: Китайский стипендиальный совет

Идентификационный номер премии/номер гранта: 201906845059

Фонд естественной науки провинции Цзянсу28

Идентификатор премии/номер гранта: BK20190439

Источник финансирования: Национальная ключевая лаборатория физики переходных процессов

Идентификационный номер премии/гранта: 6142604200202

Источник финансирования: Национальный фонд естественных наук Китая

Идентификатор премии / номер гранта: 113

  1. Вклад авторов: Все авторы приняли на себя ответственность за все содержание этой рукописи и одобрили ее. .

  2. Финансирование исследования: Эта работа поддерживается Советом по стипендиям Китая (контракт 201906845059), Фондом молодых ученых Фонда естественных наук провинции Цзянсу (№ BK20190439), фонды фундаментальных исследований Национальной ключевой лаборатории физики переходных процессов (№ 6142604200202), Национального фонда естественных наук Китая (№ 113).

  3. Заявление о конфликте интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении этой статьи.

Каталожные номера

1. Li, JM, Teo, CJ, Khoo, BC, Wang, JP, Wang, C. Управление детонацией для двигательных установок: импульсная детонация и вращающиеся детонационные двигатели . Чам: Springer International Publishing; 2018.10.1007/978-3-319-68906-7Поиск в Google Scholar

2. Фролов С.М., Аксенов В.С., Иванов В.С., Шамшин И.О., Набатников С.А. Катапультные испытания беспилотного летательного аппарата с прямоточным импульсно-детонационным двигателем. Combust Explos Russia 2019;12:1–11. Поиск в Google Scholar

3. Мацуока К., Таки Х., Кавасаки А., Касахара Дж., Ватанабэ Х., Мацуо А. и др.. Семи — цикл бесклапанной импульсной детонации на килогерцовой рабочей частоте. Горящее пламя 2019;205:434–40. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.04.035.Search in Google Scholar

4. Фролов С.М., Сметанюк В.А., Гусев П.А., Коваль А.С., Набатников С.А. Как использовать кинетическую энергию импульсных продуктов детонации? Appl Therm Eng 2019;147:728–34. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.102.Search in Google Scholar

5. Fan, W, Lu, W, Wang, K. Прогресс в основных вопросах применения импульсного ракетного двигателя. J Exp Fluid Mech 2019; 33:1–13. Поиск в Google Scholar

6. Барбур, Э.А., Хэнсон, Р.К. Аналитическая модель однотактной детонационной трубы с расширяющимися соплами. Дж Силовая установка 2009; 25:162–72. https://doi.org/10.2514/1.35420. Search in Google Scholar

7. Endo, T, Kasahara, J, Matsuo, A, Inaba, K, Sato, S, Fujiwara, T. История давления на упорной стенке упрощенного импульсно-детонационного двигателя. AIAA J 2004; 42:1921–30. https://doi.org/10.2514/1.976.Поиск в Google Scholar

8. Мацуока К., Эсуми М., Икегути К.Б., Касахара Дж., Мацуо А., Фунаки И. Оптическое измерение и измерение тяги импульсно-детонационной камеры сгорания с коаксиальным поворотным клапаном. Горящее пламя 2012;159:1321–38. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2011.10.001.Поиск в Google Scholar

9. Джоши, Д.Д., Лу, Ф.К. Нестационарное измерение тяги импульсно-детонационных двигателей. Дж Силовая установка 2016;32:225–36. https://doi.org/10.2514/1.b35520.Поиск в Google Scholar

10. Ван Ю.Ю., Венг К.С. Влияние сопла на поле течения и характеристики многотактных двухфазных импульсно-детонационных двигателей. J Aero Power 2013;28:2256–66.Поиск в Google Scholar

11. Zhang, Q, Wang, K, Dong, R, Fan, W, Lu, W, Wang, Y. Экспериментальные исследования двигательных характеристик импульсно-детонационного ракетного двигателя с жидкостным соплом. Энергетика 2019;166:1267–75. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.10.165.Search in Google Scholar

12. Sanders, ST, Baldwin, JA, Jenkins, TP, Baer, ​​DS, Hanson, RK. Диодно-лазерный датчик для контроля нескольких параметров сгорания в импульсно-детонационных двигателях. Proc Combust Inst 2000;28:587–94. https://doi.org/10.1016/s0082-0784(00)80258-1.Поиск в Google Scholar

13. Гольденштейн, К.С., Спиррин, Р.М., Джеффрис, Дж.Б., Хэнсон, Р.К. Инфракрасные лазерные датчики поглощения для нескольких рабочих параметров в детонационной камере сгорания. Proc Combust Inst 2015;35:3739–47. https://doi.org/10.1016/j.proci.2014.05.027.Search in Google Scholar

14. Hu, HB, Weng, CS, Lv, XJ, Li, N. Анализ импульсных характеристик PDRE с выхлопом измерения. Int J Turbo Jet Engines 2014; 31: 97–103. https://doi.org/10.1515/tjj-2013-0034.Поиск в Google Scholar

15. Lv, XJ, Li, N, Weng, CS. Исследования по диагностике выхлопов газожидкостной детонации на основе метода спектроскопии поглощения с двойным оптическим путем. Spectrosc Spectr Anal 2014; 34: 582–6.Search в Google Scholar

07

© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Берлин/Бостон

Статья
Анализ импульсных характеристик импульсно-детонационного двигателя с соплами

Сяо-лун Хуан, Нин Ли, Ян Кан, Хуэй Ван, Чун-шэн Вэн

2021

  • МДА
  • АПА
  • Гарвард
  • Чикаго
  • Ванкувер

Хуан, Сяо-лун, Ли, Нин, Кан, Ян, Ван, Хуэй и Вэн, Чун-шэн. «Анализ импульсных характеристик импульсно-детонационного двигателя с соплами» International Journal of Turbo & Jet-Engines , 2021, стр. 000010151520210050. https://doi.org/10.1515/tjeng-2021-0050

Huang, X., Li, N., Kang, Y., Wang , Х. и Венг, К. (2021). Анализ импульсных характеристик импульсно-детонационного двигателя с соплами. International Journal of Turbo & Jet-Engines , 000010151520210050. https://doi.org/10.1515/tjeng-2021-0050

Huang, X., Li, N., Kang, Y., Wang, H. и Венг, К. (2021) Анализ импульсных характеристик импульсно-детонационного двигателя с соплами. Международный журнал турбо- и реактивных двигателей, стр. 000010151520210050. https://doi.org/10.1515/tjeng-2021-0050

Хуан, Сяо-лун, Ли, Нин, Кан, Ян, Ван, Хуэй и Вэн, Чун-шэн. «Анализ импульсных характеристик импульсно-детонационного двигателя с соплами» International Journal of Turbo & Jet-Engines (2021): 000010151520210050. https://doi.org/10.1515/tjeng-2021-0050

Huang X, Li N , Кан Й, Ван Х, Венг С.

Posted inДвигатель