Импульсный детонационный двигатель - Pulse detonation engine

А импульсный детонационный двигатель (PDE) является разновидностью движение система, которая использует детонационные волны к гореть топливо и окислитель смесь.^[1]^[2] Двигатель работает в импульсном режиме, потому что смесь необходимо обновлять в камера сгорания между каждой детонационной волной и следующей. Теоретически PDE может работать от дозвуковой до гиперзвуковой скорость полета примерно Мах 5. Идеальная конструкция PDE может иметь термодинамическую эффективность выше, чем другие конструкции, такие как турбореактивные двигатели и турбовентиляторы потому что волна детонации быстро сжимает смесь и добавляет тепло при постоянном объеме. Как следствие, движущиеся части подобно компрессорные катушки не обязательно требуются в двигателе, что может значительно снизить общий вес и стоимость. PDE рассматривались в качестве силовых установок с 1940 года.^[3] Ключевые вопросы для дальнейшего развития включают быстрое и эффективное смешивание топлива и окислителя, предотвращение самовоспламенение, а также интеграция с впускным отверстием и соплом.

На сегодняшний день никаких практических PDE не было запущено в производство, но было построено несколько испытательных двигателей, и один был успешно интегрирован в низкоскоростной демонстрационный самолет, который совершал продолжительный полет на PDE в 2008 году. В июне 2008 года Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) обнародована Blackswift, который должен был использовать эту технологию для достижения скорости до 6 Махов.^[4] Однако вскоре, в октябре 2008 года, проект был закрыт.

Концепция

Импульсные форсунки

Основная работа PDE аналогична работе импульсный реактивный двигатель. В импульсной струе воздух смешивается с топливом, образуя горючую смесь, которая затем воспламеняется в открытой камере. Получающееся сгорание значительно увеличивает давление смеси примерно до 100 атмосфер (10 МПа),^[5] который затем расширяется через сопло для тяги.

Чтобы смесь выходила сзади и тем самым толкала самолет вперед, используется серия заслонок, закрывающих переднюю часть двигателя. Тщательная настройка воздухозаборника гарантирует, что заслонки закрываются в нужное время, чтобы заставить воздух двигаться в одном направлении только через двигатель. В некоторых конструкциях импульсных струй использовалась настроенная резонансная полость для обеспечения действия клапана через воздушный поток в системе. Эти конструкции обычно выглядят как U-образная трубка, открытая с обоих концов.

В любой системе у импульсной струи есть проблемы в процессе сгорания. Когда топливо сгорает и расширяется, создавая тягу, оно также выталкивает оставшийся несгоревший заряд назад, из сопла. Во многих случаях часть заряда выбрасывается перед горением, что вызывает знаменитый след пламени, видимый на Летающая бомба Фау-1 и другие импульсные форсунки. Даже находясь внутри двигателя, объем смеси постоянно меняется, что неэффективно превращает топливо в полезную энергию.

PDEs

Все штатные реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей работают на дефлаграция топлива, то есть быстрое, но дозвуковой горение из топливо. В настоящее время активно разрабатывается концепция импульсного детонационного двигателя для создания реактивного двигателя, работающего на сверхзвуковой детонация топлива. Поскольку сгорание происходит очень быстро, заряд (топливно-воздушная смесь) не успевает расшириться во время этого процесса, поэтому оно происходит почти под водой. постоянный объем. Сжигание постоянного объема более эффективно, чем конструкции с открытым циклом, такие как газовые турбины, что приводит к большему эффективность топлива.

Поскольку процесс сгорания происходит так быстро, механические заслонки трудно установить с требуемой производительностью. Вместо этого PDE обычно используют серию клапанов, чтобы тщательно рассчитать время процесса. В некоторых конструкциях PDE от General Electric, заслонки устраняются благодаря тщательному расчету времени, используя разницу давлений между различными частями двигателя, чтобы гарантировать, что «выстрел» выбрасывается назад.^{[нужна цитата ]}

Другой побочный эффект, еще не продемонстрированный на практике, - время цикла. Традиционная импульсная струйная печать обеспечивает максимальную скорость около 250 импульсов в секунду из-за продолжительности цикла механических заслонок, но цель PDE - тысячи импульсов в секунду,^{[нужна цитата ]} настолько быстро, что с инженерной точки зрения он практически непрерывен. Это должно помочь сгладить иначе сильно вибрирующий импульсный реактивный двигатель - много небольших импульсов создадут меньший объем, чем меньшее количество больших импульсов при той же чистой тяге. К сожалению, взрывы во много раз громче горящих.

Основная трудность с импульсным детонационным двигателем - запуск детонации. Хотя можно запустить детонацию непосредственно с помощью большой искры, количество потребляемой энергии очень велико и непрактично для двигателя. Типичное решение - использовать переход от дефлаграции к детонации (DDT), то есть начать высокоэнергетическое горение и заставить его разогнаться по трубе до точки, где она станет достаточно быстрой, чтобы превратиться в детонацию.^{[нужна цитата ]} В качестве альтернативы детонация может быть направлена по кругу, а клапаны гарантируют, что только максимальная пиковая мощность может попасть в выхлоп. Так же система взрыва импульсного сжатия может применяться для решения проблемы инициации.

Этот процесс намного сложнее, чем кажется, из-за сопротивления, с которым сталкивается продвигающийся волновой фронт (аналогично волновое сопротивление ). ДДТ возникает гораздо быстрее, если в трубке есть препятствия. Наиболее широко используется "Щелкин спираль ", который предназначен для создания наиболее полезных вихрей с наименьшим сопротивлением движущейся смеси топлива / воздуха / выхлопных газов. Вихри приводят к разделению пламени на несколько фронтов, некоторые из которых движутся назад и сталкиваются с другими фронтами, а затем ускоряются впереди них.

Такое поведение сложно смоделировать и предсказать, и исследования продолжаются. Как и в случае с обычными импульсными струями, существует два основных типа конструкций: клапанные и бесклапанные. Конструкции с клапанами сталкиваются с теми же трудными для решения проблемами износа, что и их эквиваленты для струйной печати. Бесклапанные конструкции обычно основаны на отклонениях в воздушном потоке для обеспечения одностороннего потока, чего очень трудно добиться с помощью обычного ДДТ.

НАСА поддерживает программу исследований PDE, направленную на высокую скорость, около Мах 5, гражданские транспортные системы.^{[нужна цитата ]} Однако большая часть исследований PDE носит военный характер, поскольку двигатель может быть использован для разработки нового поколения высокоскоростных двигателей большой дальности. самолет-разведчик который будет летать достаточно высоко, чтобы быть вне зоны досягаемости любой существующей системы ПВО, при этом предлагая дальность полета значительно больше, чем у СР-71, что потребовало использования большого танкерного флота поддержки.

В то время как большинство исследований посвящено высокоскоростному режиму, новые конструкции с гораздо более высокими частотами импульсов, составляющими сотни тысяч, работают хорошо даже на дозвуковых скоростях. В то время как традиционные конструкции двигателей всегда включают в себя компромиссы, ограничивающие их диапазон «наилучших скоростей», PDE, похоже, превосходит их на всех скоростях. Обе Пратт и Уитни и General Electric теперь у них есть активные исследовательские программы PDE в попытке коммерциализировать проекты.^{[нужна цитата ]}

Основные трудности в импульсных двигателях детонации заключаются в получении ДДТ без необходимости использования трубки достаточно длинной, чтобы сделать ее непрактичной и вызывающей сопротивление летательного аппарата (добавление U-образного изгиба в трубку гасит детонационную волну); снижение шума (часто описывается как звук отбойного молотка); и гашение сильной вибрации, вызванной работой двигателя.

Первый полет с двигателем PDE

В полете изображение импульсной детонации с питанием и сильно изменено, Рутан Лонг-EZ 31 января 2008 г.

Первый известный полет самолета с импульсным детонационным двигателем состоялся в г. Воздушный и космический порт Мохаве 31 января 2008 г.^[6] Проект разработан Исследовательская лаборатория ВВС и Innovative Scientific Solutions, Inc.. Самолет, выбранный для полета, был сильно модифицирован. Масштабированные композиты Long-EZ, названный Borealis.^[7] Двигатель состоял из четырех трубок, производящих импульсные детонации с частотой 80 Гц, создавая тягу до 200 фунтов (890 ньютонов). Многие виды топлива рассматривались и тестировались разработчиками двигателей в последние годы, но усовершенствованный октан был использован для этого полета. Для облегчения взлета Long-EZ использовалась небольшая ракетная система, но PDE работала самостоятельно в течение 10 секунд на высоте примерно 100 футов (30 м). Очевидно, что этот полет проходил на низкой скорости, тогда как привлекательность концепции двигателя PDE заключается в большей степени на высоких скоростях, но демонстрация показала, что PDE может быть интегрирован в раму самолета, не испытывая структурных проблем из-за взрывных волн 195-200 дБ. . Больше полетов модифицированного Long-EZ не планируется, но успех, вероятно, приведет к увеличению финансирования исследований PDE. Сам самолет перенесен в Национальный музей ВВС США для отображения.^[8]

Смотрите также

внешняя ссылка

[1] Кайласанатх К., "Обзор применения детонационных волн в двигательных установках", Журнал AIAA, Vol. 39, No. 9, pp. 1698-1708, 2000.

[2] Рой, Г.Д., Фролов, С.М., Борисов, А.А., Нецер, Д.В., "Импульсная детонационная тяга: проблемы, текущее состояние и перспективы на будущее". Прогресс в области энергетики и горения, Vol. 30, No. 6, pp. 545-672, 2004.

[3] Хоффманн, Н., Реакционное движение за счет прерывистого детонирующего горения, Министерство снабжения Германии, Volkenrode Translation, 1940.

[wired-4] Шахтман, Ной (24 июня 2008 г.). "Взрывной двигатель - ключ к гиперзвуковому самолету". Проводной. Сан - Франциско, Калифорния: Публикации Condé Nast. Получено 27 июн 2009.

[5] «Двигатели с импульсной детонацией», Интервью с доктором Джоном Хоком, главным исследователем программы PDE Innovative Scientific Solutions Incorporated по контракту с Исследовательской лабораторией ВВС США, транслировалось по новозеландскому радио, 14 апреля 2007 г.

[6] Норрис, Г., "Импульсная мощность: демонстрация полета с импульсным детонационным двигателем знаменует веху в Мохаве", Авиационная неделя и космические технологии, Vol. 168, No. 7, 2008, pp. 60.

[7] Borealis показать текст плаката в Музее ВВС США

[8] "Импульсный детонационный двигатель уходит в историю", Новости печати ВВС сегодня, 16 мая 2008 г., по состоянию на 16 августа 2008 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]