В настоящее время отрасль переживает этап выработки новых приоритетов развития. В статье [11] рассмотрены основные приоритеты, задачи, пути развития научных направлений, создания новых технологий в свете решения современных проблем двигателей летательных аппаратов, а также [1] рассмотрены основные зарубежные программы в области двигателестроения и проблемы, связанные с численным моделированием перспективных двигателей.
Основные мировые тенденции в отрасли аэрокосмического машиностроения
Полный перечень направлений развития реактивных двигателей до 2035 г. дан в аналитическом обзоре ЦИАМ [8]. Можно выделить несколько основных тенденций, которые активно обсуждаются на страницах периодической печати [6, 12–14]:
● Решение задач материаловедения:
– внедрение матричных композитов в конструкцию лопаточных машин,
– разработка адиабатических неохлаждаемых камер сгорания с покрытием из карбида кремния,
– разработка новых сплавов с присадками рения и рутения,
– разработка износостойких покрытий для пар трения на основе карбидов и нитридов, а также технологий их нанесения на металлические поверхности или выращивания методом хлоргидридной эпитаксии.
● Улучшение эксплуатационной технологичности:
– безмасляные трансмиссии [5, 9-10],
– сокращение количества узлов и переход к модульной конструкции.
● Внедрение новых алгоритмов управления двигателем:
– переход к управляемым камерам сгорания, работающих на сверхбедных топливных смесях,
– управление двигателем по неизмеряемым параметрам,
– использование имитационных и стохастических алгоритмов управления.
● Улучшение термодинамики традиционных двигателей:
– внедрение промежуточного охлажения компрессоров,
– замена механических стабилизаторов горения на газодинамические, использующие эффект течения с внезапным расширением, в том числе, на колебательных режимах работы [2-4];
– внедрение предварительного охлаждения воздуха (вплоть до его сжижения) в комбинированных турбо-ракетных двигателях;
– разработка двухконтурных двигателей с турбинами и форсажными камерами во внешнем контуре.
● Внедрение принципиально новых узлов:
– детонационные камеры сгорания, форсажные устройства и усилители тяги,
– высокооборотные компрессоры и турбины, основанные на иных, чем лопаточные машины, принципах работы.
● Разработка комбинированных двигателей, сочетающих в одной конструкции машины, работающие в соответствии с разными термодинамическими схемами:
– совмещение газовой турбины и электродвигателя;
– совмещение ТРД и объемной машины, совмещение турбины и электрохимического генератора;
– совмещение реактора сверхкритического окисления, реактивной турбины и МГД-генератора;
– турбо-прямоточный двигатель, ракетно-прямоточный и турборакетный двигатели.
Одним из лучших в термодинамическом плане является детонационный двигатель. Благодаря тому, что в нем сжигание топлива происходит в ударных волнах примерно в 100 раз быстрее, чем при обычном медленном горении (дефлаграции), этот тип двигателя теоретически отличается рекордной мощностью, снимаемой с единицы объема, по сравнению со всеми другими типами тепловых двигателей (рисунок).
Сравнение литровой мощности современных двигателей
Понятие детонационного двигателя
Вопрос об использовании детонационного горения в энергетике и реактивных двигателях впервые поставлен Я.Б. Зельдовичем еще в 1940 г. [7]. По его оценкам прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), использующие детонационное сгорание топлива, должны иметь максимально возможную термодинамическую эффективность.
Различаются детонационные двигатели двух типов: воздушно-реактивные с потреблением атмосферного кислорода PDE (Pulse Detonation Engine) и ракетные PDRE (Pulse Detonation Rocket Engine). Альтернативой PDE и PDRE являются двигатели с непрерывной детонацией (CDE) и ротационные детонационные двигатели (RDE), работающие не в пульсирующем, а в непрерывном режиме.
Традиционные импульсные детонационные двигатели (ИДД) представляют собой длинные трубы, по которым с небольшой частотой следуют ударные волны. Система волн сжатия и разрежения автоматически регулирует подачу топлива и окислителя. Из-за низкой частоты следования ударных волн (единицы Гц) время, в течение которого происходит сжигание топлива, по сравнению с характерным временем цикла, мало. В результате, несмотря на высокий КПД собственно детонационного сжигания (на 20–25 % больше, чем у двигателей с циклом Брайтона), общий КПД таких конструкций низкий.
Основная задача в этой области на современном этапе – разработка двигателей с высокой частотой следования ударных волн в камере сгорания или создание двигателя с непрерывной детонацией (CDE).
Детонационное горение и ракетный двигатель
Основными преимуществами импульсных ракетных детонационных двигателей считаются:
● Высокие экономические показатели.
● Удельный импульс ракетных двигателей на 5–10 % выше, чем у криогенных ЖРД.
● Расход топлива у импульсных двигателей с потреблением атмосферного кислорода на 30–50 % меньше, чем у ВРД.
● Простота конструкции и соответственно высокая надежность.
● Компоненты топлива подаются в камеру сгорания при низком давлении, что позволяет отказаться от использования турбонасосных агрегатов (ТНА) и усиленных трубопроводов (некоторого упрочнения потребует лишь камера сгорания, поскольку при микровзрыве давление в ней увеличивается в 18–20 раз).
● Низкие затраты на производство, по удельной стоимости единицы тяги импульсные двигатели примерно в четыре раза дешевле обычных ТРД (55 долл. за 1 кг тяги против 220 долл./кг).
В качестве примера можно для оценки преимуществ ИДД использовать параметры маршевых ЖРД «Спейс Шаттла». Давление за ТНА жидкого водорода – около 500 атм. Давление в камере сгорания – 210 атм. Чтобы обеспечить аналогичные условия сжигания топлива в ИДД, компоненты нужно подавать под давлением не более 10 атм.
Таким образом, основным преимуществом использования детонационного горения в ЖРД нужно признать не потенциальное увеличение КПД и удельного импульса, а радикальное снижение стоимости двигателя.
Заключение
Потенциальные преимущества детонационных двигателей, основанные на высокой скорости сгорания топлива, сулят большие преимущества, связанные с повышением термодинамического цикла и упрощением (удешевлением) конструкции. Трудности практической реализации определяются доминирующими конструктивными схемами, использующими пульсирующую схему работы, следствием чего является малая энергетическая эффективность работы в среднем по времени, хотя КПД собственно сгорания велик. Выход видится в увеличении частоты следования детонационных волн и переходе к схемам с непрерывной детонацией.
Рецензенты:
Пеленко В.В., д.т.н., профессор, заместитель директора по учебной работе Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург;
Цветков О.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретические основы тепло- и хладотехники» Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.
Работа поступила в редакцию 29.10.2013.