Потенциал повышения КПД традиционных реактивных двигателей, работающих в соответствии с термодинамическим циклом Брайтона (цикл подвода тепла при постоянном давлении), исчерпан в настоящее время практически полностью. В течение многих десятков лет они непрерывно совершенствовались, и их дальнейшее улучшение требует больших капитальных вложений, связанных с внедрением новых материалов, таких как высокотемпературная керамика, карбиды и нитриды, сплавы, содержащие рений и рутений. Тенденция последних 10–15 лет такова, что увеличение удельной тяги или снижение удельного расхода топлива на 5–7 % ведет к увеличению стоимости двигателя на 40–60 %. Выход видится в переходе к реактивным двигателям, использующим иные принципы и иные термодинамические циклы. В настоящей работе рассматриваются пульсирующие и детонационные двигатели.
Этому направлению в последнее время уделяется большое внимание. В работе [9] описан принцип работы детонационного двигателя, а также фундаментальные и технические проблемы, стоящие на пути создания практического образца такого мотора. Подробно рассмотрены конструкция и характеристики макета- демонстратора импульсного детонационного двигателя. В работе [10] рассматриваются математические и физические аспекты проблемы детонационных двигателей, оцениваются перспективы развития и применения детонационных двигателей. Важность работы над детонационными двигателями указана и в обзоре ЦИАМ, посвященном перспективам развития двигателестроения [4].
Сравнение термодинамических циклов
Может ли быть предложено что-то лучшее, чем цикл Брайтона? Да, это цикл Хамфри – цикл подвода тепла при постоянном объеме. Сравнение термодинамических циклов показано на рис. 1.
Рис. 1. Сравнение термодинамических циклов Брайтона и Хамфри
Работа тепловой машины равна площади, ограниченной кривой 1–2–3–4. Сектор 2–3 показывает преимущество термодинамического цикла Хамфри, по сравнению с циклом Брайтона. Сектор 1–4 показывает область, недоступную для циклов тепловых машин Отто и Дизеля. Тепловой коэффициент полезного действия у ВРД, действующего в соответствии с традиционным циклом Брайтона, значительно меньше во всем диапазоне коэффициентов повышения давления (рис. 2).
Примером устройства, реализующего преимущества цикла Хамфри, является пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД или PDE). Сегодня ПуВРД применяются, главным образом, на дешевых беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), что объясняется его простотой и дешивизной. Там, где требуются высокие удельные характеристики, ПуВРД проигрывают ТРД.
Рис. 2. Сравнение коэффициентов полезного действия циклов Брайтона и Хамфри в разных диапазонах повышения давления
Пульсирующие реактивные двигатели (ПуВРД)
Принцип действия ПуВРД понятен из схемы, приведенной на рис. 3. Во время первого такта цикла работы детонационная камера заполняется топливо-воздушной смесью (ТВС). На втором такте происходит ее воспламенение. Во время третьего такта детонационная волна пробегает по детонационной камере, поднимая давление в ней при постоянном объеме. На четвертом такте рабочая среда расширяется и совершает работу. На пятом и шестом такте детонационная камера продувается свежим воздухом.
Идея создания (ПуВРД) была запатентована в 1906 г. русским инженером В.В. Караводиным. До 1925 г. ряд опытных ГТД был создан Г. Хольцвартом. Несмотря на высокие для того времени параметры, ГТД Хольцварта, равно как и установка В.В. Караводина, вследствие ряда недостатков не нашла применения в промышленности. В 1930 г. одноклапанная камера сгорания резонансного типа была предложена Паулем Шмидтом для ПуВРД. Впоследствии она была применена на беспилотных самолетах-снарядах «Фау-1». Значительный вклад в решение проблемы создания ПуВРД был внесен Б.С. Стечкиным. Несмотря на высокий КПД собственно сжигания топлива общая полезная работа у ПуВРД обычно существенно ниже, чем у традиционных ГТД. Причина заключается в том, что сжатие топливно-воздушной смеси происходит в простых изоэнтропических волнах сжатия, имеющих достаточно большую протяженность. В результате, частота следования импульсов у ПуВРД низкая и общий механический КПД – невысокий. Другим типом двигателя, работающего в соответствии с термодинамическим циклом, близким к циклу Хамфри, является детонационный двигатель.
Рис. 3. Цикл пульсирующего воздушно-реактивного двигателя
Термодинамический цикл импульсно-детонационного двигателя
Логическим развитием ПуВРД являются импульсно-детонационные двигатели (ИДД), в которых волны сжатия заменены ударными волнами. Сжатие в ударных волнах широко используется в аэрокосмическом двигателестроении в конструкции сверхзвуковых воздухозаборников [6]. В самых различных отраслях техники применяются и колебания ударных волн [1, 3, 7–8]. Отличие цикла ИДД от цикла Хамфри состоит в том, что подвод тепла происходит не по изохоре, а по адиабате Гюгонио в очень узкой области течения, равной протяженности ударной волны, которая в типичных случаях имеет порядок длины свободного пробега молекул газа. Детонационное сгорание топлива в ПуВРД термодинамически более выгодно, чем изохорическое (рис. 4) во всем диапазоне чисел Маха полета летательного аппарата.
Потенциальные преимущества термодинамического цикла детонационных двигателей (рис. 5) вызвали огромное множество исследовательских работ в этом направлении [5]. В новой программе VAATE – преемнике программы IHPTET – американские специалисты ставят задачу дальнейшего снижения стоимости производства газогенераторов на 32…64 % для ВРД большой размерности, на 35…65 % для ГТД малой размерности, а технология создания еще более дешевого пульсирующего детонационного двигателя признана «ключевой» [2].
В газогенераторах ИДД нет необходимости использования высоконапорных компрессоров, что упрощает конструкцию и снижает массу двигателя. Это делает привлекательным использование импульсно-детонационного горения в жидкостных ракетных двигателях. Термодинамический цикл ИДД имеет заметное преимущество не только перед циклом Брайтона, но и перед более эффективным циклом Хамфри. Однако реализовать его можно только с увеличением частоты следования ударных волн или переходом к непрерывному детонационному горению.
Рис. 4. Преимущество КПД термодинамического цикла прямоточного воздушно-реактивного (ПВРД) импульсно-детонационного двигателя (ИДД)
Рис. 5. Сравнение циклов ИДД, Хамфри и Брайтона в p-V и T-S координатах
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.