Обзор двигательных установок и теоретическое обоснование использования детонационного двигателя

Overview of propulsion systems and theoretical justification of the use of a detonation engine

Автор: Скороходова Екатерина Скороходова 

БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Россия

e-mail: k-skorohodova@mail.ru

Skorokhodova Ekaterina Yurievna

VOENMEH named D.F. Ustinov, St. Petersburg, Russia

e-mail: k-skorohodova@mail.ru

 

Аннотация: Cовременные разработки морских транспортных средств, будь то плавсредства или торпеды, направлены на увеличение скорости, увеличение дальности полета и снижение шума, а также дополнительное увеличение глубины для подводного аппарата. Но традиционные двигатели достигли максимума на пути увеличения этих характеристик: в двигателях с механическим приводным устройством при скорости движения выше 50-60 узлов, появляется кавитация, которая разрушает вращающиеся детали и уменьшает максимальную силу, действующую на забортную воду со стороны гребного винта; в двигателях на термодинамических циклах Брайтона (р=const) и Хамфри (V=const) дальнейшее повышение КПД возможно только при значительном капиталовложении, связанном с внедрением новых материалов, таких как высокотемпературная керамика, карбиды и нитриды, сплавы, содержащие рений и рутений. Успех в увеличении КПД видится при использовании других термодинамических циклов и иных принципах работы.

Abstract: modern developments of marine vehicles, whether they are watercraft or torpedoes, are aimed at increasing speed, increasing flight range and reducing noise, as well as an additional increase in depth for the underwater vehicle. But traditional engines have reached a maximum on the way to increasing these characteristics: in engines with a mechanical drive device at speeds above 50-60 knots, cavitation appears, which destroys rotating parts and reduces the maximum force acting on the seawater from the propeller side; in engines on the Brighton (p=const) and Humphrey (V=const) thermodynamic cycles, further efficiency improvement is possible only with significant investment associated with the introduction of new materials, such as high-temperature ceramics, carbides and nitrides, alloys containing rhenium and ruthenium. Success in increasing efficiency is seen when using other thermodynamic cycles and other operating principles.

Ключевые слова: детонационный двигатель, подводные двигательные установки, импульсно-детонационный двигатель.

Keywords: detonation engine, underwater propulsion systems, pulse detonation engine.

Тематическая рубрика: Технические науки и технологии.

 

ОБЗОР ПОДВОДНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Подводные двигательные установки, использующие обычные химические ракеты, являются необычными и довольно редкими из-за их короткого времени работы, высокого уровня шума, отсутствия скрытности и работоспособности на небольшой глубине по отношению к системе с приводом от винта. Это является результатом ограничений движительного механизма струи горячего газа, который отличается от механического приводного устройства, где на выходе из сходящегося / расходящегося сопла присутствует двухфазный поток и высокое соотношение плотности воды и газа, что усложняет структуру потока.

Механические приводные устройства, т.е. гребные винты, обычно приводятся в действие дизельными двигателями, газовыми турбинами или даже ядерными реакторами для морских судов, в то время как, за исключением редких испытаний с использованием ракетных двигателей, сжатый нагретый воздух, электродвигатели, монотопливные двигатели и газовые турбины используются в основном для торпед. Современные разработки морских транспортных средств, будь то плавсредства или торпеды, направлены на увеличение скорости, увеличение дальности полета и снижение шума, а также дополнительное увеличение глубины для подводного аппарата.

Ни один из этих факторов не является благоприятными для применения ракет для морской двигательной установки, за исключением увеличения скорости, поскольку целью высокоскоростной струи выхлопных газов является средство приведения в движение, а не снижение шума. Если для тактических целей достаточно транспортного средства малой дальности и высокой скорости без принятия каких-либо мер противодействия шуму, подводный ракетный двигатель может быть ответом.

С 20-го века и по сегодняшний день конструкторы и инженеры морских силовых установок работали над увеличением скорости торпеды таким образом, чтобы современная высокоэффективная торпеда обычно работала со скоростью около 50 узлов. Известно, что увеличение необходимой мощности пропорционально увеличению частоты вращения вала, и поэтому для увеличения скорости с 45 до 60 узлов с винтовым винтом с механическим приводом требуется увеличение выходной мощности на 240%. Таким образом, ракетный двигатель периодически рассматривался даже до настоящего времени.

Начиная с первых испытаний ВМС США ракеты Ericsson, предложенной в начале 1880-х годов, и заканчивая «суперкавитирующей ракетой», подводная ракета имеет свое собственное наследие по сравнению с обычной торпедой с точки зрения стоимости, отсутствия движущихся частей, простоты, минимальной подготовки, низкого технического обслуживания и малого веса, в зависимости от типа ракеты. Исследовательский интерес к высокоскоростным торпедам, использующим твердотопливные ракеты, возрос в середине прошлого двадцатого века после Второй мировой войны из-за их скорости, низкой стоимости, надежности и незначительных требований к предстартовой подготовке. Насколько известно, такие проекты, как HEYDAY [1], CAMROSE [1] для противоторпедных миссий и BOOTLEG [1] для противокорабельных миссий были самыми ранними исследованиями реактивных торпед, задуманными британцами со времен Второй мировой войны. Однако все эти проекты были прекращены из-за отсутствия финансовой поддержки, которая вместо этого отдала приоритет исследованиям по снижению шума.

В дополнение к чисто подводному основному движителю ракета также может быть предусмотрена в качестве вспомогательного движителя для разгона уже работающего плавсредства в течение некоторого времени при использовании вместе с обычной системой привода от гребного винта. Если будет возможно дальнейшее изменение тяги ракеты, это повысит гибкость полета морского судна. Также важно отметить, что регулирование тяги для плавного пуска имеет важное значение для морских судов, поскольку внезапное ускорение в стадии пуска опасна, так как она может нарушить баланс морского транспортного средства. Следовательно, управляемая ракетная двигательная установка может быть применена не только к обычным судам, но и к высокоскоростным судам, скорость которых может превышать скорость «Призрака» (50 узлов), построенного компанией «Juliet Marine System» в котором используется газотурбинный двигатель.

Морская двигательная установка с использованием ракеты на твердом топливе имеет два основных недостатка:

– отсутствие возможности модуляции тяги по сравнению с гибридными и жидкостными аналогами;

– низкий уровень тяги, необходимый для несколько более длительных подводных операций.

Для первых отсутствие возможности модуляции тяги посредством скорости подачи топлива является ключевым классическим недостатком твердотопливных ракет, поскольку управляемость тягой не часто требуется для систем на твердом топливе. Для последнего у твердотопливных подводных двигательных установок нет иного выбора, кроме как иметь низкие уровни тяги, потому что эти твердотопливные ракеты вынуждены использовать торцевой заряд в течение длительного времени работы. Увеличение диаметра заряда топлива, требуемого для заряда твердого топлива с цилиндрическим каналом, не является хорошим решением для увеличения уровня тяги или увеличения времени работы, поскольку сила сопротивления увеличивается как квадрат диаметра. Что касается жидкостной ракеты, то очевидно, что она имеет относительно большой вес, большие габариты и сложна водопроводные системы не очень эффективны для подводного применения.

СРАВНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

Современные двигательные установки в авиационной технике содержат ГТД, который работает по термодинамическому циклу с постоянным давлением (цикл Брайтона). Такой цикл используется и в ПВРД и в ЖРД. Топливо и окислитель поступают в область горения непрерывно. Продукты сгорания, расширяясь, совершают полезную работу.

Традиционные реактивные двигатели на термодинамических циклах Брайтона (р=const) и Хамфри (V=const) достигли максимума на пути увеличения КПД, дальнейшее повышение возможно только при значительном капиталовложении, связанном с внедрением новых материалов, таких как высокотемпературная керамика, карбиды и нитриды, сплавы, содержащие рений и рутений. Успех в увеличении КПД видится при использовании других термодинамических циклов и иных принципах работы.

Подробный анализ и сравнение различных термодинамических циклов реактивных двигателей проведено в работе [2].

При замене цикла с горением при постоянном давлении (цикл Брайтона) на цикл с горением при постоянном объеме (цикл Хамфри) термодинамическая эффективность возрастает почти на 20%. При степени сжатия равной 5, термодинамическая эффективность цикла Брайтона составляет 36.9% для водорода и 31.4% для метана. При переходе к циклу Хамфри термодинамическая эффективность составляет 54.3% для водорода и 50.5% для метана.

Ещё выше эффективность идеального детонационного термодинамического цикла Фиккета - Джейкобса (Fickett-Jacobs cycle, FJ). Цикл FJ для детонации является развитием оригинальных идей Джейкобса (1956). Этот цикл исследуется для ИДД.

Идеальный цикл FJ состоит из пяти процессов:

- Реагенты изоэнтропически сжимаются : приложение внешней работы для перемещения одного поршня со скоростью V, мгновенно инициируя фронт детонации на поверхности поршня. Детонационная волна распространяется, а продукты разложения единообразно следуют за ней со скоростью V . Как только он достигает второго поршня, вся конструкция поршень-цилиндр движется с постоянной скоростью V.

- Кинетическая энергия производится во время первого процесса преобразуется во внешнюю работу.

- Адиабатическое расширение: газообразные продукты детонации возвращаются к конечному давлению, равному начальному давлению p.

- Отвод тепла: газообразные продукты реверсивно охлаждаются при постоянном давлении до начальной температуры T.

- Цикл завершается превращением продуктов в реагенты, как в начальных условиях.

Отличие цикла FJ от цикла Хамфри состоит в том, что подвод тепла происходит не по изохоре, а по адиабате Рэнкина-Гюгонио. Затем следует неравновесный нагрев, так называемый нагрев Рэлея.

После инициирования детонации в топливно-воздушной смеси распространяется детонационная волна постоянной интенсивности. Её скорость относительно продуктов сгорания в точности равняется скорости звука, поэтому химические превращения и волны сжатия, возникающие при горении, не могут догнать детонационную волну и не могут повлиять на её интенсивность. Такая детонация называется установившейся детонацией Чемпена-Жуге (CJ) и отличается наименьшей из возможных скоростью распространения детонационной волны. Быстрое сжатие и горение в цикле ИДД дает дополнительную работу по сравнению с циклом Хамфри.

Цикл FJ превосходит по термодинамической эффективности цикл Хамфри и значительно превосходит цикл Брайтона [3], во всем диапазоне степени повышения давления при сжатии. Так, для достижения такого же КПД, как у цикла FJ, традиционному реактивному двигателю нужно иметь степень сжатия в компрессоре в 5 раз больше. [3]

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Импульсно-детонационный двигатель. Простейшим детонационным двигателем может являться труба, заполненная горючим и окислителем. В начале каждого цикла производится детонация, при помощи достаточно мощного источника зажигания. Один конец трубы закрыт и на нём установлены инжекторы для подачи топлива и окислителя. Первым этапом цикла является заполнение трубы топливной смесью. После заполнения трубы происходит зажигание - инициирование детонации. Следующим этапом происходит детонация топливной смеси, детонационная волна распространяется по трубе. После реакции выделяются продукты детонации, которые заполняют всю трубу. Далее происходит расширение продуктов детонации в окружающую среду. И до начала нового цикла необходимо продуть трубу воздухом.

Ротационный, или спиновый, детонационный двигатель. В ротационном детонационном двигателе топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные форсунки, образовавшаяся детонационная волна вращается по кольцеобразной камере сгорания сжимает и сжигает топливо, выталкивая продукты сгорания по направлению к соплу.

Топливная смесь за детонационной волной успевает обновляться, а продукты сгорания непрерывно покидают камеру сгорания, расширяясь в сопле с образованием реактивной струи. В камеру сгорания спинового двигателя не нужно подавать готовую топливную смесь – фронт высокого давления, движущийся перед детонационной волной, эффективно смешивает необходимые компоненты. В спиновом двигателе получаем частоту вращения волны в несколько тысяч в секунду, работа его подобна рабочему процессу в ЖРД, только более эффективно, благодаря детонации смеси топлива. Такой тип двигателя позволяет значительно снизить как вибрационные, так и акустические нагрузки, повысить топливную эффективность (в частности, за счет меньшей потребности в топливе для инициации нового детонационного цикла), а также добиться непрерывности детонации - предыдущий цикл взрывного горения не мешает последующему.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ С ДЕТОНАЦИОННЫМ ГОРЕНИЕМ

При использовании двигателей водного транспорта с вращающимися деталями на высоких скоростях, выше 50-60 узлов, появляется кавитация, которая ограничивает предельное значение силы, действующей на забортную воду со стороны гребного винта, и приводит в износ вращающиеся детали.

Для того чтобы на высоких скоростях передвигаться в воде, необходимо вращающиеся детали исключить. Сделать такое возможно при использовании двигателя с детонационным горением, в котором происходит прямое преобразование химической энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи, вытесняемой из водовода. Тяга создается за счет передачи энергии от теплоносителя – расширяющиеся продукты сгорания топливно-воздушной смеси (ТВС), водяной пар высокого давления или продукты горения топлива, реагирующего с водой – к рабочему телу – воде. Благодаря отсутствию движущихся частей двигателя обеспечивается простота его обслуживания.

У детонационных двигателей имеются и иные преимущества. Например, в ходе цикла детонационного горения температура сгорания очень высока. Но скорость сгорания также очень велика, и окислы азота не успевают образоваться, поэтому детонационные двигатели потенциально являются экологически чистыми [3].

Проще решается и задача охлаждения стенок камеры сгорания. Несмотря на более высокие температуры и давление во фронте детонационной волны из-за скоротечности процессов детонационного горения, их воздействие на конструкцию двигателя меньше, чем у классических моторов. Применение детонационного горения дает ощутимые преимущества и в ЖРД, типичное давление в камере сгорания, которого более 200 атм. Чтобы обеспечить аналогичные условия сжигания топлива в ударных волнах, компоненты топлива нужно подавать под давлением не более 10 атм, высокое давление создается за счет самой детонации, что позволяет отказаться от использования турбонасосных агрегатов и усиленных трубопроводов, а значит силовая установка, использующая детонационное сгорание топлива, более простая в изготовлении и может иметь меньшую массу, а следовательно и стоимость. [4]

По расчетам ученых, их мощность будет в 10 тыс. раз больше, чем мощность существующих ракетных двигателей. При этом они будут потреблять гораздо меньше топлива. В современных ракетах используется процесс дефлаграции – медленное (дозвуковое) горение топлива при постоянном давлении, то детонационный ракетный двигатель функционирует за счет взрыва, детонации горючей смеси. Она сгорает со сверхзвуковой скоростью с выделением огромного количества тепловой энергии одновременно с распространением ударной волны.

Идеи конструкции водометного движителя с импульсно-детонационным горением принадлежат Фролову С.М. [5].

 

Список литературы:

1. Kirby, G. A history of the torpedo. J. R. Nav. Sci. Serv. 1972, 27, 30‑105.

2. E. Wintenberger and J. E. Shepherd. Thermodynamic cycle analysis of propagat 37 - ing detonations. Journal of Propulsion and Power, 2006& val.22(3). - P. 694-698.

3. Булат П.В., Денисенко П.В, Волков К.Н. Тенденции разработки детонационных двигателей для высокоскоростных воздушно-космических летательных аппаратов и проблема тройных конфигураций ударных волн. Часть 1 - исследования детонационных двигателей//Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. №1. Том 16.

4. Волков К.Н., Булат П.В. Детонационные реактивные двигатели. Часть 1 – термодинамический цикл // Ударные волны: сборник научных статей Международного научного подразделения Университета ИТМО Механики и энергетических систем. — Издательский Дом – Юг Краснодар, 2015. — С. 129–144.

5. Frolov S.M., Avdeev K.A., Aksenov V.S. Pulse-Detonation Hydrojet. Proceedings of the Scientific-Practical Conference "Research and Development - 2016" (pp.709-719) 2018.