Существующие двигательные установки для авиации и ракет показывают весьма высокие характеристики, но вплотную приблизились к пределу своих возможностей. Для дальнейшего повышения параметров тяги, создающего задел для развития авиационной ракетно-космической отрасли, необходимы другие двигатели, в т.ч. с новыми принципами работы. Большие надежды возлагаются на т.н. детонационные двигатели. Подобные системы импульсного класса уже испытываются в лабораториях и на летательных аппаратах.
Физические принципы
В существующих и эксплуатируемых двигателях на жидком топливе используется дозвуковое горение или дефлаграция. Химическая реакция с участием топлива и окислителя образует фронт, перемещающийся по камере сгорания с дозвуковой скоростью. Такое горение ограничивает количество и скорость реактивных газов, истекающих из сопла. Соответственно, ограничивается и максимальная тяга.
Альтернативой является детонационное горение. В этом случае фронт реакции перемещается со сверхзвуковой скоростью, образуя ударную волну. Подобный режим горения увеличивает выход газообразных продуктов и обеспечивает повышенную тягу.
Детонационный двигатель может быть выполнен в двух вариантах. Одновременно разрабатываются импульсные или пульсирующие двигатели (ИДД / ПДД) и ротационные / вращающиеся. Их отличие заключается в принципах горения. Ротационный двигатель поддерживает постоянную реакцию, а импульсный работает за счет последовательных «взрывов» смеси топлива и окислителя.
Импульсы образуют тягу
В теории, по своей конструкции ИДД не сложнее традиционного прямоточного воздушно-реактивного или жидкостного ракетного двигателя. Он включает камеру сгорания и сопловой аппарат, а также средства подачи топлива и окислителя. При этом накладываются особые ограничения на прочность и стойкость конструкции, связанные с особенностями работы двигателя.
Опытный самолет Long-EZ с ИДД. Фото National Museum of USAF
Во время работы форсунки подают в камеру сгорания топливо; окислитель подводится из атмосферы помощи воздухозаборного устройства. После образования смеси происходит воспламенение. За счет правильного подбора компонентов топлива и пропорций смеси, оптимального способа воспламенения и конфигурации камеры образуется ударная волна, движущаяся в направлении сопла двигателя. Текущий уровень технологий позволяет получить скорость волны до 2,5-3 км/с с соответствующим повышением тяги.
ИДД использует пульсирующий принцип работы. Это означает, что после детонации и выхода реактивных газов камера сгорания продувается, вновь наполняется смесью – и следует новый «взрыв». Для получения высокой и стабильной тяги этот цикл должен осуществляться с большой частотой, от десятков до тысяч раз в секунду.
Сложности и преимущества
Главным преимуществом ИДД является теоретическая возможность получения повышенных характеристик, обеспечивающих превосходство над существующими и перспективными ПВРД и ЖРД. Так, при той же тяге импульсный двигатель получается компактнее и легче. Соответственно, в тех же габаритах можно создать более мощную установку. Кроме того, такой двигатель проще по своей конструкции, поскольку не нуждается в части приборного оснащения.
ИДД работоспособен в широком диапазоне скоростей, от нулевых (при старте ракеты) до гиперзвуковых. Он может найти применение в ракетно-космических системах и в авиации – в гражданских и военных областях. Во всех случаях его характерные особенности позволяют получить те или иные преимущества перед традиционными системами. В зависимости от потребностей, возможно создание ракетного ИДД, использующего окислитель из бака, или воздушно-реактивного, принимающего кислород из атмосферы.
Впрочем, имеются существенные недостатки и затруднения. Так, для освоения нового направления приходится проводить различные достаточно сложные исследования и опыты на стыке разных наук и дисциплин. Специфический принцип работы предъявляет особые требования к конструкции двигателя и ее материалам. Ценой высокой тяги оказываются повышенные нагрузки, способные повредить или разрушить конструкцию двигателя.
ИДД для Long-EZ. Фото National Museum of USAF
Сложной задачей является обеспечение высокой скорости подачи топлива и окислителя, соответствующей необходимой частоте детонаций, а также выполнение продувки перед подачей топлива. Кроме того, отдельной инженерной проблемой является запуск ударной волны при каждом цикле работы.
Следует отметить, что к настоящему времени ИДД, несмотря на все усилия ученых и конструкторов, не готовы к выходу за пределы лабораторий и полигонов. Конструкции и технологии нуждаются в дальнейшей отработке. Поэтому пока не приходится говорить о внедрении новых двигателей в практику.
История технологии
Любопытно, что принцип импульсного детонационного двигателя впервые был предложен не учеными, но писателями-фантастами. К примеру, подлодка «Пионер» из романа Г. Адамова «Тайна двух океанов» использовала ИДД на водородно-кислородной газовой смеси. Схожие идеи фигурировали и в других художественных произведениях.
Научные изыскания по теме детонационных двигателей начались чуть позже, в сороковых годах, причем пионерами направления были советские ученые. В дальнейшем в разных странах неоднократно предпринимались попытки создания опытного ИДД, но их успех серьезно ограничивало отсутствие необходимых технологий и материалов.
31 января 2008 г. агентство DARPA министерства обороны США и Лаборатория ВВС начали испытания первой летающей лаборатории с ИДД воздушно-реактивного типа. Оригинальный двигатель установили на доработанном самолете Long-EZ от фирмы Scale Composites. Силовая установка включала четыре трубчатые камеры сгорания с подачей жидкого топлива и забором воздуха из атмосферы. При частоте детонаций 80 Гц развивалась тяга ок. 90 кгс, чего хватало только для легкого летательного аппарата.
Российский ротационный детонационный двигатель "Ифрит". Фото НПО "Энергомаш"
Эти испытания показали принципиальную пригодность ИДД для применения в авиации, а также продемонстрировали необходимость совершенствования конструкций и повышения их характеристик. В том же 2008 г. опытный самолет отправили в музей, а DARPA и смежные организации продолжили работу. Сообщалось о возможности применения ИДД в перспективных ракетных комплексах – но пока они не разработаны.
В нашей стране тематика ИДД изучалась на уровне теории и практике. К примеру, в 2017 г. в журнале «Горение и взрыв» появилась статья об испытаниях детонационного прямоточного двигателя на газообразном водороде. Также продолжаются работы по ротационным детонационным двигателям. Создан и испытан РДД на жидком топливе, пригодный для использования на ракетах. Прорабатывается вопрос использования таких технологий в авиационных двигателях. В этом случае детонационная камера сгорания интегрируется в состав турбореактивного двигателя.
Перспективы технологии
Детонационные двигатели представляют большой интерес с точки зрения применения в разных областях и сферах. За счет ожидаемого прироста основных характеристик они могут, как минимум, потеснить системы существующих классов. Однако сложность теоретической и практической разработки пока не позволяет им дойти до использования на практике.
Впрочем, в последние годы наблюдаются положительные тенденции. Детонационные двигатели в целом, в т.ч. импульсные, все чаще появляются в новостях из лабораторий. Развитие этого направления продолжается, и в будущем сможет дать желаемые результаты, хотя сроки появления перспективных образцов, их характеристики и области применения пока остаются под вопросом. Однако сообщения последних лет позволяют смотреть в будущее с оптимизмом.