Postojeći pogonski sustavi za zrakoplovstvo i projektile pokazuju vrlo visoke performanse, ali su se približili granici svojih mogućnosti. Za daljnje povećanje parametara potiska, što stvara temelje za razvoj zrakoplovne raketne i svemirske industrije, potrebni su drugi motori, uklj. s novim načelima rada. Velike nade polažu se u tzv. detonacijski motori. Takvi sustavi klase impulsa već se testiraju u laboratorijima i na zrakoplovima.
Fizički principi
Postojeći i radeći motori na tekuća goriva koriste podzvučno izgaranje ili deflagraciju. Kemijska reakcija s gorivom i oksidantom stvara front koji se kreće kroz komoru za izgaranje podzvučnom brzinom. Ovo izgaranje ograničava količinu i brzinu reaktivnih plinova koji izlaze iz mlaznice. U skladu s tim, maksimalni potisak je također ograničen.
Alternativa je detonacijsko izgaranje. U tom se slučaju reakcijska fronta kreće nadzvučnom brzinom, tvoreći udarni val. Ovaj način izgaranja povećava prinos plinovitih proizvoda i osigurava povećano prianjanje.
Motor za detonaciju može se izraditi u dvije verzije. Istodobno se razvijaju impulsni ili pulsirajući motori (IDD / PDD) te rotacijski / rotirajući. Njihova razlika leži u načelima sagorijevanja. Rotacijski motor održava stalnu reakciju, dok impulsni motor radi uzastopnim "eksplozijama" mješavine goriva i oksidanta.
Impulsi stvaraju potisak
U teoriji, njegov dizajn nije ništa kompliciraniji od tradicionalnog raketnog motora na ramjet ili tekućeg pogona. Uključuje komoru za izgaranje i sklop mlaznica, kao i sredstva za opskrbu gorivom i oksidantom. U ovom slučaju nameću se posebna ograničenja na čvrstoću i izdržljivost konstrukcije povezane s osobitostima rada motora.
Tijekom rada injektori dovode gorivo u komoru za izgaranje; oksidator se dovodi iz atmosfere pomoću uređaja za usisavanje zraka. Nakon stvaranja smjese dolazi do paljenja. Zbog pravilnog odabira komponenti goriva i omjera smjese, optimalne metode paljenja i konfiguracije komore, nastaje udarni val koji se kreće u smjeru mlaznice motora. Trenutna razina tehnologije omogućuje postizanje valne brzine do 2,5-3 km / s uz odgovarajuće povećanje potiska.
IDD koristi pulsirajući princip rada. To znači da se nakon detonacije i ispuštanja reaktivnih plinova komora za izgaranje ispuhuje, ponovno napuni smjesom - i slijedi nova "eksplozija". Da bi se postigao visok i stabilan potisak, ovaj se ciklus mora provoditi velikom frekvencijom, od desetaka do tisuća puta u sekundi.
Poteškoće i prednosti
Glavna prednost IDD-a je teoretska mogućnost postizanja poboljšanih karakteristika koje pružaju superiornost u odnosu na postojeće i buduće motore s ramjetom i tekućim pogonom. Dakle, s istim potiskom, impulsni motor ispada kompaktniji i lakši. U skladu s tim, može se stvoriti snažnija jedinica u istim dimenzijama. Osim toga, takav je motor jednostavnijeg dizajna jer mu nije potreban dio instrumentacije.
IDD je operativan u širokom rasponu brzina, od nule (na početku rakete) do hipersonične. Može pronaći primjenu u raketnim i svemirskim sustavima te u zrakoplovstvu - u civilnom i vojnom području. U svim slučajevima, njegove karakteristične značajke omogućuju postizanje određenih prednosti u odnosu na tradicionalne sustave. Ovisno o potrebama, moguće je stvoriti raketni IDD pomoću oksidanta iz spremnika ili zračno reaktivnog koji uzima kisik iz atmosfere.
Međutim, postoje značajni nedostaci i poteškoće. Dakle, da bi se svladao novi smjer, potrebno je provesti razne prilično složene studije i pokuse na spoju različitih znanosti i disciplina. Poseban princip rada postavlja posebne zahtjeve prema dizajnu motora i njegovim materijalima. Cijena velikog potiska je povećano opterećenje koje može oštetiti ili uništiti konstrukciju motora.
Izazov je osigurati visoku brzinu isporuke goriva i oksidansa, koja odgovara potrebnoj frekvenciji detonacije, kao i provesti čišćenje prije isporuke goriva. Osim toga, poseban inženjerski problem predstavlja pokretanje udarnog vala u svakom ciklusu rada.
Valja napomenuti da do danas IDD, unatoč svim naporima znanstvenika i dizajnera, nije spreman ići dalje od laboratorija i testnih mjesta. Dizajni i tehnologije trebaju daljnji razvoj. Stoga još nije potrebno govoriti o uvođenju novih motora u praksu.
Povijest tehnologije
Zanimljivo je da načelo motora s impulsnom detonacijom prvi nisu predložili znanstvenici, već autori znanstvene fantastike. Na primjer, podmornica "Pioneer" iz romana G. Adamova "Tajna dva oceana" koristila je IDD na mješavini plina vodika i kisika. Slične ideje figurirale su i u drugim umjetničkim djelima.
Znanstvena istraživanja na temu motora za detonaciju započela su nešto kasnije, u četrdesetima, a pioniri smjera bili su sovjetski znanstvenici. U budućnosti su se u različitim zemljama više puta pokušavali stvoriti iskusni IDD -i, ali njihov uspjeh bio je ozbiljno ograničen nedostatkom potrebnih tehnologija i materijala.
Dana 31. siječnja 2008. godine agencija DARPA Ministarstva obrane SAD-a i Laboratorij zračnih snaga započeli su s testiranjem prvog letećeg laboratorija s zračnim disanjem tipa IDD. Izvorni motor instaliran je na modificiranom zrakoplovu Long-EZ tvrtke Scale Composites. Elektrana je uključivala četiri cjevaste komore za izgaranje s dovodom tekućeg goriva i usisom zraka iz atmosfere. Pri frekvenciji detonacije od 80 Hz potisak od cca. 90 kgf, što je bilo dovoljno samo za laki zrakoplov.
Ova su ispitivanja pokazala temeljnu prikladnost IDD -a za uporabu u zrakoplovstvu, a također su pokazala i potrebu za poboljšanjem dizajna i povećanjem njihovih karakteristika. Iste 2008. prototip zrakoplova poslan je u muzej, a DARPA i srodne organizacije nastavile su s radom. Izviješteno je o mogućnosti uporabe IDD -a u obećavajućim raketnim sustavima - ali do sada oni nisu razvijeni.
Kod nas se tema IDD -a izučavala na razini teorije i prakse. Na primjer, 2017. godine u časopisu Comburance and Explosion pojavio se članak o ispitivanjima detonacijskog ramjetskog motora na plinovitom vodiku. Također, nastavljaju se radovi na motorima s rotacijskom detonacijom. Raketni motor s tekućim pogonom razvijen je i testiran. Proučava se pitanje uporabe takvih tehnologija u zrakoplovnim motorima. U tom slučaju detonacijska komora za izgaranje integrirana je u turboreaktivni motor.
Tehnološka perspektiva
Detonacijski motori su od velikog interesa sa stajališta njihove primjene u raznim područjima i područjima. Zbog očekivanog povećanja glavnih karakteristika, oni mogu, barem, istisnuti sustave postojećih klasa. Međutim, složenost teorijskog i praktičnog razvoja još im ne dopušta upotrebu u praksi.
Međutim, posljednjih godina uočeni su pozitivni trendovi. Detonacijski motori općenito, uklj. pulsiraju, sve se češće pojavljuju u vijestima iz laboratorija. Razvoj ovog smjera nastavlja se, a u budućnosti će moći dati željene rezultate, iako su vrijeme pojavljivanja obećavajućih uzoraka, njihove karakteristike i područja primjene još uvijek upitni. Međutim, poruke posljednjih godina omogućuju nam da s optimizmom gledamo u budućnost.
