Ростех испытал «взрывной» двигатель для орбитальных самолётов будущего

09 апреля 2021
12:03

Анатолий Глянцев

Новый двигатель может поднять над Землёй орбитальные самолёты.

Фото Pixabay.

Новый двигатель может обеспечить прорыв в космической технике.

Иллюстрация «Ростех».

Российские инженеры испытали двигатель, который может приводить в движение самые разные летательные аппараты будущего, от гиперзвуковых ракет до орбитальных самолётов.

Российские инженеры испытали демонстрационный вариант двигателя, который может приводить в движение самые разные летательные аппараты будущего, от гиперзвуковых ракет до орбитальных самолётов. Новая установка значительно эффективнее традиционных реактивных двигателей, как ракетных, так и авиационных.

О пульсирующих, или импульсных, детонационных двигателях заговорили ещё в середине XX века. Основная идея такого подхода проста: смесь горючего и окислителя не горит, как в традиционных двигателях, а взрывается.

Для этого в камеру сгорания подаётся скромная порция этой смеси, после чего происходит небольшой и безопасный для аппарата взрыв. В двигатель сразу же поступает новая порция смеси, которая детонирует от предыдущей взрывной волны, и так далее. Получается непрерывный «фейерверк».

Волны от всех этих взрывов вырываются из сопла и создают реактивную струю. Она летит сквозь пространство со сверхзвуковой или даже гиперзвуковой скоростью. Этим подобный двигатель выгодно отличается от традиционных систем, создающих дозвуковую реактивную струю.

Напомним, что чем выше скорость «выхлопа», тем больше тяга двигателя в пересчёте на килограмм топлива.

Однако только в теории всё выглядит так гладко. А на практике детонация – куда менее стабильный и предсказуемый процесс, чем привычное горение, и научиться ею управлять непросто. Вот почему импульсные детонационные двигатели за более чем полвека исследований так и не дошли до стадии серийного производства.

Новый двигатель может обеспечить прорыв в космической технике.

Иллюстрация "Ростех".

Но теперь, похоже, момент внедрения подобных систем стал значительно ближе. Объединенная двигателестроительная корпорация, входящая в «Ростех», завершила первый этап испытаний демонстрационной версии такого двигателя.

Система продемонстрировала все требуемые показатели, сообщает «Ростех». На отдельных режимах работы тяга двигателя в пересчёте на килограмм топлива была в 1,5 раза выше, чем у традиционных установок.

В перспективе подобные двигатели помогут в 1,3–1,5 раза увеличить скорость и массу полезной нагрузки летательных аппаратов. Повысится и их маневренность.

Это позволит реализовать самые смелые идеи, от гиперзвуковых ракет до «космических самолётов», способных летать как в атмосфере Земли, так и в ближнем космосе.

Разработчики подчёркивают, что в новом двигателе используются многие технологии, отработанные на его более традиционных аналогах. Это удешевит производство новой системы и сделает его экономически выгодным.

К слову, ранее мы рассказывали об испытаниях ещё одной разновидности подобного двигателя.

Больше новостей из мира науки и технологий вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука
космос
техника
космонавтика
двигатели
общество
новости
Россия

Ранее по теме

• Путин: космодром Восточный должен стать местом притяжения туристов

• В регионах телебашни включат подсветку в честь Дня космонавтики

• Рогозин назвал Россию великой космической державой

• Россиян поздравили с Днем космонавтики с МКС

• На фасаде здания российского посольства в Мадриде появился портрет Гагарина

• «Циолковский» объединил самых разных режиссеров

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Электрический ракетный двигатель — ракетный двигатель, принцип действия которого основан на использовании, для создания тяги электрической энергии, получаемой от энергоустановки, находящейся на борту космического аппарата. Основная сфера применения — небольшая коррекция траектории, а также ориентация в пространстве космических аппаратов. Комплекс, состоящий из электрического ракетного двигателя, системы подачи и хранения рабочего тела, системы автоматического управления и системы электропитания, называется электроракетной двигательной установкой.

Упоминание о возможности использования в ракетных двигателях электрической энергии для создания тяги встречается в трудах К. Э. Циолковского. В 1916—1917 гг. были проведены первые эксперименты Р. Годдардом, и уже в 30-х гг. XX в. под руководством В. П. Глушко был создан один из первых электрических ракетных двигателей.

В сравнении с другими ракетными двигателями электрические позволяют увеличить срок существования космического аппарата, и при этом значительно снижается масса двигательной установки, что позволяет увеличить полезную нагрузку, получить наиболее полные массогабаритные характеристики. Используя электрические ракетные двигатели, можно сократить длительность полета к дальним планетам, а также сделать полет к какой-либо планете возможным.

Новости МирТесен

В середине 60-х гг. XX в. активно велись испытания электрических ракетных двигателей на территории СССР и США, а уже в 1970-х гг. они использовались как штатные двигательные установки.

В России классификация идет по механизму ускорения частиц. Можно выделить следующие типы двигателей: электротермические (электронагревные, электродуговые), электростатические (ионные, в том числе коллоидные, стационарные плазменные двигатели с ускорением в анодном слое), сильно-точные (элекромагнитные, магнитодинамические) и импульсные двигатели.

В качестве рабочего тела возможно применение любых жидкостей и газов, а также их смеси. Для каждого типа электродвигателя необходимо применять соответствующие рабочие тела для достижения наилучших результатов. Для электротермических традиционно применяется аммиак, в работе электростатических двигателей используется ксенон, в сильноточных — литий, а для импульсных наиболее эффективным рабочим телом является фторопласт.

Одним из главных источников потерь является энергия, затрачиваемая на ионизацию на единицу ускоренной массы. Преимуществом электрических ракетных двигателей является малый массовый расход рабочего тела, а также высокая скорость истечения ускоренного потока частиц. Верхняя граница скорости истечения теоретически находится в пределах скорости света.

В настоящее время для различных типов двигателей скорость истечения колеблется в пределах от 16 до 60 км/с, хотя перспективные модели смогут дать скорость истечения потока частиц до 200 км/с.
Недостатком является очень малая плотность тяги, также необходимо отметить: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале. Электрическая мощность современных электрических ракетных двигателей, применяемых на космических аппаратах, колеблется от 800 до 2000 Вт, хотя теоретическая мощность может достигать мегаватт. КПД электрических ракетных двигателей невысок и варьируется от 30 до 60%.

В ближайшее десятилетие этот тип двигателей в основном будет выполнять задачи по коррекции орбиты космических аппаратов, находящихся как на геостационарных, так и на низких околоземных орбитах, а также для доставки космических аппаратов с опорной околоземной орбиты на более высокие, например геостационарную.

Замена жидкостного ракетного двигателя, выполняющего функцию корректора орбиты, на электрический позволит снизить массу типового спутника на 15%, а если увеличить срок его активного пребывания на орбите, то на 40%.

Одним из наиболее перспективных направлений развития электрических ракетных двигателей является их совершенствование в направлении увеличения мощности до сотен мегаватт и удельного импульса тяги, а также необходимо добиться стабильной и надежной работы двигателя на более дешевых веществах, таких как аргон, литий, азот.

• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЧЕТЧИК

Вращающаяся импульсная ракета может найти применение в космических запусках

Космос

Просмотр 2 изображений

Международная группа инженеров, в которую входят специалисты по горению из Школы аэрокосмической, механической и мехатронной инженерии Сиднейского университета, работает над революционным новым ракетным двигателем, который может не только дышать воздухом, находясь в атмосфере, но и сжигать поступающий воздух на сверхзвуковых скоростях. . Если его удастся запустить, вращающийся детонационный двигатель (RDE) обещает сделать космические запуски дешевле и эффективнее.

Говорят, что те, кто игнорирует прошлое, обречены на его повторение. Верно и то, что игнорировать прошлое означает игнорировать старые идеи, с которых можно было бы стряхнуть пыль, придать им новый вид и превратить во что-то новое и захватывающее.

В качестве примера можно привести вращающийся детонационный двигатель, потенциально являющийся крупным достижением в области ракетостроения, основанным на очень старой технологии. Во время Второй мировой войны одним из секретных видов оружия нацистов было Vergeltungswaffe 1 (Оружие возмездия 1), более известное как летающая бомба Фау-1. Почти 10 000 этих примитивных крылатых ракет были запущены против Англии в 1944 и 1945 годах, и они были прямыми предками современных версий, таких как «Томагавк» и «Штормовая тень».

Ключом к V1 был импульсный двигатель, который приводил его в движение. Проще говоря, это был реактивный двигатель, который состоял из круглой коробки с выхлопной трубой на одном конце и подпружиненными планками на передней панели. При работе воздух проходил через предкрылки, смешивался с топливом и воспламенялся. Это сформировало импульсный взрыв, который на секунду закрыл предкрылки и толкнул ракету вперед.

Технология RDE аналогична той, которая использовалась для питания немецкой крылатой ракеты Фау-1 во время Второй мировой войны

Федеральный архив Германии

Это был очень простой двигатель, дешевый и простой в сборке, но он также был очень неэффективным, потому что импульсные детонации были прерывистыми и также выбрасывали большую часть несгоревшего топлива в выхлоп.

RDE является более продвинутой версией этого двигателя, но вместо камеры сгорания топливо и воздух впрыскиваются в открытый кольцевой канал и воспламеняются. Импульс горения проходит по каналу и становится самоподдерживающимся, поскольку он генерирует волны, которые постоянно циклически повторяются, когда горячие газы выталкиваются через открытый конец канала.

Одним из преимуществ RDE является то, что он может работать как реактивный самолет, так и как ракета. В нижних слоях атмосферы воздух можно засасывать в аппарат и подавать в канал, но в космическом вакууме его можно заменить жидким кислородом или другим окислителем.

Еще один плюс в том, что, в отличие от других воздушно-реактивных двигателей, РДЭ может поддерживать горение на сверхзвуковых скоростях. Большинство других сверхзвуковых или гиперзвуковых двигателей должны замедлять воздух до дозвуковых скоростей, прежде чем его можно будет подавать в камеру сгорания, но в RDE воздух может поступать с гораздо большей скоростью, что позволяет упростить конструкцию.

В настоящее время нет действующих RDE, но ВМС США, НАСА, Aerojet Rocketdyne, российское НПО «Энергомаш» и такие партнерства, как Сиднейский университет и оборонный подрядчик DefendTex, работают над теоретическими моделями, которые потребуются для создания реальных двигателей. . Группа по чистому горению Сиднейского университета вместе с DefendTEx и другими международными партнерами работает в рамках проекта International Responsive Access to Space, финансируемого за счет гранта правительства Австралии, для разработки RDE для космической отрасли страны.

Под руководством доцента Мэтью Клири команда из Сиднея изучает, как происходит сгорание в RDE, уделяя особое внимание гидродинамическому моделированию для определения эффективности двигателя. Есть надежда, что RDE позволит создавать более мелкие, легкие и менее дорогие ракеты, которые смогут выводить на орбиту большие полезные нагрузки и могут обеспечить первый суверенный космический запуск Австралии.

«С момента запуска проекта мы работали с нашими сотрудниками над разработкой новых вычислительных методов для исследования сверхзвукового горения, процесса, известного как детонация, — говорит Клири. «Наши предварительные результаты моделирования модели вращающегося детонационного двигателя привели к некоторым интересным выводам об устойчивости детонации в кольцевом канале, в частности, в отношении важности проектирования геометрии камеры сгорания таким образом, чтобы детонация была стабильной, а ракетная тяга могла поддерживаться постоянно. Эта информация передается нашим сотрудникам, которые сейчас начинают работу по наземным испытаниям двигателя».

Источник: Сиднейский университет

Дэвид Сонди

Дэвид Сонди — драматург, писатель и журналист из Сиэтла, штат Вашингтон. Вышедший на пенсию полевой археолог и преподаватель университета, он имеет опыт работы в области истории науки, техники и медицины, уделяя особое внимание аэрокосмическим, военным и кибернетическим предметам. Кроме того, он является автором четырех отмеченных наградами пьес, романа, рецензий и множества научных работ, от промышленной археологии до права. Дэвид работал автором статей во многих международных журналах, а с 2011 года — в New Atlas.

Исследователи UCF разработали новую новаторскую ракетную двигательную установку

Исследователь из Университета Центральной Флориды и его команда разработали усовершенствованную новую ракетную двигательную установку, которая когда-то считалась невозможной.

Система, известная как вращающийся детонационный ракетный двигатель, позволит разгонным блокам ракет для космических миссий стать легче, лететь дальше и сгорать чище.

Результаты были опубликованы в этом месяце в журнале Combustion and Flame.

«В исследовании впервые представлены экспериментальные доказательства безопасной и функционирующей детонации водородного и кислородного топлива в ракетном двигателе с вращающейся детонацией», — говорит Карим Ахмед, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники UCF, возглавлявший исследование. исследовательская работа.

Вращающиеся взрывы являются непрерывными, взрывы со скоростью 5 Маха, которые вращаются внутри ракетного двигателя, и взрывы поддерживаются за счет подачи в систему водорода и кислорода в нужном количестве.

Эта система повышает эффективность ракетного двигателя, так что вырабатывается больше энергии при использовании меньшего количества топлива, чем при использовании традиционных ракетных энергий, тем самым облегчая нагрузку на ракету и снижая ее стоимость и выбросы.

Эта система повышает эффективность ракетного двигателя, благодаря чему вырабатывается больше энергии при использовании меньшего количества топлива, чем при использовании традиционных ракетных энергий, что снижает нагрузку на ракету и снижает ее стоимость и выбросы.

Взрывы со скоростью 5 Махов создают выбросы энергии, которые распространяются со скоростью от 4500 до 5600 миль в час, что более чем в пять раз превышает скорость звука. Они заключены в прочный корпус двигателя, изготовленный из меди и латуни.

Эта технология изучалась с 1960-х годов, но не увенчалась успехом из-за используемых химических пропеллентов или способов их смешивания.

Группа Ахмеда добилась успеха, тщательно сбалансировав скорость подачи топлива, водорода и кислорода в двигатель.

«Мы должны настроить размеры форсунок, выпускающих топливо, чтобы улучшить смешивание для местной водородно-кислородной смеси», — говорит Ахмед. «Итак, когда для этой свежей смеси происходит вращающийся взрыв, он все еще поддерживается. Потому что, если ваша композиционная смесь немного отличается, она будет иметь тенденцию к дефлаграции или медленному горению вместо детонации».

Команда Ахмеда также должна была зафиксировать доказательства своей находки. Они сделали это, введя трассер в поток водородного топлива и измерив детонационные волны с помощью высокоскоростной камеры.

«Вам нужен трассировщик, чтобы увидеть тот взрыв, который происходит внутри, и отследить его движение», — говорит он. «Разработка этого метода для характеристики динамики детонационной волны — еще один вклад в эту статью».

Уильям Харгус, руководитель исследовательской лаборатории ВВС США по программе вращающихся детонационных ракетных двигателей, является соавтором исследования и начал работать с Ахмедом над проектом прошлым летом.

«Как продвинутый специалист по спектроскопии двигателей, я осознал некоторые уникальные проблемы, связанные с наблюдением за структурами детонации водорода, — говорит Харгус. «Посоветовавшись с профессором Ахмедом, мы смогли сформулировать слегка модифицированный экспериментальный аппарат, который значительно увеличил соответствующий уровень сигнала».

«Результаты этих исследований уже получили отклик в международном исследовательском сообществе, — говорит Харгус. «Из-за этих результатов несколько проектов в настоящее время пересматривают детонационное сгорание водорода во вращающихся детонационных ракетных двигателях. Я очень горжусь тем, что имею отношение к этому высококачественному исследованию».

«Результаты этих исследований уже получили резонанс в международном исследовательском сообществе». — Уильям Харгус, соавтор исследования

Исследование проводилось при финансовой поддержке Управления научных исследований ВВС США и контракта на исследовательскую лабораторию ВВС.

Среди соавторов Джонатан Соса, научный сотрудник Исследовательской лаборатории двигателей и энергии UCF с докторской степенью; Роберт Берк, докторант кафедры машиностроения и аэрокосмической техники UCF; Дэниел Дж. Мика из Creare, LLC; и Джон В. Бенневиц, Стивен А. Данчик и Эрик Дж. Полсон из Исследовательской лаборатории ВВС США.

Исследование проводилось в Исследовательской лаборатории двигателей и энергии UCF.

Ахмед получил докторскую степень в области машиностроения в Университете Буффало — Университете штата Нью-Йорк.