СОСТОЯНИЕ И НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ
РАЗВИТИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЕХНИКИ

Василий Богданов, д.т.н., ОАО "НПО "Сатурн"

(Окончание. Начало в № 5 - 2005).

Дальнейшее повышение скорости полета (с обеспечением тяги и на нулевой скорости) может обеспечить пульсирующий детонационный воздушно-реактивный двигатель (ПуДД), в котором функции компрессора, камеры сгорания и турбины выполняет детонационная волна. Благодаря этому стоимость ПуДД может быть примерно впятеро меньше, чем у ГТД.

тсутствие турбины обеспечивает работоспособность ПуДД при максимальных скоростях, соответствующих прямоточным ВРД. Детонационный процесс характеризуется высокой быстротечностью химической реакции - детонация обычно протекает в 100 раз быстрее, чем обычное горение, а давление продуктов при этом вдвое выше, чем при сгорании в постоянном объеме. Достаточно простой принцип работы, однако, требует решения ряда проблем. Основной является та, что в традиционных для авиации керосино-воздушных смесях трудно инициировать и управлять детонацией, а также затруднен перевод энергетического потенциала детонационного процесса в тягу.

Классический облик ПуДД таков: цилиндрическая камера сгорания имеет плоскую или специально спрофилированную стенку, именуемую "тяговой стенкой". Воздухозаборник расположен по периферии вокруг "тяговой стенки", но несколько позади ее. Противоположный (задний) конец камеры открыт и снабжен обычным сверхзвуковым соплом.

Вначале в камеру сгорания подают горючую смесь. Затем с помощью специального устройства создают в ней детонационную волну, которая движется в сторону "тяговой стенки". Когда волна встречает "тяговую стенку" в переднем конце камеры, она отражается от нее, ускоряя большую часть продуктов сгорания, истекающих затем через сверхзвуковое сопло и дающих тягу.
Незначительная часть продуктов сгорания выходит с радиальной волной через воздухозаборник. Облик ПуДД совершенствуется, в настоящее время известен целый ряд конструкций двигателей этого типа.

Следует отметить, что пока для экспериментальных образцов ПуВРД характерна невысокая стоимость. Начальный этап освоения новой технологии требует намного меньше средств, чем создание ГТД очередного поколения.

Для исследования пульсирующего рабочего процесса в реактивных двигателях в ОАО "НПО "Сатурн" был создан экспериментальный ПуВРД на базе камеры сгорания постоянного объема (КС с V = const) с самоприводящимся золотником. В процессе работы камеры при вращении золотника последовательно происходит: наполнение золотника воздухом, подаваемым со входа, впрыск топлива форсункой, воспламенение свечой и сгорание в закрытом объеме (V = const), истечение газов через выходное устройство и продувка. Часть газов истекает через сопло в золотнике, создавая на нем вращающий момент.

При экспериментальных исследованиях ПуВРД установлено, что измеренная тяга почти в 3 раза превысила расчетную, определенную по внутридвигательным параметрам при допущении "квазистационарности" процесса истечения.

Анализ показал, что в созданном ПуВРД с частотой примерно 200 раз в секунду реализуется известный из теории взрыва эффект: при одномерном разлете продуктов детонации импульс в атмосфере в три раза выше, чем в вакууме [см. Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва, М.: Наука. 1975]. Это объясняется тем, что при истечении цикловой массы газа перед ней происходит присоединение внешней массы воздуха, повышающее импульс. В той же работе показано, что при взаимодействии газа с атмосферой возбуждается колебательный процесс, поэтому в определенные промежутки времени газ движется обратно к источнику. Как показывает анализ, он может стать присоединенной массой для следующего цикла. Это возможно в резонансном режиме - при подаче газа следующего цикла в момент прихода к источнику отработанного газа.

Дальнейший анализ явления показал, что в ряде случаев начинается взаимодействие цикловых масс, обусловленное разностью скоростей U их передней и хвостовой частей при отсутствии разрыва (скважности) между ними. Как следствие, возможен колебательный резонансный процесс, описанный выше, в результате которого может происходить неоднократное использование отработанной цикловой массы газа как присоединенной, т.е. расход газа, участвующего в создании тяги будет больше измеренного.

Для подтверждения эффекта от взаимодействия цикловых масс газа в условиях космоса ведется подготовка к проведению эксперимента на вакуумном стенде.

Поскольку в результате взаимодействия масс повышается тяговый к.п.д., то этот эффект целесообразно использовать в реактивных двигателях, обладающих особенно высоким удельным импульсом и работающих с низким тяговым к.п.д., в том числе в двигателях: первых ступеней ракет-носителей; торможения; ориентации космических аппаратов и в подъемных двигателях для самолетов вертикального взлета и посадки.

Особый интерес представляют электроракетные двигатели, которые имеют очень высокий удельный импульс и обладают возможностью создавать пульсирующий рабочий процесс с заданными характеристиками при сравнительно простом методе управления параметрами электрического напряжения.

При исследованиях в ОАО "НПО "Сатурн" ПуВРД с эжекторным усилителем тяги, благодаря волновому способу передачи энергии получен к.п.д. процесса эжектирования, равный ~ 0,7, что близко к уровню к.п.д. передачи энергии от турбины к вентилятору в ГТД. Это позволяет создать двигатель для беспилотного летательного аппарата с экономичностью, близкой к уровню, соответствующему ТРД при значительно меньшей стоимости.

В настоящее время проводятся исследования по форсированию тяги за счет дожигания продуктов сгорания в эжекторном канале в ударных волнах. Получено увеличение тяги в ~ 1,5 раза. Конечная цель исследований - получение высокоэффективного детонационного сгорания уже с подачей топлива в эжекторный канал, который и будет в основном создавать тягу.

Почти трехкратное увеличение тяги ПуВРД было зафиксировано на тяговой стенке. Возможность получения больших усилий на стенке при воздействии на нее пульсирующей струи газа может быть использована как новый способ создания подъемной силы. В настоящее время все еще проявляется интерес к машущему полету. В статье М.Г. Булычева "Анализ целесообразности решения проблемы машущего полета" [см. Полет № 10, 2004] представлен анализ результатов различных исследований машущего полета птиц и насекомых, показана актуальность исследований, проводимых в этом направлении. Известно, что полет майского жука, имеющего две пары крыльев, вообще противоречит законам стационарной аэродинамики. Анализ работы крыльев майского жука позволяет предполагать, что они взаимодействуют как в отмеченном выше эксперименте - ПуВРД и тяговая стенка. Таким образом, система, состоящая из источника, создающего пульсации в воздушном потоке, натекающем на неподвижное крыло, может заменить машущие крылья. Известно, что для частот пульсаций более 400 Гц не возникает проблем с прочностью конструкции, кроме того, недостаток в подъемной силе имеет место, в основном, при взлете и посадке, т.е. достаточно кратковременно. При этом благодаря малой скорости полета пульсирующие возмущения могут распространяться вперед, формируя перед всем крылом колебания в воздушном потоке.

Большой эффект может дать применение пульсирующего рабочего процесса (V = const) и в приводных ГТД. Однако его до сих пор не удалось реализовать из-за пониженного к.п.д. турбины, работающей в пульсирующем потоке газа. Эту проблему можно решить применением в ГТД роторно-поршневой расширительной машины в качестве турбины высокого давления. Этот принцип имеет преимущества: скорость потока газов на выходе из камеры сгорания определяется, в основном, скоростью вращения ротора (при их согласованной работе) и не превышает 0,1 от местной скорости звука, т.е. гидравлические потери, связанные с перетеканием газа из камеры в расширительную машину, оказываются малыми; охлаждаемый ротор выдерживает более высокую температуру газов Тг, чем охлаждаемая турбина. У лучших авиационных турбин (1750 К), а в существующих роторных двигателях температура Тг = 2800 К, т.е. такой двигатель можно выполнить стехиометрическим и тем самым в полной мере реализовать преимущества цикла V = const; роторная машина имеет меньшую стоимость, чем охлаждаемая турбина; повышение удельной мощности почти в 3 раза (более 1000 кВт/(кг·с)) в основном за счет стехиометричности позволяет уменьшить примерно в 5 раз объем и массу компрессора, турбины.

Таким образом, решается не только проблема повышения к.п.д. процесса расширения, но и за счет резкого увеличения температуры газов наиболее полно реализуются преимущества цикла V = const и возможно улучшение конструктивных параметров ГТД. Эффективный к.п.д. этой силовой установки может достичь уровня 0,6.

В предлагаемой конструкции целесообразно применение неметаллических жаропрочных материалов. Неметаллы имеют низкий коэффициент теплового расширения, что позволяет применить в роторной машине лабиринтные уплотнения и тем самым значительно (в 2...3 раза) увеличить частоту вращения ротора. Расчетные исследования роторно-поршневой машины из жаропрочных неметаллов и проведенные испытания винтового компрессора как двигателя показали, что в двигательном режиме работы роторно-поршневая машина имеет к.п.д. на 8...10 % выше, чем в компрессорном (0,75...0,79). Это позволяет при освоенных технологиях изготовления иметь к.п.д. процесса расширения в такой машине из неметаллов на уровне ~ 0,85.
Высокая эффективность рассматриваемой концепции применения объемных роторных машин в двигателе в качестве компрессора и турбины подтверждена опытным образцом, созданном в Техасском университете (США).