Stávající pohonné systémy pro letectví a rakety vykazují velmi vysoký výkon, ale přiblížily se hranici svých schopností. Pro další zvýšení tahových parametrů, které vytváří základy pro rozvoj leteckého raketového a vesmírného průmyslu, jsou zapotřebí další motory vč. s novými principy práce. Velké naděje se upínají na tzv. detonační motory. Takové systémy pulzní třídy se již testují v laboratořích a na letadlech.
Fyzikální principy
Stávající a fungující motory na kapalná paliva používají podzvukové spalování nebo deflagraci. Chemická reakce zahrnující palivo a oxidační činidlo tvoří čelo, které se pohybuje spalovací komorou podzvukovou rychlostí. Toto spalování omezuje množství a rychlost reaktivních plynů proudících z trysky. Proto je také omezen maximální tah.
Alternativou je detonační spalování. V tomto případě se reakční fronta pohybuje nadzvukovou rychlostí a vytváří rázovou vlnu. Tento režim spalování zvyšuje výtěžek plynných produktů a zajišťuje zvýšenou trakci.
Detonační motor může být vyroben ve dvou verzích. Současně se vyvíjejí impulzní nebo pulzující motory (IDD / PDD) a rotační / rotační. Jejich rozdíl spočívá v principech spalování. Rotační motor udržuje konstantní reakci, zatímco impulsní motor pracuje postupnými „výbuchy“směsi paliva a okysličovadla.
Impulzy tvoří tah
Jeho konstrukce není teoreticky o nic složitější než tradiční raketový motor s náporovým nebo kapalným pohonem. Obsahuje sestavu spalovací komory a trysky, jakož i prostředky pro dodávku paliva a okysličovadla. V tomto případě jsou na pevnost a trvanlivost konstrukce uložena zvláštní omezení spojená se zvláštnostmi provozu motoru.
Během provozu vstřikovače dodávají palivo do spalovací komory; oxidační činidlo je dodáváno z atmosféry pomocí zařízení pro přívod vzduchu. Po vzniku směsi dochází ke vznícení. Díky správnému výběru složek paliva a poměru směsi, optimálnímu způsobu zapalování a konfiguraci komory se vytvoří rázová vlna pohybující se ve směru trysky motoru. Současná úroveň technologie umožňuje dosáhnout rychlosti vlny až 2,5-3 km / s s odpovídajícím zvýšením tahu.
IDD používá pulzující princip činnosti. To znamená, že po detonaci a uvolnění reaktivních plynů je spalovací komora vyfouknuta, znovu naplněna směsí - a následuje nový „výbuch“. Aby byl získán vysoký a stabilní tah, musí být tento cyklus prováděn s vysokou frekvencí, desítky až tisícekrát za sekundu.
Obtíže a výhody
Hlavní výhodou IDD je teoretická možnost získání vylepšených charakteristik, které poskytují převahu nad stávajícími a potenciálními motory s náporovým a kapalným pohonem. Impulsní motor je tedy při stejném tahu kompaktnější a lehčí. V souladu s tím může být ve stejných rozměrech vytvořena výkonnější jednotka. Kromě toho je takový motor konstrukčně jednodušší, protože nepotřebuje část přístrojového vybavení.
IDD funguje v širokém rozsahu rychlostí, od nuly (na startu rakety) po hypersonické. Může najít uplatnění v raketových a vesmírných systémech a v letectví - v civilních i vojenských oblastech. Jeho charakteristické vlastnosti ve všech případech umožňují získat určité výhody oproti tradičním systémům. V závislosti na potřebách je možné vytvořit IDD rakety pomocí okysličovadla z nádrže nebo vzduchem reagujícího, které odebírá kyslík z atmosféry.
Existují však značné nevýhody a potíže. Abychom zvládli nový směr, je nutné provést různé poměrně složité studie a experimenty na křižovatce různých věd a oborů. Specifický provozní princip klade zvláštní nároky na konstrukci motoru a jeho materiály. Cenou vysokého tahu je zvýšené zatížení, které může poškodit nebo zničit konstrukci motoru.
Úkolem je zajistit vysokou rychlost dodávky paliva a okysličovadla, která odpovídá požadované detonační frekvenci, a také provést čištění před dodávkou paliva. Kromě toho je samostatným technickým problémem spuštění rázové vlny v každém cyklu provozu.
Je třeba poznamenat, že k dnešnímu dni nejsou IDD přes veškerou snahu vědců a designérů připraveni překročit hranice laboratoří a testovacích míst. Návrhy a technologie vyžadují další vývoj. Proto zatím není nutné hovořit o zavádění nových motorů do praxe.
Historie technologie
Je zvláštní, že princip pulzního detonačního motoru poprvé nenavrhli vědci, ale spisovatelé sci -fi. Například ponorka „Pioneer“z románu G. Adamova „Tajemství dvou oceánů“používala IDD na směs plynného vodíku a kyslíku. Podobné nápady se objevily i v jiných uměleckých dílech.
Vědecký výzkum na téma detonačních motorů začal o něco později, ve čtyřicátých letech, a průkopníky směru byli sovětští vědci. V budoucnosti se v různých zemích opakovaně pokoušely vytvořit zkušeného IDD, ale jejich úspěch byl vážně omezen nedostatkem potřebných technologií a materiálů.
31. ledna 2008 zahájila agentura DARPA amerického ministerstva obrany a laboratoře letectva testování první létající laboratoře s IDD typu dýchající vzduch. Původní motor byl instalován na upravený letoun Long-EZ od Scale Composites. Součástí elektrárny byly čtyři trubkové spalovací komory s přívodem kapalného paliva a přívodem vzduchu z atmosféry. Při detonační frekvenci 80 Hz má tah cca. 90 kgf, což stačilo jen na lehká letadla.
Tyto testy ukázaly základní vhodnost IDD pro použití v letectví a také ukázaly potřebu zlepšit návrhy a zlepšit jejich vlastnosti. Ve stejném roce 2008 byl prototyp letadla odeslán do muzea a DARPA a související organizace pokračovaly v práci. Bylo hlášeno o možnosti použití IDD v slibných raketových systémech - ale zatím nebyly vyvinuty.
U nás bylo téma IDD studováno na úrovni teorie a praxe. Například v roce 2017 se v časopise Combustion and Explosion objevil článek o testech detonačního náporového motoru běžícího na plynný vodík. Pokračují také práce na rotačních detonačních motorech. Byl vyvinut a testován raketový motor na kapalná paliva, vhodný pro použití na raketách. Problematika používání takových technologií v leteckých motorech je studována. V tomto případě je detonační spalovací komora integrována do proudového motoru.
Perspektiva technologie
O detonační motory je velký zájem z hlediska jejich aplikace v různých oborech a oborech. Vzhledem k očekávanému nárůstu hlavních charakteristik mohou přinejmenším vytlačit systémy stávajících tříd. Složitost teoretického a praktického vývoje jim však zatím neumožňuje přijít do praxe.
V posledních letech jsou však pozorovány pozitivní trendy. Detonační motory obecně, vč. pulzní, stále častěji se objevují ve zprávách z laboratoří. Vývoj tímto směrem pokračuje a v budoucnu bude schopen poskytnout požadované výsledky, ačkoli načasování vzhledu slibných vzorků, jejich vlastnosti a oblasti použití jsou stále v otázce. Poselství posledních let nám však umožňuje dívat se do budoucnosti s optimismem.
