Nykyiset ilma- ja ohjusten käyttövoimajärjestelmät osoittavat erittäin korkeaa suorituskykyä, mutta ne ovat lähestyneet kykyjensä rajaa. Paineparametrien lisäämiseksi edelleen, mikä luo perustan ilmailuraketti- ja avaruusteollisuuden kehittämiselle, tarvitaan muita moottoreita, mm. uusilla työperiaatteilla. Suuria toiveita pannaan ns. räjähdysmoottorit. Tällaisia pulssiluokan järjestelmiä testataan jo laboratorioissa ja lentokoneissa.
Fyysiset periaatteet
Nykyiset ja toimivat nestepolttoainemoottorit käyttävät alleäänistä palamista tai deflagointia. Kemiallinen reaktio, johon liittyy polttoainetta ja hapetinta, muodostaa rintaman, joka liikkuu palotilan läpi aliäänellä. Tämä palaminen rajoittaa suuttimesta virtaavien reaktiivisten kaasujen määrää ja nopeutta. Näin ollen myös suurin työntövoima on rajoitettu.
Räjähdyspoltto on vaihtoehto. Tässä tapauksessa reaktiorintama liikkuu yliäänellä ja muodostaa iskuaallon. Tämä palamistila lisää kaasumaisten tuotteiden saantia ja lisää vetovoimaa.
Räjähdysmoottori voidaan valmistaa kahdessa versiossa. Samaan aikaan kehitetään pulssi- tai sykkivämoottoreita (IDD / PDD) ja pyöriviä / pyöriviä moottoreita. Niiden ero on palamisperiaatteissa. Pyörivä moottori ylläpitää jatkuvaa reaktiota, kun taas impulssimoottori toimii peräkkäisillä "räjähdyksillä" polttoaineen ja hapettimen seoksesta.
Impulssit muodostavat työntövoiman
Teoriassa sen rakenne ei ole monimutkaisempi kuin perinteinen ramjet- tai nestepolttoainerakettimoottori. Se sisältää polttokammion ja suutinyksikön sekä välineet polttoaineen ja hapettimen syöttämiseksi. Tässä tapauksessa rakenteen lujuudelle ja kestävyydelle asetetaan erityisiä rajoituksia, jotka liittyvät moottorin toiminnan erityispiirteisiin.
Käytön aikana suuttimet syöttävät polttoainetta polttokammioon; hapetin toimitetaan ilmakehästä ilmanottolaitteen avulla. Seoksen muodostumisen jälkeen syttyy. Polttoaineosien ja seoksen osuuksien oikean valinnan, optimaalisen sytytysmenetelmän ja kammion kokoonpanon ansiosta muodostuu iskuaalto, joka liikkuu moottorin suuttimen suuntaan. Nykyinen tekniikan taso mahdollistaa jopa 2,5-3 km / s aallonopeuden ja vastaavan työntövoiman lisäämisen.
IDD käyttää sykkivää toimintaperiaatetta. Tämä tarkoittaa, että räjähdyksen ja reaktiivisten kaasujen vapautumisen jälkeen polttokammio puhalletaan ulos, täytetään uudelleen seoksella - ja seuraava "räjähdys". Korkean ja vakaan työntövoiman saavuttamiseksi tämä sykli on suoritettava suurella taajuudella, kymmenistä tuhansiin kertoihin sekunnissa.
Vaikeudet ja edut
IDD: n tärkein etu on teoreettinen mahdollisuus saada parempia ominaisuuksia, jotka tarjoavat paremmuuden olemassa oleviin ja tuleviin ramjet- ja nestepolttoainemoottoreihin verrattuna. Joten samalla työntövoimalla impulssimoottori on pienempi ja kevyempi. Näin ollen voidaan luoda tehokkaampi yksikkö samoihin mittoihin. Lisäksi tällainen moottori on rakenteeltaan yksinkertaisempi, koska se ei tarvitse osaa laitteistosta.
IDD toimii monilla nopeuksilla, nollasta (raketin alussa) hypersoniciin. Sitä voidaan käyttää raketti- ja avaruusjärjestelmissä sekä ilmailussa - siviili- ja sotilasaloilla. Kaikissa tapauksissa sen ominaispiirteet mahdollistavat tiettyjen etujen saamisen perinteisiin järjestelmiin verrattuna. Tarpeista riippuen on mahdollista luoda raketti-IDD käyttämällä säiliön hapetinta tai ilmareagoivaa, joka ottaa happea ilmakehästä.
On kuitenkin merkittäviä haittoja ja vaikeuksia. Joten uuden suunnan hallitsemiseksi on tarpeen suorittaa erilaisia melko monimutkaisia tutkimuksia ja kokeita eri tieteiden ja tieteenalojen risteyksessä. Erityinen toimintaperiaate asettaa erityisiä vaatimuksia moottorin rakenteelle ja sen materiaaleille. Korkean työntövoiman hinta on lisääntynyt kuormitus, joka voi vahingoittaa tai tuhota moottorin rakenteen.
Haasteena on varmistaa korkea polttoaineen ja hapettimen toimitusnopeus, joka vastaa vaadittua räjähdystaajuutta, sekä suorittaa puhdistus ennen polttoaineen annostelua. Lisäksi erillinen tekninen ongelma on iskuaallon laukaiseminen jokaisessa käyttöjaksossa.
On huomattava, että tähän mennessä IDD ei ole kaikista tiedemiesten ja suunnittelijoiden ponnisteluista huolimatta valmis menemään pidemmälle kuin laboratorioissa ja testauspaikoissa. Malleja ja tekniikoita on kehitettävä edelleen. Siksi ei ole vielä tarpeen puhua uusien moottoreiden käyttöönotosta käytännössä.
Tekniikan historia
On uteliasta, että pulssillisen räjähdysmoottorin periaatetta eivät ensin esittäneet tiedemiehet vaan tieteiskirjailijat. Esimerkiksi sukellusvene "Pioneer" G. Adamovin romaanista "Kahden valtameren mysteeri" käytti IDD: tä vety-happikaasuseoksessa. Samanlaisia ajatuksia esiintyi muissakin taideteoksissa.
Tieteellinen tutkimus räjähdysmoottorien aiheesta alkoi hieman myöhemmin, neljäkymmentäluvulla, ja suunnan pioneerit olivat Neuvostoliiton tutkijoita. Tulevaisuudessa eri maissa yritettiin toistuvasti luoda kokenut IDD, mutta niiden menestystä rajoitti vakavasti tarvittavien tekniikoiden ja materiaalien puute.
31. tammikuuta 2008 Yhdysvaltain puolustusministeriön DARPA-virasto ja ilmavoimien laboratorio alkoivat testata ensimmäistä lentävää laboratoriota, jossa oli ilmahengitystyyppi IDD. Alkuperäinen moottori asennettiin Scale Compositesin muunnettuun Long-EZ-koneeseen. Voimalaitoksessa oli neljä putkimaista polttokammiota, joissa oli nestemäistä polttoainetta ja ilmanotto ilmakehästä. Räjäytystaajuudella 80 Hz työntövoima n. 90 kgf, mikä riitti vain kevyelle lentokoneelle.
Nämä testit osoittivat IDD: n perustavanlaatuisen soveltuvuuden käytettäväksi ilmailussa ja osoittivat myös tarpeen parantaa suunnittelua ja parantaa niiden ominaisuuksia. Samana vuonna 2008 lentokoneen prototyyppi lähetettiin museoon, ja DARPA ja siihen liittyvät organisaatiot jatkoivat työskentelyään. Tiedotettiin mahdollisuudesta käyttää IDD: tä lupaavissa ohjusjärjestelmissä - mutta toistaiseksi niitä ei ole kehitetty.
Maassamme IDD -aihetta tutkittiin teorian ja käytännön tasolla. Esimerkiksi vuonna 2017 artikkeli kaasumaisella vedyllä toimivan räjähtävän ramjet -moottorin testeistä ilmestyi Combustion and Explosion -lehdessä. Työ jatkuu myös pyörivillä räjähdysmoottoreilla. Nestemäistä polttoainetta käyttävä rakettimoottori, joka soveltuu käytettäväksi ohjuksissa, on kehitetty ja testattu. Tällaisten tekniikoiden käyttöä lentokoneiden moottoreissa tutkitaan. Tässä tapauksessa räjähdyspolttokammio on integroitu turbojet -moottoriin.
Teknologianäkökulma
Räjähdysmoottorit ovat erittäin kiinnostavia niiden soveltamisen kannalta eri aloilla ja aloilla. Pääominaisuuksien odotetun kasvun vuoksi ne voivat ainakin puristaa olemassa olevien luokkien järjestelmät pois. Teoreettisen ja käytännön kehityksen monimutkaisuus ei kuitenkaan vielä salli niiden hyödyntämistä käytännössä.
Positiivisia suuntauksia on kuitenkin havaittu viime vuosina. Räjähdysmoottorit yleensä, mm. pulssi, näkyvät yhä enemmän laboratorioiden uutisissa. Tämän suunnan kehittäminen jatkuu, ja tulevaisuudessa se voi antaa toivotut tulokset, vaikka lupaavien näytteiden ilmestymisen ajoitus, niiden ominaisuudet ja käyttöalueet ovat edelleen kyseenalaisia. Viime vuosien viestit antavat meille kuitenkin mahdollisuuden katsoa tulevaisuuteen optimistisesti.
