Existujúce pohonné systémy pre letectvo a rakety vykazujú veľmi vysoký výkon, ale priblížili sa k hranici svojich schopností. Na ďalšie zvýšenie parametrov ťahu, ktoré vytvára základ pre rozvoj leteckého raketového a vesmírneho priemyslu, sú potrebné ďalšie motory vč. s novými zásadami práce. Veľké nádeje sa vkladajú do tzv. detonačné motory. Takéto systémy triedy impulzov sa už testujú v laboratóriách a na lietadlách.
Fyzikálne princípy
Existujúce a pracujúce motory na kvapalné palivá používajú podzvukové spaľovanie alebo deflagráciu. Chemická reakcia zahŕňajúca palivo a oxidačné činidlo tvorí čelo, ktoré sa pohybuje spaľovacou komorou podzvukovou rýchlosťou. Toto spaľovanie obmedzuje množstvo a rýchlosť reaktívnych plynov prúdiacich von z dýzy. V súlade s tým je obmedzený aj maximálny ťah.
Alternatívou je detonačné spaľovanie. V tomto prípade sa reakčný front pohybuje nadzvukovou rýchlosťou a vytvára šokovú vlnu. Tento režim spaľovania zvyšuje výťažok plynných produktov a poskytuje zvýšenú trakciu.
Detonačný motor môže byť vyrobený v dvoch verziách. Súčasne sa vyvíjajú impulzné alebo pulzujúce motory (IDD / PDD) a rotačné / rotačné. Ich rozdiel spočíva v princípoch spaľovania. Rotačný motor udržiava konštantnú reakciu, zatiaľ čo impulzný motor pracuje postupnými „výbuchmi“zmesi paliva a oxidačného činidla.
Impulzy tvoria ťah
Teoreticky nie je jeho konštrukcia komplikovanejšia ako tradičný raketový motor s nárazníkom alebo kvapalným pohonom. Obsahuje zostavu spaľovacej komory a trysky, ako aj prostriedky na dodávku paliva a okysličovadla. V tomto prípade sú na pevnosť a trvanlivosť konštrukcie uložené špeciálne obmedzenia súvisiace so zvláštnosťami činnosti motora.
Počas prevádzky vstrekovače dodávajú palivo do spaľovacej komory; oxidačné činidlo sa dodáva z atmosféry pomocou zariadenia na prívod vzduchu. Po vytvorení zmesi dôjde k vznieteniu. Vďaka správnemu výberu zložiek paliva a proporcií zmesi, optimálnej metóde zapaľovania a konfigurácii komory sa vytvorí rázová vlna pohybujúca sa v smere dýzy motora. Súčasná úroveň technológie umožňuje dosiahnuť rýchlosť vĺn až 2,5-3 km / s so zodpovedajúcim zvýšením ťahu.
IDD používa pulzujúci princíp činnosti. To znamená, že po detonácii a uvoľnení reaktívnych plynov sa spaľovacia komora vyfúkne, znova naplní zmesou - a nasleduje nový „výbuch“. Aby sa dosiahol vysoký a stabilný ťah, musí sa tento cyklus vykonávať s vysokou frekvenciou, desiatky až tisíckrát za sekundu.
Ťažkosti a výhody
Hlavnou výhodou IDD je teoretická možnosť získania zlepšených charakteristík, ktoré poskytujú nadradenosť nad existujúcimi a perspektívnymi motormi pre ramjet a kvapalné palivo. S rovnakým ťahom sa teda impulzný motor stane kompaktnejším a ľahším. V súlade s tým môže byť v rovnakých rozmeroch vytvorená výkonnejšia jednotka. Navyše je taký motor konštrukčne jednoduchší, pretože nepotrebuje časť prístrojového vybavenia.
IDD funguje v širokom rozsahu rýchlostí, od nuly (na začiatku rakety) po hypersonické. Môže nájsť uplatnenie v raketových a vesmírnych systémoch a v letectve - v civilných a vojenských oblastiach. Jeho charakteristické vlastnosti vo všetkých prípadoch umožňujú získať určité výhody oproti tradičným systémom. V závislosti od potrieb je možné vytvoriť raketový IDD pomocou okysličovadla z nádrže alebo reagujúceho na vzduch, ktorý odoberá kyslík z atmosféry.
Existujú však značné nevýhody a ťažkosti. Na zvládnutie nového smeru je teda potrebné vykonať rôzne pomerne zložité štúdie a experimenty na rozhraní rôznych vied a odborov. Špecifický prevádzkový princíp kladie špeciálne požiadavky na konštrukciu motora a jeho materiály. Cena vysokého ťahu je zvýšené zaťaženie, ktoré môže poškodiť alebo zničiť konštrukciu motora.
Úlohou je zaistiť vysokú rýchlosť dodávania paliva a okysličovadla zodpovedajúcu požadovanej detonačnej frekvencii, ako aj vykonať preplachovanie pred dodávkou paliva. Samostatným technickým problémom je navyše spustenie rázovej vlny v každom cykle prevádzky.
Treba poznamenať, že k dnešnému dňu IDD, napriek všetkému úsiliu vedcov a dizajnérov, nie je pripravené prekročiť hranice laboratórií a testovacích miest. Dizajn a technológie vyžadujú ďalší vývoj. Preto ešte nie je potrebné hovoriť o zavedení nových motorov do praxe.
História technológie
Je zvláštne, že princíp pulzného detonačného motora najskôr nenavrhli vedci, ale spisovatelia sci -fi. Napríklad ponorka „Pioneer“z románu G. Adamova „Tajomstvo dvoch oceánov“používala IDD na zmes plynného vodíka a kyslíka. Podobné nápady figurovali aj v iných umeleckých dielach.
Vedecký výskum na tému detonačných motorov sa začal o niečo neskôr, v štyridsiatych rokoch, a priekopníkmi smeru boli sovietski vedci. V budúcnosti sa v rôznych krajinách opakovane pokúšali vytvoriť skúseného IDD, ale ich úspech bol vážne obmedzený nedostatkom potrebných technológií a materiálov.
31. januára 2008 začala agentúra DARPA amerického ministerstva obrany a laboratória leteckých síl testovať prvé lietajúce laboratórium s IDD dýchajúcim vzduchom. Pôvodný motor bol nainštalovaný na upravené lietadlo Long-EZ od Scale Composites. Elektráreň obsahovala štyri rúrkové spaľovacie komory s prívodom kvapalného paliva a prívodom vzduchu z atmosféry. Pri detonačnej frekvencii 80 Hz má ťah cca. 90 kgf, čo stačilo iba na ľahké lietadlo.
Tieto testy ukázali základnú vhodnosť IDD na použitie v letectve a tiež ukázali potrebu zlepšiť návrhy a zvýšiť ich vlastnosti. V tom istom roku 2008 bol prototyp lietadla odoslaný do múzea a DARPA a súvisiace organizácie pokračovali v práci. Informovalo sa o možnosti použitia IDD v sľubných raketových systémoch - zatiaľ však neboli vyvinuté.
U nás bola téma IDD študovaná na úrovni teórie a praxe. Napríklad v roku 2017 sa v časopise Combustion and Explosion objavil článok o testoch detonačného rázového motora poháňaného plynným vodíkom. Pokračujú tiež práce na rotačných detonačných motoroch. Bol vyvinutý a testovaný raketový motor na kvapalné palivo vhodný na použitie na raketách. Problematika použitia takýchto technológií v leteckých motoroch sa skúma. V tomto prípade je detonačná spaľovacia komora integrovaná do prúdového motora.
Perspektíva technológie
Detonačné motory sú veľmi zaujímavé z hľadiska ich aplikácie v rôznych oblastiach a oblastiach. Vzhľadom na očakávané zvýšenie hlavných charakteristík môžu prinajmenšom vytlačiť systémy existujúcich tried. Zložitosť teoretického a praktického rozvoja im však zatiaľ neumožňuje začať používať v praxi.
V posledných rokoch sú však pozorované pozitívne trendy. Detonačné motory všeobecne, vč. pulzný, stále častejšie sa objavuje v správach z laboratórií. Vývoj týmto smerom pokračuje a v budúcnosti bude schopný poskytnúť požadované výsledky, aj keď načasovanie vzhľadu sľubných vzoriek, ich vlastnosti a oblasti použitia sú stále otázne. Posolstvá posledných rokov nám však umožňujú pozerať sa do budúcnosti s optimizmom.
