Americké námorníctvo plánuje v budúcnosti modernizovať elektrárne s plynovými turbínami, ktoré sú v súčasnosti nainštalované na jej lietadlách a lodiach, a nahradiť konvenčné motory v Brightonovom cykle detonačnými rotačnými motormi. Vďaka tomu sa očakáva úspora paliva asi 400 miliónov dolárov ročne. Sériové používanie nových technológií je však podľa odborníkov možné najskôr za desať rokov.
Vývoj rotačných alebo točivých rotačných motorov v Amerike vykonáva Laboratórium výskumu námorníctva USA. Podľa pôvodných odhadov budú nové motory výkonnejšie a tiež zhruba o štvrtinu úspornejšie ako konvenčné motory. Základné princípy fungovania elektrárne zároveň zostanú rovnaké - plyny zo spáleného paliva vstúpia do plynovej turbíny a otáčajú sa jej lopatky. Podľa laboratória amerického námorníctva budú aj v relatívne vzdialenej budúcnosti, keď bude celá americká flotila poháňaná elektrickou energiou, stále zodpovedné za výrobu energie, do určitej miery upravené, plynové turbíny.
Pripomeňme, že vynález pulzujúceho prúdového motora pochádza z konca devätnásteho storočia. Vynálezcom bol švédsky inžinier Martin Wiberg. Nové elektrárne sa rozšírili počas druhej svetovej vojny, aj keď svojimi technickými vlastnosťami boli výrazne nižšie ako v tom čase existujúce letecké motory.
Je potrebné poznamenať, že v tomto čase má americká flotila 129 lodí, ktoré používajú 430 motorov s plynovou turbínou. Náklady na ich palivo sú každý rok asi 2 miliardy dolárov. V budúcnosti, keď budú moderné motory nahradené novými, sa výška nákladov na palivo zmení.
V súčasnosti používané spaľovacie motory pracujú v Brightonovom cykle. Ak definujete podstatu tohto konceptu niekoľkými slovami, potom to všetko príde na postupné miešanie oxidačného činidla a paliva, ďalšie stlačenie výslednej zmesi, potom - podpaľačstvo a spaľovanie s expanziou produktov spaľovania. Toto rozšírenie sa používa iba na pohon, pohyb piestov, otáčanie turbíny, to znamená vykonávanie mechanických činností poskytujúcich konštantný tlak. Proces spaľovania palivovej zmesi sa pohybuje podzvukovou rýchlosťou - tento proces sa nazýva dufflagration.
Pokiaľ ide o nové motory, vedci v nich mienia použiť výbušné spaľovanie, teda detonáciu, pri ktorej dochádza k spaľovaniu nadzvukovou rýchlosťou. A hoci v súčasnosti fenomén detonácie ešte nebol úplne študovaný, je známe, že pri tomto type spaľovania vzniká rázová vlna, ktorá sa šíri zmesou paliva a vzduchu, spôsobuje chemickú reakciu, ktorej výsledkom je uvoľnenie pomerne veľkého množstva tepelnej energie. Keď rázová vlna prejde zmesou, zahreje sa, čo vedie k detonácii.
Pri vývoji nového motora sa plánuje použiť určitý vývoj, ktorý bol dosiahnutý v procese vývoja detonačného pulzujúceho motora. Jeho princíp činnosti spočíva v tom, že vopred stlačená palivová zmes sa privádza do spaľovacej komory, kde sa zapáli a odpaľuje. Spaľovacie produkty expandujú v dýze a vykonávajú mechanické činnosti. Potom sa celý cyklus opakuje od začiatku. Nevýhodou pulzujúcich motorov je však to, že rýchlosť opakovania cyklov je príliš nízka. Navyše samotná konštrukcia týchto motorov sa stáva zložitejšou v prípade zvýšenia počtu pulzácií. Je to spôsobené potrebou synchronizovať činnosť ventilov, ktoré sú zodpovedné za dodávku palivovej zmesi, ako aj priamo samotnými detonačnými cyklami. Pulzujúce motory sú tiež veľmi hlučné, na prevádzku vyžadujú veľké množstvo paliva a práca je možná iba pri konštantnom odmeranom vstrekovaní paliva.
Ak porovnáme detonačné rotačné motory s pulzujúcimi, princíp ich činnosti je mierne odlišný. Nové motory teda predovšetkým zaisťujú neustálu nepretržitú detonáciu paliva v spaľovacej komore. Tento jav sa nazýva rotácia alebo rotačná detonácia. Prvýkrát ho popísal v roku 1956 sovietsky vedec Bogdan Voitsekhovsky. A tento jav bol objavený oveľa skôr, už v roku 1926. Priekopníkmi boli Briti, ktorí si všimli, že v určitých systémoch sa namiesto plochej detonačnej vlny objavila žiarivo žiariaca „hlava“, ktorá sa pohybovala špirálovito.
Voitsekhovsky pomocou fotografického záznamníka, ktorý sám navrhol, fotografoval čelo vlny, ktoré sa pohybovalo v prstencovej spaľovacej komore v palivovej zmesi. Spin detonácia sa líši od rovinnej detonácie v tom, že v nej vzniká jediná šoková priečna vlna, za ktorou nasleduje zahriaty plyn, ktorý nereagoval, a už za touto vrstvou je zóna chemickej reakcie. A je to práve taká vlna, ktorá bráni spaľovaniu samotnej komory, ktorú Marlene Topchiyan nazvala „sploštenou šiškou“.
Treba si uvedomiť, že detonačné motory sa už v minulosti používali. Konkrétne hovoríme o pulzujúcom vzduchovom prúdovom motore, ktorý používali Nemci na konci druhej svetovej vojny na riadených strelách V-1. Jeho výroba bola dosť jednoduchá, používanie bolo dosť jednoduché, ale zároveň tento motor nebol veľmi spoľahlivý na riešenie dôležitých problémov.
Ďalej v roku 2008 vzlietlo do vzduchu experimentálne lietadlo Rutang Long-EZ, vybavené pulzujúcim detonačným motorom. Let trval iba desať sekúnd vo výške tridsať metrov. Počas tejto doby vyvinula elektráreň ťah rádovo 890 Newtonov.
Experimentálnym prototypom motora, ktorý predstavilo americké laboratórium amerického námorníctva, je prstencová kužeľovitá spaľovacia komora s priemerom 14 centimetrov na strane dodávky paliva a 16 centimetrov na strane dýzy. Vzdialenosť medzi stenami komory je 1 centimeter, pričom „trubica“je 17,7 centimetrov dlhá.
Ako palivová zmes sa používa zmes vzduchu a vodíka, ktorá sa dodáva pod tlakom 10 atmosfér do spaľovacej komory. Teplota zmesi je 27,9 stupňov. Táto zmes je považovaná za najvhodnejšiu na štúdium fenoménu spinovej detonácie. Podľa vedcov však v nových motoroch bude možné použiť palivovú zmes pozostávajúcu nielen z vodíka, ale aj z iných horľavých zložiek a vzduchu.
Experimentálne štúdie rotačného motora ukázali jeho väčšiu účinnosť a výkon v porovnaní so spaľovacími motormi. Ďalšou výhodou je výrazná úspora paliva. Počas experimentu sa zároveň ukázalo, že spaľovanie palivovej zmesi v rotačnom „testovacom“motore nie je rovnomerné, preto je potrebné optimalizovať konštrukciu motora.
Spaľovacie produkty, ktoré expandujú v dýze, je možné pomocou kužeľa zhromaždiť v jednom prúde plynu (jedná sa o takzvaný Coandov efekt) a potom tento prúd možno poslať do turbíny. Turbína sa bude otáčať pod vplyvom týchto plynov. Časť práce turbíny je teda možné použiť na pohon lodí a čiastočne na výrobu energie, ktorá je potrebná pre vybavenie lodí a rôzne systémy.
Samotné motory je možné vyrábať bez pohyblivých častí, čo výrazne zjednoduší ich konštrukciu, čo zase zníži náklady na elektráreň ako celok. Ale to je len v perspektíve. Pred spustením nových motorov do sériovej výroby je potrebné vyriešiť mnoho náročných problémov, jedným z nich je výber trvanlivých žiaruvzdorných materiálov.
Všimnite si toho, že v súčasnej dobe sú rotačné detonačné motory považované za jeden z najsľubnejších. Vyvíjajú ich aj vedci z University of Texas v Arlingtone. Elektráreň, ktorú vytvorili, sa nazývala „motor s nepretržitou detonáciou“. Na tej istej univerzite prebieha výskum výberu rôznych priemerov prstencových komôrok a rôznych palivových zmesí, ktoré v rôznych pomeroch obsahujú vodík a vzduch alebo kyslík.
Vývoj v tomto smere prebieha aj v Rusku. V roku 2011 teda podľa generálneho riaditeľa výskumného a výrobného združenia Saturn I. Fedorova vedci z Vedeckého a technického centra Lyulka vyvíjajú pulzujúci vzduchový prúdový motor. Práce sa vykonávajú súbežne s vývojom sľubného motora s názvom „Produkt 129“pre T-50. Fedorov okrem toho tiež uviedol, že asociácia vykonáva výskum tvorby sľubných lietadiel ďalšej etapy, ktoré majú byť bezpilotné.
Hlava zároveň nešpecifikoval, o aký typ pulzujúceho motora ide. V súčasnosti sú známe tri typy takýchto motorov - bezventilové, ventilové a detonačné. Medzitým sa všeobecne uznáva, že pulzačné motory sú najjednoduchšie a najlacnejšie na výrobu.
Dnes niekoľko veľkých obranných firiem vykonáva výskum vysokovýkonných pulzujúcich prúdových motorov. Medzi tieto firmy patria americká spoločnosť Pratt & Whitney a General Electric a francúzska SNECMA.
Možno teda vyvodiť určité závery: vytvorenie nového sľubného motora má určité ťažkosti. V súčasnej dobe je hlavný problém teoreticky: to, čo sa presne stane, keď sa detonačná rázová vlna pohybuje v kruhu, je známe iba všeobecne, čo značne komplikuje proces optimalizácie návrhov. Preto je nová technológia, aj keď je veľmi atraktívna, v rozsahu priemyselnej výroby ťažko uskutočniteľná.
Ak sa však výskumníkom podarí vyriešiť teoretické problémy, bude možné hovoriť o skutočnom prielome. Koniec koncov, turbíny sa používajú nielen v doprave, ale aj v energetickom sektore, v ktorom môže zvýšenie účinnosti mať ešte silnejší účinok.
