لماذا هو على ما يرام محرك جديد؟ يستخدم المحرك النفاث الطاقة المنطلقة عند احتراق الخليط ضغط متواصلوالجبهة النارية المستمرة. أثناء الاحتراق، يؤدي خليط الغاز من الوقود والمؤكسد إلى زيادة درجة الحرارة بشكل حاد ويؤدي عمود من اللهب المتسرب من الفوهة إلى إنشاء قوة دفع نفاث.
أثناء احتراق التفجير، ليس لدى منتجات التفاعل وقت للانهيار، لأن هذه العملية أسرع 100 مرة من الاحتراق ويزداد الضغط بسرعة، لكن الحجم يبقى دون تغيير. يمكن أن يؤدي إطلاق مثل هذه الكمية الكبيرة من الطاقة إلى تدمير محرك السيارة، ولهذا السبب غالبًا ما ترتبط هذه العملية بالانفجار.
في الواقع، بدلاً من اللهب الأمامي الثابت في منطقة الاحتراق، يتم تشكيل موجة تفجير، تتحرك بسرعة تفوق سرعة الصوت. في مثل هذه الموجة الانضغاطية، ينفجر الوقود والمؤكسد، وتزداد هذه العملية من وجهة نظر الديناميكا الحرارية كفاءة المحركبأمر من الحجم، وذلك بسبب ضغط منطقة الاحتراق. ولهذا السبب بدأ الخبراء بفارغ الصبر في تطوير هذه الفكرة.
في محرك صاروخي تقليدي يعمل بالوقود السائل، وهو في الأساس موقد كبير، فإن الشيء الرئيسي ليس غرفة الاحتراق والفوهة، ولكن وحدة مضخة الوقود التوربينية (TNA)، التي تخلق ضغطًا كبيرًا بحيث يخترق الوقود الغرفة. على سبيل المثال، في محرك الصاروخ الروسي RD-170 لمركبات الإطلاق Energia، يبلغ الضغط في غرفة الاحتراق 250 ضغط جوي، ويجب أن تخلق المضخة التي تزود المؤكسد إلى منطقة الاحتراق ضغطًا قدره 600 ضغط جوي.
في محرك التفجير، يتم إنشاء الضغط عن طريق التفجير نفسه، والذي يمثل موجة ضغط متنقلة في خليط الوقود، حيث يكون الضغط بدون أي TNA أعلى بالفعل 20 مرة وتكون وحدات المضخة التوربينية غير ضرورية. لتوضيح الأمر، يبلغ الضغط في غرفة الاحتراق في المكوك الأمريكي 200 ضغط جوي، وفي مثل هذه الظروف، يحتاج محرك التفجير إلى 10 ضغط جوي فقط لتزويد الخليط - وهذا يشبه مضخة دراجة ومحطة سايانو-شوشينسكايا للطاقة الكهرومائية.
المحرك المعتمد على التفجير في هذه الحالة ليس فقط أبسط وأرخص من حيث الحجم، ولكنه أقوى بكثير واقتصادي من المحرك الصاروخي التقليدي الذي يعمل بالوقود السائل.
وفي الطريق إلى تنفيذ مشروع محرك التفجير، ظهرت مشكلة مواجهة موجة التفجير. هذه الظاهرة ليست بسيطة: موجة انفجارية لها سرعة الصوت، ولكنها موجة انفجارية، تنتشر بسرعة 2500 م/ث، ولا يوجد استقرار لجبهة اللهب لكل نبضة، ويتجدد الخليط و تبدأ الموجة مرة أخرى.
في السابق، قام المهندسون الروس والفرنسيون بتطوير وبناء محركات نفاثة نابضة، ولكن ليس على مبدأ التفجير، ولكن على أساس نبض الاحتراق التقليدي. كانت خصائص محركات PURD هذه منخفضة، وعندما طور صانعو المحركات المضخات والتوربينات والضواغط، بدأ القرن المحركات النفاثةوالمحركات الصاروخية التي تعمل بالوقود السائل، بينما بقيت المحركات النابضة على هامش التقدم. حاول رؤوس العلم المشرقة الجمع بين الاحتراق الانفجاري وPURD، لكن تردد النبض لجبهة الاحتراق التقليدية لا يزيد عن 250 في الثانية، كما أن جبهة التفجير تصل سرعتها إلى 2500 م/ث وترددها تصل النبضات إلى عدة آلاف في الثانية. بدا من المستحيل تطبيق مثل هذا المعدل من تجديد الخليط وفي نفس الوقت بدء التفجير.
وفي الولايات المتحدة تمكنوا من بناء مثل هذا المحرك النابض للانفجار واختباره في الهواء، ورغم أنه عمل لمدة 10 ثوانٍ فقط، إلا أن الأولوية ظلت للمصممين الأمريكيين. ولكن بالفعل في الستينيات من القرن الماضي، اكتشف العالم السوفيتي ب. جاء Wojciechowski، وفي نفس الوقت تقريبًا، الأمريكي من جامعة ميشيغان، J. Nichols، بفكرة تكرار موجة التفجير في غرفة الاحتراق.
يتكون هذا المحرك الدوار من غرفة احتراق حلقية مع فوهات تقع على طول نصف قطرها لتزويد الوقود. تعمل موجة التفجير مثل السنجاب في عجلة في دائرة، ويضغط خليط الوقود ويحترق، ويدفع منتجات الاحتراق عبر الفوهة. في المحرك الدوراني، نحصل على تردد دوران موجي يصل إلى عدة آلاف في الثانية؛ ويشبه تشغيله عملية العمل في محرك صاروخي يعمل بالوقود السائل، ولكن بشكل أكثر كفاءة، وذلك بفضل تفجير خليط الوقود.
في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية، وفي وقت لاحق في روسيا، يجري العمل على إنشاء محرك تفجير دوار بموجة مستمرة، لفهم العمليات التي تحدث في الداخل، والتي تم إنشاء علم الحركية الفيزيائية والكيميائية بأكمله. لحساب شروط الموجة المستمرة، كانت هناك حاجة إلى أجهزة كمبيوتر قوية، والتي تم إنشاؤها مؤخرًا فقط.
في روسيا، تعمل العديد من معاهد البحوث ومكاتب التصميم على مشروع مثل هذا المحرك الدوراني، بما في ذلك شركة بناء محركات الصناعة الفضائية NPO Energomash. جاءت مؤسسة الأبحاث المتقدمة للمساعدة في تطوير مثل هذا المحرك، لأنه من المستحيل الحصول على تمويل من وزارة الدفاع - فهم يحتاجون فقط إلى نتيجة مضمونة.
ومع ذلك، خلال الاختبارات التي أجريت في خيمكي في Energomash، تم تسجيل حالة ثابتة من تفجير الدوران المستمر - 8 آلاف دورة في الثانية على خليط الأكسجين والكيروسين. وفي الوقت نفسه، كانت موجات التفجير متوازنة مع موجات الاهتزاز، وتحمل الطلاءات الواقية من الحرارة درجات الحرارة المرتفعة.
لكن لا تخدع نفسك، لأن هذا مجرد محرك توضيحي عمل لفترة طويلة. لمدة قصيرةولم يُقال شيء عن خصائصه حتى الآن. لكن الشيء الرئيسي هو أنه تم إثبات إمكانية إنشاء احتراق متفجر وتم إنشاء محرك كامل الحجم في روسيا، والذي سيبقى في التاريخ إلى الأبد.
اختبارات محرك التفجير
FPI_روسيا / فيميو
قام المختبر المتخصص "لمحركات الصواريخ السائلة التفجيرية" التابع للجمعية العلمية والإنتاجية "Energomash" باختبار أول عروض توضيحية بالحجم الكامل في العالم لتقنيات محركات الصواريخ السائلة التفجيرية. ووفقا لتقارير تاس، تعمل محطات الطاقة الجديدة على زوج وقود الأكسجين والكيروسين.
المحرك الجديد، على عكس محطات الطاقة الأخرى التي تعمل على هذا المبدأ الاحتراق الداخلي، تعمل نتيجة انفجار الوقود. التفجير هو احتراق مادة ما بسرعة تفوق سرعة الصوت، وفي هذه الحالة خليط الوقود. في هذه الحالة، تنتشر موجة الصدمة عبر الخليط، يليها تفاعل كيميائي يطلق كمية كبيرة من الحرارة.
تم إجراء دراسة مبادئ التشغيل وتطوير محركات التفجير في بعض دول العالم منذ أكثر من 70 عامًا. بدأ أول عمل من هذا القبيل في ألمانيا في الأربعينيات. صحيح أن الباحثين في ذلك الوقت لم يتمكنوا من إنشاء نموذج أولي عملي لمحرك التفجير، ولكن تم تطوير محركات تنفس الهواء النابضة وإنتاجها بكميات كبيرة. تم تركيبها على صواريخ V-1.
تحرق المحركات النفاثة النابضة الوقود بسرعات دون سرعة الصوت. ويسمى هذا الاحتراق بالاحتراق. يُسمى المحرك بالمحرك النابض لأنه يتم إمداد غرفة الاحتراق بالوقود والمؤكسد بأجزاء صغيرة على فترات منتظمة.
خريطة الضغط في غرفة الاحتراق لمحرك التفجير الدوار. أ - موجة التفجير. ب - زائدة أمام موجة الصدمة. ج - منطقة خلط منتجات الاحتراق الطازجة والقديمة؛ د - مساحة التعبئة بخليط الوقود. هـ - مساحة خليط الوقود المحترق غير المتفجر. و - منطقة التمدد بخليط الوقود المحترق المنفجر
تنقسم محركات التفجير اليوم إلى نوعين رئيسيين: النبضي والدوار. ويطلق على هذا الأخير أيضًا اسم الدوران. مبدأ التشغيل محركات النبضمشابهة لتلك الموجودة في المحركات النفاثة النبضية. والفرق الرئيسي هو احتراق خليط الوقود في غرفة الاحتراق.
تستخدم محركات التفجير الدوارة غرفة احتراق حلقية يتم فيها إمداد خليط الوقود بشكل تسلسلي من خلال صمامات مرتبة شعاعيًا. في محطات الطاقة هذه، لا يموت التفجير - موجة التفجير "تدور حول" غرفة الاحتراق الحلقي، وخليط الوقود الذي يقف خلفها لديه الوقت لتجديد نفسه. تمت دراسة المحرك الدوار لأول مرة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في الخمسينيات من القرن الماضي.
محركات التفجير قادرة على العمل في نطاق واسع من سرعات الطيران - من صفر إلى خمسة أرقام ماخ (0-6.2 ألف كيلومتر في الساعة). ويعتقد أن محطات الطاقة هذه يمكن أن تنتج المزيد من الطاقة بينما تستهلك وقودًا أقل من المحركات النفاثة التقليدية. وفي الوقت نفسه، فإن تصميم محركات التفجير بسيط نسبيًا: فهي لا تحتوي على ضاغط والعديد من الأجزاء المتحركة.
الجميع محركات التفجيرتم اختبارها حتى الآن، وتم تطويرها للطائرات التجريبية. محطة توليد الكهرباء هذه، التي تم اختبارها في روسيا، هي الأولى المخصصة للتركيب على صاروخ. لم يتم تحديد نوع محرك التفجير الذي تم اختباره.
في الواقع، بدلاً من اللهب الأمامي الثابت في منطقة الاحتراق، يتم تشكيل موجة تفجير، تسير بسرعة تفوق سرعة الصوت. في مثل هذه الموجة الانضغاطية، ينفجر الوقود والمؤكسد؛ وهذه العملية، من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، تزيد من كفاءة المحرك بمقدار كبير، وذلك بسبب ضغط منطقة الاحتراق.
ومن المثير للاهتمام أنه في عام 1940، اكتشف الفيزيائي السوفيتي يا. اقترح زيلدوفيتش فكرة محرك التفجير في مقال "حول الاستخدام النشط لتفجير الاحتراق". ومنذ ذلك الحين، العديد من العلماء من دول مختلفةثم الولايات المتحدة الأمريكية، ثم ألمانيا، ثم تقدم مواطنونا.
وفي صيف أغسطس 2016، تمكن العلماء الروس، ولأول مرة في العالم، من إنشاء محرك نفاث كامل الحجم يعمل بالوقود السائل يعمل على مبدأ احتراق الوقود بالتفجير. على مدى سنوات ما بعد البيريسترويكا العديدة، وضعت بلادنا أخيرا أولوية عالمية في تطوير أحدث التقنيات.
ما هو الشيء الجيد في المحرك الجديد؟ يستخدم المحرك النفاث الطاقة المنطلقة عند احتراق الخليط عند ضغط ثابت وجبهة لهب ثابتة. أثناء الاحتراق، يؤدي خليط الغاز من الوقود والمؤكسد إلى زيادة درجة الحرارة بشكل حاد ويؤدي عمود من اللهب المتسرب من الفوهة إلى إنشاء قوة دفع نفاث.
أثناء احتراق التفجير، ليس لدى منتجات التفاعل وقت للانهيار، لأن هذه العملية أسرع 100 مرة من الاحتراق ويزداد الضغط بسرعة، بينما يظل الحجم دون تغيير. يمكن أن يؤدي إطلاق مثل هذه الكمية الكبيرة من الطاقة إلى تدمير محرك السيارة، ولهذا السبب غالبًا ما ترتبط هذه العملية بالانفجار.
في الواقع، بدلاً من اللهب الأمامي الثابت في منطقة الاحتراق، يتم تشكيل موجة تفجير، تسير بسرعة تفوق سرعة الصوت. في مثل هذه الموجة الانضغاطية، ينفجر الوقود والمؤكسد؛ وهذه العملية، من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، تزيد من كفاءة المحرك بمقدار كبير، وذلك بسبب ضغط منطقة الاحتراق. ولهذا السبب بدأ الخبراء بفارغ الصبر في تطوير هذه الفكرة.
في محرك صاروخي تقليدي يعمل بالوقود السائل، وهو في الأساس موقد كبير، فإن الشيء الرئيسي ليس غرفة الاحتراق والفوهة، ولكن وحدة مضخة الوقود التوربينية (TNA)، التي تخلق ضغطًا كبيرًا بحيث يخترق الوقود الغرفة. على سبيل المثال، في محرك الصاروخ الروسي RD-170 لمركبات الإطلاق Energia، يبلغ الضغط في غرفة الاحتراق 250 ضغط جوي، ويجب أن تخلق المضخة التي تزود المؤكسد إلى منطقة الاحتراق ضغطًا قدره 600 ضغط جوي.
في محرك التفجير، يتم إنشاء الضغط عن طريق التفجير نفسه، والذي يمثل موجة ضغط متنقلة في خليط الوقود، حيث يكون الضغط بدون أي TNA أعلى بالفعل 20 مرة وتكون وحدات المضخة التوربينية غير ضرورية. لتوضيح الأمر، يبلغ الضغط في غرفة الاحتراق في المكوك الأمريكي 200 ضغط جوي، وفي مثل هذه الظروف، يحتاج محرك التفجير إلى 10 ضغط جوي فقط لتزويد الخليط - وهذا يشبه مضخة دراجة ومحطة سايانو-شوشينسكايا للطاقة الكهرومائية.
المحرك المعتمد على التفجير في هذه الحالة ليس فقط أبسط وأرخص من حيث الحجم، ولكنه أقوى بكثير واقتصادي من المحرك الصاروخي التقليدي الذي يعمل بالوقود السائل.
وفي الطريق إلى تنفيذ مشروع محرك التفجير، ظهرت مشكلة مواجهة موجة التفجير. هذه الظاهرة ليست بسيطة: موجة انفجارية لها سرعة الصوت، ولكنها موجة انفجارية، تنتشر بسرعة 2500 م/ث، ولا يوجد استقرار لجبهة اللهب لكل نبضة، ويتجدد الخليط و تبدأ الموجة مرة أخرى.
في السابق، قام المهندسون الروس والفرنسيون بتطوير وبناء محركات نفاثة نابضة، ولكن ليس على مبدأ التفجير، ولكن على أساس نبض الاحتراق التقليدي. وكانت خصائص هذه المحركات النقية منخفضة، وعندما طور صانعو المحركات المضخات والتوربينات والضواغط، بدأ عصر المحركات النفاثة ومحركات الدفع السائل، وبقيت المحركات النابضة على هامش التقدم. حاول رؤوس العلم المشرقة الجمع بين الاحتراق الانفجاري وPURD، لكن تردد النبض لجبهة الاحتراق التقليدية لا يزيد عن 250 في الثانية، كما أن جبهة التفجير تصل سرعتها إلى 2500 م/ث وترددها تصل النبضات إلى عدة آلاف في الثانية. بدا من المستحيل تطبيق مثل هذا المعدل من تجديد الخليط وفي نفس الوقت بدء التفجير.
وفي الولايات المتحدة تمكنوا من بناء مثل هذا المحرك النابض للانفجار واختباره في الهواء، ورغم أنه عمل لمدة 10 ثوانٍ فقط، إلا أن الأولوية ظلت للمصممين الأمريكيين. ولكن بالفعل في الستينيات من القرن الماضي، اكتشف العالم السوفيتي ب. جاء Wojciechowski، وفي نفس الوقت تقريبًا، الأمريكي من جامعة ميشيغان، J. Nichols، بفكرة تكرار موجة التفجير في غرفة الاحتراق.
كيف يعمل محرك صاروخي التفجير؟
يتكون هذا المحرك الدوار من غرفة احتراق حلقية مع فوهات تقع على طول نصف قطرها لتزويد الوقود. تعمل موجة التفجير مثل السنجاب في عجلة في دائرة، ويضغط خليط الوقود ويحترق، ويدفع منتجات الاحتراق عبر الفوهة. في المحرك الدوراني، نحصل على تردد دوران موجي يصل إلى عدة آلاف في الثانية؛ ويشبه تشغيله عملية العمل في محرك صاروخي يعمل بالوقود السائل، ولكن بشكل أكثر كفاءة، وذلك بفضل تفجير خليط الوقود.
في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية، وفي وقت لاحق في روسيا، يجري العمل على إنشاء محرك تفجير دوار بموجة مستمرة لفهم العمليات التي تحدث في الداخل ولهذا تم إنشاء علم كامل - الحركية الفيزيائية والكيميائية. لحساب شروط الموجة المستمرة، كانت هناك حاجة إلى أجهزة كمبيوتر قوية، والتي تم إنشاؤها مؤخرًا فقط.
في روسيا، تعمل العديد من معاهد البحوث ومكاتب التصميم على مشروع مثل هذا المحرك الدوراني، بما في ذلك شركة بناء محركات الصناعة الفضائية NPO Energomash. جاءت مؤسسة الأبحاث المتقدمة للمساعدة في تطوير مثل هذا المحرك، لأنه من المستحيل الحصول على تمويل من وزارة الدفاع - فهم يحتاجون فقط إلى نتيجة مضمونة.
ومع ذلك، خلال الاختبارات التي أجريت في خيمكي في Energomash، تم تسجيل حالة ثابتة من تفجير الدوران المستمر - 8 آلاف دورة في الثانية على خليط الأكسجين والكيروسين. وفي الوقت نفسه، كانت موجات التفجير متوازنة مع موجات الاهتزاز، وتحمل الطلاءات الواقية من الحرارة درجات الحرارة المرتفعة.
لكن لا تخدع نفسك، لأن هذا مجرد محرك تجريبي عمل لفترة قصيرة جدًا ولم يتم ذكر أي شيء عن خصائصه بعد. لكن الشيء الرئيسي هو أنه تم إثبات إمكانية إنشاء احتراق تفجيري وتم إنشاء محرك دوران كامل الحجم في روسيا، والذي سيبقى في تاريخ العلم إلى الأبد.
فيديو: كان Energomash هو الأول في العالم الذي اختبر محركًا صاروخيًا سائلًا للتفجير
وتخطط البحرية الأمريكية لتحديث قواتها العسكرية في المستقبل. وحدات توربينات الغاز، والتي يتم تركيبها حاليًا على طائراتهم وسفنهم، لتحل محل محركات دورة برايتون التقليدية بمحركات دوارة للتفجير. ومن المتوقع أن يؤدي ذلك إلى توفير الوقود بنحو 400 مليون دولار سنويا. ومع ذلك، فإن الاستخدام التسلسلي للتقنيات الجديدة ممكن، وفقًا للخبراء، في موعد لا يتجاوز عقدًا من الزمن.
يتم تطوير المحركات الدوارة أو الدوارة في أمريكا بواسطة مختبر أبحاث الأسطول الأمريكي. ووفقا للتقديرات الأولية، فإن المحركات الجديدة سيكون لها مزيد من الطاقةوأيضًا أكثر اقتصادا بحوالي الربع المحركات التقليدية. في الوقت نفسه، ستبقى المبادئ الأساسية لتشغيل محطة توليد الكهرباء كما هي - ستدخل الغازات من الوقود المحترق إلى توربينات الغاز، وتدور شفراتها. وفقًا لمختبر البحرية الأمريكية، حتى في المستقبل البعيد نسبيًا، عندما يتم تشغيل الأسطول الأمريكي بأكمله بالكهرباء، سيظل توليد الطاقة من مسؤولية توربينات الغاز، معدلة إلى حد ما.
ولنتذكر أن اختراع محرك تنفس الهواء النابض يعود إلى نهاية القرن التاسع عشر. مؤلف الاختراع هو المهندس السويدي مارتن ويبيرج. أصبحت محطات الطاقة الجديدة منتشرة على نطاق واسع خلال الحرب العالمية الثانية، على الرغم من أنها كانت أقل شأنا بكثير في قدراتها المواصفات الفنيةمحركات الطائرات التي كانت موجودة في ذلك الوقت.
تجدر الإشارة إلى أنه على هذه اللحظةوفي الوقت الحاضر، يضم الأسطول الأمريكي 129 سفينة، يستخدم منها 430 سفينة محرك التوربينات الغازية. وتبلغ تكلفة تزويدهم بالوقود سنوياً حوالي 2 مليار دولار. في المستقبل متى المحركات الحديثةسيتم استبدالها بأخرى جديدة، كما سيتغير حجم تكاليف مكون الوقود.
تعمل محركات الاحتراق الداخلي المستخدمة حاليًا على دورة برايتون. إذا حددنا جوهر هذا المفهوم في بضع كلمات، فكل ذلك يتلخص في الخلط المتسلسل للمؤكسد والوقود، ومزيد من ضغط الخليط الناتج، ثم الاشتعال والاحتراق مع توسيع منتجات الاحتراق. يستخدم هذا التمدد على وجه التحديد للقيادة، وتحريك المكابس، وتدوير التوربين، أي تنفيذ الإجراءات الميكانيكية، وتوفير الضغط المستمر. تتحرك عملية احتراق خليط الوقود بسرعة دون سرعة الصوت - وتسمى هذه العملية بالاحتراق.
أما المحركات الجديدة فيعتزم العلماء استخدام الاحتراق الانفجاري فيها، أي التفجير الذي يحدث فيه الاحتراق بسرعة تفوق سرعة الصوت. وعلى الرغم من أن ظاهرة التفجير لم تتم دراستها بشكل كامل في الوقت الحالي، فمن المعروف أنه مع هذا النوع من الاحتراق تحدث موجة صدمية، والتي تنتشر عبر خليط الوقود والهواء، مسببة تفاعلًا كيميائيًا يؤدي إلى إطلاق بكمية كبيرة إلى حد ما من الطاقة الحرارية. عندما تمر موجة الصدمة عبر الخليط، فإنه يسخن، مما يؤدي إلى الانفجار.
في تطوير المحرك الجديد، من المخطط استخدام بعض التطورات التي تم الحصول عليها أثناء تطوير محرك النبض النابض. مبدأ تشغيله هو أن يتم إمداد خليط الوقود المضغوط مسبقًا إلى غرفة الاحتراق، حيث يتم إشعاله وتفجيره. تتوسع منتجات الاحتراق في الفوهة، وتؤدي إجراءات ميكانيكية. ثم تتكرر الدورة بأكملها من جديد. لكن عيب المحركات النابضة هو أن معدل تكرار الدورة منخفض جدًا. بالإضافة إلى ذلك، يصبح تصميم هذه المحركات نفسها أكثر تعقيدًا مع زيادة عدد النبضات. ويفسر ذلك ضرورة مزامنة عمل الصمامات المسؤولة عن إمداد خليط الوقود، وكذلك بشكل مباشر عن طريق دورات التفجير نفسها. تعد المحركات النابضة أيضًا صاخبة جدًا ؛ ويتطلب تشغيلها كمية كبيرة من الوقود، ولا يمكن تشغيلها إلا مع حقن الوقود بجرعات ثابتة.
إذا قارنا المحركات الدوارة التفجيرية بالمحركات النابضة، فإن مبدأ عملها يختلف قليلاً. وبالتالي، على وجه الخصوص، توفر المحركات الجديدة تفجيرًا مستمرًا للوقود في غرفة الاحتراق. تسمى هذه الظاهرة بالتفجير الدوراني أو الدوراني. تم وصفه لأول مرة في عام 1956 من قبل العالم السوفيتي بوجدان فويتسيخوفسكي. ولكن تم اكتشاف هذه الظاهرة في وقت سابق بكثير، في عام 1926. وكان الرواد هم البريطانيون، الذين لاحظوا ظهور "رأس" متوهج ومشرق في بعض الأنظمة، ويتحرك بشكل حلزوني، بدلاً من موجة تفجير ذات شكل مسطح.
قام Woitsekhovsky، باستخدام مسجل الصور الذي صممه بنفسه، بتصوير مقدمة الموجة التي تتحرك في غرفة الاحتراق الحلقي في خليط الوقود. يختلف التفجير الدوراني عن التفجير المستوي في أنه تنشأ فيه موجة صدمية مستعرضة واحدة يتبعها غاز ساخن لم يتفاعل، وخلف هذه الطبقة توجد منطقة تفاعل كيميائي. وهذه الموجة بالتحديد هي التي تمنع احتراق الغرفة نفسها، والتي أسمتها مارلين توبتشيان "الدونات المسطحة".
وتجدر الإشارة إلى أنه سبق استخدام محركات التفجير في الماضي. على وجه الخصوص، نحن نتحدث عن النبض محرك نفاثالذي استخدمه الألمان في نهاية الحرب العالمية الثانية صواريخ كروز"V-1". كان إنتاجه بسيطًا جدًا، وكان استخدامه سهلاً للغاية، ولكن في نفس الوقت لم يكن هذا المحرك موثوقًا جدًا لحل المهام المهمة.
ثم، في عام 2008، أقلعت طائرة روتانج لونج-إي زد، وهي طائرة تجريبية مجهزة بمحرك نابض تفجيري. استغرقت الرحلة عشر ثوان فقط على ارتفاع ثلاثين مترا. خلال هذا الوقت، طورت محطة الطاقة قوة دفع تبلغ حوالي 890 نيوتن.
نموذج المحرك التجريبي الذي قدمه مختبر البحرية الأمريكية عبارة عن غرفة احتراق حلقية مخروطية الشكل يبلغ قطرها 14 سم على جانب تزويد الوقود و 16 سم على جانب الفوهة. وتبلغ المسافة بين جدران الغرفة 1 سم، أما "الأنبوب" فيبلغ طوله 17.7 سم.
يتم استخدام خليط الوقود كخليط من الهواء والهيدروجين، والذي يتم توفيره تحت ضغط 10 أجواء في غرفة الاحتراق. درجة حرارة الخليط 27.9 درجة. لاحظ أن هذا الخليط يعتبر الأكثر ملاءمة لدراسة ظاهرة تفجير السبين. ولكن، وفقا للعلماء، في المحركات الجديدة سيكون من الممكن استخدام خليط الوقود الذي لا يتكون فقط من الهيدروجين ولكن أيضا من المكونات الأخرى القابلة للاشتعال والهواء.
أظهرت الدراسات التجريبية للمحرك الدوار كفاءته وقوته الأكبر مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي. ميزة أخرى هي توفير كبير في الوقود. في الوقت نفسه، خلال التجربة، تم الكشف عن أن احتراق خليط الوقود في محرك "اختبار" دوار غير منتظم، لذلك من الضروري تحسين تصميم المحرك.
يمكن جمع منتجات الاحتراق التي تتوسع في الفوهة في طائرة غازية واحدة باستخدام مخروط (وهذا هو ما يسمى بتأثير كواندا)، ثم يتم إرسال هذه الطائرة إلى التوربين. وتحت تأثير هذه الغازات، سوف تدور التوربينة. وبالتالي، يمكن استخدام جزء من عمل التوربين لدفع السفن، وجزئيًا لتوليد الطاقة اللازمة لمعدات السفن وأنظمتها المختلفة.
يمكن إنتاج المحركات نفسها بدون أجزاء متحركة، مما سيؤدي إلى تبسيط تصميمها بشكل كبير، مما يؤدي بدوره إلى تقليل تكلفة محطة الطاقة ككل. ولكن هذا فقط في المستقبل. قبل البدء في محركات جديدة الإنتاج بكثافة الإنتاج بكميات ضخمة، فمن الضروري حل العديد من المشاكل الصعبة، ومن بينها اختيار مواد متينة مقاومة للحرارة.
لاحظ أنه في الوقت الحالي تعتبر محركات التفجير الدوارة من أكثر المحركات الواعدة. كما يتم تطويرها من قبل علماء من جامعة تكساس في أرلينغتون. عرض تقديميالذي قاموا بإنشائه كان يسمى "المحرك". تفجير مستمر" في نفس الجامعة، يتم إجراء البحوث على اختيار أقطار مختلفة من الغرف الحلقية ومختلفها مخاليط الوقودوالتي تحتوي على الهيدروجين والهواء أو الأكسجين بنسب مختلفة.
التطورات في هذا الاتجاه جارية أيضًا في روسيا. لذلك، في عام 2011، وفقا للمدير الإداري لجمعية البحث والإنتاج زحل I. فيدوروف، يتم تطوير محرك نفاث هوائي نابض من قبل العلماء في مركز Lyulka العلمي والتقني. يتم العمل بالتوازي مع التطورات محرك واعد، المسمى "المنتج 129" للطائرة T-50. بالإضافة إلى ذلك، قال فيدوروف أيضًا إن الجمعية تجري أبحاثًا حول إنشاء طائرات واعدة للمرحلة التالية، والتي من المتوقع أن تكون بدون طيار.
وفي الوقت نفسه، لم يحدد المدير نوع المحرك النابض الذي يتحدث عنه. في الوقت الحالي، هناك ثلاثة أنواع من هذه المحركات معروفة - بدون صمامات، وصمام، وتفجير. ومع ذلك، فمن المقبول عمومًا أن المحركات النابضة هي أبسط وأرخص إنتاجًا.
واليوم، تجري العديد من شركات الدفاع الكبرى أبحاثًا حول إنشاء محركات نفاثة نابضة وعالية الكفاءة. ومن بين هذه الشركات شركة برات آند ويتني الأمريكية و جنرال إلكتريكو سنيكما الفرنسية.
وبالتالي، يمكن استخلاص بعض الاستنتاجات: إن إنشاء محرك واعد جديد يواجه بعض الصعوبات. المشكلة الأساسيةفي الوقت الحالي تكمن النظرية: ما يحدث بالضبط عندما تتحرك موجة تفجير الصدمة في دائرة لا يُعرف إلا في المخطط العاموهذا يعقد بشكل كبير عملية تحسين التطورات. لهذا تكنولوجيا جديدةوعلى الرغم من أنها جذابة للغاية، إلا أنها لا تكاد تكون مجدية على نطاق الإنتاج الصناعي.
ومع ذلك، إذا تمكن الباحثون من حل القضايا النظرية، فسيكون من الممكن الحديث عن اختراق حقيقي. بعد كل شيء، يتم استخدام التوربينات ليس فقط في مجال النقل، ولكن أيضا في قطاع الطاقة زيادة الكفاءةقد يكون لها تأثير أقوى.
المواد المستخدمة:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
تنشر مجلة Military-Industrial Courier أخبارًا رائعة من مجال تقنيات الصواريخ الخارقة. تفجير محرك الصاروخوقال نائب رئيس الوزراء ديمتري روجوزين على صفحته على فيسبوك يوم الجمعة إنه تم اختباره في روسيا.
ونقلت وكالة إنترفاكس-AVN عن نائب رئيس الوزراء قوله: "لقد تم اختبار ما يسمى بمحركات الصواريخ التفجيرية التي تم تطويرها في إطار برنامج مؤسسة الأبحاث المتقدمة بنجاح".
من المعتقد أن المحرك الصاروخي المتفجر هو إحدى طرق تنفيذ مفهوم ما يسمى بالمحرك الفائق الصوت، أي إنشاء محرك تفوق سرعته سرعة الصوت الطائراتقادرة على الوصول إلى سرعات تصل إلى 4 - 6 ماخ (ماخ - سرعة الصوت) باستخدام محركها الخاص.
توفر البوابة russia-reborn.ru مقابلة مع أحد أبرز المتخصصين في المحركات المتخصصة في روسيا فيما يتعلق بمحركات الصواريخ التفجيرية.
مقابلة مع بيتر ليفوتشكين، كبير مصممي شركة NPO Energomash التي تحمل الاسم. الأكاديمي ف. غلوشكو."
يتم إنشاء محركات للصواريخ التي تفوق سرعتها سرعة الصوت في المستقبل
تم اختبار ما يسمى بمحركات الصواريخ التفجيرية بنجاح، مما أدى إلى نتائج مثيرة للاهتمام للغاية. وسوف تستمر أعمال التطوير في هذا الاتجاه.
التفجير هو انفجار. هل يمكن جعلها قابلة للإدارة؟ هل من الممكن صنع أسلحة تفوق سرعتها سرعة الصوت تعتمد على هذه المحركات؟ ما هي المحركات الصاروخية التي ستطلق مركبات غير مأهولة ومأهولة إلى الفضاء القريب؟ تحدثنا عن هذا مع نائب المدير العام - كبير المصممين لشركة NPO Energomash التي تحمل الاسم. الأكاديمي ف. غلوشكو" لبيوتر ليفوتشكين.
بيتر سيرجيفيتش، ما هي الفرص التي تفتحها المحركات الجديدة؟
بيتر ليفوتشكين: إذا تحدثنا عن المستقبل القريب، فنحن اليوم نعمل على محركات للصواريخ مثل Angara A5V وSoyuz-5، بالإضافة إلى محركات أخرى في مرحلة ما قبل التصميم وغير معروفة لعامة الناس. بشكل عام، تم تصميم محركاتنا لرفع الصاروخ عن سطح جرم سماوي. ويمكن أن يكون أي شيء - أرضي، قمري، مريخي. لذا، إذا تم تنفيذ البرامج القمرية أو المريخية، فسنشارك فيها بالتأكيد.
ما هي كفاءة المحركات الصاروخية الحديثة وهل هناك طرق لتحسينها؟
بيتر ليفوتشكين: إذا تحدثنا عن معلمات الطاقة والديناميكا الحرارية للمحركات، فيمكننا القول إن محركاتنا، وكذلك أفضل محركات الصواريخ الكيميائية الأجنبية اليوم، قد وصلت إلى حد معين من الكمال. على سبيل المثال، تصل نسبة اكتمال احتراق الوقود إلى 98.5 بالمائة. أي أنه يتم تحويل كل الطاقة الكيميائية للوقود الموجود في المحرك تقريبًا إلى طاقة حراريةتدفق الغاز من الفوهة.
يمكن تحسين المحركات في اتجاهات مختلفة. ويتضمن ذلك استخدام مكونات وقود أكثر استهلاكًا للطاقة، وإدخال حلول دوائر جديدة، وزيادة الضغط في غرفة الاحتراق. الاتجاه الآخر هو استخدام التقنيات الجديدة، بما في ذلك المواد المضافة، من أجل تقليل كثافة اليد العاملة، وبالتالي تقليل تكلفة محرك الصاروخ. كل هذا يؤدي إلى انخفاض في تكلفة الحمولة المطلقة.
لكن بعد الفحص الدقيق يتبين أن زيادة خصائص الطاقة للمحركات بالطريقة التقليدية غير فعالة.
إن استخدام تفجير متحكم فيه للوقود يمكن أن يمنح الصاروخ سرعة تبلغ ثمانية أضعاف سرعة الصوت
لماذا؟
بيتر ليفوتشكين: زيادة الضغط وتدفق الوقود في غرفة الاحتراق سيؤدي بشكل طبيعي إلى زيادة قوة المحرك. ولكن هذا سوف يتطلب زيادة سمك جدران الغرفة والمضخات. ونتيجة لذلك، فإن تعقيد الهيكل وزيادة كتلته، فإن مكاسب الطاقة ليست كبيرة جدًا. اللعبة لن تستحق كل هذا العناء.
أي أن محركات الصواريخ قد استنفدت مواردها التنموية؟
بيتر ليفوتشكين: ليس بالضبط. بكل بساطة اللغة التقنية، يمكن تحسينها عن طريق زيادة كفاءة العمليات الحركية. هناك دورات من التحويل الديناميكي الحراري للطاقة الكيميائية إلى طاقة الطائرة المتدفقة، وهي أكثر كفاءة بكثير من الاحتراق الكلاسيكي لوقود الصواريخ. هذه هي دورة الاحتراق والتفجير ودورة همفري ذات الصلة الوثيقة.
تم اكتشاف تأثير تفجير الوقود من قبل مواطننا، الأكاديمي اللاحق ياكوف بوريسوفيتش زيلدوفيتش، في عام 1940. إن تنفيذ هذا التأثير في الممارسة العملية يعد بآفاق كبيرة جدًا في علم الصواريخ. ليس من المستغرب أن يدرس الألمان بنشاط في تلك السنوات نفسها عملية احتراق التفجير. ولكن ليس بعد الآن تماما تجارب ناجحةلم يحرزوا أي تقدم.
أظهرت الحسابات النظرية أن الاحتراق بالتفجير أكثر كفاءة بنسبة 25 بالمائة من الدورة متساوية الضغط المقابلة لاحتراق الوقود عند ضغط ثابت، والتي يتم تنفيذها في غرف المحركات الحديثة التي تعمل بالوقود السائل.
ما هي مميزات الاحتراق الانفجاري مقارنة بالاحتراق الكلاسيكي؟
بيتر ليفوتشكين: عملية الاحتراق الكلاسيكية تتم دون سرعة الصوت. تفجير - أسرع من الصوت. تؤدي سرعة التفاعل في الحجم الصغير إلى إطلاق حرارة هائلة - وهي أعلى بعدة آلاف المرات من الاحتراق دون سرعة الصوت الذي يتم تنفيذه في محركات الصواريخ الكلاسيكية بنفس كتلة الوقود المحترق. وبالنسبة لنا، كمهندسي المحركات، هذا يعني أنه بأبعاد أصغر بكثير لمحرك التفجير ومع كتلة وقود منخفضة، يمكننا الحصول على نفس الدفع كما هو الحال في المحركات الصاروخية السائلة الحديثة الضخمة.
ليس سراً أنه يتم أيضًا تطوير محركات احتراق الوقود في الخارج. ما هي مواقفنا؟ هل نحن أقل شأنا، هل نحن في مستواهم، أم أننا متقدمون؟
بيتر ليفوتشكين: نحن لا نستسلم - هذا أمر مؤكد. لكن لا أستطيع أن أقول إننا في المقدمة. الموضوع مغلق تماما. أحد الأسرار التكنولوجية الرئيسية هو كيفية التأكد من أن الوقود والمؤكسد لمحرك الصاروخ لا يحترقان بل ينفجران دون تدمير غرفة الاحتراق. وهذا يعني جعل الانفجار الحقيقي خاضعًا للتحكم ويمكن التحكم فيه. كمرجع: التفجير هو احتراق الوقود أمام موجة الصدمة الأسرع من الصوت. يتم التمييز بين التفجير النبضي، عندما تتحرك موجة الصدمة على طول محور الحجرة ويحل أحدهما محل الآخر، وكذلك التفجير المستمر (الدوران)، عندما تتحرك موجات الصدمة في الغرفة في دائرة.
على حد علمنا، تم إجراء دراسات تجريبية للاحتراق التفجيري بمشاركة المتخصصين لديكم. ما هي النتائج التي تم الحصول عليها؟
بيتر ليفوتشكين: تم تنفيذ العمل لإنشاء غرفة نموذجية لمحرك صاروخي لتفجير السوائل. عمل تعاون كبير من كبار العلماء في المشروع تحت رعاية مؤسسة الأبحاث المتقدمة المراكز العلميةروسيا. من بينها معهد الهيدروديناميكية الذي سمي باسمه. ماجستير لافرينتييف، MAI، “مركز كيلديش”، المعهد المركزي لهندسة محركات الطيران الذي سمي على اسمه. باي. بارانوفا، كلية الميكانيكا والرياضيات، جامعة موسكو الحكومية. اقترحنا استخدام الكيروسين كوقود، والأكسجين الغازي كمؤكسد. في عملية البحث النظري والتجريبي، تم تأكيد إمكانية إنشاء محرك صاروخي تفجيري باستخدام هذه المكونات. بناءً على البيانات التي تم الحصول عليها، قمنا بتطوير وتصنيع واختبار غرفة تفجير نموذجية بقوة دفع تبلغ 2 طن وضغط في غرفة الاحتراق يبلغ حوالي 40 ضغطًا جويًا.
تم حل هذه المشكلة لأول مرة ليس فقط في روسيا، ولكن أيضًا في العالم. لذلك، بالطبع، كانت هناك مشاكل. أولاً، يتعلق بضمان تفجير ثابت للأكسجين بالكيروسين، وثانيًا، لضمان تبريد موثوق لجدار الحماية للغرفة دون تبريد ستارة ومجموعة من المشاكل الأخرى، التي لا يمكن فهم جوهرها إلا للمتخصصين.