Los motores de detonación de pulsos como el futuro de los misiles y la aviación
Motor de detonación por impulso de flujo directo. Gráficos de quemado y explosión
Sistemas de propulsión existentes para aviación y los cohetes muestran un rendimiento muy alto, pero están muy cerca del límite de sus capacidades. Para aumentar aún más los parámetros de empuje, lo que crea una base para el desarrollo de la industria espacial y de cohetes de aviación, se necesitan otros motores, incl. con nuevos principios de trabajo. Hay grandes esperanzas puestas en los llamados. motores de detonación. Los sistemas de clase Pulse de este tipo ya se están probando en laboratorios y en aviones.
Principios físicos
Los motores de combustible líquido existentes y en funcionamiento utilizan combustión subsónica o deflagración. Una reacción química que involucra combustible y un oxidante forma un frente que se mueve a través de la cámara de combustión a una velocidad subsónica. Esta combustión limita la cantidad y la velocidad de los gases reactivos que salen de la boquilla. En consecuencia, el empuje máximo también está limitado.
La combustión por detonación es una alternativa. En este caso, el frente de reacción se mueve a una velocidad supersónica, formando una onda de choque. Este modo de combustión aumenta el rendimiento de productos gaseosos y proporciona una mayor tracción.
El motor de detonación se puede fabricar en dos versiones. Al mismo tiempo, se están desarrollando motores de impulsos o pulsantes (IDD / PDD) y rotativos / rotativos. Su diferencia radica en los principios de combustión. El motor rotativo mantiene una reacción constante, mientras que el motor pulsado funciona mediante sucesivas "explosiones" de una mezcla de combustible y oxidante.
Los impulsos forman empuje
En teoría, su diseño no es más complicado que el de un estatorreactor convencional o un motor de cohete propulsor líquido. Incluye una cámara de combustión y un conjunto de boquilla, así como medios para suministrar combustible y oxidante. En este caso, se imponen restricciones especiales sobre la resistencia y durabilidad de la estructura asociadas con las peculiaridades del funcionamiento del motor.
Avión experimental Long-EZ con IDD. Foto Museo Nacional de la USAF
Durante el funcionamiento, los inyectores suministran combustible a la cámara de combustión; el oxidante se alimenta desde la atmósfera mediante un dispositivo de entrada de aire. Después de la formación de la mezcla, se produce la ignición. Debido a la selección correcta de los componentes del combustible y las proporciones de la mezcla, el método de encendido óptimo y la configuración de la cámara, se forma una onda de choque que se mueve en la dirección de la boquilla del motor. El nivel actual de tecnología permite obtener una velocidad de onda de hasta 2,5-3 km / s con el correspondiente aumento del empuje.
IDD utiliza un principio de funcionamiento pulsante. Esto significa que después de la detonación y la liberación de gases reactivos, la cámara de combustión se sopla, se vuelve a llenar con una mezcla, y sigue una nueva "explosión". Para obtener un empuje alto y estable, este ciclo debe realizarse a una frecuencia alta, de decenas a miles de veces por segundo.
Dificultades y ventajas
La principal ventaja del IDD es la posibilidad teórica de obtener características mejoradas que brinden superioridad sobre los motores estatorreactores y propulsores líquidos existentes y futuros. Entonces, con el mismo empuje, el motor de impulso resulta más compacto y ligero. En consecuencia, se puede crear una unidad más poderosa en las mismas dimensiones. Además, dicho motor tiene un diseño más simple, ya que no necesita una parte de la instrumentación.
El IDD está operativo en una amplia gama de velocidades, desde cero (al inicio del cohete) hasta hipersónico. Puede encontrar aplicación en cohetes y sistemas espaciales y en aviación, en campos civiles y militares. En todos los casos, sus rasgos característicos permiten obtener ciertas ventajas sobre los sistemas tradicionales. Dependiendo de las necesidades, es posible crear un IDD de cohete usando un oxidante de un tanque, o uno reactivo con el aire que toma oxígeno de la atmósfera.
Sin embargo, existen importantes inconvenientes y dificultades. Entonces, para dominar una nueva dirección, es necesario realizar varios estudios y experimentos bastante complejos en la intersección de diferentes ciencias y disciplinas. El principio de funcionamiento específico impone exigencias especiales al diseño del motor y sus materiales. El precio del alto empuje es el aumento de cargas que pueden dañar o destruir la estructura del motor.
IDD para Long-EZ. Foto Museo Nacional de la USAF
El desafío es asegurar una alta tasa de suministro de combustible y oxidante, correspondiente a la frecuencia de detonación requerida, así como realizar una purga antes del suministro de combustible. Además, un problema de ingeniería separado es el lanzamiento de una onda de choque en cada ciclo de operación.
Cabe señalar que hasta la fecha, los IDD, a pesar de todos los esfuerzos de los científicos y diseñadores, no están preparados para ir más allá de los laboratorios y los sitios de prueba. Los diseños y las tecnologías requieren un mayor desarrollo. Por tanto, todavía no es necesario hablar de la puesta en práctica de nuevos motores.
Historia de la tecnologia
Es curioso que el principio de un motor de detonación pulsada no fuera propuesto por primera vez por científicos, sino por escritores de ciencia ficción. Por ejemplo, el submarino "Pioneer" de la novela de G. Adamov "El misterio de dos océanos" usó IDD en una mezcla de gas hidrógeno-oxígeno. Ideas similares aparecieron en otras obras de arte.
La investigación científica sobre el tema de los motores de detonación comenzó un poco más tarde, en los años cuarenta, y los pioneros de esta dirección fueron los científicos soviéticos. En el futuro, en diferentes países, se hicieron repetidos intentos para crear un IDD experimentado, pero su éxito se vio seriamente limitado por la falta de las tecnologías y materiales necesarios.
El 31 de enero de 2008, la agencia DARPA del Departamento de Defensa de los EE. UU. Y el Laboratorio de la Fuerza Aérea comenzaron a probar el primer laboratorio volador con un IDD tipo respiración de aire. El motor original se instaló en un avión Long-EZ modificado de Scale Composites. La planta de energía incluía cuatro cámaras de combustión tubulares con suministro de combustible líquido y toma de aire de la atmósfera. A una frecuencia de detonación de 80 Hz, un empuje de aprox. 90 kgf, que era suficiente solo para una avioneta.
Motor de detonación rotativo ruso "Ifrit". Foto de NPO Energomash
Estas pruebas demostraron la idoneidad fundamental del IDD para su uso en aviación, y también demostraron la necesidad de mejorar los diseños y mejorar sus características. En el mismo 2008, el avión prototipo fue enviado al museo, y DARPA y organizaciones relacionadas continuaron trabajando. Se informó sobre la posibilidad de utilizar IDD en sistemas de misiles prometedores, pero hasta ahora no se han desarrollado.
En nuestro país, la asignatura de TDY se estudió a nivel teórico y práctico. Por ejemplo, en 2017, la revista Combustion and Explosion publicó un artículo sobre las pruebas de un motor estatorreactor de detonación que funciona con hidrógeno gaseoso. Además, se sigue trabajando en los motores de detonación rotativos. Se ha desarrollado y probado un motor cohete de propulsante líquido, adecuado para su uso en misiles. Se está estudiando la cuestión del uso de estas tecnologías en motores de aviones. En este caso, la cámara de combustión de detonación está integrada en el turborreactor.
Perspectivas tecnologicas
Los motores de detonación son de gran interés desde el punto de vista de su aplicación en diversos campos y campos. Debido al aumento esperado en las características principales, pueden, al menos, exprimir los sistemas de clases existentes. Sin embargo, la complejidad del desarrollo teórico y práctico aún no permite que se utilicen en la práctica.
Sin embargo, se han observado tendencias positivas en los últimos años. Motores de detonación en general, incl. pulso, aparecen cada vez más en las noticias de laboratorios. El desarrollo de esta dirección continúa, y en el futuro podrá dar los resultados deseados, aunque el momento de aparición de muestras prometedoras, sus características y áreas de aplicación aún están en duda. Sin embargo, informes recientes nos permiten mirar al futuro con optimismo.
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