Разработчики из Университета Центральной Флориды и специалисты военно-воздушных сил США провели историческое испытание ракетного двигателя. Это двигатель на основе вращающейся детонации, работоспособность которого ранее считалась невозможной.
Кратко о ракетных двигателях
Для преодоления земной гравитации и выхода на околоземную орбиту нужен двигатель, который развивает большую тягу. Например, используемый компанией SpaceX в своих ракетах-носителях двигатель Merlin 1D развивает тягу около 84500 килограммов на уровне моря.
Создать тягу подобной величины позволяют химические источники энергии, в которых одно вещество (топливо) в химической реакции сочетается с другим веществом (окислитель) с высвобождением большого количества тепла. Это может быть твердое топливо, как в боковых ускорителях космического шаттла, жидкость (керосин) или сжиженный газ (водород, метан). Двигатели на твердом топливе имеют большой недостаток – в них невозможно точно регулировать тягу и включать/выключать в полете.
Основной тип двигателей в современных ракетах-носителях использует жидкость или сжиженный газ в качестве топлива. Такой тип двигателей позволяет точно регулировать тягу, а также их можно включать и выключать в процессе работы.
Нормальная работа таких двигателей – плавное и относительно медленное сгорание, однако при некоторых условиях возможно резкое сгорание, которое называется детонацией. При детонации происходит почти мгновенное, по сравнению с нормальным горением, высвобождение энергии. Об опасности детонации знает почти каждый автомобилист, а некоторые даже почувствовали его на своем кошельке, оплатив ремонт двигателя своего авто.
Детонацию – в ракетный двигатель
Из-за хаотического характера детонация считается негативным явлением, но она также приносит много энергии при меньшем расходе топлива. Ученые более 60 лет пытались обуздать детонацию и создать на ее основе ракетный двигатель. Такой двигатель был бы легче и имел бы большую тягу, чем обычные ракетные двигатели на основе плавного сгорания.
Профессор Университета Центральной Флориды Карим Ахмед говорит, что механически детонационный двигатель очень простой. Но в динамике он оказывается очень сложным и требует точно скоординированной во времени доставки топлива.
Детонационный двигатель начинается с цилиндра, вставленного в чуть больший цилиндр. Между ними есть зазор и отверстия и щели, сквозь которые прокачивается готова топливно-окислительная смесь. Ее поджигают, и она сгорает в режиме детонации, выталкивая газы в нужном направлении.
Также это создает ударную волну, которая проходит круговым каналом на скорости в пять раз выше скорости звука. Эта ударная волна используется для генерации других зон детонации.
Добавляя в нужный момент новые порции топливно-окислительной смеси, можно получить ракетный двигатель на основе вращающейся детонации.
Впервые двигатель на основе такой концепции попытались разработать в Университете Мичигана в 50-х годах. Но оказалось, что создать и поддерживать такой вращающийся режим детонации чрезвычайно сложно.
«Несколько месяцев назад несколько специалистов в ракетных двигателях публично заявили, что водород-кислородный двигатель вращающейся детонации невозможен», – говорит Ахмед.
Современное решение
Ученые Университета Центральной Флориды, работая в рамках исследовательской программы военно-воздужных сил США, создали и испытали детонационный ракетный двигатель. Лабораторный образец использовал смесь водорода и кислорода.
Созданый двигатель работал, пока ему не перекрыли поток горючей смеси. Прототип имеет небольшие размеры – около 3 дюймов (почти 8 см). Он выдал тягу до 90 кг. Секрет работы двигателя – точный подбор отверстий, сквозь которые подается горючая смесь.
Разработчики говорят что тягу можно линейно наращивать, добавляя больше горючей смеси.
Ахмед говорит, что конструкцию его двигателя уже оценивают для замены Aerojet Rocketdyne RL-10. Этот двигатель создали в 1962 году, и он до сих пор используется в верхних ступенях ракет-носителей Atlas V и Delta IV. Также он модифицируется для Exploration, OmegA и Vulcan.
Полетные тесты нового детонационного двигателя планируют на 2025 год.
Не только для космоса
Детонационный двигатель также может оказаться более эффективной заменой газотурбинных двигателей. В 2012 году военно-морские силы США подсчитали, что такая замена сэкономила около 15-20% на счетах за топливо. Это ведомство тогда тратило на топливо около $2 млрд на год для 100 своих кораблей с газотурбинными двигателями.
Новый двигатель также может открыть новую эру в авиации, сделав реальностью сверхзвуковые и гиперзвуковые полеты. Современные технологии делают такие полеты экономически неэффективными.
По материалам: University of Central Florida, Combustion and Flame, nrl.navy.mil
