Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии непрерывно-детонационного гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя воздушно-космической транспортной системы с управляемым сжиганием топлива в оптимальных структурно-устойчивых тройных конфигурациях ударных волн с долей детонационного горения не менее 85% объема камеры сгорания.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
детонационное горение, ударно-волновые структуры, камера сгорания, пульсирующий двигатель, резонатор.

Цель проекта:
Цель: разработка технологии создания оптимальной ударно-волновой структуры в детонационной камере сгорания с использованием различных методов инициирования детонации (лазерного/светодиодного, газодинамического) для воздушно-реактивных и комбинированных двигателей нового поколения воздушно-космических летательных аппаратов. Реализация проекта позволит решить проблему повышения удельных характеристик воздушно-реактивного двигателя не менее, чем на 25%, путем перехода с традиционного термодинамического цикла сжигания топлива при постоянном давлении (цикл Брайтона) на цикл детонационного горения, близкий к термодинамическому циклу сжигания топлива при постоянном объеме (цикл Хамфри).

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будет
- проведен анализ современной состояния исследуемой научно-технической проблемы,
- проведено обоснование выбора оптимального варианта направления исследований,
- проведено теоретическое исследование путей создания оптимальной структурно устойчивой ударно-волной структуры в детонационном двигателе,
- проведены экспериментальные исследования на «холодном» и «горячем» стендах,
- разработана технология для организации непрерывной детонации в оптимальных структурно-устойчивых тройных конфигурациях ударных волн,
- проведено патентное исследование в области волновой техники,
- даны рекомендации по реализации технологии в реальных секторах экономики.
Основное отличие разрабатываемой технологии от большинства известных разработок CDE/RDE состоит в том, что авторами Проекта предлагается уйти от традиционного подхода создания детонационной волны с помощью химической реакции с попыткой придать детонационным процессам устойчивый стационарный или периодический характер. Вместо этого предлагается иным способом создать экстремальную УВС в предварительно сформированном сверхзвуковом потоке топливной смеси. Воспламенение (детонация) топлива будет происходить в данной оптимальной УВС с достижением максимально возможного для заданной геометрии и параметров смеси давления. Скорость набегающего потока и интенсивность ударных волн в УВС будет такой, что возмущения от зоны горения будут сносится от фронта ударной волны вниз по потоку и не будут влиять на нее.
При реализации технологии может быть получен следующий технический эффект:
- существенный (на 20-25%) рост основных характеристик при одновременном снижении стоимости;
- по удельной стоимости единицы тяги двигатель, построенный с использованием продукта проекта, должен быть примерно в четыре раза дешевле обычных ТРД (55 долл за 1 кг тяги против 220 долл./кг);
- повышение удельного импульса ЖРД, работающих на высококипящих компонентах с 330 до 450 с;
- достижение удельного импульса ракетных детонационных двигателей, работающих на высококипящих компонентах, на 5-10% выше, чем у лучших криогенных ЖРД традиционной схемы, при одновременном снижении их стоимости примерно в 5-7 раз за счет того, что компоненты топлива будут подаваться в камеру сгорания при низком давлении, что позволяет отказаться от использования турбонасосных агрегатов (ТНА) и усиленных трубопроводов.
- повышение полного теплового КПД ТРД с достигнутых на сегодня 40-42% до 48-50%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате проекта будет разработан технический облик двигателя с детонационным сжиганием топлива обеспечивающий:
- удельный расход топлива воздушно-реактивного двигателя – 0,17 кг/л.с.ч.;
- повышение теплового КПД в ТРД на 20%, не менее;
- снижение расчетной стоимости жидкостного ракетного двигателя на 40%, не менее.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты могут быть применены при проектировании реактивных двигателей, энергетических установок, использующих детонационное горение.
Наиболее близким с точки зрения внедрения являются малые энергетические газотурбинные установки мощностью до 300 кВт с детонационной камерой сгорания и высокооборотным ротором и бортовая вспомогательная силовая установка для летательного аппарата. Другим перспективным направлением коммерциализации может стать производство газогенераторов, работающих на сжиженном природном газе.
Выполнение работ по проекту, в случае успеха, откроет новый технологический уклад в области проектирования реактивных двигателей. Решение задачи организации и поддержания непрерывного детонационного горения открывает дорогу развития гиперзвуковых летательных аппаратов, рассчитанных на скорость М=4-5.

Текущие результаты проекта:
Внесен существенный вклад в развитие теории интерференции стационарных газодинамических разрывов. Получено сразу несколько новых фундаментальных результатов. Выполнены теоретические исследования путей создания оптимальной структурно-устойчивой ударно-волновой структуры в детонационном двигателе. Изучены основные типы ударно-волновых структур, применение которых в детонационных и гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателях является перспективным. Исследованы области их существования. Введены критерии оптимальности ударно-волновых структур, исследованы их асимптотические и экстремальные свойства, предложен способ проектирования оптимальных ударно-волновых структур. Разработаны программа и методика экспериментальных исследований ударно-волновых структур. Разработана методика расчета газодинамического инициирования детонации для нескольких вариантов детонационных двигателей, а также режимов их работы. Выполнены экспериментальные исследования ударно-волновых структур на стенде без учета горения, а именно:
определены характерные давления, соответствующие началу, окончанию, максимальной амплитуде колебаний, режиму мин. донного давления в односопловой компоновке;
определены характерные давления, соответствующие началу, окончанию, максимальной амплитуде колебаний, режиму мин. донного давления в двухсопловой и четырехсопловой компоновке;
выявлены основные виды колебаний, определены их границы;
определены главные частоты дискретного тона в акустическом излучении.
Разработан и изготовлен стенд для исследования ударно-волновых структур с учетом горения – «горячий» экспериментальный стенд. Выполнены исследовательские испытания на «горячем» экспериментальном стенде. Разработана программа и методики экспериментальных исследований ударно-волновых структур на «горячем» экспериментальном стенде.