14.609.21.0001

Разработка технологии создания гидрореактивной тяги в водомётных двигателях высокоскоростных водных транспортных средств, основанной на эффективной передаче количества движения от высоконапорных струй продуктов импульсно-детонационного горения штатных моторных топлив к водной среде, для создания принципиально нового гидрореактивного импульсно-детонационного двигателя (ГДД) для водных транспортных средств, обеспечивающего повышение их скоростных, энергетических и экологических характеристик.
Задачи исследования:
(1) провести анализ новых современных идей и подходов к созданию гидрореактивных двигателей с импульсно-детонационным режимом горения в обеспечение их высоких удельных параметров и характеристик, достижение которых невозможно в традиционных гидрореактивных двигателях с дефлаграционным режимом горения;
(2) провести расчётно-теоретическое исследование процессов взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с водной средой;
(3) расчётно-экспериментальными методами определить условия, необходимые для достижения максимальной эффективности передачи количества движения от импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив к водной среде;
(4) выбрать наиболее перспективные схемы стендового демонстрационного образца ГДД (СДО ГДД);
(5) разработать конструкторскую документацию для изготовления СДО ГДД;
(6) изготовить СДО ГДД и проведены их испытания.

Анализ современных работ по технологиям создания гидрореактивной тяги показал, что одним из наиболее перспективных направлений является создание импульсно-детонационных гидрореактивных двигателей, в которых в качестве горючего и окислителя используются штатное углеводородное топливо и атмосферный воздух, а рабочее тело – механическая смесь воды с пузырьками продуктов горения и детонации топлива. Основная проблема при реализации такой технологии – организация эффективной передачи количества движения водной газосодержащей среде от высокоскоростных струй газообразных продуктов детонации топливно-воздушной смеси не была решена к моменту начала работы над проектом.
Патентные исследования, проведённые по следующим направлениям:
(1) способы и устройства для создания гидрореактивной тяги
(2) способы и устройства для инициирования детонации газов и газокапельных смесей на базе жидких топлив в современных энергетических установках, показали, что новизна разрабатываемой технологии создания гидрореактивной тяги гарантирует ее патентную чистоту.

1. Разработана физико-математическая модель и проведено численное исследование процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой. Показано, что при передаче импульса от ударной волны к газосодержащей водной среде возможны динамические эффекты, при которых импульс, переданный газосодержащей водной среде, значительно превышает импульс, переданный чистой жидкости, при прочих равных условиях.

3. Разработана ЭКД и изготовлена лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой с объёмным газосодержанием до 30%.

4. Разработана программа и методики экспериментальных исследований процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой.

5. Выполнена экспериментальная проверка результатов численного исследования процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой. Показано, что используемые физико-математические модели и вычислительные программы адекватно описывают исследуемые процессы.

6. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса передачи количества движения от импульсных газовых струй к инертной и активной газосодержащей водной среде, направленные на определение условий достижения наибольшей эффективности передачи количества движения от импульсных газовых струй к газосодержащей водной среде. Показано, что при разработке технологии создания гидрореактивной тяги для обеспечения эффективной передачи количества движения от высокоскоростных струй продуктов импульсно-детонационного горения штатных моторных топлив к водной среде объёмное содержание газа в водной среде должно быть не менее 25%, а частота генерации импульсных газовых струй не должна превышать 5 кГц.

7. Разработаны ЭКД СДО ГДД, а также ЭКД и РКД испытательного стенда (ИС) ГДД.

8. Разработаны программа и методики испытаний СДО ГДД, обеспечивающие определение его основных характеристик: удельного импульса тяги (до 15000 с), скорости потока в водоводе (до 20 м/с) и начального объёмного газосодержания (до 30%).

9. Проведены пуско-наладочные работы ИС, в ходе которых проверена работоспособность элементов стенда, а также разработанных методик испытаний СДО ГДД.

10. Проведены отладочные испытания СДО ГДД по программе по п.8. Показано, что максимальные значения удельного импульса тяги (7000 – 8000 c) наблюдаются при минимальном заполнении генератора детонационных волн топливной смесью с расходом на уровне 0,625 г/импульс, а увеличение расхода топливной смеси приводит к регулярному уменьшению удельного импульса тяги.

11. По результатам отладочных испытаний доработана КД для изготовления СДО ГДД. Изменена конструкция элементов СДО ГДД (системы подачи топлива и окислителя, камеры сгорания и др.).

12. По результатам отладочных испытаний доработана РКД ИС ГДД. В состав ИС добавлен проточный бассейн, использование которого позволило имитировать скоростной напор, возникающий при движении транспортного средства. Кроме того, изменена система подвески СДО ГДД, что позволило погружать его ниже уровня воды.

13. Изготовлены варианты СДО ГДД и ИС ГДД по откорректированным чертежам.

14. Проведены испытания СДО ГДД по программе и методикам (см. п. 8).

15. Разработан лабораторный технологический регламент создания гидрореактивной тяги в водомётных двигателях высокоскоростных водных транспортных средств.

По состоянию на конец проекта получены следующие важнейшие результаты:

1. Создана лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой с объёмным газосодержанием до 30%, которая позволяет измерять амплитуду ударной волны с избыточным давлением до 10 атм в газосодержащей среде, скорость ударной волны до 1000 м/с и скорости самой газосодержащей среды до 100 м/с (при помощи скоростной видеосъёмки).

2. Разработаны программа и методики экспериментальных исследований процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой.

3. Создан СДО ГДД, отвечающий следующим требованиям:

- масса - не более 10 кг;

- длина - не более 800 мм;

- ширина габаритная - не более 200 мм;

- высота габаритная - не более 400 мм;

- топливо - штатное моторное (пропан-бутан, бензин, керосин, дизельное топливо, метан, водород)

- окислитель – кислород;

- частота работы – до 25 Гц;

- удельный импульс (отношение тяги к секундному весовому расходу топливной смеси) - не менее 200 с.

4. Создан ИС ГДД, обеспечивающий возможность проведения испытаний СДО ГДД с заявленными характеристиками.

5. Разработаны программа и методики испытаний СДО ГДД, обеспечивающие определение основных характеристик СДО ГДД: удельного импульса тяги (до 15000 с), скорости потока в водоводе (до 20 м/с) и начального объёмного газосодержания (до 30%).

6. Разработана КД стендового демонстрационного образца ГДД.

7. Разработана ЭКД и РКД испытательного стенда ГДД.

8. Разработан лабораторный технологический регламент создания гидрореактивной тяги в водомётных двигателях высокоскоростных водных транспортных средств.

Результаты, полученные в ходе выполнения настоящей ПНИ, могут быть использованы для проектирования быстроходных надводных и подводных транспортных средств с гидрореактивными движителями, работающими на новых физических принципах – в режиме управляемой импульсной детонации. На основе полученных результатов разрабатывается проект технического задания на ПНИЭР, цель которого – создание экспериментального образца водометного импульсно-детонационного двигателя и проведение его натурных испытаний на буксируемых моделях.