Не реактивные двигатели будущего

Что смогут авиационные двигатели будущего?

Авиационные двигатели представляют собой, пожалуй, самый сложный компонент любого летательного аппарата

Их технология производства отличается большой сложностью, а время от начала разработки до начала серийного производства может превышать и 10 лет. Рассмотрим наиболее перспективные проекты в военном двигателестроении.

Перспективные двигатели для истребительной авиации

Современная истребительная авиация является сверхзвуковой, более того, для пятого поколения истребителей необходима также возможность выполнения полета на бесфорсажной сверхзвуковой крейсерской скорости. Естественно, это требует применения более мощных и эффективных двигателей. На истребителях как четвертого, так и пятого поколения на сегодняшний день применяются двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД) c низкой степенью двухконтурности с форсажем. Рассмотрим перспективные силовые установки для истребителей.

«Изделие 30» для Су-57

Один из самых сложных и перспективных проектов в российском двигателестроении – разработка двигателя «второго этапа» для истребителя пятого поколения Су-57. Силовая установка, которая должна после 2020 года заменить АЛ-41Ф1 (двигатель, очень близкий к АЛ-41Ф1С, который устанавливается на серийные Су-35С), пока разрабатывается под временным названием «изделие 30». По доступной информации, разработку ведет ОКБ им. Люльки – московский филиал ПАО «ОДК-УМПО» («Уфимское моторостроительное производственное объединение»).

Из информации, в течение последних лет появляющейся в СМИ, известно, что двигатель, как и АЛ-41Ф1, имеет управляемый вектор тяги, а тяга на форсаже достигает 17 000 – 18 000 кгс, против 15 000 кгс у АЛ-41Ф1. В целом характеристики двигателя должны превосходить таковые у АЛ-41Ф1 на 20–25%, кроме того, можно предположить, что будет проделана работа и по снижению заметности в радиолокационном и инфракрасном спектрах [1]. Сочетание этих факторов должно позволить Су-57 достичь требуемых критериев истребителя пятого поколения.

«Трехконтурные» адаптивные двигатели в рамках программы Adaptive Engine Technology Development (AETD)

Еще в 2007 году стартовала программа министерства обороны США Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT), в которой участвовали General Electric (GE) и Rolls-Royce. В 2012 году ADVENT была завершена и перешла в программу Adaptive Engine Technology Development (AETD), в которой вместо Rolls-Royce оказалась Pratt & Whitney (P&W). С 2016 года с обеими компаниями были подписаны контракты на выполнение работ в рамках программы Adaptive Engine Transition Program (AETP). Обе компании получили по 1 млрд долларов, со сроком исполнения программы до 30 сентября 2021 года [2].

Перед обеими компаниями стоит цель разработать и испытать новый тип двигателей, которые в перспективе планируется устанавливать на истребителях F-35 и перспективных истребителях шестого поколения. Цель программы заключается в создании двигателя, который расходует на 25% меньше топлива и выдает на 10% больше тяги, чем доступные на сегодня силовые установки. Такое серьезное улучшение показателей достигается за счет добавления третьего контура к ТРДД, который включается в работу только в режиме экономичного полета, сильно повышая степень двухконтурности двигателя. К тому же более холодный воздух третьего контура используется для снижения температуры газов, покидающих двигатель, и, соответственно, снижения заметности в инфракрасном диапазоне. В боевом режиме достигается повышенная мощность двигателя за счет перехода на традиционный двухконтурный режим с низкой степенью двухконтурности.

Двигатель Adaptive Cycle Engine (ACE), или XA-100, который разрабатывается GE, согласно официальной информации, позволяет снизить потребление топлива на 25%, повысить максимальную дальность полета на 35% и увеличить тягу на 20% [3].

Что касается двигателя P&W под названием XA-101, он представляет собой глубокую модернизацию силовой установки F135, которая используется на истребителях F-35. В двигателе для программы AETP применяется внутренний контур (газогенератор) F-135 практически без изменений, идет разработка остальных компонентов, в том числе и третьего контура [4].

Отметим, что в открытых источниках информации о разработке аналогичных технологий в России пока нет.

Китайские проекты

В Китае, где активно развивается военное авиастроение, разработаны два истребителя пятого поколения – J-20 и J-31. Оба самолета поначалу полагаются на российские двигатели – АЛ-31Ф и РД-93, однако в перспективе должны получить китайские двигатели – WS-15 [5] и WS-19 [6] соответственно. Открытой информации о них немного, но ожидать какого-то технологического прорыва не стоит – это будет скорее локальным успехом и сокращением отставания от России и Запада.

Авиационный высокотемпературный турбореактивный двухконтурный двигатель АЛ-41Ф1 («Изделие 117») с форсажной камерой и всеракурсно управляемым вектором тяги «первого этапа» для истребителя пятого поколения ПАК ФА на Международном авиакосмическом салоне МАКС-2011. (Doomych).
Источник: http://supercoolpics.com/

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели

Несмотря на свою кажущуюся простоту, прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) – одно из самых многообещающих направлений развития военного двигателестроения. Прежде всего это касается ПВРД со сжиганием топлива в сверхзвуковом воздушном потоке или гиперзвуковых ПВРД (ГПВРД), а также двухрежимных вариантов – со сжиганием топлива как в дозвуковом, так и сверхзвуковом потоке воздуха. В первую очередь «чистый» ГПВРД интересен для установки на крылатые ракеты – в таком случае до минимальной для начала работы двигателя скорости ракету может довести твердотопливный ракетный ускоритель.

Российские работы в этой области засекречены, имеется лишь небольшое количество упоминаний в открытых источниках. Согласно им, авиационная гиперзвуковая крылатая ракета ГЗУР (гиперзвуковая управляемая ракета) получит ПВРД «Изделие 70», разработанный ПАО «ТМКБ «Союз» [7]. Он должен обеспечить полет ракеты на дальность 1500 км на скорости 6 M. Согласно данным того же источника, серийное производство ГЗУР должно начаться в 2020 году. О характеристиках двигателя ничего не известно.

С другой стороны, научный руководитель Государственного научно-исследовательского института авиационных систем академик Евгений Федосов в интервью «Интерфаксу» в 2017 году упоминал тему ГПВРД и сказал, что пока успехи в этой области не достигнуты [8]. Похожее мнение высказал и советник главы корпорации НПО «Машиностроения» по науке Герберт Ефремов в январе 2018 года [9]. Однако функционирование стандартного ПВРД на скорости 6 M видится маловероятным. Еще меньше известно о двигателе для противокорабельной ракеты «Циркон» разработки НПО «Машиностроения» [10]. Информации о реальных сроках готовности этой ракеты также нет.

Что касается стран Запада, там работы ведутся в более открытом режиме. Пока все известные работы были исключительно исследовательскими и направлены на изучение как тематики непосредственно ГПВРД, так и поведения летательных аппаратов на гиперзвуковой скорости в целом. На сегодняшний день ведутся работы в рамках программы Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC), финансируемой DARPA и ВВС США [11]. Этим проектом занимаются как Lockheed Martin, так и Raytheon, получив контракты на 171,2 и 174,7 млн долларов соответственно. Еще 14,3 млн долларов было выделено в военном бюджете на 2019 год [12]. Работа заключается в создании прототипа гиперзвуковой крылатой ракеты с ГПВРД, другие детали пока неизвестны.

Есть проекты и в других странах, но менее конкретные и с размытыми перспективами. К примеру, европейская компания MBDA ведет исследования в направлении создания гиперзвуковой крылатой ракеты ASN4G, но ее появление «в металле» ожидается не ранее 2030 года [13]. Ведет работы и Индийская организация космических исследований: в 2016 году прошли успешные испытания ГПВРД – два двигателя были выведены на необходимую стартовую скорость с помощью ракеты-носителя Advanced Technology Vehicle (ATV) и успешно отработали в течение 5 секунд [14].

Комбинированные двигатели

Перспективная задача создания гиперзвуковых и атмосферно-космических самолетов требует разработки соответствующих двигателей. На гиперзвуковых скоростях использование традиционного ТРД/ТРДД невозможно, при этом применение исключительно прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПРВД) также не представляется возможным – он неэффективен на дозвуковых и низких сверхзвуковых скоростях. В связи с этим целесообразна разработка комбинированных двигателей – «турбопрямоточных» или же «турборакетных». Опыт создания и реального применения «турбопрямоточных» двигателей имеется в США – пара Pratt & Whitney J58 позволяла самолету-разведчику SR-71 разгоняться до скорости 3,2 М.

Сейчас в США на ранних стадиях ведутся работы по созданию как гражданских [15], так и военных гиперзвуковых самолетов. Как Boeing, так и Lockheed Martin стремятся создать гиперзвуковой самолет-разведчик, фактически «наследника» SR-71. В рамках программы DARPA Advanced Full Range Engine (AFRE) [16] идут работы по созданию комбинированного двигателя, включающего в себя два компонента – ТРД и двухрежимный ПРВД, со сжиганием топлива в дозвуковом воздушном потоке и со сжиганием топлива в сверхзвуковом воздушном потоке. На скорости, достаточной для запуска ПРВД, воздушный поток полностью перенаправляется во внешний контур, минуя газогенератор (турбина полностью отключается) и напрямую попадая в камеру сгорания ПРВД, расположенную за турбиной (вероятно, в форсажной камере). В англоязычной литературе такой двигатель получил название turbine-based combined cycle (TBCC). Работу ведут Boeing в сотрудничестве с Orbital ATK (ныне является частью Northrop Grumman) c 2016 года [17] и Lockheed Martin (отдел Skunk Works) с Aerojet Rocketdyne с 2009 года [18], [19].

Еще один перспективный тип комбинированного двигателя – это «турборакетный» двигатель. Такой двигатель, в отличие от «турбопрямоточного», может работать как в атмосфере, так и в безвоздушном пространстве. Наиболее интересным проектом в этой области является британский двигатель SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), разрабатываемый частной компаний Reaction Engines Limited [20]. Фактически в нем сочетаются три компонента – ТРД, ПВРД и ракетный двигатель.

Механизм работы двигателя достаточно сложный: воздух после попадания в воздухозаборник моментально охлаждается до –140 °С (примерно с 1000 °С) в теплообменнике. Происходит это за счет опосредованной передачи тепла от жидкого водорода (является топливом SABRE) через гелий, который находится в промежуточной петле. Нагревшийся гелий в дальнейшем применяется для обеспечения работы турбины компрессора, а водород сжигается как в камерах сгорания (всего их четыре), так и в дополнительных прямоточных камерах сгорания (на охлаждение гелия требуется больше водорода, чем для сжигания в основных камерах сгорания), расположенных кольцеобразно вокруг основных. На высоте 28,5 км и скорости 5,14 M двигатель переходит в ракетный режим – воздухозаборник закрывается, а в камеру сгорания начинает поступать жидкий кислород. За счет этого должен обеспечиваться вывод на орбиту одноступенчатого космического аппарата SKYLON [21].

Первые стендовые испытания двигателя планируется провести в 2020 году [22]. На раннем этапе подобные работы проходят и в России – в филиале Военной академии РВСН имени Петра Великого (Серпухов) ведутся работы над двигателем для перспективного воздушно-космического самолета [23].

Источник

Импульсные детонационные двигатели как будущее ракет и авиации

Прямоточный испульсный детонационный двигатель. Графика «Горение и взрыв»

Существующие двигательные установки для авиации и ракет показывают весьма высокие характеристики, но вплотную приблизились к пределу своих возможностей. Для дальнейшего повышения параметров тяги, создающего задел для развития авиационной ракетно-космической отрасли, необходимы другие двигатели, в т.ч. с новыми принципами работы. Большие надежды возлагаются на т.н. детонационные двигатели. Подобные системы импульсного класса уже испытываются в лабораториях и на летательных аппаратах.

Физические принципы

В существующих и эксплуатируемых двигателях на жидком топливе используется дозвуковое горение или дефлаграция. Химическая реакция с участием топлива и окислителя образует фронт, перемещающийся по камере сгорания с дозвуковой скоростью. Такое горение ограничивает количество и скорость реактивных газов, истекающих из сопла. Соответственно, ограничивается и максимальная тяга.

Альтернативой является детонационное горение. В этом случае фронт реакции перемещается со сверхзвуковой скоростью, образуя ударную волну. Подобный режим горения увеличивает выход газообразных продуктов и обеспечивает повышенную тягу.

Детонационный двигатель может быть выполнен в двух вариантах. Одновременно разрабатываются импульсные или пульсирующие двигатели (ИДД / ПДД) и ротационные / вращающиеся. Их отличие заключается в принципах горения. Ротационный двигатель поддерживает постоянную реакцию, а импульсный работает за счет последовательных «взрывов» смеси топлива и окислителя.

Импульсы образуют тягу

В теории, по своей конструкции ИДД не сложнее традиционного прямоточного воздушно-реактивного или жидкостного ракетного двигателя. Он включает камеру сгорания и сопловой аппарат, а также средства подачи топлива и окислителя. При этом накладываются особые ограничения на прочность и стойкость конструкции, связанные с особенностями работы двигателя.

Во время работы форсунки подают в камеру сгорания топливо; окислитель подводится из атмосферы помощи воздухозаборного устройства. После образования смеси происходит воспламенение. За счет правильного подбора компонентов топлива и пропорций смеси, оптимального способа воспламенения и конфигурации камеры образуется ударная волна, движущаяся в направлении сопла двигателя. Текущий уровень технологий позволяет получить скорость волны до 2,5-3 км/с с соответствующим повышением тяги.

ИДД использует пульсирующий принцип работы. Это означает, что после детонации и выхода реактивных газов камера сгорания продувается, вновь наполняется смесью – и следует новый «взрыв». Для получения высокой и стабильной тяги этот цикл должен осуществляться с большой частотой, от десятков до тысяч раз в секунду.

Сложности и преимущества

Главным преимуществом ИДД является теоретическая возможность получения повышенных характеристик, обеспечивающих превосходство над существующими и перспективными ПВРД и ЖРД. Так, при той же тяге импульсный двигатель получается компактнее и легче. Соответственно, в тех же габаритах можно создать более мощную установку. Кроме того, такой двигатель проще по своей конструкции, поскольку не нуждается в части приборного оснащения.

ИДД работоспособен в широком диапазоне скоростей, от нулевых (при старте ракеты) до гиперзвуковых. Он может найти применение в ракетно-космических системах и в авиации – в гражданских и военных областях. Во всех случаях его характерные особенности позволяют получить те или иные преимущества перед традиционными системами. В зависимости от потребностей, возможно создание ракетного ИДД, использующего окислитель из бака, или воздушно-реактивного, принимающего кислород из атмосферы.

Впрочем, имеются существенные недостатки и затруднения. Так, для освоения нового направления приходится проводить различные достаточно сложные исследования и опыты на стыке разных наук и дисциплин. Специфический принцип работы предъявляет особые требования к конструкции двигателя и ее материалам. Ценой высокой тяги оказываются повышенные нагрузки, способные повредить или разрушить конструкцию двигателя.

Сложной задачей является обеспечение высокой скорости подачи топлива и окислителя, соответствующей необходимой частоте детонаций, а также выполнение продувки перед подачей топлива. Кроме того, отдельной инженерной проблемой является запуск ударной волны при каждом цикле работы.

Следует отметить, что к настоящему времени ИДД, несмотря на все усилия ученых и конструкторов, не готовы к выходу за пределы лабораторий и полигонов. Конструкции и технологии нуждаются в дальнейшей отработке. Поэтому пока не приходится говорить о внедрении новых двигателей в практику.

История технологии

Любопытно, что принцип импульсного детонационного двигателя впервые был предложен не учеными, но писателями-фантастами. К примеру, подлодка «Пионер» из романа Г. Адамова «Тайна двух океанов» использовала ИДД на водородно-кислородной газовой смеси. Схожие идеи фигурировали и в других художественных произведениях.

Научные изыскания по теме детонационных двигателей начались чуть позже, в сороковых годах, причем пионерами направления были советские ученые. В дальнейшем в разных странах неоднократно предпринимались попытки создания опытного ИДД, но их успех серьезно ограничивало отсутствие необходимых технологий и материалов.

31 января 2008 г. агентство DARPA министерства обороны США и Лаборатория ВВС начали испытания первой летающей лаборатории с ИДД воздушно-реактивного типа. Оригинальный двигатель установили на доработанном самолете Long-EZ от фирмы Scale Composites. Силовая установка включала четыре трубчатые камеры сгорания с подачей жидкого топлива и забором воздуха из атмосферы. При частоте детонаций 80 Гц развивалась тяга ок. 90 кгс, чего хватало только для легкого летательного аппарата.

Российский ротационный детонационный двигатель «Ифрит». Фото НПО «Энергомаш»

Эти испытания показали принципиальную пригодность ИДД для применения в авиации, а также продемонстрировали необходимость совершенствования конструкций и повышения их характеристик. В том же 2008 г. опытный самолет отправили в музей, а DARPA и смежные организации продолжили работу. Сообщалось о возможности применения ИДД в перспективных ракетных комплексах – но пока они не разработаны.

В нашей стране тематика ИДД изучалась на уровне теории и практике. К примеру, в 2017 г. в журнале «Горение и взрыв» появилась статья об испытаниях детонационного прямоточного двигателя на газообразном водороде. Также продолжаются работы по ротационным детонационным двигателям. Создан и испытан РДД на жидком топливе, пригодный для использования на ракетах. Прорабатывается вопрос использования таких технологий в авиационных двигателях. В этом случае детонационная камера сгорания интегрируется в состав турбореактивного двигателя.

Перспективы технологии

Детонационные двигатели представляют большой интерес с точки зрения применения в разных областях и сферах. За счет ожидаемого прироста основных характеристик они могут, как минимум, потеснить системы существующих классов. Однако сложность теоретической и практической разработки пока не позволяет им дойти до использования на практике.

Впрочем, в последние годы наблюдаются положительные тенденции. Детонационные двигатели в целом, в т.ч. импульсные, все чаще появляются в новостях из лабораторий. Развитие этого направления продолжается, и в будущем сможет дать желаемые результаты, хотя сроки появления перспективных образцов, их характеристики и области применения пока остаются под вопросом. Однако сообщения последних лет позволяют смотреть в будущее с оптимизмом.

Источник

7 космических двигателей будущего

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Источник

5. БУДУЩЕЕ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

5. БУДУЩЕЕ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ракетные двигатели часто называют двигателями будущего. Многие свойства ракетных двигателей действительно дают основание для такого заявления. Следует иметь в виду, что несмотря на многовековую известность принципа движения с помощью прямой реакции ракетные двигатели по— существу находятся на самой заре своего развития.

Каково же будущее этих двигателей, как мы его можем себе представить на основании знаний сегодняшнего дня?

Важнейшим направлением в усовершенствовании ракетных двигателей является подыскание новых топлив, обеспечивающих большую удельную тягу, т. е. большую скорость истечения газов. Во всем мире ведутся интенсивнейшие исследования в этой области, причем результаты этих работ имеют большое военное значение, как, впрочем, и все работы по ЖРД. Родоначальник ракетной техники К. Э. Циолковский в своих работах также уделял много внимания выбору топлива для ракетного двигателя, причем некоторые из его указаний не потеряли своего значения и до сих пор. Много новых путей в этом направлении указали талантливые русские исследователи Ю. В. Кондратюк и Ф. А. Цандер.

Ближайшей задачей является подыскание жидких топлив, обеспечивающих большую скорость истечения и, следовательно, удельную тягу.

Новые возможности открылись бы при использовании некоторых металлов — алюминия, магния и других — в качестве горючего, причем можно было бы использовать теплоту реакции их окисления, т. е. соединения с кислородом, или же реакции соединения с фтором[19], которая сопровождаемся выделением большого количества тепла.

Большие заслуги в области исследования вопроса о применении металлов в качестве горючего для ракетных двигателей и сама идея о таком использовании металлов принадлежат рано умершему советскому ученому Цандеру. Цандер показал также, что решение этой проблемы значительно подвинуло бы вперед дело создания космического ракетного корабля, так как позволило бы использовать часть металлической конструкции самой ракеты в качестве горючего. Это, естественно, увеличило бы конечную скорость корабля, так как означало бы увеличение отбрасываемой массы и уменьшение конечной массы ракеты. Цандер предложил несколько конструкций ракеты, в которых реализовывалось это предложение. Он же произвел с этой целью первые успешные опыты по сжиганию металлов. На первом этапе, очевидно, металлическое горючее будет применяться не в чистом виде, а в качестве суспензий (взвесей) металлической пыли в обычных горючих. На фиг. 44 показан ЖРД, проходящий стендовые испытания на такой суспензии; примесь алюминия к обычному горючему дает при сгорании белый дым видный на фотографии. Для сравнения на другой фотографии (фиг. 45) показан этот же двигатель, работающий на топливе без примеси алюминия.

Фиг. 44. Испытание ЖРД на топливе с добавкой алюминия

Совершенно новые возможности открыло бы применение однокомпонентного, так называемого атомарного топлива. Дело в том, что для разложения молекул разных веществ на атомы обычно приходится затрачивать большое количество тепла или другой энергии (например электрической), а при обратном соединении атомов в молекулы это количество тепла снова выделяется. Так, молекулы водорода, как известно, состоящие из двух атомов, можно расщепить с образованием атомарного водорода пропусканием водорода через вольтову дугу. Сразу же вслед за этим атомы водорода вновь соединяются в молекулы с выделением большого количества тепла, вследствие чего водород приобретает весьма высокую температуру. Этот процесс используется в так называемой атомно-водородной сварке. Если бы можно было воспользоваться атомарным водородом в качестве топлива для ракетных двигателей, то можно было бы получить исключительно большие скорости истечения, достигающие 10 000 м/сек, т. е. в четыре-пять раз больше существующих скоростей. Другим преимуществом этого топлива является то, что при его использовании нет нужды во втором компоненте — окислителе. Использование атомарного водорода означало бы по существу использование электрической энергии для создания тяги, так как разложение молекул водорода на атомы происходит при затрате электрической энергии. Однако практически использовать атомарный водород в качестве топлива в ракетном двигателе пока не удается, так как соединение атомов водорода в молекулы происходит сразу же, через сотые доли секунды, после их расщепления в вольтовой дуге. Очевидно, что сначала надо найти способ сохранения атомарного водорода, либо способ расщепления молекул водорода в самой камере сгорания, например, с использованием для этой цели атомной (ядерной) энергии. Имея в виду, что жидкий водород имеет очень небольшой удельный вес (около 0,07), вследствие чего для его хранения потребовались бы баки большого объема, могло бы оказаться целесообразным применение в качестве атомарного топлива других, более плотных, веществ. Например, можно было бы применить обычную воду, каждая молекула которой, как известно, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Удельная тяга при этом была бы, правда, ниже, чем в случае атомарного водорода и составила примерно 3/4 от последней.

Усовершенствование существующих конструкций ЖРД обычно характеризуется увеличением давления в камере сгорания от 15–20 ата, принятых в настоящее время, до 30–50 и более, вплоть до 100 ата, так как при этом уменьшаются размеры и улучшается работа двигателя.

Увеличение абсолютных значений тяги, т. е. мощности существующих ЖРД, не встречает принципиальных трудностей. Двигатели с тягой в 50 и даже 100 тонн могут быть созданы уже при современном уровне техники. Так, на фиг. 46 показана фотография камеры сгорания (с змеевиком охлаждения) опытного 100-тонного двигателя. Разрез модели двигателя с такой системой охлаждения показан на фиг. 47.

Одним из чрезвычайно серьезных условий дальнейшего развития ЖРД является улучшение охлаждения стенок камеры сгорания и сопла, а также подыскание для них более жаростойких материалов; без этого невозможно дальнейшее повышение температуры газов в камере сгорания, а следовательно, и удельной тяги двигателя. Одним из перспективных методов охлаждения является сравнительно новый способ, получивший название «охлаждения выпотеванием». В этом случае стенки изготовляются из пористого материала и через эти мельчайшие поры продавливается снаружи внутрь камеры или сопла вода или иная охлаждающая жидкость либо газ (например, азот), которые затем образуют защитный слой на внутренней поверхности стенки (эта поверхность как бы «потеет»). Температура стенки при этом способе охлаждения оказывается значительно более низкой, чем при других известных способах.

Фиг. 46. Система охлаждения камеры сгорания опытного ЖРД с тягой 100 тонн.

Наконец, следует указать и на те огромные перспективы, которые открывает возможность применения в ракетных двигателях энергии, выделяемой при распаде атомов — ядерной энергии. Правда, непосредственная скоростная энергия частиц, вылетающих с огромной скоростью (около 30 000 км/сек!) из атомов при их распаде вряд ли будет использована. Вероятнее всего, будет использована тепловая энергия, выделяющаяся в «атомном котле»; как известно, эта энергия в миллионы раз больше тепла, выделяющегося при сгорании. В этом случае специальные атомные реакторы могли бы заменить камеру сгорания ракетного двигателя, повышая температуру какого-нибудь рабочего тела, которое уже и будет создавать реактивную тягу, вытекая с огромной скоростью из двигателя в атмосферу. В качестве такого рабочего тела целесообразно применить вещества с малым молекулярным весом. При прочих равных условиях эти вещества вытекают из двигателя с большей скоростью; идеальным в этом отношении был бы водород, теоретическая скорость истечения которого при температуре 3700 °C равна 7000 м/сек. Одним из чрезвычайно серьезных препятствий в применении атомной энергии для ракетных двигателей, как и для других авиационных двигателей, является необходимость защиты экипажа ракетного корабля от вредного действия радиоактивного излучения, сопровождающего распад ядер атомов. Для беспилотных ракет это препятствие, очевидно, отпадает.

Фиг. 47. Модель жидкостно-реактивного двигателя.

Какие же возможности открывает, применение новых, усовершенствованных ракетных двигателей?

Прежде всего нужно подчеркнуть, что и в настоящее время использованы далеко не все возможности существующих ракетных двигателей. Взглянем на фиг. 48, на которой показаны траектории полета различных ракет. Первая кривая представляет собой траекторию полета исходной ракеты (такую же, как на фиг. 29). В качестве исходной ракеты принята ракета, изображенная на фиг. 26 и 27; двигатель ее был нами подробно описан. Вторая кривая показывает траекторию полета той же ракеты, но снабженной крыльями, как у самолета. Только из-за этого дальность полета ракеты увеличивается с 290–300 до 550–560 км.

Значительно большие возможности открывает применение так называемых составных ракет, т. е. комбинаций из двух или большего числа обычных ракет. После выгорания топлива в одной из таких ракет она автоматически отделяется, а оставшиеся ракеты продолжают дальнейший полет. Затем начинает работать двигатель следующей ракеты, которая потом также отделяется, и т. д. (фиг. 49). Идея использования таких составных ракет принадлежит Циолковскому, который называл их «ракетными поездами». Легко видеть, что конечная скорость последней из ракет, составляющих такой «поезд», будет больше, чем была бы скорость всего «поезда», благодаря уменьшению ускоряемой массы ракеты. Следует отметить, что Циолковский разработал наряду с составной ракетой и идею переливания топлива из одной ракеты в другую в полете, что также открывает большие возможности и в некоторых отношениях даже превосходит систему «поезда».

Фиг. 48. Траектории полета различных ракет.

1 — исходная ракета; 2 — исходная ракета с крыльями; 3 — составная ракета (1-й вариант); 4 — составная ракета (2-й вариант).

Третья и четвертая кривые на фиг. 48 отвечают составной ракете, состоящей из двух ракет. Одна из этих ракет, задняя, т. е. отделяющаяся после того, как ее двигатель выработает все топливо, представляет собой большую бескрылую ракету с тягой около 180 тонн. Другая ракета, продолжающая полет, такая же, как и крылатая ракета, описанная выше. Общая длина такой составной ракеты (фиг. 50) превышает 30 м, а вес равен почти 100 тонн, из них около 2/3 составляет топливо.

Полет составной ракеты можно осуществить разными способами. Третья кривая соответствует тому случаю, когда составная ракета вначале поднимается вертикально вверх, причем этот подъем длится до тех пор, пока двигатель задней бескрылой ракеты не остановится из-за выгорания всего топлива этой ракеты. После этого задняя ракета автоматически отделяется и опускается с помощью парашюта на землю, и начинает работать двигатель второй, крылатой, ракеты. Эта ракета совершает горизонтальный полет на постоянной высоте, равной примерно 24 км, со скоростью 2600 км/час, так что общая дальность полета составляет около 2500 км, а его продолжительность 70 минут.

По другому варианту (четвертая кривая) крылатая ракета после отделения бескрылой продолжает набор высоты. После остановки двигателя этой ракеты из-за выработки топлива она совершает свободный полет, полого планируя с помощью крыльев в нижних, более плотных слоях атмосферы. В этом случае ракета достигает высоты около 300 км, причем она покрывает за 45 минут расстояние немногим менее 5000 км. При таком полете будет развиваться скорость свыше 12 000 км/час, что значительно превышает максимальные скорости, достигнутые в настоящее время.

Обращает на себя внимание исключительно большое влияние, оказываемое крыльями на дальность полета ракеты. Крылатые ракеты даже при современном уровне развития ракетной техники могут покрывать огромные расстояния.

Применение же улучшенных топлив, связанное со значительным увеличением удельной тяги двигателей, открывает здесь новые широчайшие возможности.

Фиг. 49.Схема составной (тройной) ракеты

Уже сейчас представляется принципиально возможным создание ракетного самолета, который мог бы совершить беспосадочный полет до любой цели на земном шаре и возвратиться обратно. Конечно, этому должна предшествовать еще огромная научно-исследовательская и конструкторская работа, должны быть преодолены многие трудности и решены серьезные инженерные задачи.

На первый взгляд создание такого сверхдальнего ракетного самолета кажется парадоксальным. Мы ведь знаем, что ракетный двигатель потребляет очень много топлива, он неэкономичен. Поэтому в настоящее время ракетные самолеты, как было указано в предыдущем разделе, употребляются только в качестве истребителей-перехватчиков, имеющих весьма небольшую продолжительность полета и не отдаляющихся от своей базы — аэродрома. И вдруг — сверхдальний ракетный самолет. Однако противоречия здесь, конечно, нет; достаточно вспомнить сверхдальний полет составной ракеты, о которой говорилось выше. Сверхдальний полет становится возможным потому, что ракетный двигатель способен работать на любой высоте, его работа не зависит от наличия кислорода в атмосфере. Поэтому ракетный самолет может достигать чрезвычайно больших высот, а потом совершать оттуда планирующий полет на большие расстояния. Двигатель такого самолета работает лишь в течение небольшого времени, пока самолет набирает высоту, поэтому запас топлива на самолете (речь идет, конечно, о новых, улучшенных топливах с повышенной удельной тягой) оказывается достаточным. Впрочем, и весь такой сверхдальний полет длится гораздо меньше, чем дальние полеты современных самолетов, так как средняя скорость ракетного самолета при этом в десятки раз больше скорости обычного самолета. Это становится возможным благодаря тому, что весь полет происходит на очень больших высотах, где сопротивление воздуха вследствие его разреженности намного меньше, чем у земли…

Благодаря большой скорости при полете вокруг Земли, самолет будет снижаться лишь очень постепенно. Кроме того, когда будут достигнуты меньшие высоты с более плотной атмосферой, то начнет сказываться подъемная сила крыла и самолет как бы отразится от этих плотных слоев, как отражается от воды брошенный плашмя камень, и снова взмоет вверх. Совершая ряд таких затухающих колебаний, самолет окажется способным облететь вокруг Земли.

Фиг. 50. Проект составной ракеты.

I — большая бескрылая ракета (задняя);II — крылатая ракета.

1 — стабилизатор; 2 — корпус ракеты (двойные стенки служат для охлаждения); 3 — реактивное сопло; 4 — камера сгорания; 5 — бак с перекисью водорода; 6 — турбонасосный агрегат; 7 — бак с кислородом; 8 — бак со спиртом; 9 — парашют; 10 — автоматическое сцепление ракет.

От такого дальнего ракетного самолета уже рукой подать и до космических кораблей — мечты Циолковского и его последователей. Овладение мировыми пространствами, преодоление силы земного притяжения, надо полагать, будет происходить постепенно, по мере усовершенствования ракетных двигателей и ракетных кораблей, увеличения удельной тяги, использования новых топлив и новых источников энергии, овладения техникой ракетного полета.

В качестве первого этапа можно себе представить создание ракетного корабля, способного бесконечно долго летать вокруг земли, превратившись таким образом в ее искусственного спутника. Конечно, такой полет вокруг Земли должен происходить на очень больших высотах, в 500—1000 км, во всяком случае вне пределов земной атмосферы, сопротивление которой должно быть исключено. Можно подсчитать, какова должна быть скорость ракетного корабля, чтобы он превратился в такого спутника Земли. Подсчет показывает, что эта скорость равна примерно 8 км/сек, т. е. более 28 000 км/час на границе атмосферы; с увеличением высоты эта скорость уменьшается и на высоте 8 000 км равна 4,8 км/сек. Это, конечно, огромная скорость по нашим сегодняшним представлениям, но она, как показывают расчеты, вполне достижима даже в относительно недалеком будущем.

Фиг. 51. Космический ракетный корабль.

При таком круговом полете наш ракетный корабль будет совершать свой путь вокруг Земли за 1,5–2 часа.

Затрата энергии для осуществления такого бесконечного полета вокруг Земли будет иметь место только во время набора высоты и разгона ракетного корабля до указанной скорости в 8 км/сек («скорость циркуляции»). Все это время, конечно, ракетные двигатели корабля будут работать, развивая огромную мощность. Но как только заданная скорость будет достигнута и ракетный корабль начнет свой круговой полет вокруг Земли, этот полет будет совершаться сам собой. Двигатели будут остановлены и корабль превратится в небольшое космическое тело, вращаясь вокруг Земли по тем же законам, которые управляют вращением Земли вокруг Солнца, вращением Луны вокруг Земли и т. д. Для обитателей ракетного корабля он станет такой же «Землей», «центром вселенной», как была ее «центром» наша Земля для всех людей в течение многих тысячелетий. На этом корабле не будет тяжести, день будет сменять ночь через каждый час, многое там будет необычно с точки зрения земных представлений. Все это блестяще описано Циолковским в его работах, которые следует прочесть каждому, интересующемуся ракетоплаванием[20].

Циолковский, а после него Кондратюк, Цандер и другие исследователи серьезно рассматривали возможность использования таких искусственных «спутников» Земли для проведения научных наблюдений, не затрудняемых наличием атмосферы, а также в качестве промежуточных станций для ракетных кораблей «дальнего сообщения», совершающих перелеты с Земли на Луну и планеты солнечной системы. На этих станциях корабли могли бы пополнять запасы топлива, принимать «транзитных» пассажиров и т. д.

«Спутники» Земли могли бы быть использованы и для других целей. С их помощью можно было бы следить за передвижением облаков на очень больших площадях, что было бы ценным подспорьем службе погоды, или осуществлять точное картографирование. Можно было бы использовать «спутники» для нужд телевидения — одна передающая радиостанция могла бы обслужить телевизионной программой весь мир, если бы несколько спутников ретранслировали эту программу. Не исключена возможность, как это предполагал Циолковский, использования «спутников» для изменения климата на Земле. Для этой цели на большом числе «спутников» должны быть установлены огромные тончайшие зеркала для фокусирования неослабленных атмосферой солнечных лучей и направления их в полярные районы. Таким способом можно было бы постепенно растопить полярный лед и превратить всю нашу планету в вечно цветущий сад. В особенности удобно во всех этих целях заставлять ракету-«спутник» летать на высоте около 35 000 км, так как при этом время ее обращения вокруг Земли равнялось бы 24 часам, т. е. такой спутник «висел» бы над Землей в одной точке.

При увеличении скорости полета свыше 8 км/сек ракетный корабль станет описывать вокруг Земли не окружность, а все более вытянутый эллипс, с Землей в одном из его фокусов. Расчеты показывают, что когда скорость ракетного корабля увеличится примерно до 11 км/сек (около 40 000 км/час), то траектория корабля из эллипса превратится в параболу и наш корабль вовсе разорвет узы тяготения, связывающие его с Землей и удалится от нее в глубины мирового пространства. Уже при современном уровне развития ракетной техники можно было бы перебросить на Луну полезный груз в 50 кг (например радиолокационную установку) с помощью составной ракеты, состоящей из пяти ракет[21].

Полностью освободиться от пленения в солнечной системе, т. е. от силы притяжения к Солнцу, и удалиться в звездный мир ракета сможет только тогда, когда скорость ее еще увеличится, превысив 16–18 км/сек. Развитие ракетной техники сделает достижение таких скоростей вполне возможным и тогда гигантские ракетные корабли понесут посланцев Земли в бескрайние просторы вселенной, которую до сих пор человеку было дано наблюдать только сквозь стекла телескопов и о строении которой можно было поэтому лишь строить различные гипотезы. Только непосредственное проникновение вглубь мировых пространств с помощью ракетных кораблей заменит эти научные предположения достоверностью истинного знания.

Мы знаем, что решить эту задачу под силу лишь сбросившему иго капитализма, свободному советскому человеку. Только науке и технике нашей социалистической отчизны по плечу дерзания такого размаха, начинания подобного масштаба. Это возможно только в нашей стране, могучей авиационной державе, родине ракетоплавания, ибо у нас наука служит народу, наша партия и правительство оказывают колоссальную помощь и поддержку всякой передовой, революционной идее в науке и технике, у нас труд ученых, исследователей, изобретателей, новаторов окружен вниманием и любовью всего советского народа.

Народ нашей родины, осуществляющий заветные мечты человечества о свободной и счастливой жизни, успешно строящий светлое здание коммунизма, строящий общество, в котором все силы человечества будут служить покорению природы и познанию ее тайн, наш советский народ осуществит и давнишнюю мечту людей, затаенную мечту многих и многих ученых и изобретателей, мечту о путешествиях по бескрайнему мировому пространству, об исследовании все новых и новых миров, где, может быть, как и на Земле, есть жизнь и живут мыслящие существа.

Читайте также

Средства обеспечения ракетных комплексов

Средства обеспечения ракетных комплексов Одними из основных машин обеспечения ракетных комплексов были специальные заправщики на шасси ЗИС-151Д с экранированным электрооборудованием: 8Г11 (1955 – 1956 гг.) для заправки перекисью водорода баллистических ракет Р-12 средней

Средства обеспечения ракетных комплексов

Средства обеспечения ракетных комплексов С началом производства автомобиля ЗИЛ-157 на его шасси были переставлены почти все виды средств обеспечения подвижных ракетных комплексов и наземной предстартовой подготовки баллистического ракетного вооружения, которые

Средства обеспечения ракетных комплексов

Средства обеспечения ракетных комплексов На автомобилях КрАЗ-214 впервые было налажено изготовление наиболее мощных и тяжелых машин для наземного обслуживания различных ракетных комплексов стационарного базирования. Для хранения и доставки ракетного топлива

Средства обеспечения ракетных комплексов

Средства обеспечения ракетных комплексов С середины 1960-х годов ГАЗ-66 осваивал новую для советской автомобильной техники профессию обслуживания, обеспечения, охранения, испытания и управления различными мощными наземными подвижными ракетными комплексами. С 1964 года на

Машины обеспечения ракетных комплексов

Машины обеспечения ракетных комплексов Большинство тяжелых войсковых погрузочно-разгрузочных операций, перегрузку и сборку первых баллистических ракет производили 10-тонные полуприцепные стреловые автокраны 8Т25 и 8Т26, созданные на низкорамных одноосных платформах с

Средства обслуживания ракетных комплексов

Средства обслуживания ракетных комплексов Вторым менее распространенным назначением седельных тягачей МАЗ-537 являлась буксировка топливных и специальных заправочных полуприцепов-цистерн для ВВС и РВСН. На крупных военных аэродромах применялись автономные

Машины обеспечения ракетных комплексов

Машины обеспечения ракетных комплексов Первые автономные машины боевого, технического и бытового обеспечения мощных систем вооружения появились в СССР к середине 1960-х годов, когда начались разработки первых советских подвижных СРК на многоосных шасси, которые

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ ПО ЗЕНГЕРУ

Основные типы двигателей

Основные типы двигателей Тип Система охлаждения Число и расположение цилиндров Модификация Мощность/на высоте, л.с./м Примечания Великобритания Armstrong Siddley Jaguar В 14** VIA 450/0; VID 380/0; 400/4527 Armstrong Siddley Panther В 14** VI 530/0; 625/2050 Bristol Jupiter В 9* VIFS 435/0; 465/1200 VIIIF 460/0;

2.1. Классификация двигателей

2.1. Классификация двигателей Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по следующим критериям:1. По характеру движения рабочих частей:– с возвратно-поступательным движением поршней;– роторно-поршневые (двигатели Ванкеля) (рис. 2.2). Рис. 2.2. Роторный

Другие типы шаговых двигателей

Другие типы шаговых двигателей Существуют шаговые двигатели, имеющие четыре вывода. Такие шаговые двигатели называются биполярными и имеют две обмотки, каждая из которых имеет два вывода. Хотя конструкция такого двигателя проще тех, которые мы используем, она требует

1.17. Вентиляторы, насосы и системы двигателей

1.17. Вентиляторы, насосы и системы двигателей В промышленном районе Сингапура спокойный, со сдержанным юмором китайский инженер Ли Энглок конструирует самые эффективные в мире системы кондиционирования воздуха (см. илл. 6 на вкладке). В Сингапуре тяжелый климат:

Таблица двигателей и тормозов прогресса

Таблица двигателей и тормозов прогресса ПУТЬ НАУКИ ПО ПРАВДЕПрогрессивные учёные-материалисты и открытияДемокрит, Дж. Бруно,К. Циолковский, Ф. Хойл— вечная жизнь и молодость стационарной Вселенной— прямое евклидово бесконечное пространство— бесконечное число

Лазер защитит от ракетных атак

Лазер защитит от ракетных атак Лазерная станция НИИ «Экран» может бороться с ПЗРК всех поколенийСистемы электронной защиты от средств ПВО являются важнейшей составляющей бортового комплекса современного боевого летательного аппарата. Сегодня на первый план выходят

§ 47. Передача мощности двигателей на гребной вал

§ 47. Передача мощности двигателей на гребной вал Передаточные механизмы от главного судового двигателя на гребной вал служат главным образом для снижения количества оборотов ГССУ, передающихся движителю. Для получения максимального значения пропульсивного к. п. д.

Система пуска двигателей

Система пуска двигателей Система пуска автомобильного двигателя осуществляет вращение коленчатого вала с таким количеством оборотов, чтобы получились первые вспышки.Энергия, возникающая при пуске, расходуется на приведение в движение масляного, топливного, водяного

Источник

Детонационные двигатели. Успехи и перспективы

В конце января появились сообщения о новых успехах российской науки и техники. Из официальных источников стало известно, что один из отечественных проектов перспективного реактивного двигателя детонационного типа уже прошел стадию испытаний. Это приближает момент полного завершения всех требуемых работ, по результатам которых космические или военные ракеты российской разработки смогут получить новые силовые установки с повышенными характеристиками. Более того, новые принципы работы двигателей могут найти применение не только в сфере ракет, но и в других областях.

В последних числах января вице-премьер Дмитрий Рогозин рассказал отечественной прессе о последних успехах научно-исследовательских организаций. Среди прочих тем он затронул процесс создания реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Перспективный двигатель с детонационным горением уже был доведен до испытаний. По словам вице-премьера, применение новых принципов работы силовой установки позволяет получить значительный прирост характеристик. В сравнении с конструкциями традиционной архитектуры наблюдается рост тяги порядка 30%.

Современные ракетные двигатели разных классов и типов, эксплуатируемые в различных областях, используют т.н. изобарический цикл или дефлаграционное горение. В их камерах сгорания поддерживается постоянное давление, при котором происходит медленное горение топлива. Двигатель на дефлаграционных принципах не нуждается в особо прочных агрегатах, однако ограничен в максимальных показателях. Повышение основных характеристик, начиная с определенного уровня, оказывается неоправданно сложным.

Альтернатива двигателю с изобарическим циклом в контексте повышения характеристик – система с т.н. детонационным горением. В таком случае реакция окисления горючего происходит за ударной волной, с высокой скоростью перемещающейся по камере сгорания. Это предъявляет особые требования к конструкции двигателя, но при этом дает очевидные преимущества. С точки зрения эффективности сгорания топлива детонационное горение на 25% лучше дефлаграционного. Также отличается от горения с постоянным давлением увеличенной мощностью тепловыделения с единицы площади поверхности фронта реакции. В теории, возможно повышение этого параметра на три-четыре порядка. Как следствие, скорость реактивных газов можно увеличить в 20-25 раз.

Таким образом, детонационный двигатель, отличаясь повышенным коэффициентом полезного действия, способен развивать большую тягу при меньшем расходе топлива. Его преимущества перед традиционными конструкциями очевидны, однако до недавнего времени прогресс в этой области оставлял желать лучшего. Принципы детонационного реактивного двигателя были сформулированы еще в 1940 году советским физиком Я.Б. Зельдовичем, но готовые изделия подобного рода все еще не дошли до эксплуатации. Главные причины отсутствия реальных успехов – проблемы с созданием достаточно прочной конструкции, а также сложность запуска и последующего поддержания ударной волны при применении существующих топлив.

Один из последних отечественных проектов в области детонационных ракетных двигателей стартовал в 2014 году и разрабатывается в НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко. Согласно доступным данным, целью проекта с шифром «Ифрит» являлось изучение основных принципов новой техники с последующим созданием жидкостного ракетного двигателя, использующего керосин и газообразный кислород. В основу нового двигателя, названного по имени огненных демонов из арабского фольклора, укладывался принцип спинового детонационного горения. Таким образом, в соответствии с основной идеей проекта, ударная волна должна непрерывно перемещаться по кругу внутри камеры сгорания.

Головным разработчиком нового проекта стало НПО «Энергомаш», а точнее созданная на его базе специальная лаборатория. Кроме того, к работам привлекли несколько других научно-исследовательских и проектных организаций. Программа получила поддержку Фонда перспективных исследований. Совместными усилиями все участники проекта «Ифрит» смогли сформировать оптимальный облик перспективного двигателя, а также создать модельную камеру сгорания с новыми принципами работы.

Для изучения перспектив всего направления и новых идей несколько лет назад была построена т.н. модельная детонационная камера сгорания, соответствующая требованиям проекта. Такой опытный двигатель с сокращенной комплектацией должен был использовать в качестве горючего жидкий керосин. В качестве окислителя предлагался газообразный кислород. В августе 2016 года начались испытания опытной камеры. Важно, что впервые в истории проект подобного рода удалось довести до стадии стендовых проверок. Ранее отечественные и зарубежные детонационные ракетные двигатели разрабатывались, но не испытывались.

В ходе испытаний модельного образца удалось получить весьма интересные результаты, показывающие правильность использованных подходов. Так, за счет использования правильных материалов и технологий получилось довести давление внутри камеры сгорания до 40 атмосфер. Тяга опытного изделия достигла 2 т.

Модельная камера на испытательном стенде

В рамках проекта «Ифрит» были получены определенные результаты, но отечественный детонационный двигатель на жидком топливе пока еще далек от полноценного практического применения. Перед внедрением такого оборудования в новые проекты техники конструкторам и ученым предстоит решить целый ряд самых серьезных задач. Только после этого ракетно-космическая отрасль или оборонная промышленность смогут приступить к реализации потенциала новой техники на практике.

В середине января «Российская газета» опубликовала интервью с главным конструктором НПО «Энергомаш» Петром Левочкиным, темой которого стало текущее положение дел и перспективы детонационных двигателей. Представитель предприятия-разработчика напомнил об основных положениях проекта, а также затронул тему достигнутых успехов. Кроме того, он рассказал о возможных сферах применения «Ифрита» и подобных ему конструкций.

К примеру, детонационные двигатели могут использоваться в гиперзвуковых летательных аппаратах. П. Левочкин напомнил, что двигатели, сейчас предлагаемые для применения на такой технике, используют дозвуковое горение. При гиперзвуковой скорости аппарата полета поступающий в двигатель воздух необходимо затормозить до звукового режима. Однако энергия торможения должна приводить к дополнительным тепловым нагрузкам на планер. В детонационных двигателях скорость горения топлива достигает, как минимум, М=2,5. Благодаря этому появляется возможность повысить скорость полета летательного аппарата. Подобная машина с двигателем детонационного типа сможет разгоняться до скоростей, в восемь раз превышающих скорость звука.

Впрочем, реальные перспективы ракетных двигателей детонационного типа пока не слишком велики. По словам П. Левочкина, мы «только приоткрыли дверь в область детонационного горения». Ученым и конструкторам предстоит изучить множество вопросов, и только после этого можно будет заниматься созданием конструкций с практическим потенциалом. Из-за этого космической отрасли еще долго предстоит использовать жидкостные двигатели традиционной конструкции, что, однако, не отменяет возможности их дальнейшего совершенствования.

Интересен тот факт, что детонационный принцип горения находит применение не только в сфере ракетных двигателей. Уже существует отечественный проект авиационной системы с камерой сгорания детонационного типа, работающей по импульсному принципу. Опытный образец такого рода был доведен до испытаний, и в будущем может дать старт новому направлению. Новые двигатели с детонационным горением могут найти применение в самых разных сферах и частично заменить газотурбинные или турбореактивные двигатели традиционных конструкций.

Отечественный проект детонационного авиационного двигателя разрабатывается в ОКБ им. А.М. Люльки. Информация об этом проекте впервые была представлена на прошлогоднем международном военно-техническом форуме «Армия-2017». На стенде предприятия-разработчика присутствовали материалы по различным двигателям, как серийным, так и находящимся на стадии разработки. Среди последних был перспективный детонационный образец.

Суть нового предложения заключается в применении нестандартной камеры сгорания, способной осуществлять импульсное детонационное горение топлива в воздушной атмосфере. При этом частота «взрывов» внутри двигателя должна достигать 15-20 кГц. В перспективе возможно дополнительное увеличение этого параметра, в результате чего шум двигателя уйдет за пределы диапазона, воспринимаемого человеческим ухом. Такие особенности двигателя могут представлять определенный интерес.

Первый запуск опытного изделия «Ифрит»

Однако главные преимущества новой силовой установки связаны с повышенными характеристиками. Стендовые испытания опытных изделий показали, что они примерно на 30% превосходят традиционные газотурбинные двигатели по удельным показателям. Ко времени первой публичной демонстрации материалов по двигателю ОКБ им. А.М. Люльки смогло получить и достаточно высокие эксплуатационные характеристики. Опытный двигатель нового типа смог без перерыва проработать 10 минут. Суммарная наработка этого изделия на стенде на тот момент превысила 100 часов.

Представители предприятия-разработчика указывали, что уже сейчас можно создать новый детонационный двигатель с тягой 2-2,5 т, пригодный для установки на легкие самолеты или беспилотные летательные аппараты. В конструкции такого двигателя предлагается использовать т.н. резонаторные устройства, отвечающие за правильный ход горения топлива. Важным преимуществом нового проекта является принципиальная возможность установки таких устройств в любом месте планера.

Специалисты ОКБ им. А.М. Люльки работают над авиационными двигателями с импульсным детонационным горением более трех десятилетий, но пока проект не выходит из научно-исследовательской стадии и не имеет реальных перспектив. Главная причина – отсутствие заказа и необходимого финансирования. Если проект получит необходимую поддержку, то уже в обозримом будущем может быть создан образец двигателя, пригодный для использования на различной технике.

К настоящему времени российские ученые и конструкторы успели показать весьма примечательные результаты в области реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Существует сразу несколько проектов, пригодных для применения в ракетно-космической и гиперзвуковой областях. Кроме того, новые двигатели могут применяться и в «традиционной» авиации. Некоторые проекты пока находятся на ранних стадиях и еще не готовы к проверкам и другим работам, тогда как в иных направлениях уже были получены самые примечательные результаты.

Исследуя тематику реактивных двигателей с детонационным горением, российские специалисты смогли создать стендовый модельный образец камеры сгорания с желаемыми характеристиками. Опытное изделие «Ифрит» уже прошло испытания, в ходе которых было собрано большое количество разнообразной информации. С помощью полученных данных развитие направления будет продолжаться.

Освоение нового направления и перевод идей в практически применимую форму займет немало времени, и по этой причине в обозримом будущем космические и армейские ракеты в обозримом будущем будут комплектоваться только традиционными жидкостными двигателями. Тем не менее, работы уже вышли из чисто теоретической стадии, и теперь каждый тестовый запуск опытного двигателя приближает момент строительства полноценных ракет с новыми силовыми установками.

Источник