Незаметный выдающийся прорыв

На простого обывателя какой-то там непонятный детонационный двигатель не окажет такого внешнего эффекта, как ракета Маска, красиво садящаяся на лапки. Но для развития космонавтики влияние этого события гораздо важнее. Над созданием детонационного ракетного двигателя работали многочисленные коллективы разных стран. Поэтому до настоящего времени только российским специалистам удалось добиться устойчивой работы подобного устройства.

..На дворе осень 1942 года. Немцы прорвались к Волге и Кавказу, стоят у стен Ленинграда и в полутора сотнях километров от Москвы. Но тут один из корпусов Красной Армии, прокравшись тайными тропами через леса Белоруссии и Польши, вдруг захватывает Берлин и берет в плен Гитлера. И об этом событии – только коротенькая фраза в сводке от Совинформбюро, да пара заметок в не самых главных газетах. Абсурд? -Разумеется. Но именно такой абсурд наблюдается сейчас у нас в стране…

Ситуация в российской космической отрасли – это начало осени 1942 года. Неудачи почти на всех фронтах: ракеты падают, летят не в ту сторону, количество пусков постоянно сокращается. И вот на этом фоне новость: российские специалисты из НПО «Энергомаш» в кооперации с другими исследовательскими центрами отрапортовали о завершении испытаний детонационного ракетного двигателя. Этот успех примерно того же масштаба, что и гипотетическое пленение Гитлера осенью 1942 года. Но в российских СМИ – несколько коротких репортажей. Да, в этих репортажах прозвучало слово «прорыв». Но из текста совершенно непонятно – в чем же именно прорыв, а в устах наших чиновников сообщение об успехе больше смахивает на неуклюжий пропагандистский выпад в ответ на очередное достижение Илона Маска. И даже пространное интервью Главного конструктора «Энергомаша» корреспонденту «Российской газеты» совершенно не проливает свет на данный вопрос. То есть, нашему простому налогоплательщику совершенно непонятно – чем столько лет занимались «эти яйцеголовые» на его кровные деньги. На которые он мог бы купить себе несколько лишних килограммов мяса.

Очень обидно за наших специалистов, готовивших этот успех в течение долгих лет. Поэтому постараюсь восполнить пробел, на пальцах объяснив, почему создание детонационного двигателя сотрудниками российской космической отрасли без преувеличений можно назвать настоящим прорывом. Должен сразу предупредить, что пальцев у меня всего двадцать, поэтому тем, кто в школе по физике еле-еле вытягивал на тройку, я бы посоветовал не терять время зря. Также специалистов в области космического двигателестроения прошу меня заранее извинить за уж слишком упрощенное изложение. Статья предназначена не вам, а широкому кругу читателей.

Как всем, надеюсь, известно, в жидкостном ракетном двигателе горючее и окислитель, смешиваясь, вступают между собой в химическую реакцию горения. В результате реакции получаются раскаленные газы. Для создания реактивной силы газ из камеры сгорания выпускают через сопло. При этом тепловая энергия молекул газа переходит в кинетическую. Термодинамический кпд данного процесса зависит от давления. Поэтому для повышения эффективности двигателя конструкторы постоянно пытаются увеличить давление в камере сгорания. К примеру, если у двигателя ракеты-носителя «Восток» РД-107 этот показатель был около 60 атмосфер, то у РД-170, применявшегося на ракете «Энергия» — уже более 250 атмосфер.

Казалось бы, можно и дальше увеличивать эффективность, повышая давление, но не тут-то было. И дело даже не в пределах прочности конструкции. Дело в том, что двигатель современной космической ракеты очень прожорлив. Например, тот же РД-170 в процессе работы потребляет приблизительно 2400 кг керосина и жидкого кислорода каждую секунду. И это колоссальное количество жидкости надо каким-то образом накачать в камеру сгорания под огромным давлением.

Эту функцию выполняет устройство под названием турбонасосный агрегат (ТНА), который можно назвать сердцем двигателя. Принцип его действия довольно прост и напоминает работу турбокомпрессора автомобиля, только вместо атмосферного воздуха он перекачивает горючее и окислитель. Сжатый газ, отбираемый из камеры сгорания или отдельного газогенератора, вращает турбину, на валу которой закреплена крыльчатка насоса, создающая поток жидкости. Но за этим, вроде бы, простым принципом кроется очень сложный механизм, работающий в крайне экстремальных условиях.

Если бы Вам кто-то предложил впихнуть силовую установку авианосца в корпус стиральной машины, что бы Вы ответили такому «умнику»? Наверное, покрутили бы пальцем у виска. В лучшем случае, сказали бы, что это фантастика. Так вот, эта фантастика успешно летает уже десятки лет. К примеру, мощность ТНА упомянутого РД-170 достигает 190 тыс. киловатт при массе в пару сотен килограммов и габаритах стиральной машины. Его узлы работают на пределе прочности известных науке материалов. Соответственно, и доля в стоимости всего двигателя у ТНА обычно составляет от 60 до 80%.

Турбонасосные агрегаты современных ракетных двигателей – самый верх развития науки и технологии. Двигатель РД-170 первый раз полетел более тридцати лет назад, и к его уровню до сих пор никто в мире не смог приблизиться. Не случайно американцы до сих пор покупают у нас РД-180, фактически, «распиленный» пополам РД-170 с тем же ТНА. Возможно, при очень серьезных вложениях американцы смогли бы его повторить. Может, даже улучшить характеристики на 2-3%. Но не более. То, что дальше – уже за пределами современной науки.

Так что же – ракетостроение уперлось в потолок еще тридцать лет назад? Не совсем. Ещё в конце тридцатых годов прошлого века в головах ученых некоторых стран, в том числе, из СССР, возникла идея организовать процесс в камере сгорания не в виде непрерывного горения, а в виде ударной волны. Главным аргументом было то, что на фронте такой волны давление может повышаться до нескольких сотен атмосфер, что должно было бы очень сильно увеличить эффективность. Но самое интересное, что за этим фронтом следует область разрежения, в которую очень удобно впрыскивать топливо и окислитель – ведь для этого насосу не нужно будет создавать высокое давление. Частично данный принцип реализовал сумрачный тевтонский гений в своей известной ракете «Фау-1». Однако применяемый там режим горения, хотя и был пульсирующим, но детонационным его можно было назвать с большой натяжкой. Да и окислителем служил обычный воздух.

Несмотря на то, что над созданием детонационного ракетного двигателя с сороковых годов прошлого века работали многочисленные коллективы разных стран, реализация принципа в металле оказалась крайне сложной. Поэтому до настоящего времени только российским специалистам удалось добиться устойчивой работы подобного устройства. От метода пульсаций отказались еще в пятидесятые годы – уж слишком вредно влияли эти самые пульсации на всю конструкцию. Был разработан другой принцип. Согласно ему камера сгорания представляла собой кольцо, внутри которого непрерывно бежала ударная волна. В ходе работы над детонационным двигателем нашим исследователям пришлось решить огромное количество задач, одно перечисление которых заняло бы несколько страниц.

Но, так или иначе, опытный образец полноразмерного детонационного двигателя тягой 2 тонны успешно отработал весь цикл испытаний. Кстати, среднее давление в его камере сгорания составило всего 40 атмосфер, но при этом скорость истечения газов из сопла соответствовала эффективному давлению в несколько сотен атмосфер. Однако тут следует учесть, что топливо и окислитель впрыскивались в камеру не при среднем значении давления, а в момент, когда через форсунки проходила фаза разряжения, следующая за фронтом ударной волны. Соответственно, давление там было намного ниже, чем среднее. А ведь мощность насоса при одном и том же объеме перекачиваемой жидкости имеет нелинейную зависимость от давления. То есть, при уменьшении давления, скажем, в пять раз потребляемая мощность может уменьшиться и в двадцать пять раз.

Теперь давайте определим главное: что же все-таки означает появление детонационного двигателя для ракетостроения?

Во-первых, из-за повышения термодинамического кпд и уменьшения мощности, отбираемой для работы ТНА, общая эффективность двигателя возрастёт на 20-25%. Много это или мало? Давайте прикинем. Для этого в формулу Циолковского подставим значение удельного импульса (главного показателя эффективности) на 25% выше средних реальных величин нынешних ракет. И при одной и той же полезной нагрузке мы получим стартовую массу ракеты меньше почти в два раза. Но это еще не всё. Самая дорогая часть двигателя, да и всей ракеты, турбонасосный агрегат, будет в несколько раз легче, проще и дешевле. А если учесть, что при той же полезной нагрузке и требуемая мощность двигателей снизится в два раза, то получится, что стоимость вывода на орбиту килограмма груза упадет раза в четыре, если не больше. Разумеется, на простого обывателя какой-то там непонятный детонационный двигатель не окажет такого внешнего эффекта, как ракета Маска, красиво садящаяся на лапки. Но для развития космонавтики влияние этого события гораздо важнее.

Ну, вроде, всё, что хотел рассказать. Надеюсь, объяснил доступно. Так прорыв это, или нет? Судите сами. Так что, предлагаю порадоваться за выдающуюся победу наших ученых и конструкторов.

Источник материала
Материал: Александр Харыбин [alexnh]
Иллюстрация: http://worldcrisis.ru/pictures/2959300/source.jpg
Настоящий материал самостоятельно опубликован в нашем сообществе пользователем Базилевс на основании действующей редакции Пользовательского Соглашения. Если вы считаете, что такая публикация нарушает ваши авторские и/или смежные права, вам необходимо сообщить об этом администрации сайта на EMAIL abuse@proru.org с указанием адреса (URL) страницы, содержащей спорный материал. Нарушение будет в кратчайшие сроки устранено, виновные наказаны.

Читайте также:

новые старые
Tim_duke
Tim_duke

Где-то в Америге заплакал мальчик Илоша.

Styletton
Styletton

Ээээ… Автор куда-то спешит впереди паровоза. Победные реляции пока не с чего строчить. Про «завершение испытаний» там еще рано говорить. Достигли некоего промежуточного результата, позволяющего уже создавать реальные двигатели. А пока были лишь экспериментальные установки, к реальным двигателям отношения не имеющие. Из НИОКР пока только «НИ» имеется.
И, к сожалению, термодинамический КПД тоже никак не превышен. Пока фишка в меньшем количестве механики, теоретически меньшем весе и большем ресурсе. Насколько я знаю.

Tim_duke
Tim_duke

Этого мало? Управление процессом и есть прорыв. Сделать на его основе рабочую модель — дело техники и трудностей не составляет.

Styletton
Styletton

Есть там трудности. Рабочая частота детонаций должна быть близка где-то к ультразвуку. Это тоже пока только перспектива.

bib_l
bib_l

Ээээ.. Немного не так. Тут ранее проскакивал материал: » Ололон головного Маска: теперь в России». Так там речь шла о проекте некоего пепелаца «Корона — полностью многоразовая, одноступенчатая ракета-носитель вертикального взлета и посадки» от государственного ракетного центра имени Макеева.
Я вот продублирую свой прошлый бред может заинтересует:
«Вероятно таки детонационный двигатель перебрался из лаборатории в промышленность, что радует. Там вроде удельный импульс на порядок выше, камера сгорания — кольцевая (у опытных образцов волна детонации по кругу бегает) что для внешнего расширения само-то, ну и давление в камере как-бы не на 2 порядка меньше — массы ДУ соответственно. Так что всё вполне реально. Так что вероятно речь может идти о опытном образце по данному ТЗ для отработки реального аппарата. Ну там впрыск и смешение топлива, вибрации всяко, и за реальные кольцевые камеры и сопла я не слышал, впрочем и не интересовался. И шугообразный водород вроде уже не делают давно. Так что вероятно просто проект под перспективную НИОКР, прорывную по сути. А то в области балета — это замечательно, но надо и следующее поколение носителей клепать потихоньку, а то застой однако. По-моему детонационные камеры как темы курсовых в МАИ уже давненько встречаются — методички всяко, или я не понЯл или ошибаюсь или ВРД.
«. Так что чем чёрт не шутит…

Henren
Henren

демонстрационный агрегат, о котором идет речь, так же далек от реального движка, как лошадь от ДВС. Да, работает. Но…

планета Шелезяка
планета Шелезяка

Нью Йорк переедет в Нью Васюки, а Нью Васюки переедуд в Нью Йорг.
Кароче, как только полетит за раза) в два дешевле, капец ИлилонуВмаске. Он будет запускать только резиновые надувные..бугага.. куклы в костмас, которые там будуд лопаться, беззвукчно.

FLY_Slim Jr.
FLY_Slim Jr.

Очень хорошо, но ещё рано. Не раньше 30 года, если не разнесем все в хлам

Ванёк26
Ванёк26

Что-то сравнение с осенью 1942 считаю излишним.

Sagamor
Sagamor

У хохлов давно изобретён детонационный двигатель. Вон пуканы как подрывает! Тока картинку Крымского моста покажи и всё- детонационного топлива даже не надо))

holyboy
holyboy

Несколько лет назад, чисто случайно, на одном из «познавательных» каналов, видел программу. Суть в том, что две команды технарей, из того, что найдут на свалке металлолома, должны сварганить какое-нибудь средство передвижения. Одна из команд забабахала что-то типа велосипеда или самоката, который приводился в движение как раз детонационным двигателем. Сделано было всё на живую нитку, я бы даже сказал тяп-ляп, и движок и них проработал не долго… Но, он работал!

FLY_Slim Jr.
FLY_Slim Jr.

Ага. Все это кино, и то что выше тоже кино

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

Ёхта — вот это зогщитнег пиндосов!
Поучица у него стоит. Правда — это ш он своим камментом — закладочку таку исделал, дескать, пиндосы — да-а-авно вже такие дрыгатели на коленке в гораже клепают. Не то што в Рашке — цельные НИИ с этим справица не могут.
Щас, каг пить дать — на этот каммент ктноить из его единомышленников — ссылькнёца. И —«пошла пейсать губернея!». Через несколько времени — глять, а это вже — факт неоспоримый: «пиндосы давно вже детонационное дрыгло исделали».

dp47
dp47

В статье же написано что пульсирующие реактивные двигатели еще немцы во время войны делали. В нем ничего сложного. Сложно получить непрерывную работу такого двигателя без пульсаций.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

ну а тош!
Лапотные рашкованы — тут вообще фигнёй занемаюца.
А вот «…пульсирующие реактивные двигатели… …получить непрерывную работу такого двигателя без пульсаций.» — ничего не замечаете?

FLY_Slim Jr.
FLY_Slim Jr.

Ну блин разговор о детонации, а не о пульсации. Вы разницы не заметили???!

Gena
Gena

Кстати, детонационные дрыгатели давно уже используют вна404. Массовые детонации пуканов вывели на орбиту немалое количество потомков шумеров. Так что приоритет в создании детонационно-пуканного неоспорим.

dp47
dp47

Если товарищ говорит о детонации, это не значит что двигатель был детонационный, верно? С почти 100% вероятностью это был простейший ПуРВД, о чем я товарищу и пишу.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

Вы пишете чёрт зна што — пульсирующий двигун без пульсаций. Это всё равно. што вентиляторный двигатель без лопастей.
/керосин — это молоко, тока цвет другой и невкусный нихрена/

dp47
dp47

«Детонационная волна внутри камеры движется не в осевом направлении, как в ПуВРД, а по кругу, сжимая и выжигая топливную смесь перед собой и в конце концов выталкивая продукты сгорания из сопла точно так же, как винт мясорубки выталкивает наружу фарш. Вместо частоты пульсаций мы получаем частоту вращения детонационной волны, которая может достигать нескольких тысяч в секунду, то есть практически двигатель работает не как пульсирующий, а как обычный ЖРД со стационарным горением, но куда более эффективно, поскольку на самом деле в нем происходит детонация топливной смеси. »
Что не так про непрерывность?

Kokunov
Kokunov

По мне тоже все понятно. Часть энергии фронта используется на поджигание новой порции топлива, львиная часть выпускается наружу сообщая импульс системе

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

Да не — всйо збс. Осталось тока волну заставить жечь смесь так, как вам этого хочется — вот эти все «мясорубки» и тыды.
Если вы смотрели схему. то видели там много форсунок впрыска.
Вопрос— зачем(бл#!)?
Вить по вашему — «запустил волну» и кочумай себе?
Вот ниже — про поджег — в общем и целом — правильно.
терь начинаем думать.

dp47
dp47

Ну смотрите, волна бежит по кругу, за областью сжатия следует область разряжения. Топливо следует подавать в эту область. В идеальном случае на любое положение области с низким давлением должна быть своя форсунка. По этому форсунки располагают так чтобы обеспечить подачу в эту область — по кругу и много.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

Во, уже видно, как мозги заскрипеле. Еси почейтаешь камменты выше — ты всйо это прочтёш. Я те большы скажу — это начальное условие для проектанта. Терь осталось «поиграца» с формой самой камеры для достижения лучшего эффекта. Или с расположением форсунок. Или и с тем и с другим. Или ввести новую вводную. Словом — «газу» мозгам и — вперде.

dp47
dp47

Да мне то понятно как он работает. Я не пойму, в чем ваш вопрос состоит? Изначально вам не понравилось «пульсирующий двигун без пульсаций» я вроде как бы объяснил, сейчас нет вопросов о непрерывности? Пожалуйста, если вам нужны мои комментарии, сформулируйте конкретный вопрос, я постараюсь вам объяснить в меру своего разумения.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

А у меня был какой то вопрос?
Я просто напросто указывал на некоторые глупости. которые вы изволили нопейсать.
А если вы прочейтаете мои ранние камменты. то вот это всё, что вы нопейсале в своём последнем камменте — там изначально нописано. Т.е. — мы вернулись к началу.
Еси вы этого не видите — то посмотрите хотя бы сейчас. И это стоило стопицот камментов и «выяснений». А дело — не стоит «выеденного яйца» — прочейтать начальные камменты и немного пораскинуть мозгаме.
Ну, ок — вы движетесь «пошагово», слишком много инфы в одном месте — то ли вас сбивают. то ли «не переваривариваются» вами зараз. И через стопицот этих самых камментов мы приходим к началу — ничего вас не беспокоит в этом?
/вот только што я два раза объяснил одно и то же/

dp47
dp47

Вы в своем уме? «Я там выше понапейсал тысячупятсот комментариев, и чтобы понять что я от тебя хочу иди и прочти их». Оно мне надо?

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

бл# — «что я от тебя хочу» — ты вже задрал, ей-Бгу!
Это не я к тебе прицепился каг банный лист с дурацкиме «выяснениями» и своими «видениями» вопроса.
Я просто указываю на то. что всё. что ты хочешь выяснить — вже нописано.
там ответы на твои вопросы.
Мои же вопросы — чистое ехидство и указания на твою глупость.
Чейтай.

dp47
dp47

Изначально я ответил на комментарий товарища holyboy. Ответ не содержал вопросов, к вам никаких обращений в нем не было. У меня и сейчас нет никаких вопросов, по работе двигателя. Это вы что-то пытаетесь умничать, но поскольку пишите тарабарским языком, мне трудно понять, что вам от меня нужно, и уж вообще нет никакого желания читать все ваши комментарии в обсуждении этой статьи. Есть вопрос? Задайте его нормальным языком. Нет вопроса? До свиданья.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130

Ну и да — штоп два разА «не вставать» — еси вы аргументировано рассмотрите «связку» торов, как конструкцию такого дрыгла(тут ещё подвопрос— много нужно форсунок в каждом из них или нет?) — вот тогда воопще вопросов не возникнет в понимании вами сути процесса.
Хотя — чёй та про «торы» — рассмотрите любую другую форму «камеры сгорания».

планета Шелезяка
планета Шелезяка

Так, оба встали и пошли в КБ устраиваться на проектирование этих движков.

dp47
dp47

Двигатель работает непрерывно? Да.
Все.